Меню

Mems генератор что это

Время перемен: кварцевые генераторы уступают дорогу МЭМС

В статье описывается эволюция технологии МЭМС в области устройств синхронизации. До недавнего времени в ней доминировали кварцевые генераторы. Электростатические и пьезоэлектрические МЭМС сегодня составляют им серьезную конкуренцию и могут вытеснить кварц во многих приложениях, благодаря улучшенному на всех частотах общему допуску, лучшему коэффициенту подавления пульсаций напряжения питания, меньшему джиттеру и высокой надежности.

Классический кварцевый генератор, использующий в качестве основного элемента кварцевый резонатор, прослужил в электронной промышленности почти 100 лет. Но этот рынок готов рухнуть, и кварцу бросают вызов альтернативные подходы, основанные на технологии резонаторов на базе МЭМС (микроэлектромеханических систем).

В отрасли МЭМС компонентов имеются две различные технологии, конкурирующие за право вытеснить кварц. Одна из них основана на электростатическом возбуждении, другая – на пьезоэлектрическом. Рассмотрение плюсов и минусов каждой технологии начнется с описания проблемы замены кварца.

Препятствия на пути МЭМС

Существенное преимущество МЭМС-технологии заключается в том, что она дает возможность выпускать миниатюрные компоненты крупными партиями и заменить сложный производственный процесс, используемый при изготовлении кварцевых генераторов. Поскольку конечный продукт выпускается на кремниевом кристалле, МЭМС-компоненты могут быть размещены в одном корпусе с сопутствующими микросхемами, давая существенный выигрыш в технологичности, размерах, совместимости, простоте использования и, конечно же, в совокупной стоимости системы. Кроме того, МЭМС более устойчивы к ударам, вибрации и электромагнитным помехам, чем кварц. И, наконец, их можно сконструировать свободными от провалов на температурной характеристике, а диапазон рабочих температур расширить за пределы –40 … +85 °C.

Однако кварцевые устройства синхронизации имеют долгую и успешную историю. Это зрелая и хорошо отработанная технология с ключевым преимуществом, которое еще должны завоевать МЭМС-компоненты: кварцевый материал очень стабилен в широком диапазоне температур. А это важный фактор для устройств, которые должны работать при типичных температурах от –40 до +85 °C. В МЭМС используется кремний, размягчающийся с повышением температуры, что приводит к изменению критического параметра – частоты, недопустимому во многих приложениях.

Допустимый уход частоты, конечно, зависит от продукта и рынка. Промышленные приборы и мобильные устройства связи предъявляют другие требования, чем, например, оборудование инфраструктуры связи. Для цепи синхронизации мобильного устройства может требоваться стабильность ±2.5 ppm при температуре от –30 до +85 °C, в то время как для менее требовательных приложений будет приемлем температурный дрейф от ±50 до ±100 ppm.

Помимо частотной стабильности, еще одним важным параметром для устройств синхронизации является джиттер (и тесно связанный с ним параметр «фазовый шум»). Джиттер – это, фактически, случайные отклонения выходного сигнала от номинальной частоты.

Для пользователей также немаловажно, насколько можно расширить «собственную» опорную частоту генератора, с тем, чтобы свести к минимуму количество шагов дополнительного масштабирования, необходимого для получения требуемой рабочей частоты. Чем больше они масштабируют исходную частоту, тем больше вносится шумов и страдает качество выходного сигнала. Добавление дополнительной цепи к генератору позволяет ему работать на гармониках (обертонах) основной частоты, но, в сравнении с обычным режимом, это также увеличивает джиттер.

Наконец, в мире, в котором так много продуктов с батарейным питанием, и на счету каждый милливатт, пользователи считают энергопотребление компонента жизненно важным фактором. Во многих конструкциях существуют ограничения на допустимую мощность и связанные с этим проблемы теплоотвода.

МЭМС в двух вариантах: электростатика против пьезоэлектричества

Рисунок 1. Метод создания электростатических МЭМС-резонаторов основан на использовании электрического поля, взаимодействующего с подвижными элементами.

Существуют два различных подхода к проектированию устройств синхронизации на основе МЭМС: электростатический и пьезоэлектрический. В первом подвижные кремниевые МЭМС-элементы взаимодействуют с окружающим их точно контролируемым электрическим полем. Такое электростатическое или емкостное воздействие приводит в движение части ядра МЭМС-резонатора (Рисунок 1). Второй подход предполагает использование в МЭМС-резонаторе пьезоэлектрических актюаторов, преобразующих механическое движение и нагрузку в электрический сигнал, и наоборот (Рисунок 2).

Рисунок 2. Пьезоэлектрический подход основан на зависимости электрического напряжения от механического и имеет потенциал для создания качественных резонаторов.

