Mikroelektromekanisk systemoscillator

Mikroelektromekaniska systemoscillatorer ( MEMS-oscillatorer) är enheter som genererar mycket stabila referensfrekvenser ( används för att sekvensera elektroniska system, hantera dataöverföring , definiera radiofrekvenser och mäta förfluten tid) för att mäta tid. Kärnteknologierna som används i MEMS-oscillatorer har varit under utveckling sedan mitten av 1960-talet, men har bara varit tillräckligt avancerade för kommersiella tillämpningar sedan 2006. MEMS-oscillatorer innehåller MEMS- resonatorer , som är mikroelektromekaniska strukturer som definierar stabila frekvenser. MEMS-klockgeneratorer är MEMS-timingenheter med flera utgångar för system som behöver mer än en enda referensfrekvens. MEMS-oscillatorer är ett giltigt alternativ till äldre, mer etablerade kvartskristalloscillatorer, som erbjuder bättre motståndskraft mot vibrationer och mekaniska stötar och tillförlitlighet med avseende på temperaturvariationer.

MEMS timing enheter

Resonatorer

MEMS-resonatorer är små elektromekaniska strukturer som vibrerar vid höga frekvenser. De används för tidsreferenser, signalfiltrering, massavkänning, biologisk avkänning, rörelseavkänning och andra olika tillämpningar. Den här artikeln handlar om deras tillämpning i frekvens- och tidsreferenser.

För frekvens- och tidsreferenser är MEMS-resonatorer anslutna till elektroniska kretsar, ofta kallade sustaining-förstärkare, för att driva dem i kontinuerlig rörelse. I de flesta fall är dessa kretsar placerade nära resonatorerna och i samma fysiska paket. Förutom att driva resonatorerna producerar dessa kretsar utsignaler för nedströmselektronik.

Oscillatorer

Enligt konvention betecknar termen oscillatorer vanligtvis integrerade kretsar (IC) som tillhandahåller enstaka utfrekvenser. MEMS-oscillatorer inkluderar MEMS-resonatorer, stödförstärkare och ytterligare elektronik för att ställa in eller justera deras utfrekvenser. Dessa kretsar inkluderar ofta faslåsta slingor (PLL) som producerar valbara eller programmerbara utfrekvenser från MEMS-referensfrekvenserna uppströms.

MEMS-oscillatorer är vanligtvis tillgängliga som 4- eller 6-stifts IC:er som överensstämmer med lödfotspår för tryckta kretskort ( PCB) som tidigare standardiserades för kvartskristalloscillatorer.

Klockgeneratorer

Termen klockgenerator betecknar vanligtvis en timing-IC med flera utgångar. Enligt denna sed är MEMS-klockgeneratorer flerutgångs-MEMS-timingenheter. Dessa används för att leverera tidssignaler i komplexa elektroniska system som kräver flera frekvenser eller klockfaser. kräver de flesta datorer oberoende klockor för processortiming, disk I/O, seriell I/O, videogenerering, Ethernet I/O, ljudkonvertering och andra funktioner.

Klockgeneratorer är vanligtvis specialiserade för sina tillämpningar, inklusive antalet och urvalet av frekvenser, olika hjälpfunktioner och paketkonfigurationer. De inkluderar ofta flera PLL:er för att generera flera utgångsfrekvenser eller faser.

Realtidsklockor

MEMS realtidsklockor (RTC) är IC:er som spårar tid på dagen och datum. De inkluderar MEMS- resonatorer , stödförstärkare och register som ökar med tiden, till exempel räknar dagar, timmar, minuter och sekunder. De inkluderar även hjälpfunktioner som larmutgångar och batterihantering .

RTC måste köras kontinuerligt för att hålla reda på förfluten tid. För att göra detta måste de ibland drivas från små batterier och måste därför arbeta med mycket låga effektnivåer. De är vanligtvis medelstora IC:er med upp till 20 stift för ström, batteribackup, digitalt gränssnitt och olika andra funktioner.

