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來(lái)源：http://konuaer.com 作者：康華爾電子 2020年07月02
你不知道的MEMS與QUARTZ振蕩器相愛(ài)相殺的歷史
關(guān)于是使用MEMS更好還是QUARTZ比較好,這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)存在了至少十年,至今也沒(méi)有一個(gè)有效的答案,這在學(xué)界和業(yè)界里來(lái)說(shuō),其說(shuō)法也比較籠統(tǒng),反正還沒(méi)有一個(gè)定論.但是行業(yè)里有兩種聲音,一種說(shuō)是MEMS會(huì)替代石英晶振成為頻率元件的主導(dǎo)方向,另一種說(shuō)法是MEMS無(wú)法完全代替QUARTZ.分成兩派誰(shuí)也無(wú)法說(shuō)服誰(shuí),可以說(shuō)這么多年來(lái)硅晶與石英是一種相愛(ài)相殺的關(guān)系了,即不能完全擺脫對(duì)方的存在,也無(wú)法共存或結(jié)合在一起,以下內(nèi)容是有關(guān)于MEMS的發(fā)展歷史,以及與石英晶體/石英晶體振蕩器相爭(zhēng)的過(guò)程.
微機(jī)電系統(tǒng)或MEMS,是可以定義其最一般形式的技術(shù)作為使用微細(xì)加工技術(shù)制成的小型機(jī)械和機(jī)電元件(即設(shè)備和結(jié)構(gòu)).MEMS器件的關(guān)鍵物理尺寸可能從尺寸范圍的下端的一微米以下到幾毫米不等.同樣,MEMS器件的類型可以從沒(méi)有移動(dòng)元件的相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)到非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu).
在集成微電子控制下具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)元件的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng).MEMS的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是”至少有一些元件具有某種機(jī)械功能,無(wú)論這些元件是否可以移動(dòng).”MEMS技術(shù)現(xiàn)在被廣泛用于傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用中.此外,MEMS技術(shù)的新興應(yīng)用正在取代傳統(tǒng)的晶體振蕩器.本文將重點(diǎn)研究MEMS與晶體的關(guān)系,以闡明它們?cè)谙冗M(jìn)電子設(shè)計(jì)中的地位.
壓電晶體諧振器(晶體振蕩器)是WalterCady博士發(fā)明的,并在1920年代初獲得了專利.1921年,Cady設(shè)計(jì)了第一個(gè)基于石英晶體諧振器的頻率控制電路,并于1923年獲得了兩項(xiàng)關(guān)于石英晶體諧振器及其在無(wú)線電中的應(yīng)用的基本專利.隨后,晶體振蕩器迅速成為控制無(wú)線電通信和其他早期電子應(yīng)用中的頻率的標(biāo)準(zhǔn).
上個(gè)世紀(jì)后期,高頻電子應(yīng)用的快速發(fā)展推動(dòng)了振蕩器技術(shù)的發(fā)展.已開發(fā)出成本更低的晶體振蕩器替代品,以在頻率精度要求不高的應(yīng)用中提供定時(shí)功能.例如,在諸如VCR,電話,玩具之類的應(yīng)用中可以找到陶瓷諧振器,最近,MEMS振蕩器已成為晶體的替代品.
根據(jù)新墨西哥大學(xué)西南微系統(tǒng)教育中心在2008年發(fā)表的一篇論文,”自1960年代中期以來(lái),用于MEMS可編程晶振的核心技術(shù)一直在開發(fā)中,但自2006年以來(lái)僅在商業(yè)應(yīng)用方面足夠先進(jìn).”振蕩器是較老的,更成熟的石英晶體振蕩器的有效替代品,具有更好的抗振動(dòng)和機(jī)械沖擊能力,以及溫度變化方面的可靠性.”
從這一表述來(lái)看,也許可以得出結(jié)論,晶體振蕩器在標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)中已經(jīng)失去了地位,但這遠(yuǎn)非現(xiàn)實(shí).下頁(yè)頂部的圖1所示,SiMEMS器件的框圖由MEMS諧振器,穩(wěn)定的鎖相環(huán)和其他電路組成,以提供溫度穩(wěn)定性.航空航天技術(shù),軍事制導(dǎo)系統(tǒng),井下鉆井控制等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速,與性能最佳的MEMS器件相比,整個(gè)應(yīng)用范圍更適合于先進(jìn)的晶體振蕩器.雖然比MEMS昂貴,但晶體振蕩器的固有簡(jiǎn)單性增加了它們的可靠性.