Учитывая значительные преимущества МЭМС над кварцем, как мы можем оценить и сравнить два разных сложных подхода к достижению высокой стабильности, низкого шума и малого потребления тока, которые позволят вытеснить кварцевые генераторы?

Для решения первой проблемы, стоящей на пути вытеснения кварца, то есть высокой температурной стабильности частоты, разработчики электростатических МЭМС обычно дополняют схему генератора цифровым синтезатором, компенсирующем более 3000 ppm дрейфа в диапазоне от –40 до +85 °C. И хотя дрейф этим способом устраняется эффективно, он, к сожалению, приводит и к негативным последствиям, внося существенный дополнительный джиттер и фазовый шум, а также увеличивая потребление тока, что зачастую неприемлемо для высококачественных приложений.

Напротив, производители пьезоэлектрических МЭМС, такие как Sand 9, устраняют дрейф, используя комбинацию методик, которая дает меньший джиттер и фазовый шум по сравнению с компенсацией посредством синтезатора. Во-первых, пьезоэлектрический МЭМС-резонатор, представляющий собой монолитный элемент, с обеих сторон ламинируют слоем диоксида кремния (SiO2), что делает элемент прочнее и на порядок уменьшает дрейф. Во-вторых, сопутствующая цепь генератора содержит аналоговый компенсирующий контур, который работает быстрее, чем цифровой синтезатор, а также добавляет намного меньше фазового шума и джиттера. Хорошо спроектированный МЭМС-генератор, например, выпускаемый компанией Sand 9, может иметь начальную точность, достигающую ±5 ppm, и превосходить кварцевые изделия по стабильности в температурном диапазоне от –40 до +85 °C (Рисунок 3).

Рисунок 3. Нормированный частотный дрейф компенсированного устройства компании Sand 9 сопоставим с дрейфом кварцевого генератора во всем диапазоне рабочих температур.

Другим важным параметром является начальное смещение частоты относительно идеального «истинного» значения – неизбежный фактор производственного разброса. Решение, основанное на использовании синтезатора для компенсации дрейфа в электростатических МЭМС, также может быть адаптировано производителем устройств для калибровки начального смещения. Однако это приведет к дальнейшему увеличению джиттера и фазового шума, а также к росту потребляемого тока.

В противоположность этому, подход на основе пьезоэлектричества позволяет выбирать любой из трех вариантов коррекции начального сдвига частоты. Можно встроить синтезатор, или откалибровать МЭМС, – оба варианта применимы, в зависимости от требований приложения. Третий вариант заключается в том, чтобы оставить начальное смещение частоты таким, какое оно есть. Это работает, потому что существуют требующие точной синхронизации приложения, в цепи обработки сигнала которых уже имеются внешние или интегрированные в другую микросхему синтезаторы. Поскольку наивысшие параметры источника частоты являются основным приоритетом для многих разработок класса high-end, эти синтезаторы также могут корректировать начальное смещение частоты.

Для электростатической архитектуры характерна слабая связь между механическим и электрическим режимами, что приводит к неэффективному преобразованию энергии. Энергия, передаваемая электростатическим способом, примерно в сто раз меньше, чем при пьезоэлектрическом способе. В результате получается плохое отношение сигнал/шум и значительный джиттер и фазовый шум на выходе.

Чтобы компенсировать меньшее отношение сигнал/шум и улучшить характеристики, электростатическое устройство должно иметь больший размер или повышенное энергопотребление, или и то, и другое, поэтому законченное электростатическое устройство потребляет значительно больше тока, чем сопоставимое пьезоэлектрическое. Большой ток делает электростатическое устройство малопригодным для использования в приемопередатчиках сотовых сетей. К тому же, несмотря на значительное потребление тока, оно, все равно, не в состоянии обеспечить уровни джиттера и фазового шума, приемлемые для приложений, требующих точной синхронизации, например, для коммуникационного оборудования (Рисунок 4).

Рисунок 4. Зависимости величины вектора ошибки от затухания для передатчиков LTE с МЭМС генератором компании Sand 9 и с кварцем демонстрируют сопоставимые характеристики, несмотря на различия в
размерах и стоимости.

Диапазон собственных частот является еще одной областью, где характеристики электростатических и пьезоэлектрических устройств сильно различаются. Доступные на сегодняшнем рынке типичные конструкции, основанные на электростатической технологии, достигают максимальной частоты порядка 48-50 МГц в режиме основной гармоники, в то время как пьезоэлектрические приборы, например, выпускаемые компанией Sand 9, могут работать на частотах 125 МГц и выше. Использование неосновных гармоник может расширить диапазон частот для электростатических устройств, но за это придется заплатить увеличением джиттера, фазового шума и отношения сигнал/шум.

