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继续上一篇：MEMS硅晶振VS石英晶振（二）
kenzhimatang 发表于 2012/8/21 20:07:52 1832 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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四、MEMS硅晶振
（一）、何为MEMS
何为MEMS?对于很多人来讲，这并不是个陌生的词语，MEMS 现在已被广泛的用于传感器、陀螺仪、麦克风等产品中。但对于大部分人来讲，MEMS 还是一个比较陌生的词语。MEMS 是英文Micro Electro Mechanical systems 的缩写，即微电子机械系统。
微电子机械系统（MEMS）技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21 世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。
它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA 和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。
如果我们用一个人做比喻的话，那么人的头就控制部分（电子部分）、而人的身体则是机械与传感部分。下图则形像的说明了，什么是MEMS 技术？
（二）、MEMS硅晶振
SiTime MEMS硅晶振采用全硅的MEMS 技术，由两个芯片堆栈起来（如下图所示），下方是CMOS PLL 驱动芯片，上方则是MEMS 谐振器，以标准QFN IC 封装方式完成。封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英振荡器的脚位完全兼容，可直接替代原来石英产品，无须更改任何设计。SiTime MEMS 硅晶振具有无温飘、稳定性高、低成本等优势，从本质上克服了石英的诸多缺点，更符合现代电子的发展方向。SITIME 公司依托德国BOSH公司经30 年验证的MEMS 时脉技术，全球率先推出了MEMS 全硅晶振，目前其已经成功开发出了包括TCXO、OCXO 在内的三代产品，产品开发速度与性能远远高于同行业厂商。
其实，就是相当于SITIME 公司将石英晶振全面硅化，将其变成一颗芯片了。SITIME公司的MEMS 硅晶振采用全自动化的半导体生产工艺流程。以自然界中储量仅次于氧元素，位居第二的硅元素为生产材料。让高性能与低成本变成了，"鱼与熊掌，可兼得！"
上面六幅图揭示了整个SITIME MEMS 硅晶振的工艺流程，SITIME MEMS 硅晶振采用上下两个晶圆叠加的方式，外部用IC 通用的塑料做为封装。不仅大大减少的石英晶振的工序，而且更全面提升了产品性能。
讲到这里，我们再回顾一下现代电子工业，对时钟组件的三大要求：
1、片式化、薄型化：石英晶振不同的频点需切割不同的晶片，而对于小体积、薄型的工艺，是非常复杂的，就算能做到，也将会导致性能的降低。
SITIME MEMS 硅晶振目前可以提供全球最薄的封装，仅为0.25mm.（与手机卡相差无几）。另SITIME MEMS 硅晶振，任一频点均可提供7050、5032、3225、2520 四种封装形式。
2、高精度、高稳定度：石英晶振内部的石英晶片需渡一层纯银，所以石英晶振需用惰性气体---氮气密封在金属壳与基座形成的空腔内。长时间工作后，会由于老化、震动等因素，造成"漏气"现象。直接将石英晶片上面的银氧化，这就是为什么石英晶振会有停振、不起振现象。另外由于石英的"温漂"特性，也将使其在全温工作环境中的稳定度大大降低。
