Генератор микроэлектромеханической системы - Microelectromechanical system oscillator

Генераторы микроэлектромеханических систем (Генераторы MEMS) находятся время устройства, которые генерируют высокостабильные эталоны частоты, который может измерять время. Эти эталонные частоты могут использоваться для упорядочивания электронных систем, управления Обмен данными, определить радиочастоты, и измерить прошедшее время. Основные технологии, используемые в генераторах MEMS, разрабатывались с середины 1960-х годов, но были достаточно продвинуты для коммерческих приложений только с 2006 года.[1] Генераторы MEMS включают в себя резонаторы MEMS, которые микроэлектромеханические конструкции которые определяют стабильные частоты. генераторы тактовых MEMS являются MEMS-устройства с несколькими выходами синхронизации для систем, которые нуждаются в более чем одной опорной частоте. Генераторы MEMS - действительная альтернатива более старым, более устоявшимся кварцевым кварцевые генераторы, предлагая лучшую устойчивость к вибрации и механическим ударам, а также надежность при изменении температуры.

Устройства синхронизации MEMS

Резонаторы

Резонаторы MEMS представляют собой небольшие электромеханические конструкции, которые колеблются на высоких частотах. Они используются для отсчета времени, фильтрации сигналов, массового зондирования, биологического зондирования, определения движения и других различных приложений. Эта статья касается их применения в частотных и временных ссылках.

Для задания частоты и синхронизации резонаторы MEMS присоединяются к электронным схемам, часто называемым поддерживающими усилителями, для приведения их в непрерывное движение. В большинстве случаев эти схемы располагаются рядом с резонаторами в одном физическом корпусе. Помимо возбуждения резонаторов, эти схемы создают выходные сигналы для последующей электроники.

Осцилляторы

По соглашению термин "осцилляторы" обычно обозначает интегральные схемы (ИС), которые обеспечивают одиночные выходные частоты. Генераторы MEMS включают в себя резонаторы MEMS, поддерживающие усилители и дополнительную электронику для установки или регулировки их выходных частот. Эти схемы часто включают в себя контуры фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которые производят выбираемые или программируемые выходные частоты из исходных опорных частот МЭМС.[2]

Генераторы MEMS обычно доступны в виде 4- или 6-контактных ИС, которые соответствуют печатная плата (PCB) посадочные места для пайки, ранее стандартизированные для кварцевых генераторов.

Генераторы часов

Период, термин генератор часов обычно обозначает синхронизирующую ИС с несколькими выходами. Следуя этому обычаю, генераторы тактовых импульсов МЭМС являются устройствами синхронизации МЭМС с несколькими выходами. Они используются для подачи синхронизирующих сигналов в сложных электронных системах, требующих нескольких частот или фаз синхронизации. Например, большинство компьютеры требовать независимых часы для синхронизации процессора, дискового ввода-вывода, последовательного ввода-вывода, генерации видео, ввода-вывода Ethernet, преобразования звука и других функций.[3]

Генераторы тактовых сигналов обычно специализируются на своих приложениях, включая количество и выбор частот, различные вспомогательные функции и конфигурации пакетов. Они часто включают несколько систем ФАПЧ для генерации нескольких выходных частот или фаз.

Часы реального времени

МЭМС Часы реального времени (RTC) - это ИС, которые отслеживают время дня и дату. Они включают MEMS резонаторы, поддерживающие усилители, и регистры, которые увеличиваются со временем, например, считая дни, часы, минуты и секунды. Они также включают в себя дополнительные функции, такие как аварийные выходы и аккумулятор управление.

RTC должны работать непрерывно, чтобы отслеживать прошедшее время. Для этого они иногда должны работать от небольших батарей и, следовательно, должны работать на очень низких уровнях мощности. Как правило, это микросхемы среднего размера, содержащие до 20 контактов для питания, резервного питания от батареи, цифрового интерфейса и различных других функций.

История устройств синхронизации MEMS

Первая демонстрация

Мотивировано недостатками кварц кварцевых генераторов, исследователи разрабатывают резонансные свойства МЭМС-структур с 1965 года.[4][5] Однако до недавнего времени различные проблемы с точностью, стабильностью и технологичностью, связанные с герметизацией, упаковкой и регулировкой резонаторных элементов, не позволяли рентабельному коммерческому производству. Необходимо было преодолеть пять технических проблем:

  • Первые демонстрации
  • Поиск стабильных и предсказуемых материалов резонатора,
  • Разработка достаточно чистых технологий герметичной упаковки,
  • Подстройка и компенсация выходных частот, повышение добротности элементов резонатора и
  • Повышение целостности сигнала для соответствия требованиям различных приложений.

Первые MEMS-резонаторы были построены с металлическими резонаторными элементами.[4] Эти резонаторы задумывались как аудио фильтры и имел умеренный коэффициент качества (Qs) 500 и частоты от 1 кГц до 100 кГц. Фильтрация приложений, теперь для высокая частота радио, по-прежнему важны и являются активной областью для исследований MEMS и коммерческие продукты.

Однако первые MEMS-резонаторы не имели достаточно стабильных частот, чтобы их можно было использовать для синхронизации или генерации тактовых импульсов. Металлические элементы резонатора имели тенденцию сдвигать частоту со временем (они старели) и по мере использования (они утомляли). При изменении температуры они имели тенденцию к большим и не совсем предсказуемым частотным сдвигам (они обладали большой температурной чувствительностью), а при циклическом изменении температуры они имели тенденцию возвращаться к другим частотам (они были гистерезисными).

