压电MEMS振荡器用于工业频率控制的时代已经到来

Harmeet Bhugra
IDT公司

从消费性多媒体产品到工业自动化和监视系统、网路和通讯基础设备以及坚固的军用设备，所有数位电子产品都有一个滴答作响的‘心脏’，即一个准确的振荡器。历史上，工程师一直利用石英晶体的谐振特性来实现准确的定时。随着提高可靠性和性能的压力持续增大、对更小尺寸和更低功耗的要求以及逻辑电路速度的提高，这一切都促使定时专家开发新的材料和技术。

压电MEMS(pMEMS)谐振器和振荡器是新一代基于晶片的频率控制元件中的两种元件，这类基于矽技术的新一代元件有很多优势，例如具备半导体级的抗冲击和抗震动性能。此外，半导体的特征尺寸允许在单个晶片上同时制造大量元件，因而可实现规模经济。此外，这类元件还可以采用低成本塑料封装，利用半导体级的整合度实现占板面积更小的封装，为节省电路板空间和不断微型化提供了机会。为了应对振荡器挑战，IDT开发了超小的、采用纤巧晶片级封装的谐振器(图1)。


图1：微型化pMEMS谐振器兼有更高的可靠性和经济性，还有无需电源的被动执行优势。

pMEMS振荡器的其他优点包括：自然地与表面安装组装流程相容，而且从订货到交货的时间很短。这使供应商和用户(电子产品制造商)能降低供货短缺风险，保持更少的元件库存。如同使用石英晶体时一样，pMEMS谐振器无需电源，而且插入损耗更低。此外，MEMS谐振器不会遭遇频率扰动(activity dip)问题，而这一问题可能损害石英晶体元件的可靠性。

随着产品的更新换代，商用MEMS振荡器的性能一直在稳步上升，已日益接近传统石英晶体元件的性能。根据IHS iSuppli公司的研究，MEMS振荡器市场最初是由小型新兴公司驱动的，随着IDT等定时元件供应商在市场上取得稳固地位后，他们投入了更多开发资源，希望通过改善MEMS振荡器晶片的设计来进一步改善其性能和功能。因此，MEMS振荡器市场可望进入更高速的发展阶段。IHS iSuppli公司董事兼MEMS及感测器首席分析师Jeremie Bouchaud预测，在40亿美元的频率控制产品市场上，MEMS振荡器的市场占有率将从2010年相对较小的1350万美元成长到2015年的2.05亿美元。这相当于72.3%的年复合成长率。

随着2012年5月推出4M系列振荡器，IDT推出了世界上第一款能提供高性能通讯、消费性、云运算和工业应用所需的频率准确度和抖动性能的pMEMS振荡器。

在4M系列pMEMS谐振器的设计中，IDT结合了压电材料强大的机电耦合特性和单晶矽的稳定性与低衰减特性，开发出了一个实用、经济的振荡器系列，该系列的可靠性和性能水准均很高。图2显示了4M MEMS振荡器的简化功能架构图。


图2：诸如4M系列等最新的pMEMS振荡器提供更高的性能和更紧密的功能整合

4M振荡器的次皮秒级抖动性能可与典型的晶体振荡器相媲美，且频率准确度在±50ppm之内。该系列元件在频率高达625MHz时，支援低压差分讯号(LVDS)和低压正发射极耦合逻辑(LVPECL)，因而满足大多数通讯、网路和高性能运算应用的严格要求。该系列振荡器在2.5V至3.3V的电源电压范围内工作。所规定的±5ppm的老化稳定性使这些元件适用于电信和网际网路基础设备领域的应用。

与基于石英晶体的传统元件相较，pMEMS技术的固有特性还允许更高的固有谐振频率，因而使这些振荡器不必牺牲关键性能规格，就能以富有竞争力的价格提供更高的性能。4M系列元件凭借小型晶片尺寸和晶片级封装，可采用更小的5mm x 3.2mm(5032)塑料封装，该系列元件也提供7mm x 5mm(7050)封装选择，以与广泛采用的石英晶体的外形尺寸相匹配。

振荡器评估板(图3)帮助工程师开始新的设计，并快速了解怎样利用这种新型元件实现最佳性能。


图3：评估板帮助工程师利用4M系列pMEMS振荡器进行设计

IDT还提供pMEMS时脉产生器，例如CrystalFree 5V系列，该系列产品结合了pMEMS振荡器技术和锁相环(PLL)技术，可为消费性、运算以及嵌入式应用提供优质时脉频率。通过整合pMEMS技术，这些元件无需额外的外部频率源，因此有助于提高可靠性、减少电路板尺寸并降低系统成本。实际上，pMEMS技术能使很多新颖的功能整合在同一封装中，例如时脉倍频器、分频器、多输出配置等。

pMEMS技术的另一个好处是，振荡器输出频率可以在元件离开工厂之前快速设定，而无需耗时或费用高昂的微调。这使供应商如IDT能以富有竞争力的价格提供定制频率，即使最低订单量较少也一样。
坚固的工业频率控制

随着MEMS振荡器领域最近取得的进步，如4M pMEMS系列所显示，MEMS振荡器技术已经准备就绪，能提供精确的工业应用所需的准确度和稳定性。随着工业电子产品领域产生的变化，例如广泛采用为工作人员提供更大灵活性并有助于提高生产率的手持式设备，pMEMS振荡器固有的抗冲击和抗振动性能引起了设备设计师的关注和兴趣。

标准石英晶体元件被看作易损坏组件，在这种元件中，晶体夹装在金属外壳中。大约50g至100g的冲击就能使晶体断裂，因此晶体制造商会发布晶体组件的储存、包装及运输指导原则。这类指导原则规定，要避免不小心的处理方法，例如掉落或抛扔装有晶体的容器或系统，或者在将晶体组件插入系统时，用力过大。

晶体制造商已经开发出抗冲击性很强的产品，这类产品抗机械应力的性能得到了极大的提高。在所采用的方法中，大幅地减少晶体尺寸和特征尺寸，例如调整音叉叉齿，可有效减少品质和降低内部剪切力。此外，安装和陶瓷封装技术的改进也为提高晶体的抗损性作出了进一步的贡献。今天的高抗冲击性晶体能经受远超10,000g的冲击而不被损坏，而抗冲击性最高的晶体能承受超过100,000g的冲击，以用在要求极端苛刻的军用应用中。

相较之下，MEMS振荡器具备半导体级的坚固性，不依靠特殊的构造或封装方法，就能提供50,000g量级的高抗冲击性。这为设计师提供了即经济又坚固的定时解决方案，在众多类型的设备中提供了长期可靠性，例如：重型钻或切割设备的驱动装置；运动控制；运输系统中的电子产品，如轨道牵引传动装置或刹车控制器。汽车电子产品设计师也可以利用pMEMS元件具备的抗机械应力的坚固性，开发能承受连续高强度振动的产品模组，这类振动即使在汽车的正常使用中也会遇到。[!--empirenews.page--]

本文小结

总之，具备次皮秒级抖动的pMEMS振荡器为设计师提供了更大的选择自由，加速了向更小、更准确、价格更富竞争力的定时解决方案的转变。这最终将允许设计师准确确定，哪些类型的元件最适合最终应用，他们可以选择晶体振荡器、CMOS矽振荡器或压电MEMS元件，以满足成本、频率、准确度、稳定性、机械弹力、尺寸、功耗和可用性要求。