你不知道的MEMS與QUARTZ振蕩器相愛相殺的歷史
　　關于是使用MEMS更好還是QUARTZ比較好,這個問題已經(jīng)存在了至少十年,至今也沒有一個有效的答案,這在學界和業(yè)界里來說,其說法也比較籠統(tǒng),反正還沒有一個定論.但是行業(yè)里有兩種聲音,一種說是MEMS會替代石英晶振成為頻率元件的主導方向,另一種說法是MEMS無法完全代替QUARTZ.分成兩派誰也無法說服誰,可以說這么多年來硅晶與石英是一種相愛相殺的關系了,即不能完全擺脫對方的存在,也無法共存或結合在一起,以下內容是有關于MEMS的發(fā)展歷史,以及與石英晶體/石英晶體振蕩器相爭的過程.
　　微機電系統(tǒng)或MEMS,是可以定義其最一般形式的技術作為使用微細加工技術制成的小型機械和機電元件(即設備和結構).MEMS器件的關鍵物理尺寸可能從尺寸范圍的下端的一微米以下到幾毫米不等.同樣,MEMS器件的類型可以從沒有移動元件的相對簡單的結構到非常復雜的結構.
　　在集成微電子控制下具有多個運動元件的復雜機電系統(tǒng).MEMS的一個主要標準是”至少有一些元件具有某種機械功能,無論這些元件是否可以移動.”MEMS技術現(xiàn)在被廣泛用于傳感器和執(zhí)行器應用中.此外,MEMS技術的新興應用正在取代傳統(tǒng)的晶體振蕩器.本文將重點研究MEMS與晶體的關系,以闡明它們在先進電子設計中的地位.
　　壓電晶體諧振器(晶體振蕩器)是WalterCady博士發(fā)明的,并在1920年代初獲得了專利.1921年,Cady設計了第一個基于石英晶體諧振器的頻率控制電路,并于1923年獲得了兩項關于石英晶體諧振器及其在無線電中的應用的基本專利.隨后,晶體振蕩器迅速成為控制無線電通信和其他早期電子應用中的頻率的標準.
　　上個世紀后期,高頻電子應用的快速發(fā)展推動了振蕩器技術的發(fā)展.已開發(fā)出成本更低的晶體振蕩器替代品,以在頻率精度要求不高的應用中提供定時功能.例如,在諸如VCR,電話,玩具之類的應用中可以找到陶瓷諧振器,最近,MEMS振蕩器已成為晶體的替代品.
　　根據(jù)新墨西哥大學西南微系統(tǒng)教育中心在2008年發(fā)表的一篇論文,”自1960年代中期以來,用于MEMS可編程晶振的核心技術一直在開發(fā)中,但自2006年以來僅在商業(yè)應用方面足夠先進.”振蕩器是較老的,更成熟的石英晶體振蕩器的有效替代品,具有更好的抗振動和機械沖擊能力,以及溫度變化方面的可靠性.”
　　從這一表述來看,也許可以得出結論,晶體振蕩器在標準的層次結構中已經(jīng)失去了地位,但這遠非現(xiàn)實.下頁頂部的圖1所示,SiMEMS器件的框圖由MEMS諧振器,穩(wěn)定的鎖相環(huán)和其他電路組成,以提供溫度穩(wěn)定性.航空航天技術,軍事制導系統(tǒng),井下鉆井控制等領域的應用發(fā)展迅速,與性能最佳的MEMS器件相比,整個應用范圍更適合于先進的晶體振蕩器.雖然比MEMS昂貴,但晶體振蕩器的固有簡單性增加了它們的可靠性.

　　對有關MEMS振蕩器性能的詳細信息的搜索會導致大量相互矛盾的信息.在準備本文時,審查了兩個詳盡的報告:
　　維基百科上有關該主題的文章是來自西南微系統(tǒng)教育中心的引文(上).盡管這是一篇引人注目的文章,但Wikipedia實際上將其標記為具有”寫為廣告的內容”.我以為可以假設許多Wiki帖子都受此困擾.即使這樣,這篇文章還是值得花時間閱讀的.
　　在2014年9月由愛普生晶振(Epson)發(fā)表的白皮書中,也許找到了與高可靠性應用相關的更相關的信息來源.盡管該論文是由一家公司比較其自己的石英晶體振蕩器與可比較的MEMS器件而制作的,結果值得考慮.
本文比較了五個關鍵領域的性能:
相位噪聲和相位抖動
　　實驗室測量表明,晶體振蕩器的相位噪聲要比兩個Si-MEMS振蕩器中的任一個更好.
功耗
　　晶體振蕩器的功耗最低,為1.5mA,比”標準”Si-MEMS可編程晶體振蕩器低5倍,比”低抖動”Si-MEMS振蕩器低20倍.
　　-晶體振蕩器具有最低的功耗,因為它們具有振蕩源的基本諧波振蕩和簡單的電路結構的優(yōu)勢.
　　-相比之下,Si-MEMS振蕩器消耗的功率更多,因為它們具有更多的電路.
啟動特性
　　與MEMS器件相比,使用具有快速啟動功能的振蕩器可以縮短喚醒周期并延長電池壽命.
頻率溫度特性
　　首次檢查時,Si-MEMS振蕩器的頻率和溫度特性似乎更好.仔細檢查發(fā)現(xiàn),當分頻比切換以補償溫度變化時,Si-MEMS振蕩器會出現(xiàn)跳頻.
頻率穩(wěn)定度
　　“標準”Si-MEMS晶振的跳頻遠遠超過大多數(shù)無線射頻標準.”低抖動”Si-MEMS振蕩器具有更好的性能,但石英振蕩器更加穩(wěn)定.
　　MEMS振蕩器需要更復雜的電路來執(zhí)行基本功能并補償溫度變化和其他變量(圖1).盡管其本質上更為復雜,但MEMS通常比晶體振蕩器便宜得多.隨著采用新興MEMS拓撲結構實現(xiàn)的所有其他功能,低成本MEMS振蕩器的適應性顯然將增加.此外,MEMS振蕩器可以很好地應對沖擊和振動.不利的一面是,MEMS振蕩器通常表現(xiàn)出較低的Q值,這會導致較差的相位噪聲和抖動,如參考白皮書所證明的那樣.最后,MEMS器件電路根本無法處理與空間相關的輻射暴露.
　　考慮到所有這些因素,在眾多應用中,MEMS振蕩器是首選解決方案.較低的成本和可接受的性能水平使這些設備非常適合大批量消費產品,包括手機,玩具,游戲,汽車娛樂/導航系統(tǒng)等.在某些短期應用(一次完成)很重要而長期穩(wěn)定性不重要的航空航天應用中,也可以考慮使用MEMS.
　　那么,經(jīng)典的高性能晶體振蕩器又在哪里呢?簡單的答案可能是在高性能應用程序中,絕對不需要”服務呼叫”!低地球軌道(LEO)和地球同步軌道衛(wèi)星等空間應用是其中之一.像井下鉆井這樣的高溫應用將是另一種應用.軍事和航空電子應用(如導彈制導和導航系統(tǒng))的溫度和頻率穩(wěn)定性至關重要.高清視頻顯示器中還發(fā)現(xiàn)了貼片石英晶振,除了出色的性能外,其他任何東西都將顯而易見.
　　MEMS技術正在進入振蕩器應用領域,其低成本提供了一種有吸引力的解決方案.但是,超高可靠性的世界仍然是并將仍然是古老的晶體振蕩器的領域.
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