Материальное развитие

Работа в 1970-е годы[6][7][8] через 1990-е годы[9] идентифицировали достаточно стабильные материалы резонатора и соответствующие методы изготовления. В частности, было обнаружено, что монокристаллический и поликристаллический кремний подходит для эталонных частот с практически нулевым старением, усталостью и гистерезисом, а также с умеренной температурной чувствительностью.[10][11]

Исследования резонаторов MEMS все еще продолжаются. Значительные усилия были вложены в кремний-германий (SiGe) за его низкотемпературное изготовление[12] и нитрид алюминия (AlN) за его пьезоэлектрическое преобразование.[13] Работа над микропереработанным кварцем продолжается,[14] в то время как поликристаллический алмаз использовался в высокочастотных резонаторах из-за его исключительного отношения жесткости к массе.[15]

Разработка упаковки

Резонаторам MEMS требуются полости, в которых они могут свободно перемещаться, и для эталонных частот эти полости должны быть откачаны. Первые резонаторы были построены на кремниевых пластинах и испытаны в вакуумных камерах.[9] но явно требовалась индивидуальная герметизация резонатора.

Сообщество MEMS использовало методы связанного покрытия, чтобы заключить другие компоненты MEMS, например датчики давления, акселерометры, и гироскопы, и эти методы были адаптированы к резонаторам.[16][17] В этом подходе покрывающие пластины были подвергнуты микромеханической обработке с небольшими полостями и прикреплены к пластинам резонатора, заключая резонаторы в небольшие вакуумированные полости. Первоначально эти пластины были склеены стеклом с низкой температурой плавления, называемым стеклянная фритта,[18] но в последнее время на смену стеклянной фритте пришли другие технологии склеивания, включая металлическое сжатие и металлические амальгамы.[19][20]

Методы герметизации тонкой пленкой были разработаны для формирования закрытых полостей путем создания крышек непосредственно над резонаторами в процессе изготовления, а не приклеивания крышек на резонаторы.[21][22][23][24][25][26] Эти методы имели то преимущество, что они не использовали большую площадь штампа для герметизирующей структуры, они не требовали подготовки вторых пластин для формирования крышек, а полученные пластины устройства были тоньше.

Для эталонных частот обычно требуется стабильность частоты 100 частей на миллион (ppm) или лучше. Однако первые технологии укрытия и инкапсуляции оставляли значительные количества загрязнения в полостях. Поскольку резонаторы MEMS имеют небольшие размеры и, в частности, из-за небольшой площади поверхности, они особенно чувствительны к массовой нагрузке. Даже одноатомные слои загрязняющих веществ, таких как вода или углеводороды, могут смещать частоты резонатора за пределы спецификации.[27][28]

Когда резонаторы подвергаются старению или температурному циклу, загрязнения могут перемещаться в камерах и переходить на резонаторы или из них.[10][29] Изменение массы на резонаторах может производить гистерезис тысяч частей на миллион, что неприемлемо для практически всех эталонных частот приложений.

Первые закрытые резонаторы с уплотнениями из стеклянной фритты были нестабильными, поскольку загрязняющие вещества выделялись из герметизирующего материала. Чтобы преодолеть это, геттеры были встроены в полости. Геттеры - это материалы, которые могут поглощать газ и загрязнения после герметизации полостей. Однако геттеры также могут выделять загрязняющие вещества и могут быть дорогостоящими, поэтому их использование в этом приложении прекращается в пользу более чистых процессов связывания покрытия.

Точно так же тонкопленочная инкапсуляция может улавливать побочные продукты производства в полостях. Для устранения этого была разработана высокотемпературная тонкопленочная инкапсуляция на основе эпитаксиального осаждения кремния. Этот процесс эпитаксиальной герметизации (EpiSeal)[30] был признан исключительно чистым и дает резонаторы высочайшей стабильности.[31][32][33][34][35]

Электронный выбор и подстройка частоты

На ранней стадии разработки резонаторов MEMS исследователи пытались создать резонаторы на целевых частотах применения и поддерживать эти частоты при превышении температуры. Подходы к решению этой проблемы включали подстройку и температурную компенсацию резонаторов MEMS способами, аналогичными тем, которые используются для кристалла кварца.[36][37][38]

Однако эти методы оказались технически ограниченными и дорогими. Более эффективным решением было электронное смещение частот резонаторов на выходные частоты генераторов.[39][40] Это имело то преимущество, что резонаторы не нуждались в индивидуальной настройке; вместо этого можно было измерить их частоты и записать соответствующие коэффициенты масштабирования в ИС генератора. Кроме того, температура резонаторов может быть измерена электронным способом, а масштабирование частоты может быть отрегулировано, чтобы компенсировать изменение частоты резонаторов в зависимости от температуры.

Улучшение целостности сигнала

Для различных приложений требуются часы с предопределенным сигналом и характеристиками производительности. Из них ключевыми характеристиками являются фазовый шум и стабильность частоты.

Фазовый шум оптимизирован за счет увеличения собственных частот резонатора (f) и добротности (Q). Q указывает, как долго резонаторы продолжают звонить после того, как привод к ним остановлен, или, что эквивалентно, если рассматривать как фильтры, насколько узкими являются их полосы пропускания. В частности, Q, умноженное на f, или произведение Qf, определяет фазовый шум около несущей.[41] Первые МЭМС-резонаторы для справки демонстрировали неприемлемо низкую добротность. Значительная теоретическая работа прояснила основную физику[42][43] в то время как экспериментальные работы разработаны резонаторы с высокой добротностью.[44] Доступные в настоящее время характеристики MEMS Qf подходят практически для всех приложений.

Конструкция резонатора, особенно при управлении режимами,[45] методы крепления,[15][46] узкозонные преобразователи,[47] линейность,[48] и массивные конструкции[49] потребовали значительных исследовательских усилий.

Требуемая точность частоты варьируется от относительно низкой для тактовой частоты процессора, обычно от 50 до 100 ppm, до высокой точности для высокоскоростной синхронизации данных, часто 2,5 ppm и ниже. Исследования показали, что резонаторы и генераторы MEMS могут быть построены в пределах этих уровней.[50][51] Коммерческие продукты теперь доступны до 0,5 ppm,[52] который покрывает большинство требований приложения.