Читайте также:  Генератор с рег скважностью

В некоторых электростатических конструкциях диапазон собственных частот увеличивают путем уменьшения размеров основного элемента. Однако сокращение площади поверхности соответствующим образом ослабляет электромеханическую связь, что снижает энергоэффективность и увеличивает джиттер/фазовый шум. Заметим, что пьезоэлектрический резонатор, например, компании Sand 9, работая в паре с обычным генератором 1.8 В, может иметь фазовый шум –127 дБн/Гц (Рисунок 5).

Рисунок 5. Резонатор Sand 9 при совместной работе с обычным генератором 1.8 В может удовлетворять требованиям приемопередатчиков сотовых сетей, оборудования GPS/GNSS и устройств беспроводной связи.

МЭМС-генераторы являются качественной и инновационной альтернативой устройствам на основе кварца, традиционно использовавшимся в качестве источников синхронизации. Хотя оба подхода к реализации этих конструкций на МЭМС могут конкурировать с кварцем, они существенно различаются по своим возможностям и рыночному потенциалу.

Крупные достижения в области МЭМС-технологий в сочетании с преимуществами пьезоэлектрического подхода укрепляют позиции новых устройств в битве с кварцем. Генераторы на основе МЭМС могут обеспечить высокую стабильность, низкий уровень шумов, малое энергопотребление и более широкий исходный диапазон частот. Эти параметры являются критическими для многих приложений, требующих точной синхронизации. Кроме того, новые генераторы лишены многих недостатков кварцевых устройств.

Перевод: Mikhail R по заказу РадиоЛоцман

Источник

Генератор микроэлектромеханической системы — Microelectromechanical system oscillator

Генераторы микроэлектромеханических систем ( генераторы MEMS ) — это устройства синхронизации, которые генерируют высокостабильные опорные частоты , которые могут измерять время. Эти опорные частоты могут использоваться для упорядочивания электронных систем, управления передачей данных , определения радиочастот и измерения прошедшего времени. Основные технологии, используемые в генераторах MEMS, разрабатывались с середины 1960-х годов, но были достаточно развиты для коммерческого применения только с 2006 года. Генераторы MEMS включают в себя резонаторы MEMS, которые представляют собой микроэлектромеханические структуры, которые определяют стабильные частоты. Генераторы тактовых MEMS являются MEMS — устройства с несколькими выходами синхронизации для систем , которые нуждаются в более чем одной опорной частоте. Генераторы MEMS являются действенной альтернативой более старым, более устоявшимся генераторам на кварцевом кристалле , предлагая лучшую устойчивость к вибрации и механическим ударам, а также надежность в отношении колебаний температуры.

Содержание

Устройства синхронизации MEMS

Резонаторы

Резонаторы MEMS — это небольшие электромеханические конструкции, которые колеблются на высоких частотах. Они используются для отсчета времени, фильтрации сигналов, массового зондирования, биологического зондирования, определения движения и других различных приложений. Эта статья касается их применения в частотных и временных ссылках.

Для задания частоты и синхронизации резонаторы MEMS присоединяются к электронным схемам, часто называемым поддерживающими усилителями, для приведения их в непрерывное движение. В большинстве случаев эти схемы располагаются рядом с резонаторами в одном физическом корпусе. Помимо возбуждения резонаторов, эти схемы создают выходные сигналы для последующей электроники.

Осцилляторы

По соглашению, термин «генераторы» обычно обозначает интегральные схемы (ИС), которые обеспечивают одиночные выходные частоты. Генераторы MEMS включают в себя резонаторы MEMS, поддерживающие усилители и дополнительную электронику для установки или регулировки их выходных частот. Эти схемы часто включают в себя контуры фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которые производят выбираемые или программируемые выходные частоты из исходных опорных частот МЭМС.

Генераторы MEMS обычно доступны в виде 4- или 6-контактных ИС, которые соответствуют посадочным местам для пайки печатных плат (PCB), ранее стандартизированных для кварцевых генераторов.

Генераторы часов

Термин тактовый генератор обычно обозначает синхронизирующую ИС с несколькими выходами. Следуя этому обычаю, генераторы тактовых импульсов MEMS представляют собой устройства синхронизации MEMS с несколькими выходами. Они используются для подачи синхронизирующих сигналов в сложных электронных системах, требующих нескольких частот или фаз синхронизации. Например, большинству компьютеров требуются независимые часы для синхронизации процессора, дискового ввода-вывода, последовательного ввода-вывода, генерации видео, ввода-вывода Ethernet, преобразования звука и других функций.