對(duì)有關(guān)MEMS振蕩器性能的詳細(xì)信息的搜索會(huì)導(dǎo)致大量相互矛盾的信息.在準(zhǔn)備本文時(shí),審查了兩個(gè)詳盡的報(bào)告:
維基百科上有關(guān)該主題的文章是來(lái)自西南微系統(tǒng)教育中心的引文(上).盡管這是一篇引人注目的文章,但Wikipedia實(shí)際上將其標(biāo)記為具有”寫為廣告的內(nèi)容”.我以為可以假設(shè)許多Wiki帖子都受此困擾.即使這樣,這篇文章還是值得花時(shí)間閱讀的.
在2014年9月由愛(ài)普生晶振(Epson)發(fā)表的白皮書中,也許找到了與高可靠性應(yīng)用相關(guān)的更相關(guān)的信息來(lái)源.盡管該論文是由一家公司比較其自己的石英晶體振蕩器與可比較的MEMS器件而制作的,結(jié)果值得考慮.
本文比較了五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的性能:
相位噪聲和相位抖動(dòng)
實(shí)驗(yàn)室測(cè)量表明,晶體振蕩器的相位噪聲要比兩個(gè)Si-MEMS振蕩器中的任一個(gè)更好.
功耗
晶體振蕩器的功耗最低,為1.5mA,比”標(biāo)準(zhǔn)”Si-MEMS可編程晶體振蕩器低5倍,比”低抖動(dòng)”Si-MEMS振蕩器低20倍.
-晶體振蕩器具有最低的功耗,因?yàn)樗鼈兙哂姓袷幵吹幕局C波振蕩和簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì).
-相比之下,Si-MEMS振蕩器消耗的功率更多,因?yàn)樗鼈兙哂懈嗟碾娐?
啟動(dòng)特性
與MEMS器件相比,使用具有快速啟動(dòng)功能的振蕩器可以縮短喚醒周期并延長(zhǎng)電池壽命.
頻率溫度特性
首次檢查時(shí),Si-MEMS振蕩器的頻率和溫度特性似乎更好.仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn),當(dāng)分頻比切換以補(bǔ)償溫度變化時(shí),Si-MEMS振蕩器會(huì)出現(xiàn)跳頻.
頻率穩(wěn)定度
“標(biāo)準(zhǔn)”Si-MEMS晶振的跳頻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)無(wú)線射頻標(biāo)準(zhǔn).”低抖動(dòng)”Si-MEMS振蕩器具有更好的性能,但石英振蕩器更加穩(wěn)定.
MEMS振蕩器需要更復(fù)雜的電路來(lái)執(zhí)行基本功能并補(bǔ)償溫度變化和其他變量(圖1).盡管其本質(zhì)上更為復(fù)雜,但MEMS通常比晶體振蕩器便宜得多.隨著采用新興MEMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的所有其他功能,低成本MEMS振蕩器的適應(yīng)性顯然將增加.此外,MEMS振蕩器可以很好地應(yīng)對(duì)沖擊和振動(dòng).不利的一面是,MEMS振蕩器通常表現(xiàn)出較低的Q值,這會(huì)導(dǎo)致較差的相位噪聲和抖動(dòng),如參考白皮書所證明的那樣.最后,MEMS器件電路根本無(wú)法處理與空間相關(guān)的輻射暴露.
考慮到所有這些因素,在眾多應(yīng)用中,MEMS振蕩器是首選解決方案.較低的成本和可接受的性能水平使這些設(shè)備非常適合大批量消費(fèi)產(chǎn)品,包括手機(jī),玩具,游戲,汽車娛樂(lè)/導(dǎo)航系統(tǒng)等.在某些短期應(yīng)用(一次完成)很重要而長(zhǎng)期穩(wěn)定性不重要的航空航天應(yīng)用中,也可以考慮使用MEMS.
那么,經(jīng)典的高性能晶體振蕩器又在哪里呢?簡(jiǎn)單的答案可能是在高性能應(yīng)用程序中,絕對(duì)不需要”服務(wù)呼叫”!低地球軌道(LEO)和地球同步軌道衛(wèi)星等空間應(yīng)用是其中之一.像井下鉆井這樣的高溫應(yīng)用將是另一種應(yīng)用.軍事和航空電子應(yīng)用(如導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng))的溫度和頻率穩(wěn)定性至關(guān)重要.高清視頻顯示器中還發(fā)現(xiàn)了貼片石英晶振,除了出色的性能外,其他任何東西都將顯而易見(jiàn).
MEMS技術(shù)正在進(jìn)入振蕩器應(yīng)用領(lǐng)域,其低成本提供了一種有吸引力的解決方案.但是,超高可靠性的世界仍然是并將仍然是古老的晶體振蕩器的領(lǐng)域.
