替代晶振:解读SiTime全硅MEMS技术

2009年08月04日 10:08    贾延安
关键词: MEMS , SiTime
电子系统设计高度集成和小体积化趋势要求时钟产品向小体积,薄型化方向发展,但在此过程中,传统石英或压电陶瓷材料的时钟产品受制于物理特性,其可靠性、精度和高性能之间的平衡很难保持,传统材料的易碎性,在厚度小于0.8mm时其抗冲击、震动能力都大受影响,使得传统材料的薄型化产品面临着高成本及低良率的问题。

  MEMS时钟产品的出现打破了这一局限,过去两年来,采用MEMS技术的各类产品其市场规模已经高达几十亿(颗),时钟产品作为电子产品的“心脏”,为其提供了近50亿美元的市场前景。SiTime是一家全硅MEMS时钟产品供应商,其MEMS技术源自 BOSCH,通过改进并结合高性能的仿真技术,其振荡器由MEMS谐振器和支撑PLL及其信号调节电路的ASIC两个裸片构成,以标准的CMOS制程完成了产品的设计和制造,在通用的半导体设备上制造产品可以通过代工的方式实现规模化量产,而标准的工艺和经过广泛验证的质量也提高了产品良率并降低了生产成本——这也是传统材料时钟产品无法做到的。

  设计特点:可编程和高稳定性

  继两年前推出第一代全硅MEMS时钟产品后,SiTime最近又推出了号称全球功耗最低、最薄、最低启动时间的具有可编程特性的三款振荡器产品 SiT8003、SiT8003XT、SiT8033。据SiTime全球产品市场总监JeffGa o 介绍,SiTime 的目标市场是以全硅MEMS时钟产品取代传统的谐振器、振荡器和频率发生器。MEMS谐振器内建谐振器,无需外挂晶振,有助于减少体积和成本;振荡器方面,利用硅的物理特性,其产品创新较石英有着更大的灵活性;在频率发生器领域,以往模拟厂商的产品都是以双芯片的方式实现(主芯片+参考时钟芯片)多种频率,全硅MEMS则只需要一颗芯片即可实现(图1)。



  可编程全硅MEMS的灵活性可以使之在高性能和低功耗区间自由选择,“相对于石英晶振12周交货期来说,全硅 MEMS只需要两周的交货期,”Jeff Gao表示,“SiTime的MEMS时钟产品拥有1.8V~3V~3.3V的宽泛输入电压,1MHz~200MHz的频率范围,2.5×2.0~7.0×5.0的尺寸范围,并且其稳定性高于石英产品10倍,精确度达到±25PPM。”另外,全硅MEMS在解决EMI问题以及高温度范围适用上(-40℃~+125℃)都优于石英产品。为了方便用户设计,SiTime在某些产品型号上采取同石英产品完全兼容的脚位,以便直接取代而无需重新设计。“全硅MEMS的物理(体积、形状)特征决定其基本频率,其体积约为晶振的1/10,厚度仅为晶振的1/4,其高达50000G的防震能力更优于石英产品20倍,”Jeff Gao说,“通过芯片内的f ract ional -NPLL和非易失性存储器,SiTime全硅MEMS 时钟产品可对频率、电压和精度进行编程调整,并组合成不同功能的时钟产品。”

  产品前景:550亿美元市场

  SiTime亚洲区业务副总裁David Hsieh表示,基于标准化和可编程性,全硅MEMS时钟产品另一个优势在于灵活性,尤其是在设计过程中提供快速服务支持。“SiTime新推出的三款产品工作电流约为3.5mA,在睡眠状态下为10μA,启动时间为3.5ms。SiTime将市面上8类需要认证的频率组件整合成2类组件,对于用户来说,他们不再需要为了准备某些特性的振荡器而面对众多的供货商——受制于材料加工工艺的限制,单个晶振供货商无法提供所有型号的产品——这将大大简化备货,降低采购成本,并且缩短采购周期。”David Hsieh表示,“随着电子系统功能的增加,整个系统对频率的要求也逐渐加大,例如智能卡或SIM卡在增加了USB功能后对频率的要求发生了变化。这些将推动振荡器的需求上升,预计在2010年全球振荡器市场规模将达到550亿美元,其中计算机领域为170亿,HC SIM&Smart Card150亿,消费类电子230亿。而像存储卡这类新兴应用,目前只有全硅MEMS时钟产品能够支持。”
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