Генераторы тактовых сигналов обычно специализируются на своих приложениях, включая количество и выбор частот, различные вспомогательные функции и конфигурации пакетов. Они часто включают несколько систем ФАПЧ для генерации нескольких выходных частот или фаз.

Часы реального времени

Часы реального времени MEMS (RTC) — это ИС, которые отслеживают время дня и дату. Они включают в себя резонаторы MEMS , поддерживающие усилители и регистры, которые увеличиваются со временем, например, считая дни, часы, минуты и секунды. Они также включают вспомогательные функции, такие как выходы сигнализации и управление батареями .

RTC должны работать непрерывно, чтобы отслеживать прошедшее время. Для этого они должны иногда работать от небольших батарей и, следовательно, должны работать на очень низких уровнях мощности. Как правило, это микросхемы среднего размера, содержащие до 20 контактов для питания, резервного питания от батареи, цифрового интерфейса и различных других функций.

История устройств синхронизации MEMS

Первая демонстрация

Мотивированные недостатками кварцевых генераторов, исследователи с 1965 года разрабатывают резонансные свойства МЭМС-структур. Однако до недавнего времени различные проблемы с точностью, стабильностью и технологичностью, связанные с герметизацией, упаковкой и регулировкой резонаторных элементов, препятствовали рентабельному коммерческому использованию. изготовление. Необходимо было преодолеть пять технических проблем:

  • Первые демонстрации
  • Поиск стабильных и предсказуемых материалов резонатора,
  • Разработка достаточно чистых технологий герметичной упаковки,
  • Подстройка и компенсация выходных частот, повышение добротности элементов резонатора и
  • Повышение целостности сигнала для соответствия требованиям различных приложений.

Первые MEMS-резонаторы были построены с металлическими резонаторными элементами. Эти резонаторы задумывались как звуковые фильтры и имели умеренные добротности (Q) 500 и частоты от 1 кГц до 100 кГц. Приложения фильтрации, в настоящее время предназначенные для высокочастотного радио, по-прежнему важны и являются активной областью исследований MEMS и коммерческих продуктов .

Однако первые MEMS-резонаторы не имели достаточно стабильных частот, чтобы их можно было использовать для синхронизации или генерации тактовых импульсов. Металлические элементы резонатора имеют тенденцию сдвигать частоту со временем (они стареют) и по мере использования (они утомляются). При изменении температуры они имели тенденцию иметь большие и не полностью предсказуемые сдвиги частоты (они обладали большой температурной чувствительностью), а при циклическом изменении температуры они имели тенденцию возвращаться к другим частотам (они были гистерезисными).

Материальное развитие

Работы 1970-х — 1990-х годов определили достаточно стабильные материалы резонатора и соответствующие методы изготовления. В частности, было обнаружено, что монокристаллический и поликристаллический кремний подходит для эталонных частот с практически нулевым старением, усталостью и гистерезисом, а также с умеренной температурной чувствительностью.

Исследования резонаторов MEMS все еще продолжаются. Значительные усилия были вложены в кремний-германий (SiGe) для его низкотемпературного производства и нитрид алюминия (AlN) для его пьезоэлектрического преобразования. Работа над микромеханически обработанным кварцем продолжается, а поликристаллический алмаз используется для высокочастотных резонаторов из-за его исключительного отношения жесткости к массе.

Разработка упаковки

Резонаторам MEMS требуются полости, в которых они могут свободно перемещаться, и для эталонных частот эти полости должны быть откачаны. Первые резонаторы строились на кремниевых пластинах и тестировались в вакуумных камерах, но явно требовалась индивидуальная герметизация резонатора.

Сообщество МЭМС использовало методы связанного покрытия, чтобы заключить другие компоненты МЭМС, например, датчики давления , акселерометры и гироскопы , и эти методы были адаптированы для резонаторов. При таком подходе покрывающие пластины были подвергнуты микрообработке с небольшими полостями и прикреплены к пластинам резонатора, заключив резонаторы в небольшие вакуумированные полости. Первоначально эти пластины были связаны со стеклом с низкой температурой плавления, называемым стеклянной фриттой , но в последнее время стеклянная фритта пришла на смену другим технологиям склеивания, включая металлическое сжатие и металлические амальгамы.

Методы герметизации тонкой пленкой были разработаны для формирования закрытых полостей путем создания крышек непосредственно над резонаторами в процессе изготовления, а не приклеивания крышек на резонаторы. Эти методы имели то преимущество, что они не использовали большую площадь штампа для герметизирующей структуры, они не требовали подготовки вторых пластин для формирования крышек, а полученные пластины устройства были тоньше.

