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MEMS振荡器与传统石英晶振的比较优势

中心议题:
  • MEMS振荡器与传统石英晶振的比较优势
  • Stime最新的MEMS晶振性能介绍
解决方案:
  • MEMS振荡器体积更小巧,厚度可低至0.25毫米
  • MEMS振荡器的稳固程度为传统石英晶振的十倍
  • MEMS振荡器功耗更低(3.5毫安)、启动速度更快(3毫秒)、精度更高(10PPM)
  • MEMS振荡器采用的半导体技术,在生产的稳定性比传统石英晶振有优势
  • MEMS振荡器采用可编程的半导体技术,供货周期由传统晶振的十八周缩短为两周
  • MEMS振荡器振荡频率高(800M),且可以实现与现有石英晶振的PIN-TO-PIN引脚兼容

雕塑家罗丹说:“这世界从不缺乏美,缺少的只是发现的眼睛。”硅谷初创公司Sitime几位创始人的经历告诉我们:这世界也从不缺少创新的机会,缺少的只是勇于创新的思想。几位原本在BOSCH公司从事MEMS技术研究的科学家,发现了将MEMS技术引入时钟领域的机会,发明了基于MEMS技术的全硅可编程振荡器,从此在频率市场诞生了一个完全不同以往的产品,这将发起对现有石英振荡器的颠覆性冲击。

只有采用完全不同以往的思想、技术、工艺才能带来颠覆性的技术革命,这是修修补补的改造所不能实现的效果。由于MEMS振荡器的实现原理完全不同于以往的石英晶振,因此它可以克服现有石英晶振的很多先天劣势。具体总结如下:

由采用全硅MEMS技术所带来的优势
1.体积优势
石英晶振的振荡频率受石英晶体的体积所限,而要切割微小体积的石英晶体非常困难,且石英晶体的体积越小其制造良率就越低、制成后的抗冲击能力就越差。MEMS振荡器可以非常容易的实现小型化。

目前SiTime的MEMS振荡器已经可以实现2520的封装体积,而如此之小的体积,石英晶体很难做到,并且据SiTime公司的产品市场总监Jeff介绍:“下一步还要实现2016封装的MEMS振荡器。”



STIME公司产品市场总监Jeff Gao

除了越来越小的电子设备需要更小体积振荡器的配合,有些最新的电子设备的体积甚至已经小到了传统石英晶振难以满足要求的地步。比如下一代高容量SIM卡(HC-SIM)由于要具备USB接口,因此需要外加时钟,而HC SIM卡的厚度非常有限,厚度只有0.7毫米,传统的石英晶振厚度很难做到1毫米以内,这时厚度只有0.25毫米的SiT8003XT将成为最佳解决方案。

2.稳定度优势
传统晶振在使用20M-33MHrs后会发生性能稳定性下降的问题,而MEMS振荡器出现该问题的时间是500MHrs,稳定度提高十倍以上。

另外由于采用了SiTime公司拥有专利的稳固封装,MEMS振荡器的仿真系数达到-50,000G,而传统的石英晶振只能达到-2,000G。因此相比较易破碎的石英晶振,MEMS晶振要坚固的多。

3.效能优势
MEMS晶振可以做到更低的功耗和更快的启动时间。功耗可低至3.5毫安,启动速度快至3毫秒。这可以对满足现有便携产品的低功耗要求带来帮助。

MEMS振荡器可以实现10个PPM的精度,这是石英晶振难以达到的,现有石英晶振的最高精度为25-30PPM。更高的精度为设计师设计产品提供了冗余。

4.质量的一致性优势
MEMS振荡器采用全硅工艺,完全按照半导体IC的制作工艺生产,可以采用成熟、稳定的半导体工艺,因此它的质量稳定性更高。不同频率的石英晶振则要采用不同的切割生产线,最后对产品的质量稳定性带来影响。

5.成本优势
MEMS采用全硅工艺,可以在世界上任何一家晶圆厂代工,巨大的产品数量不会对产品成本带来影响。而如果是石英晶振,厂家如果要满足超出目前产能的产品数量需求就需要添置设备建设更多的生产线,人力成本和设备成本的增加都会直接影响产品的成本,而新设备、新工人的使用甚至会对产品质量的稳定性带来影响。

由于采用可编程技术带来的优势
1.交货周期大幅缩短
由于采用可编程技术,可以针对客户的不同频率需要,在很短的时间内提供不同频率的产品,平均的供货期为两周,而石英晶振通常的供货周期为十八周。这在制造商对上市时间越来越敏感,产品生命周期越来越短的今天是十分重要的。

SiTime的亚太区销售副总David介绍,为了满足美国一家客人的需要,SiTime在24小时内就提供了样片、一周内提供了100片产品,而在两周内就实现了满足客户需求的批量供货。

2.减少供货商的数量和验证时间
采用传统的石英晶振,没有一家厂家可以保证能够提供客户所需的所有频率。因此制造商需要选用多个晶振制造商的产品,并且为了保证产品可靠性需要对不同频率的晶振进行验证。

采用MEMS振荡器,由于频率是可编程的,只需要采有一个厂家的有限数量的振荡器就可以满足制造商对不同频率振荡器的需要。和尽量少的供货商打交道,尽量少的花费产品验证时间对制造商降低成本、简化制造流程、加快产品上市时间都是有帮助的。

3.对制造商解决EMI问题带来帮助
虽然设计师在设计初期做很多EMI/EMC问题的考量,但往往会还是会在最终设计完成时碰到由于通不过EMI测试而无法量产的问题。传统的解决方法是:1.重新优化布板,这是花费时间最长、成本最高的做法。2.给相应的位置增加屏蔽罩和滤波器,这样会增加成本和制造难度。3.有了MEMS扩频振荡器,现在还有一种方法是采用扩频振荡器扩展时钟频谱对由时钟带来的EMI问题加以解决,采用不同的扩展方式和扩展幅度可以取得不同的效果,最好的情况是可以降低EMI12个dB。实际应用中,已经有设计师通过使用MEMS扩频时钟代替原有石英晶振使原来通不过EMI测试的产品顺利过关。

其他优势:
  • 和现有的石英晶振PIN-TO-PIN,可以顺利替代。
  • 可以采用从1.8V至3.3V的多种电压,全面覆盖现有电子产品的输出电压规格。
  • 具备差分输出功能。振荡频率高,最高可以实现800M的振荡频率,满足通信等高端应用的需要。

由于存在以上的性能优势,长期来看MEMS振荡器将代替现有的石英晶振。但由于振荡器在使用中具有价格低、用量大、功能重要的特点,很多制造商都有自己的使用习惯和固定客户,MEMS晶振要代替石英晶振也存在以下需要解决的问题:
  • 扩大MEMS振荡器在业界的认知度
  • 客户使用习惯的培养
  • 拉大与石英晶振的价格优势,目前只是价格相当
SiTime的亚太区销售总监David介绍,该公司的MEMS晶振目前还主要是满足制造商在替代使用中的需要,但是用过MEMS振荡器的客户由于认识到了MEMS振荡器的优势,回头率都很高,该公司的MEMS振荡器出货量累计已达800万片,而这些出货量主要是2008年后取得的,出货量的增速增加很快.

石英晶振自诞生起已经走过了几十年的时间,MEMS振荡器是否是一个改朝换代的发明,我们都拭目以待。不过我建议设计师们可以尝试一下,也许若干年后,当MEMS振荡器一统江湖的时候,你会为自己的先见之明而感到骄傲呢?



图中最小的chip为STIME公司的最新MEMS振荡器产品
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