Historik för MEMS-timingsenheter

Första demonstrationen

Motiverade av bristerna hos kvartskristalloscillatorer har forskare utvecklat resonansegenskaperna hos MEMS-strukturer sedan 1965. Men fram till nyligen förhindrade olika noggrannhets-, stabilitets- och tillverkningsproblem relaterade till försegling, förpackning och justering av resonatorelementen kostnadseffektiv kommersiell tillverkning. Fem tekniska utmaningar måste övervinnas:

Första demonstrationerna
Att hitta stabila och förutsägbara resonatormaterial,
Utveckla tillräckligt rena hermetiska förpackningstekniker,
Trimma och kompensera utgångsfrekvenserna, öka kvalitetsfaktorn för resonatorelementen, och
Förbättring av signalintegriteten för att möta olika applikationskrav.

De första MEMS-resonatorerna byggdes med metalliska resonatorelement. Dessa resonatorer sågs som ljudfilter och hade måttliga kvalitetsfaktorer (Qs) på 500 och frekvenser på 1 kHz till 100 kHz. Filtreringstillämpningar, nu för högfrekvent radio, är fortfarande viktiga och är ett aktivt område för MEMS-forskning och kommersiella produkter .

Tidiga MEMS-resonatorer hade dock inte tillräckligt stabila frekvenser för att användas för tidsreferenser eller klockgenerering. De metalliska resonatorelementen tenderade att skifta frekvens med tiden (de åldrades) och med användningen (de tröttnade). Under temperaturvariation tenderade de att ha stora och inte helt förutsägbara frekvensskiftningar (de hade stor temperaturkänslighet) och när de var temperaturcyklade tenderade de att återgå till olika frekvenser (de var hysteretiska).

Materialutveckling

Arbete under 1970-talet till 1990-talet identifierade tillräckligt stabila resonatormaterial och tillhörande tillverkningstekniker. Speciellt en- och polykristallint kisel visade sig vara lämpliga för frekvensreferenser med effektivt nollåldring, trötthet och hysteres och med måttlig temperaturkänslighet.

Materialutveckling pågår fortfarande inom MEMS-resonatorforskning. Betydande ansträngningar har investerats i kisel-germanium (SiGe) för dess lågtemperaturtillverkning och aluminiumnitrid (AlN) för dess piezoelektriska transduktion. Arbetet med mikrobearbetad kvarts fortsätter, medan polykristallin diamant har använts för högfrekvensresonatorer för dess exceptionella styvhet-till-massa-förhållande.

Förpackningsutveckling

MEMS-resonatorer kräver kaviteter där de kan röra sig fritt, och för frekvensreferenser måste dessa kaviteter evakueras. Tidiga resonatorer byggdes ovanpå kiselskivor och testades i vakuumkammare, men individuell resonatorinkapsling behövdes helt klart.

MEMS-gemenskapen hade använt bonded cover-tekniker för att innesluta andra MEMS-komponenter, till exempel trycksensorer , accelerometrar och gyroskop , och dessa tekniker anpassades till resonatorer. I detta tillvägagångssätt mikrobearbetades täckskivor med små håligheter och bundna till resonatorskivorna, vilket innesluter resonatorerna i små evakuerade hålrum. Ursprungligen limmades dessa wafers med lågsmältande glas, kallat glasfritta , men nyligen har andra bindningsteknologier, inklusive metallisk kompression och metalliska amalgamer, ersatt glasfritta.

Inkapslingstekniker för tunnfilm utvecklades för att bilda slutna hålrum genom att bygga lock direkt över resonatorerna i tillverkningsprocessen snarare än att binda lock på resonatorerna. Dessa tekniker hade fördelen att de inte använde så mycket formarea för tätningsstrukturen, de krävde inte förberedelse av andra wafers för att bilda locken, och de resulterande anordningswafers var tunnare.

Frekvensreferenser kräver i allmänhet frekvensstabiliteter på 100 delar per miljon (ppm) eller bättre. Den tidiga täcknings- och inkapslingstekniken lämnade dock betydande mängder förorening i hålrummen. Eftersom MEMS-resonatorer är små, och särskilt eftersom de har liten volym-till-yta-area, är de särskilt känsliga för massbelastning. Även enatomslager av föroreningar som vatten eller kolväten kan förskjuta resonatorns frekvenser från specifikation.

När resonatorer åldras eller temperaturcykler kan föroreningarna röra sig i kamrarna och överföras till eller från resonatorerna. Förändringen i massa på resonatorerna kan ge en hysteres på tusentals ppm, vilket är oacceptabelt för praktiskt taget alla frekvensreferenstillämpningar.

