全硅MEMS振蕩器與石英晶體振蕩器的不同

自從蘋果手機(jī)首次使用了MEMS產(chǎn)品以來， MEMS工藝就掀起了一波又一波的熱潮。誠(chéng)然MEMS產(chǎn)品有其獨(dú)特的地方，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)產(chǎn)品的某些方面的不足，但是能否就說傳統(tǒng)產(chǎn)品就即將被完全替代呢，還是產(chǎn)品之間的相互補(bǔ)充呢？所以我們就需要客觀認(rèn)識(shí)新的產(chǎn)品和傳統(tǒng)產(chǎn)品之間的優(yōu)缺點(diǎn)，方才有助于我們合理的選用相關(guān)產(chǎn)品，全硅MEMS振蕩器和石英晶體振蕩器也應(yīng)如此。

石英晶體已經(jīng)在存在半個(gè)多世紀(jì)了，一直占居著絕大部分的時(shí)鐘頻率市場(chǎng)。石英晶體分為有源和無源兩大系列，從使用量來說，絕大多數(shù)產(chǎn)品均選用成本較低的無源晶振，即石英晶體諧振器，所以無源晶振使用更廣泛。而全硅MEMS系列產(chǎn)品聲稱要替代的其實(shí)就是指有源晶振的部分，即石英晶體振蕩器，換個(gè)說法如果要替代無源，恐怕就不是一個(gè)單一頻率器件之間的替代，而是要整合到主控IC里去，屬于主控IC的功能的擴(kuò)展，跟MEMS還沒有太大關(guān)系。所以我們重點(diǎn)客觀的對(duì)比分析的是全硅MEMS振蕩器和有源晶振的比較，認(rèn)識(shí)各自的特點(diǎn)。

首先，從工作原理來看，MEMS振蕩器它是由一個(gè)全硅的MEMS諧振器（類似一顆無源石英諧振器）和一個(gè)可編程Analog CMOS驅(qū)動(dòng)芯片組成的。而石英晶體振蕩器它也是由一個(gè)石英晶體和一顆IC 組成的。他們之間的大體結(jié)構(gòu)，以及工作模型是一致的。然他們之間的不同，在于以下幾個(gè)方面：

第一，諧振子的不同，即頻率源有本質(zhì)的區(qū)別，MEMS器件采用的靜電驅(qū)動(dòng)懸梁臂，以懸梁臂的諧振頻率作為基準(zhǔn)頻率， 他可以通過程序任意倍頻而輸出各種需要的工作的頻率。而石英晶振利用的石英材料的壓電特性，用石英晶片的頻率作為工作頻率，其工作頻率就是里面的石英晶片的頻率；MEMS器件一個(gè)基準(zhǔn)頻率可以輸出很多的頻率；而石英晶振是基準(zhǔn)頻率就是其工作頻率;這正是全硅MEMS振蕩器的一個(gè)很重要的方便之處，其快速交貨能力正是來源于此，對(duì)比晶振工藝，晶振制程顯得比較復(fù)雜的原因所在。

第二，驅(qū)動(dòng)芯片的特性，MEMS采用的是可編程CMOS芯片，故輸出只能是方波；而石英晶振所使用的芯片就比MEMS廣泛，所以其輸出特性不僅僅有方波，還有正弦波等各種波形。全硅MEMS振蕩器只能輸出方波，所以在對(duì)輸出有特別要求的場(chǎng)合下，全硅MEMS振蕩器可能滿足不了客戶需求，而這又凸顯是石英晶體振蕩器的性能的全面性。

第三，材料及封裝結(jié)構(gòu)，從這個(gè)方面來說，確實(shí)是MEMS的無可比擬的優(yōu)勢(shì)，晶圓的制造工藝，在結(jié)構(gòu)上和產(chǎn)品小型化方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；而使用晶振在體積超小型化方面，因受到材料特性，以及工藝條件出現(xiàn)瓶頸，同時(shí)在成本上也明顯不占有優(yōu)勢(shì)。