Наконец, необходимо было разработать и оптимизировать электронику управления частотой и соответствующие вспомогательные схемы. Ключевые области были в датчиках температуры[53] и конструкция ФАПЧ.[54] Последние разработки схем позволили создать генераторы MEMS, подходящие для высокоскоростных последовательных приложений.[55] с субпикосекундным интегрированным джиттером.[56]

Коммерциализация

Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA ) профинансировал широкий спектр исследований MEMS, которые предоставили базовые технологии для разработок, описанных выше. В 2001 и 2002 годах DARPA запустило программы «Нано-механические матричные сигнальные процессоры» (NMASP) и «Надежная микромеханическая технология для работы в неблагоприятных условиях окружающей среды» (HERMIT), специально предназначенные для разработки высокостабильных резонаторов MEMS и технологий упаковки. Эта работа была плодотворной и продвинула технологию до уровня, на котором стартапы, финансируемые венчурным капиталом, могли разрабатывать коммерческие продукты. Эти стартапы включали Discera[57] в 2001 г., SiTime[58] в 2004 году, Silicon Clocks в 2006 году и Harmonic Devices в 2006 году.

SiTime представила первый серийный осциллятор МЭМС в 2006 году, а в 2007 году - Discera. Компания Harmonic Devices сменила фокус на сенсорные продукты и была куплена Qualcomm в 2010 году. Silicon Clocks никогда не выпускала коммерческих продуктов и была куплена Silicon Labs в 2010 году. объявили о своем намерении производить генераторы MEMS, в том числе Песок 9[59] и VTI Technologies.[60]

По объему продаж поставщики осцилляторов MEMS ранжируются в порядке убывания как SiTime и Discera. Ряд поставщиков кварцевых генераторов перепродают генераторы MEMS. SiTime объявила, что по состоянию на середину 2011 года в общей сложности было отгружено 50 миллионов устройств.[61] Остальные объемы продаж не раскрывают.

Операция

Можно представить себе резонаторы MEMS как маленькие колокольчики, которые звонят на высоких частотах. Маленькие колокольчики звонят на более высоких частотах, чем большие, и, поскольку резонаторы МЭМС маленькие, они могут звонить на высоких частотах. Обычные колокольчики имеют размеры от метров до сантиметров и звенят на сотнях герц к килогерц; Резонаторы MEMS имеют диаметр в одну десятую миллиметра и колеблются от десятков килогерц до сотен мегагерц. Резонаторы МЭМС работали более гигагерц.[62]

В обычные звонки бьют механически, в то время как резонаторы MEMS имеют электрический привод. Существуют две базовые технологии, используемые для создания резонаторов MEMS, которые различаются по способу преобразования сигналов электрического привода и считывания от механического движения. Эти электростатический и пьезоэлектрический. Все коммерческие генераторы MEMS используют электростатическое преобразование, а фильтры MEMS используют пьезоэлектрическое преобразование. Пьезоэлектрические резонаторы не показали достаточную стабильность частоты или коэффициент качества (Q) для задания частоты применения.

Электронные поддерживающие усилители приводят в движение резонаторы в непрерывном режиме. Эти усилители обнаруживают движение резонатора и направляют в резонаторы дополнительную энергию. Они тщательно спроектированы для поддержания движения резонаторов с соответствующими амплитудами и для извлечения выходных тактовых сигналов с низким уровнем шума.

Дополнительные схемы, называемые контурами фазовой автоподстройки дробного n (ФАПЧ с дробным числом n), умножают механические частоты резонатора на выходные частоты генератора.[39][40][54][56] Эти узкоспециализированные системы ФАПЧ устанавливают выходные частоты под управлением цифровых конечных автоматов. Конечные автоматы управляются калибровочными и программными данными, хранящимися в энергонезависимой памяти, и регулируют конфигурации ФАПЧ для компенсации изменений температуры.

Конечные автоматы также могут быть построены для предоставления дополнительных пользовательских функций, например синхронизация с расширенным спектром и регулировка частоты, управляемая напряжением.

Тактовые генераторы MEMS построены на основе генераторов MEMS и включают в себя дополнительные схемы для обеспечения дополнительных выходов. Эта дополнительная схема обычно предназначена для обеспечения конкретных функций, требуемых приложениями.

Часы реального времени MEMS работают как генераторы, но оптимизированы для низкого энергопотребления и включают вспомогательные схемы для отслеживания даты и времени. Для работы с низким энергопотреблением они построены с низкочастотными резонаторами MEMS. При проектировании схемы уделяется внимание минимизации энергопотребления при обеспечении требуемой точности синхронизации.

Производство

Резонаторы

В зависимости от типа резонатора процесс изготовления выполняется либо на специализированной фабрике MEMS, либо на заводе. CMOS Литейный завод.

Процесс изготовления зависит от конструкции резонатора и корпуса, но в целом конструкции резонатора с литографическим рисунком и плазменный в или на кремниевых пластинах. Все коммерческие генераторы MEMS построены из поликристаллического или монокристаллического кремния.

В резонаторах с электростатическим преобразованием важно формировать узкие и хорошо контролируемые зазоры в конденсаторах. Они могут быть либо боковыми, например, под резонаторами, либо вертикальными рядом с резонаторами. У каждого варианта есть свои преимущества[требуется дальнейшее объяснение ] и оба используются в коммерческих целях.

Резонаторы инкапсулируются либо путем приклеивания покрывающих пластин к пластинам резонатора, либо путем нанесения на резонаторы тонких пленочных инкапсулирующих слоев. И здесь оба метода используются в коммерческих целях.

Склеенные покровные пластины необходимо прикрепить с помощью клея. Используются два варианта: связующее кольцо из стеклянной фритты или металлическое связующее кольцо. Было обнаружено, что стеклянная фритта создает слишком много загрязнений и, следовательно, сносит, и больше не используется.[63]

Для инкапсуляции тонкой пленки структуры резонаторов покрываются слоями оксида и кремния, затем высвобождаются путем удаления окружающего оксида с образованием автономных резонаторов и, наконец, герметизируются дополнительным напылением.[31]

Схема

Поддерживающие усилители, ФАПЧ, а вспомогательные цепи построены со стандартными смешанный сигнал CMOS-процессы, производимые на литейных заводах CMOS.

