全硅MEMS振荡器介绍

无论是电子工程师还是元器件采购者，在选择时钟组件时都会经过全面严谨的评估。因为一颗健康、稳定、持久的“心脏”，将直接影响到电子系统的功能和可靠性。

时钟组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品。在过去60年中，石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。为了满足电子市场对元器件提出的更小、更可靠、更灵活的需求，时钟组件必须走上全面硅化的道路。这篇文章将主要介绍全硅MEMS振荡器和传统石英的区别，以及全硅IC技术所解决的问题。

石英和全硅MEMS时钟振荡器简介

传统的石英振荡器是由压电石英加上简单的起振芯片和金属封装组成的，其生产工艺包括：石英切割镀银、购买基座、起振芯片，以及将石英及芯片以特殊黏胶结合后至于基座上，然后充填氮气，用金属封装进行密封。而不同频率、不同工作电压振荡器的产生，则是由石英的不同形状、镀银厚度及所佩的起振芯片所决定。所以，从生产工艺角度，石英产业是一个人工密集型的半自动化传统产业，其产品也受到传统原材料和工艺的限制：

1. 复杂的生产程序导致供货期的拖长及缺货应急困难的现象;

2. 不同振荡器规格需不同原料不同工艺，从而使成品缺乏灵活性，无法为满足不同应用而进行实时配置;

3. 压电石英对温度敏感度高的特性，造成石英振荡器的温飘烦恼;

4. 石英易碎怕摔老化的弱点需靠生产工艺和质量管理来解决，缺乏质量和长期可靠性的一致性。

电子系统厂商为求从根本上解决石英的内在弱点，因此在时钟组件的选料上开始转向全硅MEMS振荡器。与传统石英振荡器截然不同，MEMS振荡器采用了全硅的产品结构，有一个全硅MEMS谐振器和一个可编程Analog CMOS驱动芯片堆栈，并以标准QFN IC封装方式完成。图1为SITIME MEMS振荡器透视图。

图1 全硅MEMS振荡器展示图

与传统石英相比，全硅MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上，都更符合现代电子产品的标准，也是对传统石英产品的升级换代。

* 高性能模拟温补技术使全硅MEMS振荡器具有优秀的全温频率稳定性，彻底解除温飘问题;

* 可编程的平台为系统设计和缩短新产品开发周期提供必要的灵活性;

* 完善的半导体生产链可让全硅MEMS供货期全面缩短，并提升需求应急的能力;

* 全自动生产的IC结构在质量和可靠性方面有无可置疑的优良的一致性。

全硅MEMS振荡器的全温性能优势

频率稳定性，特别是在不同温度下的稳定性，是电子工程师在选择振荡器时考虑的主要参数之一。因为每一个设计，都需要保证系统在整个工作温度范围内正常运作。而温飘(频率随温度而显著变化的现象)则是传统石英产品的弱点，难以单纯从制造上克服。图2是石英和全硅MEMS振荡器在频率稳定性方面的比较。

图2 全硅MEMS振荡器25PPM频率稳定性超越石英

图2的深黑色曲线显示出一个工业级(-40℃-85℃)石英振荡器要达到全温频率稳定性25PPM在技术上的难度。从图中可看到，在高低温的情况下，石英作为参考时钟其设计余量较不充分，由此也增加了整体系统在工业级全温产生不稳定运行的可能性。

图2同时也显示了各种色彩的平衡线，代表了110个SiTime全硅MEMS振荡器在-40℃-85℃范围内的实际总频差。与石英振荡器相比，这些工业级MEMS振荡器频率稳定性不但可保持在15PPM以下，其曲线更具有线性特征，为系统提供更大的设计余量。

正由于全硅MEMS振荡器利用温度补偿的技术，从振荡器设计上解决了石英温飘的烦恼，因此电子工程师在选料时有了更大的余地。他们可以选择50PPM的MEMS振荡器来替代很多25PPM的石英，既可满足系统所需规格，又可降低成本。或者，他们可采用25PPM的MEMS振荡器来提升系统总体稳定性。

全硅MEMS振荡器的可编程规格组合

传统石英振荡器的主要规格参数如输出频率、频率稳定性是由石英切割的形状、厚度及在加工过程中镀银老化等步骤来实现的。这也决定了石英一个频率、一个工作电压、一个频率稳定性对应一个料号的固定频率的商业模式。

从图3也可看到，从技术角度，高频率的石英振荡器一般无法支持1.8V的工作电压，或25PPM的频率稳定性，因为压电石英的基本波振荡是限制在60MHz以下。60MHz以上的频率则需利用3次，5次或7次倍频，再加上过滤电路来实现，造成有限的规格选择和居高不下的成本。

图3 传统石英一般只支持常用固定品率和规格

因此，石英的传统模式虽有简单明了的优点，但却缺乏了现代电子厂商在产品开发、供货周期和备货成本管理上所需要的灵活性。

与石英相比，全硅MEMS振荡器是由MEMS谐振器和高性能模拟CMOS芯片组成的一个可编程的时钟平台，其主要规格参数都在设计时整合进了CMOS，利用内嵌的NVM(非易失性存储器)来实现振荡器参数即MEMS振荡器的实时配置。

图4 全硅ME振荡器平台提供不同频率，电压和PPM的组合

图4展示了SiTime 的SiT9102差分振荡器的灵活性，同一个基本料号可通过编程来实现不同参数规格组合。

除图中所示，SiT9102还可通过编程方式达到民用级(0℃-70℃)、超民用级(-20℃-70℃)或工业级(-40℃-85℃)等不同工作温度，以及一般高频振荡器无法支持的10PPM频率稳定性。