壓電MEMS振蕩器用于工業(yè)頻率控制的時代已經(jīng)到來

Harmeet Bhugra
IDT公司

從消費性多媒體產(chǎn)品到工業(yè)自動化和監(jiān)視系統(tǒng)、網(wǎng)路和通訊基礎(chǔ)設(shè)備以及堅固的軍用設(shè)備，所有數(shù)位電子產(chǎn)品都有一個滴答作響的‘心臟’，即一個準(zhǔn)確的振蕩器。歷史上，工程師一直利用石英晶體的諧振特性來實現(xiàn)準(zhǔn)確的定時。隨著提高可靠性和性能的壓力持續(xù)增大、對更小尺寸和更低功耗的要求以及邏輯電路速度的提高，這一切都促使定時專家開發(fā)新的材料和技術(shù)。

壓電MEMS(pMEMS)諧振器和振蕩器是新一代基于晶片的頻率控制元件中的兩種元件，這類基于矽技術(shù)的新一代元件有很多優(yōu)勢，例如具備半導(dǎo)體級的抗沖擊和抗震動性能。此外，半導(dǎo)體的特征尺寸允許在單個晶片上同時制造大量元件，因而可實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)。此外，這類元件還可以采用低成本塑料封裝，利用半導(dǎo)體級的整合度實現(xiàn)占板面積更小的封裝，為節(jié)省電路板空間和不斷微型化提供了機(jī)會。為了應(yīng)對振蕩器挑戰(zhàn)，IDT開發(fā)了超小的、采用纖巧晶片級封裝的諧振器(圖1)。


圖1：微型化pMEMS諧振器兼有更高的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，還有無需電源的被動執(zhí)行優(yōu)勢。

pMEMS振蕩器的其他優(yōu)點包括：自然地與表面安裝組裝流程相容，而且從訂貨到交貨的時間很短。這使供應(yīng)商和用戶(電子產(chǎn)品制造商)能降低供貨短缺風(fēng)險，保持更少的元件庫存。如同使用石英晶體時一樣，pMEMS諧振器無需電源，而且插入損耗更低。此外，MEMS諧振器不會遭遇頻率擾動(activity dip)問題，而這一問題可能損害石英晶體元件的可靠性。

隨著產(chǎn)品的更新?lián)Q代，商用MEMS振蕩器的性能一直在穩(wěn)步上升，已日益接近傳統(tǒng)石英晶體元件的性能。根據(jù)IHS iSuppli公司的研究，MEMS振蕩器市場最初是由小型新興公司驅(qū)動的，隨著IDT等定時元件供應(yīng)商在市場上取得穩(wěn)固地位后，他們投入了更多開發(fā)資源，希望通過改善MEMS振蕩器晶片的設(shè)計來進(jìn)一步改善其性能和功能。因此，MEMS振蕩器市場可望進(jìn)入更高速的發(fā)展階段。IHS iSuppli公司董事兼MEMS及感測器首席分析師Jeremie Bouchaud預(yù)測，在40億美元的頻率控制產(chǎn)品市場上，MEMS振蕩器的市場占有率將從2010年相對較小的1350萬美元成長到2015年的2.05億美元。這相當(dāng)于72.3%的年復(fù)合成長率。

隨著2012年5月推出4M系列振蕩器，IDT推出了世界上第一款能提供高性能通訊、消費性、云運算和工業(yè)應(yīng)用所需的頻率準(zhǔn)確度和抖動性能的pMEMS振蕩器。

在4M系列pMEMS諧振器的設(shè)計中，IDT結(jié)合了壓電材料強大的機(jī)電耦合特性和單晶矽的穩(wěn)定性與低衰減特性，開發(fā)出了一個實用、經(jīng)濟(jì)的振蕩器系列，該系列的可靠性和性能水準(zhǔn)均很高。圖2顯示了4M MEMS振蕩器的簡化功能架構(gòu)圖。


圖2：諸如4M系列等最新的pMEMS振蕩器提供更高的性能和更緊密的功能整合

4M振蕩器的次皮秒級抖動性能可與典型的晶體振蕩器相媲美，且頻率準(zhǔn)確度在±50ppm之內(nèi)。該系列元件在頻率高達(dá)625MHz時，支援低壓差分訊號(LVDS)和低壓正發(fā)射極耦合邏輯(LVPECL)，因而滿足大多數(shù)通訊、網(wǎng)路和高性能運算應(yīng)用的嚴(yán)格要求。該系列振蕩器在2.5V至3.3V的電源電壓范圍內(nèi)工作。所規(guī)定的±5ppm的老化穩(wěn)定性使這些元件適用于電信和網(wǎng)際網(wǎng)路基礎(chǔ)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。