Были продемонстрированы интегрированные генераторы MEMS со схемами CMOS на одном кристалле IC.[9][64] но на сегодняшний день эта однородная интеграция коммерчески нецелесообразна. Вместо этого целесообразно производить резонаторы МЭМС и схему КМОП на отдельном кристалле и объединять их на этапе сборки. Такое объединение нескольких кристаллов в один корпус называется гетерогенной интеграцией или просто штабелированием кристаллов.

Упаковка

Основная статья: упаковка интегральной схемы

Завершенные устройства MEMS, заключенные в небольшие микросхемы вакуумные камеры, вырезаны из их кремниевые пластины, и кристалл резонатора уложены друг на друга на кристалле CMOS и отформованы в пластиковые корпуса для формирования генераторов.

Генераторы MEMS упаковываются на тех же заводах и с тем же оборудованием и материалами, которые используются для стандартной упаковки IC. Это в значительной степени способствует их экономической эффективности и надежности по сравнению с кварцевыми генераторами, которые собираются со специализированными керамическими корпусами на специализированных заводах.

Размеры корпуса и формы контактных площадок соответствуют размерам стандартных корпусов кварцевых генераторов, поэтому генераторы MEMS могут быть припаяны непосредственно к печатным платам, предназначенным для кварцевых устройств, без необходимости модификации или перепроектирования платы.

Тестирование и калибровка

Производственные испытания проверяют и калибруют резонаторы МЭМС и КМОП-микросхемы, чтобы убедиться, что они работают в соответствии со спецификациями, и настроить свои частоты. Кроме того, многие генераторы MEMS имеют программируемые выходные частоты, которые можно настроить во время тестирования. Конечно, различные типы генераторов конфигурируются на специализированных кристаллах CMOS и MEMS. Например, маломощные и высокопроизводительные генераторы не построены на одном кристалле. Кроме того, генераторы высокой точности часто требуют более тщательной калибровки, чем генераторы низкой точности.

Генераторы MEMS тестируются так же, как стандартные ИС. Как и упаковка, это делается на стандартных заводах по производству ИС со стандартным испытательным оборудованием ИС.

Использование стандартных корпусов ИС и средств тестирования (называемых в индустрии ИС субконструкциями) обеспечивает масштабируемость производства генераторов МЭМС.[46] Эти объекты способны производить большие объемы производства, часто сотни миллионов микросхем в день. Эта мощность распределяется между многими компаниями, производящими микросхемы, поэтому наращивание объемов производства конкретных микросхем или, в данном случае, конкретных генераторов МЭМС является функцией распределения стандартного производственного оборудования. И наоборот, фабрики кварцевых генераторов являются однофункциональными по своей природе, поэтому для наращивания производства требуется установка нестандартного оборудования, что является более дорогостоящим и трудоемким, чем размещение стандартного оборудования.

Сравнение МЭМС и кварцевых генераторов

Кварцевые генераторы продаются в гораздо больших количествах, чем генераторы МЭМС, и широко используются и понятны электронщикам. Таким образом, кварцевые генераторы обеспечивают основу для сравнения генераторов MEMS.[65]

Последние достижения позволили устройствам синхронизации на основе МЭМС предложить уровни производительности, аналогичные, а иногда и превосходящие, по сравнению с кварцевыми устройствами. Качество сигнала генератора МЭМС, измеренное по фазовому шуму, в настоящее время достаточно для большинства приложений. Теперь доступен фазовый шум -150 дБн при 10 кГц от 10 МГц, уровень, который обычно требуется только для радиочастотных (RF) приложений. Осцилляторы MEMS теперь доступны со встроенным джиттером менее 1,0 пикосекунды, измеренным в диапазоне от 12 кГц до 20 МГц, уровень, который обычно требуется для высокоскоростных каналов последовательной передачи данных, таких как SONET и SyncE, и некоторых измерительных приложений.

Кратковременная стабильность, время запуска и потребляемая мощность аналогичны кварцевым.[нужна цитата ] В некоторых случаях генераторы MEMS потребляют меньше энергии, чем кварцевые.

Недавно были анонсированы высокоточные МЭМС-генераторы с температурной компенсацией (TCXO) со стабильностью частоты ± 0,1 ppm по температуре.[66] Это превосходит характеристики всех, кроме кварцевых TCXO очень высокого класса и генераторов с термостатом (OCXO).[нужна цитата ]. Теперь доступны MEMS TCXO с выходными частотами более 100 МГц, которые могут обеспечить только несколько специализированных кварцевых генераторов (например, перевернутые мезы).[нужна цитата ]

В приложениях RTC генераторы MEMS работают немного лучше лучших кварцевых камертонов с точки зрения стабильности частоты при изменении температуры и сдвига припоя, в то время как кварцевый по-прежнему лучше для приложений с самым низким энергопотреблением.

Производство и хранение кварцевых генераторов с широким спектром технических требований, которые требуются пользователям, затруднено.[нужна цитата ] Для различных приложений требуются генераторы с определенными частотами, уровнями точности, уровнями качества сигнала, размерами корпуса, напряжениями питания и специальными функциями. Сочетание этих факторов приводит к увеличению количества номеров деталей, что делает складирование непрактичным и может привести к длительным срокам производства.[нужна цитата ]

Поставщики генераторов MEMS решают проблему разнесения за счет использования схемотехники. В то время как кварцевые генераторы обычно построены с кристаллами кварца, работающими на желаемых выходных частотах.[нужна цитата ]Генераторы MEMS обычно управляют резонаторами на одной частоте и умножают ее до расчетной выходной частоты. Таким образом, можно обеспечить сотни стандартных прикладных частот, а иногда и индивидуальную частоту без изменения конструкции резонаторов или схем MEMS.