Tidiga täckta resonatorer med tätningar av glasfritta var instabila eftersom föroreningar avgas från tätningsmaterialet. För att övervinna detta getters in i hålrummen. Getters är material som kan absorbera gas och föroreningar efter att kaviteter har tätats. Men getters kan också släppa ut föroreningar och kan vara kostsamma, så användningen av dem i den här applikationen avbryts till förmån för renare processer för bindningsprocesser.

På samma sätt kan tunnfilmsinkapsling fånga in tillverkningsbiprodukter i hålrummen. En högtemperatur tunnfilmsinkapsling baserad på epitaxiell kiselavsättning utvecklades för att eliminera detta. Denna epitaxiella tätningsprocess (EpiSeal) har visat sig vara exceptionellt ren och ger resonatorer med högsta stabilitet.

Elektroniskt frekvensval och trimning

I tidig MEMS-resonatorutveckling försökte forskare bygga resonatorer vid målapplikationsfrekvenserna och att bibehålla dessa frekvenser över temperatur. Tillvägagångssätt för att lösa detta problem inkluderade trimning och temperaturkompensering av MEMS-resonatorerna på ett sätt analogt med de som används för kvartskristall.

Dessa tekniker visade sig emellertid vara tekniskt begränsande och dyra. En mer effektiv lösning var att elektroniskt skifta resonatorernas frekvenser till oscillatorernas utfrekvenser. Detta hade fördelen att resonatorerna inte behövde trimmas individuellt; istället kunde deras frekvenser mätas och lämpliga skalningskoefficienter registreras i oscillator-IC. Dessutom kunde resonatorernas temperaturer mätas elektroniskt, och frekvensskalningen kunde justeras för att kompensera för resonatorernas frekvensvariation över temperaturen.

Förbättra signalintegriteten

Olika applikationer kräver klockor med fördefinierade signal- och prestandaspecifikationer. Av dessa är nyckelspecifikationerna fasbrus och frekvensstabilitet.

Fasbrus har optimerats genom att höja resonatorns naturliga frekvenser (f) och kvalitetsfaktorer (Q). Q anger hur länge resonatorer fortsätter att ringa efter att drivningen till dem har stoppats, eller motsvarande när de betraktas som filter hur smala deras passband är. Speciellt bestämmer Q gånger f, eller Qf-produkten, fasbruset nära bärvågen. Tidiga MEMS-resonatorer visade oacceptabelt låga Qf-produkter som referens. Betydande teoretiskt arbete klargjorde den underliggande fysiken medan experimentellt arbete utvecklade resonatorer med hög Qf. Den för närvarande tillgängliga MEMS Qf-prestandan är lämplig för praktiskt taget alla applikationer.

Resonatorstrukturell design, särskilt i lägeskontroll, förankringsmetoder, snäva-gap-omvandlare, linjäritet och arrayade strukturer förbrukade betydande forskningsansträngning.

Den erforderliga frekvensnoggrannheten sträcker sig från relativt lös för processorklockning, vanligtvis 50 till 100 ppm, till exakt för höghastighetsdataklockning, ofta 2,5 ppm och lägre. Forskning visade att MEMS-resonatorer och -oscillatorer kunde byggas till väl inom dessa nivåer. Kommersiella produkter finns nu tillgängliga till 0,5 ppm, vilket täcker de flesta applikationskraven.

Slutligen behövde frekvenskontrollelektroniken och tillhörande stödkretsar utvecklas och optimeras. Nyckelområden var temperatursensorer och PLL-design. Den senaste kretsutvecklingen har producerat MEMS-oscillatorer som är lämpliga för seriella höghastighetsapplikationer med integrerat jitter under pikosekunder.