你不知道的MEMS與QUARTZ振蕩器相愛(ài)相殺的歷史
關(guān)于是使用MEMS更好還是QUARTZ比較好,這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)存在了至少十年,至今也沒(méi)有一個(gè)有效的答案,這在學(xué)界和業(yè)界里來(lái)說(shuō),其說(shuō)法也比較籠統(tǒng),反正還沒(méi)有一個(gè)定論.但是行業(yè)里有兩種聲音,一種說(shuō)是MEMS會(huì)替代石英晶振成為頻率元件的主導(dǎo)方向,另一種說(shuō)法是MEMS無(wú)法完全代替QUARTZ.分成兩派誰(shuí)也無(wú)法說(shuō)服誰(shuí),可以說(shuō)這么多年來(lái)硅晶與石英是一種相愛(ài)相殺的關(guān)系了,即不能完全擺脫對(duì)方的存在,也無(wú)法共存或結(jié)合在一起,以下內(nèi)容是有關(guān)于MEMS的發(fā)展歷史,以及與石英晶體/石英晶體振蕩器相爭(zhēng)的過(guò)程.
微機(jī)電系統(tǒng)或MEMS,是可以定義其最一般形式的技術(shù)作為使用微細(xì)加工技術(shù)制成的小型機(jī)械和機(jī)電元件(即設(shè)備和結(jié)構(gòu)).MEMS器件的關(guān)鍵物理尺寸可能從尺寸范圍的下端的一微米以下到幾毫米不等.同樣,MEMS器件的類型可以從沒(méi)有移動(dòng)元件的相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)到非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu).
在集成微電子控制下具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)元件的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng).MEMS的一個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)是”至少有一些元件具有某種機(jī)械功能,無(wú)論這些元件是否可以移動(dòng).”MEMS技術(shù)現(xiàn)在被廣泛用于傳感器和執(zhí)行器應(yīng)用中.此外,MEMS技術(shù)的新興應(yīng)用正在取代傳統(tǒng)的晶體振蕩器.本文將重點(diǎn)研究MEMS與晶體的關(guān)系,以闡明它們?cè)谙冗M(jìn)電子設(shè)計(jì)中的地位.
壓電晶體諧振器(晶體振蕩器)是WalterCady博士發(fā)明的,并在1920年代初獲得了專利.1921年,Cady設(shè)計(jì)了第一個(gè)基于石英晶體諧振器的頻率控制電路,并于1923年獲得了兩項(xiàng)關(guān)于石英晶體諧振器及其在無(wú)線電中的應(yīng)用的基本專利.隨后,晶體振蕩器迅速成為控制無(wú)線電通信和其他早期電子應(yīng)用中的頻率的標(biāo)準(zhǔn).
上個(gè)世紀(jì)后期,高頻電子應(yīng)用的快速發(fā)展推動(dòng)了振蕩器技術(shù)的發(fā)展.已開發(fā)出成本更低的晶體振蕩器替代品,以在頻率精度要求不高的應(yīng)用中提供定時(shí)功能.例如,在諸如VCR,電話,玩具之類的應(yīng)用中可以找到陶瓷諧振器,最近,MEMS振蕩器已成為晶體的替代品.
根據(jù)新墨西哥大學(xué)西南微系統(tǒng)教育中心在2008年發(fā)表的一篇論文,”自1960年代中期以來(lái),用于MEMS可編程晶振的核心技術(shù)一直在開發(fā)中,但自2006年以來(lái)僅在商業(yè)應(yīng)用方面足夠先進(jìn).”振蕩器是較老的,更成熟的石英晶體振蕩器的有效替代品,具有更好的抗振動(dòng)和機(jī)械沖擊能力,以及溫度變化方面的可靠性.”
從這一表述來(lái)看,也許可以得出結(jié)論,晶體振蕩器在標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)中已經(jīng)失去了地位,但這遠(yuǎn)非現(xiàn)實(shí).下頁(yè)頂部的圖1所示,SiMEMS器件的框圖由MEMS諧振器,穩(wěn)定的鎖相環(huán)和其他電路組成,以提供溫度穩(wěn)定性.航空航天技術(shù),軍事制導(dǎo)系統(tǒng),井下鉆井控制等領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速,與性能最佳的MEMS器件相比,整個(gè)應(yīng)用范圍更適合于先進(jìn)的晶體振蕩器.雖然比MEMS昂貴,但晶體振蕩器的固有簡(jiǎn)單性增加了它們的可靠性.