Конечно, существуют различия в резонаторе, схемах или калибровке, необходимых для разных категорий деталей, но внутри этих категорий параметры преобразования частоты часто могут быть запрограммированы в генераторы MEMS на поздних этапах производственного процесса. Поскольку компоненты не дифференцируются до поздних стадий процесса, время выполнения заказа может быть коротким, обычно несколько недель. С технологической точки зрения кварцевые генераторы могут изготавливаться с программируемыми архитектурами, ориентированными на схемы, наподобие тех, что используются в MEMS, но исторически только меньшинство построено таким образом.

Генераторы MEMS также в значительной степени устойчивы к ударам и вибрации и показали более высокий уровень качества производства, чем те, которые связаны с кварцем.[нужна цитата ]

Кварцевые генераторы безопасны в определенных приложениях, где не были представлены подходящие генераторы MEMS. Одним из таких приложений, например, являются TCXO с регулируемым напряжением (VCTCXO) для мобильных телефонов. Это приложение требует очень специфического набора возможностей, для которых кварцевые изделия оптимизированы.[нужна цитата ]

Кварцевые генераторы лучше всего подходят для самых высоких частот. К ним относятся OCXO, которые могут поддерживать стабильность в пределах нескольких частей на миллиард (ppb), и генераторы поверхностных акустических волн (SAW), которые могут обеспечивать джиттер менее 100 фемтосекунд на высоких частотах. До недавнего времени генераторы MEMS не конкурировали в ассортименте продукции TCXO, но появление новых продуктов привело к появлению на этом рынке генераторов MEMS.

Кварц по-прежнему доминирует в генераторах часов. Эти приложения требуют узкоспециализированных комбинаций вывода и пользовательских пакетов. Цепочка поставок этих продуктов является специализированной и не включает поставщика генераторов MEMS.

Типичные области применения

Основная статья: тактовый сигнал

Генераторы MEMS заменяют кварцевые генераторы в различных приложениях, таких как вычисления, бытовая техника, сети, связь, автомобильные и промышленные системы.

Программируемые генераторы MEMS могут использоваться в большинстве приложений, где используются кварцевые генераторы с фиксированной частотой, таких как PCI-Express, SATA, SAS, PCI, USB, Gigabit Ethernet, видео MPEG и кабельные модемы.

Тактовые генераторы MEMS полезны в сложных системах, требующих нескольких частот, таких как серверы данных и телекоммуникационные коммутаторы.

Часы реального времени MEMS используются в системах, требующих точных измерений времени. Умные счетчики газа и электроэнергии являются примером того, что эти устройства потребляют значительное количество.

Типы генераторов МЭМС и их применение
Тип устройстваРейтинг стабильностиПриложенияКомментарии
XO - Осциллятор20 - 100 частей на миллионТе, которым требуются часы общего назначения, например, бытовая электроника и компьютеры:
  • микропроцессоры
  • цифровые конечные автоматы
  • видео и аудио синхронизация
  • передача данных с низкой пропускной способностью, например, USB и Ethernet
Это была первая категория продуктов, поставляемая генераторами MEMS.
VCXO - Генератор, управляемый напряжением<50 частей на миллионСинхронизация часов в:
  • телеком
  • широкополосный
  • видео
  • приборы
Тактовые выходы являются «тянущими», то есть их частоту можно «тянуть» или точно настраивать. Выходы VCXO можно задействовать с помощью аналогового входа напряжения.
TCXO - Генератор с температурной компенсацией

и

VC-TCXO - TCXO с контролем напряжения

0,5 - 5 частей на миллионВысокопроизводительное оборудование, требующее очень стабильных частот:
  • сеть
  • базовые станции
  • фемтосоты
  • умные счетчики
  • Системы GPS
  • мобильные системы
Выходы VC-TCXO выдвижные
SSXO - генератор с расширенным спектром20 - 100 частей на миллионТактирование на базе микропроцессора:
  • настольные ПК
  • ноутбуки
  • системы хранения
  • USB
синхронизация с расширенным спектром снижает электромагнитные помехи в системах, которые синхронизируются с генераторами
FSXO - Генератор выбора частоты20 - 100 частей на миллионТе, которым требуется гибкость частоты и многопротокольные последовательные интерфейсы.Выходные тактовые частоты можно изменять с помощью аппаратных средств или входов с последовательным выбором, сокращая спецификации и упрощая цепочку поставок.
DCXO - осциллятор с цифровым управлением0,5 - 100 частей на миллионСинхронизация часов в
  • телеком
  • широкополосный
  • видео
  • приборы
Выходные тактовые частоты подтягиваются цифровыми входами.

Буква «X» в названиях типов осцилляторов первоначально обозначала «кристалл». Некоторые производители приняли это соглашение для включения генераторов MEMS. Другие заменяют «M» на «X» (как в «VCMO» вместо «VCXO»), чтобы отличать генераторы на основе MEMS от генераторов на основе кварца.

Ограничения

На генераторы MEMS могут отрицательно повлиять гелий.[67][68]

Смотрите также

использованная литература

Список литературы:

  1. ^ http://scme-nm.org/files/History%20of%20MEMS_Presentation.pdf
  2. ^ https://www.ittc.ku.edu/~jstiles/622/handouts/Oscillators%20A%20Brief%20History.pdf
  3. ^ https://www.ece.cmu.edu/~ee100/docs/Chapter8.pdf
  4. ^ а б Натансон, H.C .; Викстрём, Р. А. (1965-08-15). «Кремниевый поверхностный транзистор с резонансным затвором и полосой пропускания с высокой добротностью». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 7 (4): 84–86. Дои:10.1063/1.1754323. ISSN  0003-6951.
  5. ^ Натансон, H.C .; Newell, W.E .; Wickstrom, R.A .; Дэвис, Дж. Р. (1967). «Резонансный затворный транзистор». Транзакции IEEE на электронных устройствах. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 14 (3): 117–133. Дои:10.1109 / т-ред.1967.15912. ISSN  0018-9383.
  6. ^ Петерсен, К. (1978). «Динамическая микромеханика на кремнии: методы и устройства». Транзакции IEEE на электронных устройствах. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 25 (10): 1241–1250. Дои:10.1109 / т-ред.1978.19259. ISSN  0018-9383. S2CID  31025130.
  7. ^ Петерсен, К. (1982). «Кремний как механический материал». Труды IEEE. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 70 (5): 420–457. Дои:10.1109 / proc.1982.12331. ISSN  0018-9219. S2CID  15378788.
  8. ^ Fan, L.-S .; Tai, Y.-C .; Мюллер, Р. (1988). «Интегрированные подвижные микромеханические конструкции для датчиков и исполнительных механизмов» (PDF). Транзакции IEEE на электронных устройствах. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 35 (6): 724–730. Дои:10.1109/16.2523. ISSN  0018-9383.
  9. ^ а б c Nguyen, C.T.-C .; Хоу, Р. (1999). «Интегрированный высокодобротный генератор КМОП-микромеханического резонатора». Журнал IEEE по твердотельным схемам. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 34 (4): 440–455. Дои:10.1109/4.753677. ISSN  0018-9200.
  10. ^ а б Koskenvuori, M .; Mattila, T .; Häärä, A .; Kiihamäki, J .; Tittonen, I .; Oja, A .; Сеппа, Х. (2004). «Долговременная стабильность монокристаллических кремниевых микрорезонаторов». Датчики и исполнительные механизмы A: физические. Elsevier BV. 115 (1): 23–27. Дои:10.1016 / j.sna.2004.03.013. ISSN  0924-4247.
  11. ^ J. Wang, Y. Xie, C.T.-C. Нгуен, "Допустимое отклонение частоты высокочастотных микромеханических дисковых резонаторов в конструкционных материалах из нанокристаллического алмаза и поликремния", IEEE Int. Electron Devices Mtg., Стр. 291-294, 2005.
  12. ^ Franke, A.E .; Heck, J.M .; Хоу, Р. (2003). «Поликристаллические кремний-германиевые пленки для интегральных микросистем». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 12 (2): 160–171. Дои:10.1109 / jmems.2002.805051. ISSN  1057-7157.
  13. ^ Дж. Пьяцца, П. Дж. Стефану, Дж. М. Портер, М. Б. Дж. Видесундара, А.П. Пизано, «Пьезоэлектрические микромеханические резонаторы на нитриде алюминия с контурным режимом в форме кольца с низким сопротивлением движению для УВЧ-приложений», 18-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам, MEMS’05, стр. 20–23, 2005.
  14. ^ F.P. Страттон, Д.Т. Чанг, Д.Дж. Кирби, Р.Дж. Джойс, Т.-Й. Хсу, Р.Л. Кубена, Ю.-К. Йонг, «Технология кварцевого резонатора на основе МЭМС для приложений ГГц», в Proc. IEEE Int. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. Конф., 2004, с. 27-34.
  15. ^ а б J. Wang, J.E. Butler, T. Feygelson, C.T.-C. Нгуен, «Полидалмазный микромеханический дисковый резонатор 1,51 ГГц с изолирующей опорой с несогласованным импедансом», 17-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам, MEMS’04, стр.641-644, 2004.
  16. ^ Esashi, M .; Sugiyama, S .; Икеда, К .; Wang, Y .; Мияшита, Х. (1998). «Кремниевые микромашинные датчики давления с вакуумным уплотнением». Труды IEEE. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 86 (8): 1627–1639. Дои:10.1109/5.704268. ISSN  0018-9219.
  17. ^ М. Лутц, В. Гольдерер, Дж. Герстенмайер, Дж. Марек, Б. Майхофер, С. Малер, Х. Мюнзель, У. Бишоф, «Прецизионный датчик скорости рыскания в кремниевой микрообработке», Международная конференция по твердотельным датчикам и Actuators, Transducers '97, v.2, pp.847-850, 1997.
  18. ^ Спаркс, Дуглас; Масуд-Ансари, Сонбол; Наджафи, Надер (28 июня 2005 г.). «Долгосрочная оценка герметично запаянного кремния стеклянной фриттой для пластин Pyrex с проходными отверстиями». Журнал микромеханики и микротехники. IOP Publishing. 15 (8): 1560–1564. Дои:10.1088/0960-1317/15/8/026. ISSN  0960-1317.
  19. ^ Ю. Т. Ченг, Л. Лин, К. Наджафи, «Локализованное соединение с PSG или припоем из индия в качестве промежуточного слоя», Двенадцатая Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам, стр.285-289, 1999.
  20. ^ Tsau, C.H .; Спиринг, S.M .; Шмидт, М.А. (2002). «Изготовление межфланцевых термокомпрессионных связок» (PDF). Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 11 (6): 641–647. Дои:10.1109 / jmems.2002.805214. ISSN  1057-7157.
  21. ^ СМ. Мастранжело, Р. Мюллер, «Микромашинный кремниевый источник света накаливания с вакуумным уплотнением», Proc. International Electron Devices Meeting, pp.503-506, 1989.
