Silicon Labs創(chuàng)新技術為MEMS振蕩器帶來更高頻率穩(wěn)定性

由于生產流程復雜，封裝方式特殊，傳統(tǒng)的石英晶體振蕩器在尺寸、良品率和可靠性等方面都遇到了瓶頸。和石英晶體振蕩器相比，近幾年逐漸進入低頻市場的MEMS振蕩器不僅尺寸更小，在交付時間、供貨、可靠性和性價比等方面的優(yōu)勢也越來越明顯，更能滿足大批量應用的需求。

2012年，MEMS振蕩器的市場規(guī)模已經超過1億美元，并將持續(xù)高速增長。SITIME和IDT等公司已相繼推出了基于MEMS的振蕩器產品系列。近日，Silicon Labs開發(fā)出基于CMEMS專利技術的Si50x振蕩器系列，這為數碼相機、ATM機和內存等需要低成本、低功耗和批量生產的工業(yè)、嵌入式和消費類電子應用帶來了新的選擇。

Silicon Labs公司副總裁暨時序產品總經理Mike Petrowski表示，采用Silicon Labs獨創(chuàng)的CMEMS技術，Si50x振蕩器系列既具備現(xiàn)有雙晶片架構MEMS振蕩器的優(yōu)點，性能方面又更能媲美傳統(tǒng)的石英振蕩器，是成本和功耗受限的嵌入式、工業(yè)和消費類電子應用極佳的通用型振蕩器解決方案。

圖：Silicon Labs公司副總裁暨時序產品總經理Mike Petrowski

據Mike Petrowski介紹，依賴傳統(tǒng)技術的石英頻率控制設計有很多局限，例如需要更高專業(yè)化和復雜生產流程，基于陶瓷的特殊包裝，需要密閉可靠的腔體以及片外匹配電容，對環(huán)境因素敏感，尤其是熱力、沖擊和振動，可能導致現(xiàn)場故障。現(xiàn)有的雙晶片MEMS振蕩器雖然采用了更加標準的封裝技術，但仍然依賴主流批量CMOS工廠之外的專業(yè)MEMS工廠。此外，它對MEMS諧振器特性更加敏感，因此從系統(tǒng)性能和成本的角度來看不是最佳選擇。

圖：頻率控制技術的演進

得益于Silicon Labs設計團隊在混合信號3D設計方面積累的豐富經驗，Silicon Labs專利的CMEMS技術在單晶片上集成了MEMS諧振器和CMOS振蕩器電路，使振蕩器具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度。

圖：CMEMS技術在單晶片上集成了MEMS諧振器和CMOS振蕩器電路

Si50x CMEMS振蕩器最顯著的優(yōu)勢在于，它將MEMS架構直接構建于標準CMOS晶圓上，從而獲得更高的溫度穩(wěn)定性和抗老化性能。這種創(chuàng)新的結構使得溫度傳感器與MEMS諧振器的接觸更緊密，溫度補償功耗極低，速度更快。傳統(tǒng)的MEMS諧振器有-30至40ppm/℃ 的頻率漂移，而采用硅鍺合金+氧化硅材料的CMEMS頻率漂移接近+/-1 ppm/℃。

圖：Si50x振蕩器與晶體振蕩器在全工業(yè)溫度范圍內的穩(wěn)定性對比和抗老化性能對比。

除此之外，通過集合所有基于MEMS解決方案的優(yōu)點，以及保持或提升石英解決方案的多種最佳特性，CMEMS技術還具有可在先進的CMOS生產線上進行流線型晶圓級制造、流線型標準包裝、以及針對低噪聲參考的擴展頻率和EMI抗干擾性的特色，憑借這些優(yōu)勢CMEMS有望在頻率控制應用中取得積極突破。

IHS MEMS和傳感器總監(jiān)及資深首席分析師Jeremie Bouchaud表示：“時序產品市場已迎來轉折點，最新一代基于MEMS的振蕩器極具成本效益，能可靠替代傳統(tǒng)晶體振蕩器。Silicon Labs CMEMS技術把MEMS諧振器和頻率控制電路集成到單晶片器件中，為批量電子系統(tǒng)設計提供最完整的晶體振蕩器替代解決方案。”

Si50x系列產品包括四類產品，具有數千種靈活的定時配置，具體性能可參考近期產品發(fā)布。
• Si501是具有輸出使能（OE）功能的單頻率振蕩器
• Si502是具有OE和頻率選擇（FS）功能的雙頻率振蕩器
• Si503是具有FS技術的四頻率振蕩器
• Si504是完全可編程的振蕩器，支持所有配置特性，采用單腳接口，以十億分率的精度進行精確頻率調整。

Mike Petrowski表示，以Si50x系列為開端，未來的CMEMS產品線將滿足不同細分領域電子市場，從低頻到高頻，從嵌入式消費類產品到高性能通信和網絡應用，最終，將采用比石英解決方案更小、更經濟、更可靠、更容易制造和集成進入系統(tǒng)設計的完整頻率控制產品為整個市場提供服務。