俗話說，成也蕭何，敗也蕭何，有其優(yōu)點(diǎn)也必有其缺點(diǎn)，不可能十全十美，產(chǎn)品也如此，下面我們從有源頻率器件的幾個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行比較。

第一，輸出頻率公差，通常有源頻率器件的頻差，都是指總頻差或一定工作溫度范圍內(nèi)的頻差。

首先，我們比較不帶額外補(bǔ)償功能的情況，即普通鐘振，作為普通鐘振來說，其實(shí)客戶產(chǎn)品對(duì)頻差的要求本身并不高，關(guān)心的是產(chǎn)品的穩(wěn)定性。通常只要滿足±50ppm使用都不會(huì)有任何影響，所以去討論特別的精度如±20ppm及以下其實(shí)沒有太大的意思。不過既然要比較，那也應(yīng)該有個(gè)結(jié)果才對(duì)，石英晶振的溫度頻率變化有其本身的特性曲線；MEMS諧振器其頻率完全是機(jī)械諧振，所以溫度對(duì)頻率的影響較小，所以在較寬溫度范圍，如工業(yè)級(jí)等，MEMS有一定的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)由于石英晶振在25度有個(gè)拐點(diǎn)溫度，那么在較窄的溫度范圍內(nèi)，如0～55℃，石英晶振可以做到±2.5ppm，石英晶振此時(shí)則又體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。

其次，帶一定補(bǔ)償?shù)那闆r，如溫度補(bǔ)償條件下即溫補(bǔ)振蕩器，如果對(duì)頻率精度要求不高的話，比如大于±2.5ppm，性能上差異不大，關(guān)鍵是價(jià)格，而價(jià)格由很多因素決定，所以可能各有優(yōu)勢(shì)。那么對(duì)于特殊精度如±0.5ppm及以下，在這方面石英晶體發(fā)展的比較成熟，全硅MEMS振蕩器是屬于追趕者，全硅MEMS振蕩器能否替代還要看其技術(shù)發(fā)展及成熟度。

第二，輸出特性

前面已經(jīng)講過，MEMS產(chǎn)品輸出只有方波；而石英晶振輸出特性多樣化，包含方波還有正弦波，削峰正弦波等，可以滿足客戶的各種需求。

第三，功耗

隨著智能產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)品的功耗越來越受到關(guān)注；這兩大產(chǎn)品在這個(gè)問題上也各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

普通產(chǎn)品（不帶任何補(bǔ)償）， 在頻率小于30MHZ 的產(chǎn)品，兩者功耗，相差不大，大于30MHZ石英晶振因其功耗同頻率成一定的正比關(guān)系，其功耗變大；而MEMS器件由于頻率高低由編程實(shí)現(xiàn)，功耗具有優(yōu)勢(shì)，總的來說在普通產(chǎn)品，功耗方面MEMS器件優(yōu)勢(shì)明顯。不過，在溫補(bǔ)系列產(chǎn)品，石英晶振功耗卻較低，石英晶振在2~6mA；而MEMS振蕩器在30mA左右，差異較大。

所以他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，你需要什么功能就應(yīng)該選擇什么類型的產(chǎn)品，不能一概而論。

第四，相噪及抖動(dòng)

在相噪及抖動(dòng)的特性上，全硅MEMS振蕩器同樣是扮演著追趕者角色，也一直在努力提高相關(guān)特性。但是在這個(gè)問題上，我們同時(shí)也要一分為二的看待，產(chǎn)品的好壞是以滿足客戶需求為目標(biāo)，而不是一味追求最好，所以相噪及抖動(dòng)應(yīng)以客人的需求為準(zhǔn)；當(dāng)然對(duì)于某些產(chǎn)品需要更高相噪和抖動(dòng)，那么還是建議選擇石英晶體振蕩器更能滿足要求。