  22. ^ К.С. Лебуитц, А. Мазахери, Р. Хоу, А.П. Пизано, «Вакуумная герметизация резонансных устройств с использованием проницаемого поликремния», 12-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам. MEMS'99, pp.470-475, 1999.
  23. ^ А. Партридж, А.Э. Райс, Т. Кенни, М. Лутц, «Новая тонкопленочная эпитаксиальная инкапсуляция из поликремния для пьезорезистивных акселерометров», 14-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам, MEMS’01, стр. 54-59, 2001.
  24. ^ А. Партридж, «Боковой пьезорезистивный акселерометр с эпиполической инкапсуляцией», диссертация Стэнфордского университета, 2003 г.
  25. ^ W.T. Park, R.N. Кандлер, С. Кронмюллер, М. Лутц, А. Партридж, Г. Яма, Т. Кенни, «Инкапсуляция микромашинных акселерометров в пленочную пленку», Transducers '03, v.2, pp.1903-1906, 2003.
  26. ^ Stark, B.H .; Наджафи, К. (2004). «Низкотемпературная тонкопленочная металлическая вакуумная упаковка с гальваническим покрытием». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 13 (2): 147–157. Дои:10.1109 / jmems.2004.825301. ISSN  1057-7157. S2CID  12098161.
  27. ^ А. Партридж, Дж. Макдональд. «МЭМС заменят кварцевые генераторы в качестве источников частоты». Краткие технические описания НАСА. v.30, n.6, 2006.
  28. ^ Виг, Дж. Р. (1999). «Шум в резонаторах микроэлектромеханических систем». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 46 (6): 1558–1565. Дои:10.1109/58.808881. ISSN  0885-3010. PMID  18244354. S2CID  35574630.
  29. ^ В. Кааякари, Дж. Киихамаки, А. Ожа, Х. Сеппа, С. Пиетикайнен, В. Коккала, Х. Куисма, «Стабильность монокристаллических кремниевых резонаторов с вакуумной изоляцией на уровне пластин», 13-я Международная конференция по твердотельным актуаторам and Microsystems, Transducers'05, pp.916-919, 2005.
  30. ^ А. Партридж, М. Лутц, С. Кронмюллер, «Микроэлектромеханические системы и устройства с механическими структурами, заключенными в тонкую пленку», US 7075160, 2003 г.
  31. ^ а б А. Партридж, М. Лутц, Б. Ким, М. Хопкрофт, Р. Кэндлер, Т. Кенни, К. Петерсен, М. Эсаши «Резонаторы МЭМС: правильная упаковка», SEMICON-Japan, 2005.
  32. ^ R.N. Кэндлер, W.T. Park, M. Hopcroft, B. Kim, T.W. Кенни, «Диффузия водорода и регулирование давления в герметизированных МЭМС-резонаторах», 13-я Международная конференция по твердотельным актуаторам и микросистемам, преобразователи’05, стр.920-923, 2005.
  33. ^ Кэндлер, Роб Н .; Хопкрофт, Мэтью А .; Ким, Бонгсанг; Пак, У-Тэ; Меламуд, Рената; и другие. (2006). «Долгосрочные и ускоренные ресурсные испытания новой вакуумной капсулы с одной пластиной для MEMS-резонаторов». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 15 (6): 1446–1456. Дои:10.1109 / jmems.2006.883586. ISSN  1057-7157. S2CID  4999225.
  34. ^ Ким, Бонгсанг; Кэндлер, Роб Н .; Хопкрофт, Мэтью А .; Агарвал, Ману; Пак, У-Тэ; Кенни, Томас В. (2007). «Стабильность частоты МЭМС-резонаторов на основе кремниевых инкапсулированных пленок». Датчики и исполнительные механизмы A: физические. Elsevier BV. 136 (1): 125–131. Дои:10.1016 / j.sna.2006.10.040. ISSN  0924-4247.
  35. ^ Б. Ким, Р. Меламуд, Р.Н. Кэндлер, М.А. Хопкрофт, К. Джа, С. Чандоркар, Т. Кенни, «Инкапсулированные резонаторы МЭМС - технологический путь для МЭМС в приложениях управления частотой», Международный симпозиум по управлению частотой IEEE, стр. 1–4, 2010 г.
  36. ^ M.A. Abdelmoneum, M.U. Демирчи, Ю.-В. Lin, C.T.-C. Нгуен, «Настройка вибрационных микромеханических резонаторов в зависимости от местоположения с помощью лазерной обрезки», IEEE Int. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. Конф., 2004, с. 272-279.
  37. ^ X. Хуанг, Дж. Д. Макдональд, W.T. Хсу, «Метод и устройство для настройки частоты микромеханического резонатора», US 7068126, 2004 г.
  38. ^ W.-T. Hsu, C.T.-C. Нгуен, «Температурно-нечувствительные микромеханические резонаторы с компенсацией жесткости», 15-я Международная конференция IEEE по микроэлектромеханическим системам, MEMS’02, стр.731-734, 2002.
  39. ^ а б А. Партридж, М. Лутц, «Микромеханический осциллятор с частотной и / или фазовой компенсацией», US 6995622, 2004.
  40. ^ а б W.-T. Сюй, А. Браун, К. Чоффи, «Программируемый передатчик MEMS FSK». Конференция по твердотельным схемам, ISSCC’06, раздел 16.2, 2006.
  41. ^ Лисон, Д. (1966). «Простая модель спектра шума генератора обратной связи». Труды IEEE. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 54 (2): 329–330. Дои:10.1109 / proc.1966.4682. ISSN  0018-9219.
  42. ^ Дювель, Эми; Кэндлер, Роб Н .; Кенни, Томас У .; Варгезе, Мэтью (2006). «Инженерные МЭМС-резонаторы с низким термоупругим демпфированием». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 15 (6): 1437–1445. Дои:10.1109 / jmems.2006.883573. ISSN  1057-7157. S2CID  45644755.
  43. ^ Candler, R.N .; Duwel, A .; Varghese, M .; Chandorkar, S.A .; Hopcroft, M.A .; и другие. (2006). «Влияние геометрии на термоупругую диссипацию в микромеханических резонансных пучках». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 15 (4): 927–934. Дои:10.1109 / jmems.2006.879374. ISSN  1057-7157. S2CID  5001845.
