MEMS硅晶振VS石英晶振

作者： 揚(yáng)興晶振 日期：2022-06-07 瀏覽量：

  經(jīng)過多年發(fā)展，石英晶振已占據(jù)市場主導(dǎo)，在一些產(chǎn)品應(yīng)用中，MEMS硅可編程晶振又是不二選擇，這是為什么呢?而MEMS硅晶振和傳統(tǒng)的石英晶振有何區(qū)別呢?接下來揚(yáng)興和大家一起聊聊這兩種晶振的特點(diǎn)。

  一、一致性和穩(wěn)定性：MEMS 硅晶振優(yōu)于石英晶振

  石英晶振不同的工作頻率對應(yīng)不同的切割角度和切割方式，小型化后質(zhì)量穩(wěn)定性難以保障。此外，石英晶振老化后，可能導(dǎo)致密封在金屬殼與基座空腔內(nèi)的惰性氣體“漏氣”。一旦晶體表面的銀被氧化，產(chǎn)品將出現(xiàn)故障。石英產(chǎn)品平均無故障工作時(shí)間僅為 3 千萬小時(shí)。而硅 MEMS 晶振生產(chǎn)時(shí)采用完全半導(dǎo)體工藝，保證了量產(chǎn)產(chǎn)品的品質(zhì)一致性;且硅晶振采用先進(jìn)工藝進(jìn)行真空密封，無“氣密性”問題。SiTime 晶振公司測試數(shù)據(jù)顯示，硅晶振平均無故障工作時(shí)間可高達(dá) 5 億小時(shí)。

  二、即時(shí)生產(chǎn)力 MEMS 硅晶振優(yōu)于石英晶振

  石英生產(chǎn)流程包括切割、鍍銀、封裝、測試、老化等數(shù)十道工序，一般需要經(jīng)過 8-16 周的生產(chǎn)周期。此外，石英振蕩器所需的基座和起振 IC 全部被兩三家日系供應(yīng)商控制，這決定了石英晶振無應(yīng)急供貨能力。而 MEMS 硅晶振加工廠會(huì)提前備有大量的 MEMS 諧振晶片及 CMOS 晶片，當(dāng)有客戶需求的時(shí)候僅需要進(jìn)行簡單的封裝測試就可交貨，交貨周期大大縮短。

  三、抗沖擊性：MEMS 硅晶振優(yōu)于石英晶振

  石英晶振工作頻率與晶片厚度成反比，晶片太薄則容易碎裂。工作頻率為 40MHz 的石英晶振，對應(yīng)晶片厚度僅為 0.04mm。因此，高頻石英產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中容易碎裂。而 MEMS硅晶振輕巧的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的架構(gòu)，使其具有良好的抗沖擊能力。根據(jù) SiTime晶振 公司測試報(bào)告顯示，硅晶振抗沖擊性是石英晶振 10 倍以上。

  四、可編程性：MEMS 硅晶振優(yōu)于石英晶振

  傳統(tǒng)石英振蕩器的主要規(guī)格參數(shù)如輸出頻率、頻率穩(wěn)定性是由石英切割的形狀、厚度及加工過程中鍍銀老化等步驟來實(shí)現(xiàn)，這也導(dǎo)致石英缺乏靈活性。全硅 MEMS 振蕩器可使用專門的設(shè)備進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)頻率、電壓、精度等相關(guān)參數(shù)的控制。

  五、頻率溫度特性：石英晶振優(yōu)于 MEMS 硅晶振

  根據(jù) Epson晶振測試數(shù)據(jù)顯示，石英晶振溫度特性呈現(xiàn)連續(xù)性的三次曲線，而帶簡易溫調(diào)功能的石英晶體振蕩器(如 G-211S*E)能夠在較大溫度范圍內(nèi)保持特性溫度。而硅的頻率公差隨溫度呈線形變化,需要使用小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路(PLL)進(jìn)行精密補(bǔ)償，以保證頻率穩(wěn)定性。

  六、相位抖動(dòng)：石英晶振優(yōu)于 MEMS 硅晶振

  全硅MEMS振蕩器使用鎖相環(huán)電路進(jìn)行補(bǔ)償，針對各溫度范圍轉(zhuǎn)換不同的分頻比。溫度點(diǎn)的振蕩頻率不連續(xù)性將引起輸出信號(hào)相位變化，從而對噪音和抖動(dòng)特性造成不良影響。根據(jù) Epson晶振對3.3V電源電壓、+25℃條件下不同振蕩器進(jìn)行測試，石英晶振在 12K 至20MHz 的相位抖動(dòng)情況顯著優(yōu)于硅晶振。

  七、電流消耗：石英晶振優(yōu)于 MEMS 硅晶振

  Epson晶振在 3.3V 電源電壓、+25℃且負(fù)載電容等于 10pF 的條件下各振蕩器耗電量測試數(shù)據(jù)顯示，石英晶體振蕩器采用波源基波振蕩方式，結(jié)構(gòu)簡潔，耗電量較低。而全硅 MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電流消耗要顯著高于石英晶振。

  八、起振特性：石英晶振優(yōu)于 MEMS 硅晶振

  根據(jù) Epson 晶振對 0-0.5 秒時(shí)間段中，在 3.3V 電源電壓、+25℃的條件下各振蕩器通電后的起振特性的測試結(jié)果：以頻率偏差在±10*10-6 以內(nèi)的穩(wěn)定所用時(shí)間進(jìn)行比較，石英晶體振器的振蕩頻率在 1.5 毫秒以內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定;全硅 MEMS 振蕩器①約需 90 毫秒;受頻率補(bǔ)償方式的影響，相位抖動(dòng)特性較好的全硅 MEMS 振蕩器②約需 250 毫秒。

  九、頻率穩(wěn)定度：石英晶振優(yōu)于 MEMS 硅晶振

  Epson 晶振測試 50 秒條件下的各振蕩器頻率穩(wěn)定度結(jié)果顯示，硅 MEMS 振蕩器①由于信號(hào)強(qiáng)弱而產(chǎn)生高達(dá)約 0.6*10-6 的抖動(dòng)。帶鎖相環(huán)補(bǔ)償電路的硅 MEMS 振蕩器②穩(wěn)定度有所改善，但仍不及石英晶體振蕩器。

  綜合上述實(shí)驗(yàn)指標(biāo)以及市面各類產(chǎn)品參數(shù)，我們在下表中總結(jié)石英晶振及硅晶振各指標(biāo)的差異?？傮w來說，MEMS 硅晶振在質(zhì)量穩(wěn)定性、抗震性能、交貨周期、封裝尺寸及可編程方面具有優(yōu)勢，在對小型化要求較高的市場或某些特定的應(yīng)用場所如物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴等領(lǐng)域逐漸滲透。石英晶振精度高、耗電量小、相噪抖動(dòng)較小等優(yōu)勢顯著，廣泛用于衛(wèi)星通信、GPS、航空航天及消費(fèi)類民用電子產(chǎn)品中。

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