SITIME 采用全自动化半导体技术，无"气密"性问题；平均无故障工作时间间5 亿小时，（石英仅为2 千万小时）；SITIME MEMS 硅晶振内部均含有温补电路，工作温度内全温保证（温漂为零）；SITIME MEMS 硅晶振的抗震性能是石英的10 倍以上；3、低成本：石英晶振生产厂商都需购买基座与外壳，由于下游原材料成本无法降低，使得石英晶振，经过了几十年后，价格一直在这个水平，而以后的价格下降空间，更是少之又少。
SITIME MEMS 硅晶振采用全自动化半导体工艺，塑封。采用MEMS 硅晶圆与CMOS晶圆叠加的技术。这就使得SITIME MEMS 硅晶振可以在全球任一大的晶圆厂代工生产，而不像石英晶振似的，增加产能就必须建厂。这就使得SITIME MEMS 硅晶振的成本在未来将会有很大的下降空间。（目前与石英价格一样。）五、SITIME MEMS硅晶振的十大优势。
与石英振荡器相较，SITIME 的MEMS 振荡器具有以下优势：
1、全自动化半导体工艺，无气密性问题，永不停振！
这个不用多讲了呵，从工艺上就决定了。
2、内部包含温补电路，无温漂，-40-85℃全温保证！
SITIME MEMS 硅晶振是由MEMS 硅晶圆与CMOS 晶圆上下叠加而成，而CMOS 晶圆则包括了NON Memory、PLL 锁相环电路、起振电路与温补电路，如下图所示：
透过温补电路我们可以实时对MEMS 硅晶振的输出频点进行监控，如果输出频率超出范围，电路会自动调整以确保输出频率符合要求。所以，SITIME MEMS 硅晶振可以在-40-85℃全温保证！
3、平均无故障工作时间5 亿小时，10 倍于石英晶振。
对于一般的半导体芯片，平均无故障工作时间（MTBF）都可在500M 小时。而石英晶振一般会在20M-33M 小时。
4、抗震性能25 倍于石英振荡器！
SITIME MEMS 硅晶振拥有50KG 的防摔抗震性；而石英晶振此系数仅在2KG 左右（怕摔）。
5、支持1-800MHZ 任一频点，精确致小数点后5 位输出。
SITIME MEMS 硅晶振最高可支持800MHZ 的频率输出，精确到小数点后面5 位。
比如：可精确输出123.45678MHZ.
6、支持1.8V、2.5V、2.8V、3.3V 多种工作电压匹配！
7、支持10PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM 等各种精度匹配！
8、支持7050、5032、3225、2520 所有标准尺寸封装。
9、标准四脚、六脚封装，无需任何设计改动，直接替代石英振荡器。
您只需将石英晶振吹下来，然后将SITIME MEMS 硅晶振焊上去就OK 了。
10、支持差分输出、单端输出、压控（VCXO）、温补（TCXO）等产品种类。
100%的市场增长率，三年内有望替代80%以上的石英振荡器市场。
SITIME 的策略就是将石英振荡器全面硅化，相信在不久的将来，SITIME MEMS硅晶振将成为您时钟器件的首先产品。
11、提供全球最短交货周期，24-48 小时内提供样品，2-4 周量产交货周期。
SITIME MEMS 硅晶振，可实现编程输出1-800MHZ 客户需求的任意频点，并且可对上升/下降沿时间调整，整体降低产品的EMI 特性，样品可实现24-48 小时内提供。而且由于可在全球任一大的晶圆厂内代工，所以可实现石英晶振无法比拟的2-4 周交货周期。
六、SITIME MEMS硅晶振的七类产品
SITIM 公司是目前世界唯一一家可为客户提供所有所需钟组件的公司，产品最全、种类最多。而且常用时钟产品，已推出第三代。（同类产品还处在第一代产品阶段）。
目前，SITIME 公司的MEMS 硅晶振系列包括普通单端振荡器、差分振荡器、压控振荡器（VCXO）、低功耗振荡器、温补振荡器（TCXO）、扩频振荡器、时钟发生器七类产品：
（一）、四脚普通单端晶振：
推荐型号：SIT8103\SIT8102.