Kommersialisering

US Defense Advanced Research Projects Agency ( DARPA ) finansierade ett brett utbud av MEMS-forskning som gav bastekniken för utvecklingen som beskrivs ovan. Under 2001 och 2002 lanserade DARPA programmen Nano Mechanical Array Signal Processors (NMASP) och Harsh Environment Robust Micromechanical Technology (HERMIT) för att specifikt utveckla MEMS högstabilitetsresonator- och förpackningsteknologier. Detta arbete var fruktbart och avancerade tekniken till en nivå där riskkapitalfinansierade startups kunde utveckla kommersiella produkter. Dessa startups inkluderade Discera 2001, SiTime 2004, Silicon Clocks 2006 och Harmonic Devices 2006. ^{[ citat behövs ]}

SiTime introducerade den första MEMS-oscillatorn i produktion 2006, följt av Discera 2007. Harmonic Devices bytte fokus till sensorprodukter och köptes av Qualcomm 2010. Silicon Clocks introducerade aldrig kommersiella produkter och köptes av Silicon Labs 2010. Ytterligare aktörer har meddelade sin avsikt att producera MEMS-oscillatorer, inklusive Sand 9 och VTI Technologies.

Efter försäljningsvolym rankas MEMS oscillatorleverantörer i fallande ordning som SiTime och Discera. Ett antal leverantörer av kvartsoscillatorer säljer MEMS-oscillatorer vidare. SiTime meddelade att det kumulativt har skickat 50 miljoner enheter i mitten av 2011. Andra har inte avslöjat försäljningsvolymer.

Drift

Man kan tänka sig MEMS-resonatorer som små klockor som ringer vid höga frekvenser. Små klockor ringer vid högre frekvenser än stora klockor, och eftersom MEMS-resonatorer är små kan de ringa vid höga frekvenser. Vanliga klockor är meter ner till centimeter i diameter och ringer i hundratals hertz till kilohertz ; MEMS-resonatorer är en tiondels millimeter i diameter och ringer från tiotals kilohertz till hundratals megahertz. MEMS-resonatorer har arbetat på över en gigahertz .

Vanliga klockor slås mekaniskt, medan MEMS-resonatorer är elektriskt drivna. Det finns två basteknologier som används för att bygga MEMS-resonatorer som skiljer sig åt i hur elektriska driv- och avkänningssignaler omvandlas från den mekaniska rörelsen. Dessa är elektrostatiska och piezoelektriska . Alla kommersiella MEMS-oscillatorer använder elektrostatisk transduktion medan MEMS-filter använder piezoelektrisk transduktion. Piezoelektriska resonatorer har inte visat tillräcklig frekvensstabilitet eller kvalitetsfaktor (Q) för frekvensreferenstillämpningar.

Elektroniska stödförstärkare driver resonatorerna i kontinuerlig oscillation. Dessa förstärkare detekterar resonatorrörelsen och driver in ytterligare energi i resonatorerna. De är noggrant utformade för att bibehålla resonatorernas rörelse vid lämpliga amplituder och för att extrahera utgående klocksignaler med låg brus.

Ytterligare kretsar som kallas fraktionella-n faslåsningsslingor (frac-N PLL) multiplicerar resonatorns mekaniska frekvenser till oscillatorns utfrekvenser. Dessa högt specialiserade PLL:er ställer in utfrekvenserna under kontroll av digitala tillståndsmaskiner. Tillståndsmaskinerna styrs av kalibrerings- och programdata lagrade i icke-flyktigt minne och justerar PLL-konfigurationerna för att kompensera för temperaturvariationer.

Tillståndsmaskinerna kan också byggas för att tillhandahålla ytterligare användarfunktioner, till exempel bandspridningsklockning och spänningsstyrd frekvenstrimning.

MEMS-klockgeneratorer är byggda med MEMS-oscillatorer i kärnan och inkluderar ytterligare kretsar för att förse de extra utgångarna. Denna extra krets är vanligtvis utformad för att tillhandahålla de specifika egenskaper som krävs av applikationerna.

MEMS RTC:er fungerar som oscillatorer men är optimerade för låg strömförbrukning och inkluderar hjälpkretsar för att spåra datum och tid. För att arbeta med låg effekt är de byggda med lågfrekventa MEMS-resonatorer. Man är noga med kretsdesignen för att minimera strömförbrukningen samtidigt som den erforderliga timingnoggrannheten tillhandahålls.

Tillverkning

Resonatorer

Beroende på typen av resonator görs tillverkningsprocessen antingen i en specialiserad MEMS-fabrik eller ett CMOS- gjuteri.

