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“微”系统计时的5大隐藏优势

使用硅 MEMS 计时有很多好处——从低功耗和高性能到可靠性和弹性。当然，还有尺寸小。本博客探讨了 MEMS 小型化、其支持电路和全硅方法带来的优势。我们将介绍封装尺寸，以及一些不太明显但具有重大影响的微系统优势。

小包装

首先，显而易见的是，作为一种微机电系统，MEMS 本质上很小。硅可以实现极端的缩放。封装部件，无论是单独的谐振器还是与其控制电子器件（例如振荡器 IC）组合，其尺寸范围从几毫米到零点几毫米。 MEMS 振荡器通常由堆叠在硅混合信号 IC 上的硅 MEMS 谐振器组成。由于 MEMS 振荡器的主要元件是硅，因此可以应用先进的半导体封装技术，例如晶圆级芯片级封装 (WL-CSP)，从而创建基本上与硅芯片大小相同的振荡器。该 SEM 图像显示了无需塑料、陶瓷或金属来容纳芯片的 CSP 振荡器。

1. 更稳健

关于一些您可能不知道的事实……硅的强度是钛的 15 倍*。再加上 MEMS 谐振器的移动质量比石英谐振器小 3,000 倍，您将获得高度稳健的设备。这种小质量减少了加速度施加到 MEMS 谐振器的力。 （还记得牛顿第二运动定律吗？）此外，我们的谐振器采用刚性硅中心锚定结构设计，并采用先进的模拟技术进行控制，使其更能抵抗机械力。凭借较小的重力和我们的专有设计，冲击和振动不会影响性能。抖动改善，频率跳跃消失，整体可靠性大大提高。下载我们的冲击和振动论文，了解有关 MEMS 时序弹性的更多信息。

2. 增加系统集成度

与石英晶体不同，微型 MEMS 谐振器可以集成到 SoC 和多芯片模块中。与 MEMS 与振荡器 IC 组合形成振荡器类似，硅MEMS 谐振器可以与其他硅芯片封装在一起。例如，MEMS 可以嵌入到收发器的调制解调器中，或者作为微控制器中的实时时钟。这些计时集成系统似乎没有外部计时参考。没有外部频率参考的收音机看起来就像没有参考的收音机。当然，参考仍然存在，只是会被集成。除了尺寸更小之外，该系统还更加可靠、稳健且功耗更低。

3. 减少相位噪声并减少杂散电容

噪声会对系统造成严重破坏。那么尺寸有什么帮助呢？当谐振器较小且位于其读出放大器附近时，放大器输入端的杂散电容会减少。顾名思义，杂散电容是不需要的电容，它直接成比例地影响放大器的输入噪声。要理解这个概念，请考虑高阻抗放大器（如 CMOS FET）上的电压噪声通过杂散输入电容转换为输入电流噪声，或者低阻抗放大器的电流噪声通过杂散输入转换为电压噪声。电容。两者都与电容成正比。该输入噪声与放大器的输出相位噪声成反比。低相位噪声几乎对所有应用都很重要。

4. 扩展电路功能

随着集成电路的出现，在 MEMS 振荡器中包含更多功能变得越来越实用，从而赋予它们更多的灵活性和功能。当今的 MEMS 振荡器通常包含分数 N PLL，用于将内部谐振器频率转换为所需的输出频率。这些 PLL 还可以补偿谐振器频率随温度的变化并调整初始偏移。此外，PLL 还可以调制输出，例如通过扩频降低 EMI，或者调整频率以跟踪外部信号。这些电路可以扩展以提供相关频率或受控相位的多个输出。人们可以将这些系统视为频率合成器，而不是振荡器。

5. 紧密热耦合

TCXO（温度补偿振荡器）是一种通过测量和补偿温度来提供精确频率的振荡器。传统的石英 TCXO 可以做到这一点，但由于晶体谐振器和补偿测量电路之间的距离，反馈环路中存在滞后。这会在具有显着热梯度的现代电子系统中引起问题，这些问题可能是由许多动态条件引起的。例如，电源管理系统循环电路块电源。并且冷却风扇会迅速降低环境温度。更不用说您可能会发现的所有外部环境压力源，例如在沙漠或汽车中运行的户外设备。

为了克服大范围和快速温度波动的影响，应尽可能靠近谐振器测量温度。这就是全硅 MEMS 器件的小尺寸和粘合性变得特别有利的地方。最新一代 MEMS TCXO 中的 MEMS 谐振器、MEMS 传感器和先进补偿电路（如上图所示）非常接近，使这些设备能够准确测量并几乎立即响应微小的µKevin温度变化。这些振荡器采用 DualMEMS™ 设计（一个用于谐振器，另一个用于传感器），旨在以极低的噪声提供最准确的温度补偿。下载我们的DualMEMS 论文或查看我们的Precision TCXO以了解更多信息。

用更少的钱获得摩尔

全硅元件的使用使得 MEMS 时序能够遵循摩尔定律，即在更小的空间中封装更多的元件，并随着时间的推移加速改进。相对于其他机械（非硅）谐振器，这种缩放使微机械硅谐振器具有明显的优势。除了小型化之外，MEMS 还显着提高了鲁棒性和前所未有的集成度。此外，系统的紧凑性和凝聚力带来了性能和功能优势。随着我们在机械和集成电路设计以及制造能力方面的进步，这些优势将会升级。

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*硅的极限强度（或拉伸强度）为 5,000 至 9,000 MPa（兆帕，压力的测量值） ，而钛的极限强度为 246 至 620 MPa。

感谢 SiTime 创始人兼首席科学家 Aaron Partridge 对本文的贡献。