Для эталонных частот обычно требуется стабильность частоты 100 частей на миллион (ppm) или лучше. Однако первые технологии укрытия и инкапсуляции оставляли значительные количества загрязнения в полостях. Поскольку резонаторы МЭМС имеют небольшие размеры и, в частности, из-за малой площади поверхности, они особенно чувствительны к массовой нагрузке. Даже одноатомные слои загрязняющих веществ, таких как вода или углеводороды, могут смещать частоты резонатора за пределы спецификации.

Читайте также:  Генератор для митсубиси каризма 1 8 gdi

Когда резонаторы подвергаются старению или температурному циклу, загрязнения могут перемещаться в камерах и переходить на резонаторы или из них. Изменение массы на резонаторах может производить гистерезис тысяч частей на миллион, что неприемлемо для практически всех эталонных частот приложений.

Первые закрытые резонаторы с уплотнениями из стеклянной фритты были нестабильны из-за выделения загрязняющих веществ из уплотнительного материала. Чтобы преодолеть это обстоятельство, в полости были встроены геттеры . Геттеры — это материалы, которые могут поглощать газ и загрязнения после герметизации полостей. Однако геттеры также могут выделять загрязняющие вещества и могут быть дорогостоящими, поэтому их использование в этом приложении прекращается в пользу более чистых процессов связывания покрытия.

Точно так же тонкопленочная инкапсуляция может улавливать побочные продукты производства в полостях. Для устранения этого была разработана высокотемпературная тонкопленочная инкапсуляция на основе эпитаксиального осаждения кремния. Этот процесс эпитаксиального уплотнения (EpiSeal) оказался исключительно чистым и дает резонаторы с высочайшей стабильностью.

Электронный выбор и подстройка частоты

На ранней стадии разработки резонаторов MEMS исследователи пытались создать резонаторы на целевых частотах применения и поддерживать эти частоты при превышении температуры. Подходы к решению этой проблемы включали подстройку и температурную компенсацию резонаторов MEMS способами, аналогичными тем, которые используются для кристалла кварца.

Однако эти методы оказались технически ограниченными и дорогими. Более эффективным решением было электронное смещение частот резонаторов на выходные частоты осцилляторов. Это имело то преимущество, что резонаторы не нуждались в индивидуальной настройке; вместо этого можно было измерить их частоты и записать соответствующие коэффициенты масштабирования в ИС генератора. Кроме того, температура резонаторов может измеряться электронным способом, а масштабирование частоты может регулироваться для компенсации изменения частоты резонаторов в зависимости от температуры.

Улучшение целостности сигнала

Для различных приложений требуются часы с предопределенным сигналом и характеристиками производительности. Из них ключевыми характеристиками являются фазовый шум и стабильность частоты.

Фазовый шум был оптимизирован за счет увеличения собственных частот резонатора (f) и добротности (Q). Q указывает, как долго резонаторы продолжают звонить после того, как привод к ним остановлен, или, что эквивалентно, если рассматривать как фильтры, насколько узкими являются их полосы пропускания. В частности, Q, умноженное на f, или произведение Qf, определяет фазовый шум около несущей. Первые МЭМС-резонаторы для справки демонстрировали неприемлемо низкую добротность. Значительная теоретическая работа прояснила лежащую в основе физику, в то время как экспериментальная работа позволила разработать резонаторы с высокой добротностью. Доступные в настоящее время характеристики MEMS Qf подходят практически для всех приложений.

Структурный дизайн резонатора, особенно в управлении режимами, методы крепления, узкозазорные преобразователи, линейность и массивные структуры потребовали значительных исследовательских усилий.

Требуемая точность частоты варьируется от относительно низкой для тактовой частоты процессора, обычно от 50 до 100 ppm, до высокой точности для высокоскоростной синхронизации данных, часто 2,5 ppm и ниже. Исследования показали, что резонаторы и генераторы MEMS могут быть построены в пределах этих уровней. В настоящее время доступны коммерческие продукты с концентрацией 0,5 ppm, что соответствует большинству требований к применению.

Наконец, необходимо было разработать и оптимизировать электронику управления частотой и соответствующие вспомогательные схемы. Ключевыми областями были датчики температуры и конструкция ФАПЧ. Последние разработки схем позволили создать генераторы MEMS, подходящие для высокоскоростных последовательных приложений с субпикосекундным интегрированным джиттером.

Коммерциализация

Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США ( DARPA ) профинансировало широкий спектр исследований MEMS, которые предоставили базовые технологии для разработок, описанных выше. В 2001 и 2002 годах DARPA запустило программы «Нано-механические матричные сигнальные процессоры» (NMASP) и «Надежная микромеханическая технология для работы в неблагоприятных условиях окружающей среды» (HERMIT), специально предназначенные для разработки высокостабильных резонаторов MEMS и технологий упаковки. Эта работа была плодотворной и продвинула технологию до уровня, на котором стартапы, финансируемые венчурным капиталом, могли разрабатывать коммерческие продукты. Эти стартапы включали Discera в 2001 году, SiTime в 2004 году, Silicon Clocks в 2006 году и Harmonic Devices в 2006 году.