其它，體現(xiàn)產(chǎn)品性能的指標(biāo)還有很多，比如更低電壓工作特性，更快啟動(dòng)時(shí)間等等，只是這些方面屬于一些特別的應(yīng)用，對(duì)于這些特殊要求，實(shí)現(xiàn)難易考驗(yàn)是廠家的研發(fā)實(shí)力。

說完產(chǎn)品性能的差別，再中立的說說一些爭(zhēng)論的話題：

第一。 交期問題

MEMS廠家或代理商，說晶振產(chǎn)品工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程長(zhǎng)，所以交貨周期長(zhǎng)；而MEMS產(chǎn)品，可以批量備貨空白MEMS器件，要用時(shí)，根據(jù)需求快速燒錄即可；如此可以實(shí)現(xiàn)快速交貨。

其實(shí)這個(gè)問題看似好像有道理，但是一概而論未免有失偏頗，晶振產(chǎn)業(yè)是非常成熟產(chǎn)業(yè)，有其固定的運(yùn)作規(guī)則；晶振和MEMS產(chǎn)品制程區(qū)別在于，晶振屬于類似流水作業(yè)，工序較多，MEMS屬于集成電路作業(yè)。在國(guó)內(nèi)，晶振產(chǎn)品交貨期長(zhǎng)主要是國(guó)外品牌的交貨期長(zhǎng)，國(guó)產(chǎn)品牌交貨期也是很快的，頻率器件的使用跟應(yīng)用方案相關(guān)，只要方案還在用，相關(guān)產(chǎn)品就會(huì)一直使用；所以優(yōu)秀的有實(shí)力的晶振廠家，采用的預(yù)生產(chǎn)方式，尋求長(zhǎng)期合作，為客戶備貨，這樣滿足快速交貨，以彌補(bǔ)交期較長(zhǎng)的問題。所以選擇有實(shí)力的廠家才是保證供貨關(guān)鍵，否則再簡(jiǎn)單的產(chǎn)品也未必能做到順利交付。

第二。 產(chǎn)品的靈活性

這是MEMS振蕩器特別自傲的地方，因?yàn)椴捎昧丝删幊淘O(shè)計(jì)，所以將頻率看的非常簡(jiǎn)單，通過軟件任意倍頻可以達(dá)成任何想要頻率。針對(duì)這個(gè)就如前面所講，有優(yōu)點(diǎn)，也必有其缺點(diǎn)，關(guān)鍵是客戶對(duì)產(chǎn)品的需求；只有自身的價(jià)值來符合客戶的需求，方能得到客戶青睞。同樣，作為石英晶體振蕩器，也研發(fā)出來了類似的可編程晶振，代表性廠家為EPSON，而后很多晶振廠家也陸續(xù)推出類似編程設(shè)計(jì)產(chǎn)品，也能達(dá)到快速交貨，增加晶體振蕩器的靈活性。

第三。 產(chǎn)品可靠性

關(guān)于溫度特性的問題，跟溫度相關(guān)的主要指的是頻率精度，在前面介紹頻率精度時(shí)做出了分析，可見各有優(yōu)缺點(diǎn)，關(guān)鍵是客戶的選擇。

其次，機(jī)械可靠性，MEMS具有摔不壞的特性，根據(jù)MEMS產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這方面的可靠性非常好；不過話又說回來，必須有清醒的認(rèn)識(shí)，石英晶振確實(shí)在抗跌落方面需特別小心，但是晶振產(chǎn)品存在了半個(gè)多世紀(jì)，也就是說在通常的產(chǎn)品是滿足要求的，或至少跟整機(jī)特性是匹配的，所以這個(gè)方面其實(shí)沒有太必要的擔(dān)心。

市場(chǎng)出現(xiàn)新鮮的事物總是好事，說明社會(huì)在進(jìn)步，相信全硅MEMS振蕩器隨著技術(shù)的越來越成熟，作為頻率時(shí)鐘器件用途越來越廣泛。