維基百科上有關(guān)該主題的文章是來(lái)自西南微系統(tǒng)教育中心的引文(上).盡管這是一篇引人注目的文章,但Wikipedia實(shí)際上將其標(biāo)記為具有”寫為廣告的內(nèi)容”.我以為可以假設(shè)許多Wiki帖子都受此困擾.即使這樣,這篇文章還是值得花時(shí)間閱讀的.
在2014年9月由愛(ài)普生晶振(Epson)發(fā)表的白皮書中,也許找到了與高可靠性應(yīng)用相關(guān)的更相關(guān)的信息來(lái)源.盡管該論文是由一家公司比較其自己的石英晶體振蕩器與可比較的MEMS器件而制作的,結(jié)果值得考慮.
本文比較了五個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的性能:
相位噪聲和相位抖動(dòng)
實(shí)驗(yàn)室測(cè)量表明,晶體振蕩器的相位噪聲要比兩個(gè)Si-MEMS振蕩器中的任一個(gè)更好.
功耗
晶體振蕩器的功耗最低,為1.5mA,比”標(biāo)準(zhǔn)”Si-MEMS可編程晶體振蕩器低5倍,比”低抖動(dòng)”Si-MEMS振蕩器低20倍.
-晶體振蕩器具有最低的功耗,因?yàn)樗鼈兙哂姓袷幵吹幕局C波振蕩和簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì).
-相比之下,Si-MEMS振蕩器消耗的功率更多,因?yàn)樗鼈兙哂懈嗟碾娐?
啟動(dòng)特性
與MEMS器件相比,使用具有快速啟動(dòng)功能的振蕩器可以縮短喚醒周期并延長(zhǎng)電池壽命.
頻率溫度特性
首次檢查時(shí),Si-MEMS振蕩器的頻率和溫度特性似乎更好.仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn),當(dāng)分頻比切換以補(bǔ)償溫度變化時(shí),Si-MEMS振蕩器會(huì)出現(xiàn)跳頻.
頻率穩(wěn)定度
“標(biāo)準(zhǔn)”Si-MEMS晶振的跳頻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)無(wú)線射頻標(biāo)準(zhǔn).”低抖動(dòng)”Si-MEMS振蕩器具有更好的性能,但石英振蕩器更加穩(wěn)定.
MEMS振蕩器需要更復(fù)雜的電路來(lái)執(zhí)行基本功能并補(bǔ)償溫度變化和其他變量(圖1).盡管其本質(zhì)上更為復(fù)雜,但MEMS通常比晶體振蕩器便宜得多.隨著采用新興MEMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的所有其他功能,低成本MEMS振蕩器的適應(yīng)性顯然將增加.此外,MEMS振蕩器可以很好地應(yīng)對(duì)沖擊和振動(dòng).不利的一面是,MEMS振蕩器通常表現(xiàn)出較低的Q值,這會(huì)導(dǎo)致較差的相位噪聲和抖動(dòng),如參考白皮書所證明的那樣.最后,MEMS器件電路根本無(wú)法處理與空間相關(guān)的輻射暴露.
考慮到所有這些因素,在眾多應(yīng)用中,MEMS振蕩器是首選解決方案.較低的成本和可接受的性能水平使這些設(shè)備非常適合大批量消費(fèi)產(chǎn)品,包括手機(jī),玩具,游戲,汽車娛樂(lè)/導(dǎo)航系統(tǒng)等.在某些短期應(yīng)用(一次完成)很重要而長(zhǎng)期穩(wěn)定性不重要的航空航天應(yīng)用中,也可以考慮使用MEMS.
那么,經(jīng)典的高性能晶體振蕩器又在哪里呢?簡(jiǎn)單的答案可能是在高性能應(yīng)用程序中,絕對(duì)不需要”服務(wù)呼叫”!低地球軌道(LEO)和地球同步軌道衛(wèi)星等空間應(yīng)用是其中之一.像井下鉆井這樣的高溫應(yīng)用將是另一種應(yīng)用.軍事和航空電子應(yīng)用(如導(dǎo)彈制導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng))的溫度和頻率穩(wěn)定性至關(guān)重要.高清視頻顯示器中還發(fā)現(xiàn)了貼片石英晶振,除了出色的性能外,其他任何東西都將顯而易見(jiàn).
MEMS技術(shù)正在進(jìn)入振蕩器應(yīng)用領(lǐng)域,其低成本提供了一種有吸引力的解決方案.但是,超高可靠性的世界仍然是并將仍然是古老的晶體振蕩器的領(lǐng)域.
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