SiTime представила первый серийный осциллятор МЭМС в 2006 году, а в 2007 году — Discera. Компания Harmonic Devices сменила фокус на сенсорные продукты и была куплена Qualcomm в 2010 году. Silicon Clocks никогда не выпускала коммерческих продуктов и была куплена Silicon Labs в 2010 году. объявили о своем намерении производить генераторы MEMS, включая Sand 9 и VTI Technologies.

По объему продаж поставщики осцилляторов MEMS ранжируются в порядке убывания как SiTime и Discera. Ряд поставщиков кварцевых генераторов перепродают генераторы MEMS. SiTime объявила, что по состоянию на середину 2011 года в общей сложности было отгружено 50 миллионов устройств. Остальные объемы продаж не раскрывают.

Операция

Можно представить себе резонаторы MEMS как маленькие колокольчики, которые звонят на высоких частотах. Маленькие колокольчики звонят на более высоких частотах, чем большие, и, поскольку резонаторы MEMS маленькие, они могут звонить на высоких частотах. Обычные колокольчики имеют размер от метров до сантиметров и звонят с частотой от сотен герц до килогерц ; Резонаторы MEMS имеют диаметр в одну десятую миллиметра и колеблются от десятков килогерц до сотен мегагерц. Резонаторы MEMS работают на частоте более гигагерца .

В обычные звонки бьют механически, в то время как резонаторы MEMS имеют электрический привод. Существуют две базовые технологии, используемые для создания резонаторов MEMS, которые различаются по способу преобразования сигналов электрического привода и считывания от механического движения. Это электростатические и пьезоэлектрические . Все коммерческие генераторы MEMS используют электростатическое преобразование, а фильтры MEMS используют пьезоэлектрическое преобразование. Пьезоэлектрические резонаторы не показали достаточную стабильность частоты или коэффициент качества (Q) для задания частоты применения.

Электронные поддерживающие усилители приводят в движение резонаторы в непрерывном режиме. Эти усилители обнаруживают движение резонатора и направляют в резонаторы дополнительную энергию. Они тщательно спроектированы для поддержания движения резонаторов с соответствующими амплитудами и для извлечения выходных тактовых сигналов с низким уровнем шума.

Дополнительные схемы, называемые контурами фазовой автоподстройки дробного n (ФАПЧ с дробным числом n), умножают механические частоты резонатора на выходные частоты генератора. Эти узкоспециализированные системы ФАПЧ устанавливают выходные частоты под управлением цифровых конечных автоматов. Конечные автоматы управляются с помощью калибровки и программных данных, хранящихся в энергонезависимой памяти, и регулируют конфигурации ФАПЧ для компенсации колебаний температуры.

Конечные автоматы также могут быть построены для обеспечения дополнительных пользовательских функций, например, тактирования с расширенным спектром и подстройки частоты под управлением напряжения.

Тактовые генераторы MEMS построены на основе генераторов MEMS и включают в себя дополнительные схемы для обеспечения дополнительных выходов. Эта дополнительная схема обычно предназначена для обеспечения определенных функций, требуемых приложениями.

Часы реального времени MEMS работают как генераторы, но оптимизированы для низкого энергопотребления и включают вспомогательные схемы для отслеживания даты и времени. Для работы с малой мощностью они построены с низкочастотными MEMS-резонаторами. При проектировании схемы уделяется внимание минимизации энергопотребления при обеспечении требуемой точности синхронизации.

Производство

Резонаторы

В зависимости от типа резонатора процесс изготовления выполняется либо на специализированном заводе MEMS, либо на литейном производстве CMOS .

Процесс производства зависит от конструкции резонатора и корпуса, но в целом резонаторные структуры имеют литографический рисунок и вытравливание в плазме на кремниевых пластинах или на них. Все коммерческие генераторы MEMS построены из поликристаллического или монокристаллического кремния.

В резонаторах с электростатическим преобразованием важно формировать узкие и хорошо контролируемые зазоры в конденсаторах возбуждения и считывания. Они могут быть либо боковыми, например, под резонаторами, либо вертикальными рядом с резонаторами. Каждый вариант имеет свои преимущества, и оба используются в коммерческих целях.

Резонаторы инкапсулируются либо путем приклеивания покрывающих пластин к пластинам резонатора, либо путем нанесения на резонаторы тонких пленочных инкапсулирующих слоев. И здесь оба метода используются в коммерческих целях.