  44. ^ Ren, Z .; Нгуен, C.T.-C. (2004). «Самовыравнивающийся вибрационный микромеханический дисковый резонатор с частотой 1,156 ГГц». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 51 (12): 1607–1628. Дои:10.1109 / tuffc.2004.1386679. ISSN  0885-3010. PMID  15690722. S2CID  9498440.
  45. ^ Р.А. Бреннен, А.П. Пизано, В.К. Тан, «Многорежимные микромеханические резонаторы», Международная конференция IEEE по микромеханическим системам, стр. 9-14, 1990.
  46. ^ а б ТУАЛЕТ. Тан, C.T.-C. Нгуен, Р. Хоу, "Резонансные микроструктуры поликремния с боковым приводом", Tech. Dig., IEEE Micro Electro Mech. Syst. Мастерская, стр.53-59, 1989.
  47. ^ Pourkamali, S .; Hao, Z .; Аязи, Ф. (2004). "ОВЧ-монокристаллические кремниевые емкостные эллиптические дисковые резонаторы объемного режима - Часть II: реализация и характеристика". Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 13 (6): 1054–1062. Дои:10.1109 / jmems.2004.838383. ISSN  1057-7157. S2CID  14884922.
  48. ^ Kaajakari, V .; Koskinen, J.K .; Маттила, Т. (2005). «Фазовый шум в емкостных микромеханических генераторах». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 52 (12): 2322–2331. Дои:10.1109 / tuffc.2005.1563277. ISSN  0885-3010. PMID  16463500. S2CID  27106479.
  49. ^ S. Lee, C.T.-C. Нгуен, «Механически связанные микромеханические решетки для улучшения фазового шума», IEEE Int. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. Конф., С.280-286, 2004.
  50. ^ Melamud, R .; Chandorkar, S.A .; Salvia, J.C .; Bahl, G .; Hopcroft, M.A .; Кенни, Т. (2009). «Термочувствительные композитные микромеханические резонаторы». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 18 (6): 1409–1419. Дои:10.1109 / jmems.2009.2030074. ISSN  1057-7157. S2CID  23114238.
  51. ^ Сальвия, Джеймс С.; Меламуд, Рената; Chandorkar, Saurabh A .; Лорд, Скотт Ф .; Кенни, Томас В. (2010). «Температурная компенсация в реальном времени осцилляторов МЭМС с использованием встроенной микропечати и цепи фазовой синхронизации». Журнал микроэлектромеханических систем. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 19 (1): 192–201. Дои:10.1109 / jmems.2009.2035932. ISSN  1057-7157. S2CID  36937985.
  52. ^ «SiTime представляет первый в отрасли MEMS VCTCXO со стабильностью ± 0,5 PPM». Sitime.com. 2011-07-11. Получено 2011-11-10.
  53. ^ КАРТА. Pertijs, K.A.A. Макинва, Дж. Хуйсинг, «Датчик температуры CMOS с погрешностью 3 с ± 0,1 ° C в диапазоне от -55 ° C до 125 ° C», J. Solid-State Circuits, v.40, is.12, pp.2805-2815, 2005.
  54. ^ а б Перротт, Майкл Х .; Памарти, Судхакар; Хоффман, Эрик Дж .; Ли, Фред С .; Мукерджи, Шувик; и другие. (2010). "Низкопрофильный синтезатор дробного коэффициента на основе переключаемого резистора, применяемый к программируемому генератору на основе МЭМС". Журнал IEEE по твердотельным схемам. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 45 (12): 2566–2581. Дои:10.1109 / jssc.2010.2076570. ISSN  0018-9200. S2CID  15063350.
  55. ^ С. Табатабаи, А. Партридж, «Кремниевые MEMS-генераторы для высокоскоростных цифровых систем», IEEE Micro, версия 30, выпуск 2, стр. 80-89, 2010.
  56. ^ а б Ф.С. Ли, Дж. Сальвия, К. Ли, С. Мукерджи, Р. Меламуд, Н. Арумугам, С. Памарти, К. Арфт, П. Гупта, С. Табатабаи, Б. Гарлепп, Х.-К. Ли, А. Партридж, М. Перротт, Ф. Ассадераги, «Программируемый тактовый генератор на основе МЭМС с характеристиками джиттера Sub-ps», VLSI, 2011.
  57. ^ «Синхронизация CMOS для продуктов CMOS». Discera. Получено 2011-11-10.
  58. ^ «SiTime, кремниевые МЭМС-генераторы и тактовые генераторы». Sitime.com. Получено 2011-11-10.
  59. ^ «Песок 9». Sand 9. Архивировано с оригинал 4 ноября 2011 г.. Получено 2011-11-10.
  60. ^ «ВТИ | Датчики движения высокой точности». Vti.fi. Архивировано из оригинал 30 октября 2011 г.. Получено 2011-11-10.
  61. ^ "SiTime отгружает 50 миллионов единиц осцилляторов, тактовых генераторов и резонаторов на основе МЭМС". Sitime.com. 2011-06-06. Получено 2011-11-10.
  62. ^ Нгуен, Кларк (2007). «Технология МЭМС для контроля времени и частоты». Протоколы IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и контролю частоты. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 54 (2): 251–270. Дои:10.1109 / tuffc.2007.240. ISSN  0885-3010. PMID  17328323. S2CID  13570050.
  63. ^ W.-T. Сюй. «Недавний прогресс в кремниевых осцилляторах MEMS». 40-е совещание по вопросам точного времени и интервалов времени, 2008 г.
  64. ^ М. Лутц, А. Партридж, П. Гупта, Н. Бьюкен, Э. Клаассен, Дж. Макдональд, К. Петерсен. «Осцилляторы MEMS для массового коммерческого применения». 15-я Международная конференция по твердотельным приводам и микросистемам, преобразователи’07, стр.49-52, 2007.
  65. ^ Лам, С. С. «Обзор последних разработок МЭМС и кварцевых генераторов и их влияние на промышленность продукции для регулирования частоты». Ультразвуковой симпозиум, 2008. IUS 2008. IEEE. IEEE, 2008 г.
  66. ^ Мейсам Х. Рошан, "Температурно-цифровой преобразователь с двойным МЭМС-резонатором, с разрешением 40 мкК и FOM 0,12 пДжК.2", ISSCC 2016
  67. ^ «МРТ отключила все устройства iOS в объекте». 2018-10-09. Получено 2018-10-31.
  68. ^ «У iPhone аллергия на гелий». 2018-10-30. Получено 2018-11-02.