Tillverkningsprocessen varierar med resonator- och inkapslingsdesign, men i allmänhet är resonatorstrukturerna litografiskt mönstrade och plasmaetsade i eller på kiselskivor. Alla kommersiella MEMS-oscillatorer är byggda av poly- eller enkristallkisel.

Det är viktigt i elektrostatiskt transducerade resonatorer att bilda smala och välkontrollerade driv- och avkänningskondensatorgap. Dessa kan vara antingen laterala till exempel under resonatorerna eller vertikala bredvid resonatorerna. Varje alternativ har sina fördelar ^{[ ytterligare förklaring behövs ]} och båda används kommersiellt.

Resonatorerna är inkapslade antingen genom att binda täckskivor på resonatorskivorna eller genom att avsätta tunna filminkapslingsskikt över resonatorerna. Även här används båda metoderna kommersiellt.

Bondade täckskivor måste fästas med ett lim. Två alternativ används, en glasfritbondring eller en metallisk bondring. Glasfrittan har visat sig generera för mycket förorening, och därmed driva, och används inte längre allmänt.

För tunnfilmsinkapsling täcks resonatorernas strukturer med lager av oxid och kisel, frigörs sedan genom att den omgivande oxiden avlägsnas för att bilda fristående resonatorer, och slutligen förseglas med ytterligare en avsättning.

Kretslopp

De stödjande förstärkarna, PLL:erna och hjälpkretsarna är byggda med standard CMOS-processer med blandade signaler tillverkade i CMOS-gjuterier.

Integrerade MEMS-oscillatorer med CMOS-kretsar på samma IC-matris har demonstrerats men hittills är denna homogena integration inte kommersiellt gångbar. Istället är det fördelaktigt att producera MEMS-resonatorerna och CMOS-kretsarna på separata dyna och kombinera dem vid förpackningsstadiet. Att kombinera flera formar i ett enda paket på detta sätt kallas heterogen integration eller helt enkelt formstackning.

Förpackning

De färdiga MEMS-enheterna, inneslutna i små vakuumkammare på chipnivå, skärs i tärningar från sina kiselskivor och resonatormatrisen staplas på CMOS-matrisen och formas till plastförpackningar för att bilda oscillatorer.

MEMS oscillatorer är förpackade i samma fabriker och med samma utrustning och material som används för standard IC-förpackningar. Detta är en betydande bidragande faktor till deras kostnadseffektivitet och tillförlitlighet jämfört med kvartsoscillatorer, som är sammansatta med specialiserade keramiska förpackningar i specialbyggda fabriker.

Förpackningens dimensioner och dynas former matchar standardpaketen för kvartsoscillatorer, så MEMS-oscillatorerna kan lödas direkt på kretskort utformade för kvarts utan att kräva modifiering eller omdesign av kortet.

Testning och kalibrering

Produktionstester kontrollerar och kalibrerar MEMS-resonatorerna och CMOS-IC:erna för att verifiera att de fungerar enligt specifikationerna och trimma deras frekvenser. Dessutom har många MEMS-oscillatorer programmerbara utfrekvenser som kan konfigureras vid testtillfället. Naturligtvis är de olika typerna av oscillatorer konfigurerade från specialiserade CMOS- och MEMS-matriser. Till exempel är oscillatorer med låg effekt och hög prestanda inte byggda med samma form. Dessutom kräver högprecisionsoscillatorer ofta mer noggrann kalibrering än lågprecisionsoscillatorer.

MEMS-oscillatorer testas ungefär som vanliga IC:er. Precis som förpackningar görs detta i standard IC-fabriker med standard IC-testutrustning.

Att använda standard IC-förpackningar och testfaciliteter (kallade subcons i IC-industrin) ger MEMS-oscillatorer skalbarhet. Dessa anläggningar klarar av stora produktionsvolymer, ofta hundratals miljoner IC per dag. Denna kapacitet delas mellan många IC-företag, så att öka produktionsvolymerna för specifika IC:er, eller i detta fall specifika MEMS-oscillatorer, är en funktion av allokering av standardproduktionsutrustning. Omvänt har kvartsoscillatorfabriker sin natur en funktion, så att rampproduktion kräver installation av anpassad utrustning, vilket är mer kostsamt och tidskrävande än att allokera standardutrustning.