Читайте также:  Разъем для генератора лачетти

Склеенные покровные пластины необходимо прикрепить с помощью клея. Используются два варианта: связующее кольцо из стеклянной фритты или металлическое связующее кольцо. Было обнаружено, что стеклянная фритта создает слишком много загрязнений и, следовательно, дрейфует, и больше не используется.

Для герметизации тонкой пленкой структуры резонаторов покрываются слоями оксида и кремния, затем высвобождаются путем удаления окружающего оксида с образованием автономных резонаторов и, наконец, герметизируются дополнительным напылением.

Схема

Поддерживающие усилители, ФАПЧ и вспомогательные схемы построены с использованием стандартных процессов КМОП смешанных сигналов, изготовленных на заводах КМОП.

Были продемонстрированы интегрированные генераторы MEMS с КМОП схемами на одном кристалле ИС, но на сегодняшний день такая однородная интеграция коммерчески нецелесообразна. Вместо этого целесообразно производить резонаторы МЭМС и схему КМОП на отдельном кристалле и комбинировать их на этапе сборки. Такое объединение нескольких кристаллов в один корпус называется гетерогенной интеграцией или просто штабелированием кристаллов.

Упаковка

Готовые МЭМС-устройства, заключенные в небольшие вакуумные камеры на уровне кристалла , вырезаются из кремниевых пластин , а кристалл резонатора укладывается на кристалл КМОП и формуется в пластиковые корпуса для формирования генераторов.

Генераторы MEMS упаковываются на тех же заводах и с тем же оборудованием и материалами, которые используются для стандартной упаковки IC. Это в значительной степени способствует их экономической эффективности и надежности по сравнению с кварцевыми генераторами, которые собираются со специализированными керамическими корпусами на специализированных заводах.

Размеры корпуса и формы контактных площадок соответствуют стандартным корпусам кварцевых генераторов, поэтому генераторы MEMS могут быть припаяны непосредственно к печатным платам, разработанным для кварцевых устройств, без необходимости модификации или перепроектирования платы.

Тестирование и калибровка

Производственные испытания проверяют и калибруют резонаторы МЭМС и КМОП-микросхемы, чтобы убедиться, что они работают в соответствии со спецификациями, и настроить свои частоты. Кроме того, многие генераторы MEMS имеют программируемые выходные частоты, которые можно настроить во время тестирования. Конечно, различные типы генераторов конфигурируются из специализированных кристаллов CMOS и MEMS. Например, маломощные и высокопроизводительные генераторы не построены на одном кристалле. Кроме того, генераторы высокой точности часто требуют более тщательной калибровки, чем генераторы низкой точности.

Генераторы MEMS тестируются так же, как стандартные ИС. Как и упаковка, это делается на стандартных заводах по производству ИС со стандартным испытательным оборудованием ИС.

Использование стандартных корпусов ИС и средств тестирования (называемых в индустрии ИС субконструкциями) обеспечивает масштабируемость производства генераторов МЭМС. Эти объекты способны производить большие объемы производства, часто сотни миллионов микросхем в день. Эта мощность распределяется между многими компаниями, производящими микросхемы, поэтому наращивание объемов производства конкретных микросхем или, в данном случае, конкретных генераторов МЭМС является функцией распределения стандартного производственного оборудования. И наоборот, фабрики кварцевых генераторов являются однофункциональными по своей природе, поэтому для наращивания производства требуется установка нестандартного оборудования, что является более дорогостоящим и трудоемким, чем установка стандартного оборудования.

Сравнение МЭМС и кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы продаются в гораздо больших количествах, чем генераторы МЭМС, и широко используются и понятны электронщикам. Таким образом, кварцевые генераторы обеспечивают основу для сравнения генераторов MEMS.

Последние достижения позволили устройствам синхронизации на основе МЭМС предложить уровни производительности, аналогичные, а иногда и превосходящие, по сравнению с кварцевыми устройствами. Качество сигнала генератора МЭМС, измеренное по фазовому шуму, в настоящее время достаточно для большинства приложений. Теперь доступен фазовый шум -150 дБн на частоте 10 кГц от 10 МГц, уровень, который обычно требуется только для радиочастотных (RF) приложений. Осцилляторы MEMS теперь доступны со встроенным джиттером менее 1,0 пикосекунды, измеренным в диапазоне от 12 кГц до 20 МГц, уровень, который обычно требуется для высокоскоростных каналов последовательной передачи данных, таких как SONET и SyncE, и некоторых измерительных приложений.

Кратковременная стабильность, время запуска и потребляемая мощность аналогичны кварцевым. В некоторых случаях генераторы MEMS показывают меньшее энергопотребление, чем кварцевые.