输出频点：1-200MHZ
工作电压：1.8V、2.5V、2.8V、3.3V
工作精度：10PPM、15PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM、100PPM
封装体积：7050、5032、3235、2520
工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃
（二）、差分输出晶振（DXO）：
推荐型号：SIT9102、SIT9107
输出频点：1-800MHZ
输出信号：LVDS、LVPECL、HCSL、CML
工作电压：1.8V、2.5V、3.3V
工作精度：10PPM、15PPM、20PPM、25PPM、50PPM
封装体积：7050、5032
工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃
（三）、低功耗单端输出：
推荐型号：SIT8003、
输出频点：1-110MHZ
工作电压：1.8V、2.5V、3.3V
工作电流：3.2m A \0.4Ua（静态）
工作精度：20PPM、25PPM、30PPM、50PPM
封装体积：7050、5032、3225、2520
工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃
（四）、压控振荡器（VCXO）：
推荐型号：SIT3701、SIT3702
输出频点：1-110MHZ（单端）、1-220MHZ（差分）
工作电压：1.8V、2.5V、3.3V
控制电压：0-1.8V（典型值0.8V）
控制范围：±60PPM、±120PPM、±240PPM
工作精度：10PPM、15PPM、20PPM、25PPM、30PPM、50PPM
封装体积：7050、5032、3225（单端）、2520（单端）
工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃
（五）、时钟发生器：
有些应用场合，我们需要多个相位相关的时钟输出，一般我们会选择一款时钟芯片来输出，除此之外您还需要一款晶振来为时钟芯片提供时钟源，SITIME 的MEMS 时钟发生器内部集成了MEMS 时钟源，因此仅需一款时钟发生器便可输出多路相位相关的时钟信号。
推荐型号：SIT9103、SIT9104、SIT9105
输出频点：1-220MHZ（单端）、1-800MHZ（差分）
输出通道：3 路单端（SIT9103）、6 路差分（SIT9104）
工作电压：1.8V、2.5V、3.3V
工作精度：25PPM、50PPM
封装体积：7050（22PIN）、
工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃
（六）、温控振荡器（TCXO）：
推荐型号：SIT9103、SIT9104、SIT9105
输出频点：1-220MHZ（单端）、1-800MHZ（差分）
输出通道：3 路单端（SIT9103）、6 路差分（SIT9104）
工作电压：1.8V、2.5V、3.3V
工作精度：25PPM、50PPM
封装体积：7050（22PIN）、
工作温度：-20--+70℃、-40--+85℃
七、SITIMEMEMS硅晶振的机会
可以说SITIME MEMS 硅晶振是对石英晶振的一次革命，如果说石英产品经过几十年的发展，技术已经到了一定的瓶颈了，如现在的金属封装将会向陶瓷封装发展。而SITIME MEMS硅晶振的技术发展空间很大，比如前几代的产品在近端相噪方面表现有待提高，前不久SITIME 推出的四代产品已经很好的解决了这个问题。
SITIME MEMS 硅晶振是未来时钟组件发展的一个方向，相信在不久之后，金属封装的晶振将像晶体管、蜂窝电话、软盘等器件一样，被历史淘汰。不过，目前SITIME 需要更好的解决以下三个问题：
1、扩大产品知名度与影响度：
由于采购与设计人员固有的采购与设计习惯，更大一部分人对SITIME MEMS 硅晶振还不太了解，使用方面还存在一定的疑虑。但只要使用过SITIME MEMS 硅晶振的人都非常认可这项新的产品与技术，所以SITIME 的回头客非常多。
2、近期内降低成本：
从原理与工艺方面来讲，SITIME MEMS 硅晶振较石英晶振有很大的成本优势。而目前SITIME MEMS 硅晶振还是跟石英晶振的成本一样。但随着市场用量的持续增长，SITIMEMEMS 硅晶振将会在成本方面有很大的变化。呵，这好像又回到了"先有鸡，还是先有蛋"的市场怪圈里去了呵，我们相信这个周期不会太长。所以，从长远的利益来讲，SITIMEMEMS 硅晶振替代石英晶振是一种必然的趋势。
3、完善大中华区的技术服务与样品、小批量供应问题。
SITIME MEMS 硅晶振，对于大部分人来讲还是一个陌生的概念，况且有很大一部分的设计人员对晶振的关注度也并不是很高，当然这主要集中在一些对时钟信号要求并不是很高的设计场合。所以，SITIME 应加大技术服务的力度，来方便更多的中小公司了解SITIMEMEMS 硅晶振，并设立样品库与小批量现货库。这样才能更好的方便大、中、小各种客户、以及更多的分销商来使用与销售SITIME MEMS 硅晶振产品。