與基于石英晶體的傳統(tǒng)元件相較，pMEMS技術(shù)的固有特性還允許更高的固有諧振頻率，因而使這些振蕩器不必犧牲關(guān)鍵性能規(guī)格，就能以富有競爭力的價格提供更高的性能。4M系列元件憑借小型晶片尺寸和晶片級封裝，可采用更小的5mm x 3.2mm(5032)塑料封裝，該系列元件也提供7mm x 5mm(7050)封裝選擇，以與廣泛采用的石英晶體的外形尺寸相匹配。

振蕩器評估板(圖3)幫助工程師開始新的設(shè)計，并快速了解怎樣利用這種新型元件實現(xiàn)最佳性能。


圖3：評估板幫助工程師利用4M系列pMEMS振蕩器進(jìn)行設(shè)計

IDT還提供pMEMS時脈產(chǎn)生器，例如CrystalFree 5V系列，該系列產(chǎn)品結(jié)合了pMEMS振蕩器技術(shù)和鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)，可為消費性、運算以及嵌入式應(yīng)用提供優(yōu)質(zhì)時脈頻率。通過整合pMEMS技術(shù)，這些元件無需額外的外部頻率源，因此有助于提高可靠性、減少電路板尺寸并降低系統(tǒng)成本。實際上，pMEMS技術(shù)能使很多新穎的功能整合在同一封裝中，例如時脈倍頻器、分頻器、多輸出配置等。

pMEMS技術(shù)的另一個好處是，振蕩器輸出頻率可以在元件離開工廠之前快速設(shè)定，而無需耗時或費用高昂的微調(diào)。這使供應(yīng)商如IDT能以富有競爭力的價格提供定制頻率，即使最低訂單量較少也一樣。
堅固的工業(yè)頻率控制

隨著MEMS振蕩器領(lǐng)域最近取得的進(jìn)步，如4M pMEMS系列所顯示，MEMS振蕩器技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，能提供精確的工業(yè)應(yīng)用所需的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。隨著工業(yè)電子產(chǎn)品領(lǐng)域產(chǎn)生的變化，例如廣泛采用為工作人員提供更大靈活性并有助于提高生產(chǎn)率的手持式設(shè)備，pMEMS振蕩器固有的抗沖擊和抗振動性能引起了設(shè)備設(shè)計師的關(guān)注和興趣。

標(biāo)準(zhǔn)石英晶體元件被看作易損壞組件，在這種元件中，晶體夾裝在金屬外殼中。大約50g至100g的沖擊就能使晶體斷裂，因此晶體制造商會發(fā)布晶體組件的儲存、包裝及運輸指導(dǎo)原則。這類指導(dǎo)原則規(guī)定，要避免不小心的處理方法，例如掉落或拋扔裝有晶體的容器或系統(tǒng)，或者在將晶體組件插入系統(tǒng)時，用力過大。

晶體制造商已經(jīng)開發(fā)出抗沖擊性很強的產(chǎn)品，這類產(chǎn)品抗機(jī)械應(yīng)力的性能得到了極大的提高。在所采用的方法中，大幅地減少晶體尺寸和特征尺寸，例如調(diào)整音叉叉齒，可有效減少品質(zhì)和降低內(nèi)部剪切力。此外，安裝和陶瓷封裝技術(shù)的改進(jìn)也為提高晶體的抗損性作出了進(jìn)一步的貢獻(xiàn)。今天的高抗沖擊性晶體能經(jīng)受遠(yuǎn)超10,000g的沖擊而不被損壞，而抗沖擊性最高的晶體能承受超過100,000g的沖擊，以用在要求極端苛刻的軍用應(yīng)用中。

相較之下，MEMS振蕩器具備半導(dǎo)體級的堅固性，不依靠特殊的構(gòu)造或封裝方法，就能提供50,000g量級的高抗沖擊性。這為設(shè)計師提供了即經(jīng)濟(jì)又堅固的定時解決方案，在眾多類型的設(shè)備中提供了長期可靠性，例如：重型鉆或切割設(shè)備的驅(qū)動裝置；運動控制；運輸系統(tǒng)中的電子產(chǎn)品，如軌道牽引傳動裝置或剎車控制器。汽車電子產(chǎn)品設(shè)計師也可以利用pMEMS元件具備的抗機(jī)械應(yīng)力的堅固性，開發(fā)能承受連續(xù)高強度振動的產(chǎn)品模組，這類振動即使在汽車的正常使用中也會遇到。[!--empirenews.page--]

本文小結(jié)

總之，具備次皮秒級抖動的pMEMS振蕩器為設(shè)計師提供了更大的選擇自由，加速了向更小、更準(zhǔn)確、價格更富競爭力的定時解決方案的轉(zhuǎn)變。這最終將允許設(shè)計師準(zhǔn)確確定，哪些類型的元件最適合最終應(yīng)用，他們可以選擇晶體振蕩器、CMOS矽振蕩器或壓電MEMS元件，以滿足成本、頻率、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、機(jī)械彈力、尺寸、功耗和可用性要求。