Недавно были анонсированы высокоточные МЭМС-генераторы с температурной компенсацией (TCXO) со стабильностью частоты ± 0,1 ppm по температуре. Это превосходит характеристики всех, кроме кварцевых TCXO очень высокого класса и генераторов с термостатом (OCXO). Теперь доступны MEMS TCXO с выходными частотами более 100 МГц, которые могут обеспечить только несколько специализированных кварцевых генераторов (например, перевернутые мезы).

В приложениях RTC генераторы MEMS работают немного лучше, чем лучшие кварцевые камертоны, с точки зрения стабильности частоты при температуре и сдвига припоя, в то время как кварцевый по-прежнему лучше для приложений с минимальной мощностью.

Производство и хранение кварцевых генераторов с широким спектром технических требований, которые требуются пользователям, затруднено. Для различных приложений требуются генераторы с определенными частотами, уровнями точности, уровнями качества сигнала, размерами корпуса, напряжениями питания и специальными функциями. Сочетание этих факторов приводит к увеличению количества номеров деталей, что делает складирование непрактичным и может привести к увеличению сроков производства.

Поставщики генераторов MEMS решают проблему разнесения за счет использования схемотехники. В то время как кварцевые генераторы обычно построены с использованием кристаллов кварца, работающих на желаемых выходных частотах, генераторы MEMS обычно управляют резонаторами на одной частоте и умножают ее до расчетной выходной частоты. Таким образом, можно обеспечить сотни стандартных прикладных частот, а иногда и индивидуальную частоту без изменения конструкции резонаторов или схем MEMS.

Конечно, существуют различия в резонаторе, схемах или калибровке, необходимых для разных категорий деталей, но внутри этих категорий параметры преобразования частоты часто могут быть запрограммированы в генераторы MEMS на поздних этапах производственного процесса. Поскольку компоненты не дифференцируются до поздних стадий процесса, время выполнения заказа может быть коротким, обычно несколько недель. Технологически кварцевые генераторы могут изготавливаться с программируемыми архитектурами, ориентированными на схемы, наподобие тех, что используются в МЭМС, но исторически только меньшинство строилось таким образом.

Генераторы MEMS также в значительной степени устойчивы к ударам и вибрации и показали более высокий уровень качества производства, чем те, которые связаны с кварцем.

Кварцевые генераторы безопасны в определенных приложениях, где не были представлены подходящие генераторы MEMS. Одним из таких приложений, например, являются TCXO с регулируемым напряжением (VCTCXO) для мобильных телефонов. Это приложение требует очень специфического набора возможностей, для которых кварцевые изделия оптимизированы.

Кварцевые генераторы лучше всего подходят для самых высоких частот. К ним относятся OCXO, которые могут поддерживать стабильность в пределах нескольких частей на миллиард (ppb), и генераторы поверхностных акустических волн (SAW), которые могут обеспечивать джиттер менее 100 фемтосекунд на высоких частотах. До недавнего времени генераторы MEMS не конкурировали в ассортименте продукции TCXO, но появление новых продуктов привело к появлению на этом рынке генераторов MEMS.

Кварц по-прежнему доминирует в генераторах часов. Эти приложения требуют узкоспециализированных комбинаций вывода и пользовательских пакетов. Цепочка поставок для этих продуктов является специализированной и не включает поставщика генераторов MEMS.

Типичные области применения

Генераторы MEMS заменяют кварцевые генераторы в различных приложениях, таких как вычисления, бытовая техника, сети, связь, автомобильные и промышленные системы.

Программируемые генераторы MEMS могут использоваться в большинстве приложений, где используются кварцевые генераторы с фиксированной частотой, таких как PCI-Express, SATA, SAS, PCI, USB, Gigabit Ethernet, видео MPEG и кабельные модемы.

Тактовые генераторы MEMS полезны в сложных системах, требующих нескольких частот, таких как серверы данных и телекоммуникационные коммутаторы.

Часы реального времени MEMS используются в системах, требующих точных измерений времени. Умные счетчики газа и электроэнергии являются примером того, что эти устройства потребляют значительное количество.

Типы генераторов МЭМС и их применение
Тип устройства Рейтинг стабильности Приложения Комментарии
XO — Осциллятор 20 — 100 частей на миллион Те, которым требуются часы общего назначения, например, бытовая электроника и компьютеры:

  • микропроцессоры
  • цифровые конечные автоматы
  • видео и аудио синхронизация
  • передача данных с низкой пропускной способностью, например, USB и Ethernet
Это была первая категория продуктов, поставляемая генераторами MEMS.
VCXO — Генератор, управляемый напряжением Ограничения

МЭМС генераторы могут быть пагубно влияют гелия .

Источник

Adblock
detector