Silicon Labs创新技术为MEMS振荡器带来更高频率稳定性

由于生产流程复杂，封装方式特殊，传统的石英晶体振荡器在尺寸、良品率和可靠性等方面都遇到了瓶颈。和石英晶体振荡器相比，近几年逐渐进入低频市场的MEMS振荡器不仅尺寸更小，在交付时间、供货、可靠性和性价比等方面的优势也越来越明显，更能满足大批量应用的需求。

2012年，MEMS振荡器的市场规模已经超过1亿美元，并将持续高速增长。SITIME和IDT等公司已相继推出了基于MEMS的振荡器产品系列。近日，Silicon Labs开发出基于CMEMS专利技术的Si50x振荡器系列，这为数码相机、ATM机和内存等需要低成本、低功耗和批量生产的工业、嵌入式和消费类电子应用带来了新的选择。

Silicon Labs公司副总裁暨时序产品总经理Mike Petrowski表示，采用Silicon Labs独创的CMEMS技术，Si50x振荡器系列既具备现有双晶片架构MEMS振荡器的优点，性能方面又更能媲美传统的石英振荡器，是成本和功耗受限的嵌入式、工业和消费类电子应用极佳的通用型振荡器解决方案。

图：Silicon Labs公司副总裁暨时序产品总经理Mike Petrowski

据Mike Petrowski介绍，依赖传统技术的石英频率控制设计有很多局限，例如需要更高专业化和复杂生产流程，基于陶瓷的特殊包装，需要密闭可靠的腔体以及片外匹配电容，对环境因素敏感，尤其是热力、冲击和振动，可能导致现场故障。现有的双晶片MEMS振荡器虽然采用了更加标准的封装技术，但仍然依赖主流批量CMOS工厂之外的专业MEMS工厂。此外，它对MEMS谐振器特性更加敏感，因此从系统性能和成本的角度来看不是最佳选择。

图：频率控制技术的演进

得益于Silicon Labs设计团队在混合信号3D设计方面积累的丰富经验，Silicon Labs专利的CMEMS技术在单晶片上集成了MEMS谐振器和CMOS振荡器电路，使振荡器具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度。

图：CMEMS技术在单晶片上集成了MEMS谐振器和CMOS振荡器电路

Si50x CMEMS振荡器最显著的优势在于，它将MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆上，从而获得更高的温度稳定性和抗老化性能。这种创新的结构使得温度传感器与MEMS谐振器的接触更紧密，温度补偿功耗极低，速度更快。传统的MEMS谐振器有-30至40ppm/℃ 的频率漂移，而采用硅锗合金+氧化硅材料的CMEMS频率漂移接近+/-1 ppm/℃。

图：Si50x振荡器与晶体振荡器在全工业温度范围内的稳定性对比和抗老化性能对比。

除此之外，通过集合所有基于MEMS解决方案的优点，以及保持或提升石英解决方案的多种最佳特性，CMEMS技术还具有可在先进的CMOS生产线上进行流线型晶圆级制造、流线型标准包装、以及针对低噪声参考的扩展频率和EMI抗干扰性的特色，凭借这些优势CMEMS有望在频率控制应用中取得积极突破。

IHS MEMS和传感器总监及资深首席分析师Jeremie Bouchaud表示：“时序产品市场已迎来转折点，最新一代基于MEMS的振荡器极具成本效益，能可靠替代传统晶体振荡器。Silicon Labs CMEMS技术把MEMS谐振器和频率控制电路集成到单晶片器件中，为批量电子系统设计提供最完整的晶体振荡器替代解决方案。”

Si50x系列产品包括四类产品，具有数千种灵活的定时配置，具体性能可参考近期产品发布。
• Si501是具有输出使能（OE）功能的单频率振荡器
• Si502是具有OE和频率选择（FS）功能的双频率振荡器
• Si503是具有FS技术的四频率振荡器
• Si504是完全可编程的振荡器，支持所有配置特性，采用单脚接口，以十亿分率的精度进行精确频率调整。

Mike Petrowski表示，以Si50x系列为开端，未来的CMEMS产品线将满足不同细分领域电子市场，从低频到高频，从嵌入式消费类产品到高性能通信和网络应用，最终，将采用比石英解决方案更小、更经济、更可靠、更容易制造和集成进入系统设计的完整频率控制产品为整个市场提供服务。