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全硅MEMS振荡器与石英晶体振荡器的不同

汽车玩家 来源:晶科鑫 作者:晶科鑫 2020-05-04 17:56 次阅读

自从苹果手机首次使用了MEMS产品以来, MEMS工艺就掀起了一波又一波的热潮。诚然MEMS产品有其独特的地方,弥补了传统产品的某些方面的不足,但是能否就说传统产品就即将被完全替代呢,还是产品之间的相互补充呢?所以我们就需要客观认识新的产品和传统产品之间的优缺点,方才有助于我们合理的选用相关产品,全硅MEMS振荡器和石英晶体振荡器也应如此。

石英晶体已经在存在半个多世纪了,一直占居着绝大部分的时钟频率市场。石英晶体分为有源和无源两大系列,从使用量来说,绝大多数产品均选用成本较低的无源晶振,即石英晶体谐振器,所以无源晶振使用更广泛。而全硅MEMS系列产品声称要替代的其实就是指有源晶振的部分,即石英晶体振荡器,换个说法如果要替代无源,恐怕就不是一个单一频率器件之间的替代,而是要整合到主控IC里去,属于主控IC的功能的扩展,跟MEMS还没有太大关系。所以我们重点客观的对比分析的是全硅MEMS振荡器和有源晶振的比较,认识各自的特点。

首先,从工作原理来看,MEMS振荡器它是由一个全硅的MEMS谐振器(类似一颗无源石英谐振器)和一个可编程Analog CMOS驱动芯片组成的。而石英晶体振荡器它也是由一个石英晶体和一颗IC 组成的。他们之间的大体结构,以及工作模型是一致的。然他们之间的不同,在于以下几个方面:

第一,谐振子的不同,即频率源有本质的区别,MEMS器件采用的静电驱动悬梁臂,以悬梁臂的谐振频率作为基准频率, 他可以通过程序任意倍频而输出各种需要的工作的频率。而石英晶振利用的石英材料的压电特性,用石英晶片的频率作为工作频率,其工作频率就是里面的石英晶片的频率;MEMS器件一个基准频率可以输出很多的频率;而石英晶振是基准频率就是其工作频率;这正是全硅MEMS振荡器的一个很重要的方便之处,其快速交货能力正是来源于此,对比晶振工艺,晶振制程显得比较复杂的原因所在。

第二,驱动芯片的特性,MEMS采用的是可编程CMOS芯片,故输出只能是方波;而石英晶振所使用的芯片就比MEMS广泛,所以其输出特性不仅仅有方波,还有正弦波等各种波形。全硅MEMS振荡器只能输出方波,所以在对输出有特别要求的场合下,全硅MEMS振荡器可能满足不了客户需求,而这又凸显是石英晶体振荡器的性能的全面性。

第三,材料及封装结构,从这个方面来说,确实是MEMS的无可比拟的优势,晶圆的制造工艺,在结构上和产品小型化方面有其独特的优势;而使用晶振在体积超小型化方面,因受到材料特性,以及工艺条件出现瓶颈,同时在成本上也明显不占有优势。

俗话说,成也萧何,败也萧何,有其优点也必有其缺点,不可能十全十美,产品也如此,下面我们从有源频率器件的几个非常关键的参数进行比较。

第一,输出频率公差,通常有源频率器件的频差,都是指总频差或一定工作温度范围内的频差。

首先,我们比较不带额外补偿功能的情况,即普通钟振,作为普通钟振来说,其实客户产品对频差的要求本身并不高,关心的是产品的稳定性。通常只要满足±50ppm使用都不会有任何影响,所以去讨论特别的精度如±20ppm及以下其实没有太大的意思。不过既然要比较,那也应该有个结果才对,石英晶振的温度频率变化有其本身的特性曲线;MEMS谐振器其频率完全是机械谐振,所以温度对频率的影响较小,所以在较宽温度范围,如工业级等,MEMS有一定的优势,但同时由于石英晶振在25度有个拐点温度,那么在较窄的温度范围内,如0~55℃,石英晶振可以做到±2.5ppm,石英晶振此时则又体现了优势。