Jämför MEMS och kvartsoscillatorer

Kvartsoscillatorer säljs i mycket större kvantiteter än MEMS-oscillatorer och används i stor utsträckning och förstås av elektronikingenjörer. Därför tillhandahåller kvartsoscillatorer baslinjen från vilken MEMS-oscillatorer jämförs.

De senaste framstegen har gjort det möjligt för MEMS-baserade timingenheter att erbjuda prestandanivåer liknande, och ibland överlägsna, kvartsenheter. MEMS-oscillatorsignalkvaliteten mätt med fasbrus är nu tillräcklig för de flesta applikationer. Fasbrus på -150 dBc vid 10 kHz från 10 MHz är nu tillgänglig, en nivå som i allmänhet bara behövs för radiofrekvenstillämpningar (RF). MEMS-oscillatorer finns nu med integrerat jitter under 1,0 pikosekund, mätt från 12 kHz till 20 MHz, en nivå som normalt krävs för höghastighetsseriella datalänkar, såsom SONET och SyncE, och vissa instrumenteringsapplikationer.

Korttidsstabilitet, starttid och strömförbrukning liknar kvarts. ^{[ citat behövs ]} I vissa fall visar MEMS-oscillatorer lägre strömförbrukning än kvarts.

MEMS temperaturkompenserade oscillatorer (TCXO) med hög precision har nyligen tillkännagivits med ±0,1 ppm frekvensstabilitet över temperatur. Detta överträffar prestandan för alla utom de mycket avancerade kvarts-TCXO:erna och ugnsstyrda oscillatorerna (OCXOs) [ ^{citat behövs ]} . MEMS TCXO finns nu med utfrekvenser över 100 MHz, en kapacitet som endast ett fåtal specialiserade kvartsoscillatorer (t.ex. inverterad mesa) kan tillhandahålla. ^{[ citat behövs ]}

I RTC-tillämpningar presterar MEMS-oscillatorer något bättre än de bästa kvartsstämgafflarna när det gäller frekvensstabilitet över temperatur och nedlödning, medan kvarts fortfarande är överlägset för de lägsta effekttillämpningarna.

Det är svårt att tillverka och lagra kvartsoscillatorer enligt de många olika specifikationer som användarna kräver. ^{[ citat behövs ]} Olika tillämpningar kräver oscillatorer med specifika frekvenser, noggrannhetsnivåer, signalkvalitetsnivåer, förpackningsstorlekar, matningsspänningar och specialfunktioner. Kombinationen av dessa leder till en ökning av artikelnummer vilket gör lagerhållning opraktisk och kan leda till långa produktionsledtider. ^{[ citat behövs ]}

MEMS oscillatorleverantörer löser mångfaldsproblemet genom att utnyttja kretsteknologin. Medan kvartsoscillatorer vanligtvis är byggda med kvartskristallerna drivna vid de önskade utfrekvenserna [ ^{citat behövs ]} , driver MEMS-oscillatorer vanligtvis resonatorerna vid en frekvens och multiplicerar detta till den designade utfrekvensen. På detta sätt kan hundratals standardapplikationsfrekvenser och enstaka anpassade frekvenser tillhandahållas utan att omdesigna MEMS-resonatorerna eller -kretsarna.

Det finns naturligtvis skillnader i resonator, kretsar eller kalibrering som krävs för olika kategorier av delar, men inom dessa kategorier kan frekvensöversättningsparametrarna ofta programmeras in i MEMS-oscillatorerna sent i produktionsprocessen. Eftersom komponenterna inte är differentierade förrän sent i processen kan ledtiderna vara korta, vanligtvis några veckor. Tekniskt sett kan kvartsoscillatorer tillverkas med kretscentrerade programmerbara arkitekturer som de som används i MEMS, men historiskt sett har bara en minoritet byggts på detta sätt.