其次,带一定补偿的情况,如温度补偿条件下即温补振荡器,如果对频率精度要求不高的话,比如大于±2.5ppm,性能上差异不大,关键是价格,而价格由很多因素决定,所以可能各有优势。那么对于特殊精度如±0.5ppm及以下,在这方面石英晶体发展的比较成熟,全硅MEMS振荡器是属于追赶者,全硅MEMS振荡器能否替代还要看其技术发展及成熟度。

第二,输出特性

前面已经讲过,MEMS产品输出只有方波;而石英晶振输出特性多样化,包含方波还有正弦波,削峰正弦波等,可以满足客户的各种需求。

第三,功耗

随着智能产品的蓬勃发展,产品的功耗越来越受到关注;这两大产品在这个问题上也各有其优缺点。

普通产品(不带任何补偿), 在频率小于30MHZ 的产品,两者功耗,相差不大,大于30MHZ石英晶振因其功耗同频率成一定的正比关系,其功耗变大;而MEMS器件由于频率高低由编程实现,功耗具有优势,总的来说在普通产品,功耗方面MEMS器件优势明显。不过,在温补系列产品,石英晶振功耗却较低,石英晶振在2~6mA;而MEMS振荡器在30mA左右,差异较大。

所以他们各有优缺点,你需要什么功能就应该选择什么类型的产品,不能一概而论。

第四,相噪及抖动

在相噪及抖动的特性上,全硅MEMS振荡器同样是扮演着追赶者角色,也一直在努力提高相关特性。但是在这个问题上,我们同时也要一分为二的看待,产品的好坏是以满足客户需求为目标,而不是一味追求最好,所以相噪及抖动应以客人的需求为准;当然对于某些产品需要更高相噪和抖动,那么还是建议选择石英晶体振荡器更能满足要求。

其它,体现产品性能的指标还有很多,比如更低电压工作特性,更快启动时间等等,只是这些方面属于一些特别的应用,对于这些特殊要求,实现难易考验是厂家的研发实力。

说完产品性能的差别,再中立的说说一些争论的话题

第一。 交期问题

MEMS厂家或代理商,说晶振产品工艺复杂,生产过程长,所以交货周期长;而MEMS产品,可以批量备货空白MEMS器件,要用时,根据需求快速烧录即可;如此可以实现快速交货。

其实这个问题看似好像有道理,但是一概而论未免有失偏颇,晶振产业是非常成熟产业,有其固定的运作规则;晶振和MEMS产品制程区别在于,晶振属于类似流水作业,工序较多,MEMS属于集成电路作业。在国内,晶振产品交货期长主要是国外品牌的交货期长,国产品牌交货期也是很快的,频率器件的使用跟应用方案相关,只要方案还在用,相关产品就会一直使用;所以优秀的有实力的晶振厂家,采用的预生产方式,寻求长期合作,为客户备货,这样满足快速交货,以弥补交期较长的问题。所以选择有实力的厂家才是保证供货关键,否则再简单的产品也未必能做到顺利交付。

第二。 产品的灵活性

这是MEMS振荡器特别自傲的地方,因为采用了可编程设计,所以将频率看的非常简单,通过软件任意倍频可以达成任何想要频率。针对这个就如前面所讲,有优点,也必有其缺点,关键是客户对产品的需求;只有自身的价值来符合客户的需求,方能得到客户青睐。同样,作为石英晶体振荡器,也研发出来了类似的可编程晶振,代表性厂家为EPSON,而后很多晶振厂家也陆续推出类似编程设计产品,也能达到快速交货,增加晶体振荡器的灵活性。

第三。 产品可靠性

关于温度特性的问题,跟温度相关的主要指的是频率精度,在前面介绍频率精度时做出了分析,可见各有优缺点,关键是客户的选择。

其次,机械可靠性,MEMS具有摔不坏的特性,根据MEMS产品的结构特点,这方面的可靠性非常好;不过话又说回来,必须有清醒的认识,石英晶振确实在抗跌落方面需特别小心,但是晶振产品存在了半个多世纪,也就是说在通常的产品是满足要求的,或至少跟整机特性是匹配的,所以这个方面其实没有太必要的担心。

市场出现新鲜的事物总是好事,说明社会在进步,相信全硅MEMS振荡器随着技术的越来越成熟,作为频率时钟器件用途越来越广泛。

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