MEMS-oscillatorer är också avsevärt immuna mot stötar och vibrationer och har visat högre produktionskvalitetsnivåer än de som är förknippade med kvarts. ^{[ citat behövs ]}

Kvartsoscillatorer är säkra i specifika applikationer där lämpliga MEMS-oscillatorer inte har introducerats. En av dessa applikationer är till exempel spänningsstyrda TCXOs (VCTCXOs) för mobiltelefoner. Denna applikation kräver en mycket specifik uppsättning funktioner för vilka kvartsprodukter är mycket optimerade. ^{[ citat behövs ]}

Kvartsoscillatorer är överlägsna i de extremt höga delarna av prestandaområdet. Dessa inkluderar OCXO:er som kan upprätthålla stabilitet inom några delar per miljard (ppb), och ytakustiska vågor (SAW) oscillatorer som kan leverera jitter under 100 femtosekunder vid höga frekvenser. Fram till nyligen konkurrerade inte MEMS-oscillatorer i TCXO-produktsortimentet, men nya produktintroduktioner har fört MEMS-oscillatorer in på den marknaden.

Kvarts är fortfarande dominerande i klockgeneratorapplikationer. Dessa applikationer kräver mycket specialiserade utdatakombinationer och anpassade paket. Leveranskedjan för dessa produkter är specialiserad och inkluderar inte en MEMS-oscillatorleverantör.

Typiska Användningsområden

MEMS-oscillatorer ersätter kvartsoscillatorer i en mängd olika applikationer som dator-, konsument-, nätverks-, kommunikations-, bil- och industrisystem.

Programmerbara MEMS-oscillatorer kan användas i de flesta applikationer där kvartsoscillatorer med fast frekvens används, såsom PCI-Express, SATA, SAS, PCI, USB, Gigabit Ethernet, MPEG-video och kabelmodem.

MEMS klockgeneratorer är användbara i komplexa system som kräver flera frekvenser, såsom dataservrar och telekomväxlar.

MEMS realtidsklockor används i system som kräver exakta tidsmätningar. Smarta mätare för gas och el är ett exempel som förbrukar betydande mängder av dessa enheter.

MEMS-oscillatortyper och deras tillämpningar
Enhetstyp	Stabilitetsbetyg	Ansökningar	Kommentarer
XO — Oscillator	20 - 100 ppm	De som kräver en allmän klocka, såsom hemelektronik och datorer: mikroprocessorer digitala tillståndsmaskiner video- och ljudklockning datakommunikation med låg bandbredd, t.ex. USB och Ethernet	Detta var den första produktkategorin som levererades av MEMS oscillatorer
VCXO — Voltage Controlled Oscillator	< 50 ppm	Klocksynkronisering i: telekom bredband video instrumentation	Klockutgångarna är "dragbara", dvs. deras frekvens kan "dras" eller finjusteras. VCXO-utgångar kan dras med en analog spänningsingång.
TCXO – Temperaturkompenserad oscillator och VC-TCXO — Spänningsstyrd TCXO	0,5 - 5 ppm	Högpresterande utrustning som kräver mycket stabila frekvenser: nätverk basstationer femtoceller smarta mätare GPS-system mobila system	VC-TCXO-utgångar är dragbara
SSXO – Spread Spectrum Oscillator	20 - 100 ppm	Mikroprocessorbaserad klockning: stationära datorer bärbara datorer lagringssystem USB	spridningsklockning minskar EMI i system som klockas från oscillatorerna
FSXO – Frequency Select Oscillator	20 - 100 ppm	De som kräver frekvensagilitet och seriella gränssnitt med flera protokoll.	Klockutgångsfrekvenserna kan ändras med hårdvara eller serievalsingångar, vilket minskar BOM och förenklar leveranskedjan
DCXO – Digitalt styrd oscillator	0,5 - 100 ppm	Klocksynkronisering in telekom bredband video instrumentation	Klockutgångsfrekvenser dras av digitala ingångar.

"X" i namnen på oscillatortyper betecknade ursprungligen "kristall". Vissa tillverkare har antagit denna konvention för att inkludera MEMS-oscillatorer. Andra ersätter "M" för "X" (som i "VCMO" kontra "VCXO") för att skilja MEMS-baserade oscillatorer från kvartsbaserade oscillatorer.

Begränsningar

MEMS-oscillatorer kan påverkas skadligt av helium . En heliumläcka på ett sjukhus orsakade massfel av enheter som använder MEMS-oscillatorer 2018. En heliumkoncentration på så lite som 2 % har visat sig orsaka fullständigt fel på en MEMS-oscillator.

Se även

Referenslista: