Los osciladores del sistema microelectromecánico ( osciladores MEMS ) son dispositivos de sincronización que generan frecuencias de referencia altamente estables , que pueden medir el tiempo. Estas frecuencias de referencia se pueden utilizar para secuenciar sistemas electrónicos, gestionar la transferencia de datos , definir radiofrecuencias y medir el tiempo transcurrido. Las tecnologías centrales utilizadas en los osciladores MEMS han estado en desarrollo desde mediados de la década de 1960, pero solo han sido lo suficientemente avanzadas para aplicaciones comerciales desde 2006. [1] Los osciladores MEMS incorporan resonadores MEMS, que son estructuras microelectromecánicasque definen frecuencias estables. Los generadores de reloj MEMS son dispositivos de temporización MEMS con múltiples salidas para sistemas que necesitan más de una frecuencia de referencia. Los osciladores MEMS son una alternativa válida a los osciladores de cristal de cuarzo más antiguos y establecidos , ya que ofrecen una mejor resistencia a las vibraciones y los golpes mecánicos, y fiabilidad con respecto a la variación de temperatura.
Dispositivos de temporización MEMS
Resonadores
Los resonadores MEMS son pequeñas estructuras electromecánicas que vibran a altas frecuencias. Se utilizan para referencias de tiempo, filtrado de señales, detección de masas, detección biológica, detección de movimiento y otras aplicaciones diversas. Este artículo se refiere a su aplicación en referencias de frecuencia y tiempo.
Para referencias de frecuencia y tiempo, los resonadores MEMS están conectados a circuitos electrónicos, a menudo llamados amplificadores de sostenimiento, para impulsarlos en movimiento continuo. En la mayoría de los casos, estos circuitos están ubicados cerca de los resonadores y en el mismo paquete físico. Además de activar los resonadores, estos circuitos producen señales de salida para la electrónica aguas abajo.
Osciladores
Por convención, el término osciladores generalmente denota circuitos integrados (CI) que suministran frecuencias de salida únicas. Los osciladores MEMS incluyen resonadores MEMS, amplificadores de sostenimiento y componentes electrónicos adicionales para establecer o ajustar sus frecuencias de salida. Estos circuitos a menudo incluyen bucles de bloqueo de fase (PLL) que producen frecuencias de salida seleccionables o programables de las frecuencias de referencia de MEMS ascendentes. [2]
Los osciladores MEMS están comúnmente disponibles como circuitos integrados de 4 o 6 pines que se ajustan a las huellas de soldadura de la placa de circuito impreso (PCB) previamente estandarizadas para los osciladores de cristal de cuarzo.
Generadores de reloj
El término generador de reloj generalmente denota un IC de temporización con múltiples salidas. Siguiendo esta costumbre, los generadores de reloj MEMS son dispositivos de temporización MEMS de múltiples salidas. Se utilizan para suministrar señales de temporización en sistemas electrónicos complejos que requieren múltiples frecuencias o fases de reloj. Por ejemplo, la mayoría de las computadoras requieren relojes independientes para la sincronización del procesador, E / S de disco, E / S en serie, generación de video, E / S de Ethernet, conversión de audio y otras funciones. [3]
Los generadores de reloj suelen estar especializados para sus aplicaciones, incluido el número y la selección de frecuencias, diversas funciones auxiliares y configuraciones de paquetes. A menudo incluyen múltiples PLL para generar múltiples frecuencias o fases de salida.
Relojes en tiempo real
MEMS Los relojes en tiempo real (RTC) son circuitos integrados que rastrean la hora y la fecha. Incluyen resonadores MEMS , amplificadores de sostenimiento y registros que aumentan con el tiempo, por ejemplo, contando días, horas, minutos y segundos. También incluyen funciones auxiliares como salidas de alarma y gestión de baterías .
Los RTC deben funcionar continuamente para realizar un seguimiento del tiempo transcurrido. Para hacer esto, a veces deben funcionar con baterías pequeñas y, por lo tanto, deben funcionar a niveles de energía muy bajos. Por lo general, son circuitos integrados de tamaño moderado con hasta 20 pines para alimentación, respaldo de batería, interfaz digital y varias otras funciones.
Historia de los dispositivos de temporización MEMS
Primera demostración
Motivados por las deficiencias de los osciladores de cristal de cuarzo , los investigadores han estado desarrollando las propiedades de resonancia de las estructuras MEMS desde 1965. [4] [5] Sin embargo, hasta hace poco, varios problemas de precisión, estabilidad y fabricación relacionados con el sellado, empaquetado y ajuste del resonador. elementos que impidieron la fabricación comercial rentable. Debían superarse cinco desafíos técnicos:
- Primeras demostraciones
- Encontrar materiales resonadores estables y predecibles,
- Desarrollar tecnologías de envasado hermético suficientemente limpias,
- Recortando y compensando las frecuencias de salida, aumentando el factor de calidad de los elementos resonadores, y
- Mejora de la integridad de la señal para cumplir con varios requisitos de aplicación.
Los primeros resonadores MEMS se construyeron con elementos resonadores metálicos. [4] Estos resonadores fueron concebidos como filtros de audio y tenían factores de calidad (Qs) moderados de 500 y frecuencias de 1 kHz a 100 kHz. Las aplicaciones de filtrado, ahora para radio de alta frecuencia , siguen siendo importantes y son un área activa para la investigación y los productos comerciales de MEMS .
Sin embargo, los primeros resonadores MEMS no tenían frecuencias suficientemente estables para ser utilizados para referencias de temporización o generación de reloj. Los elementos resonadores metálicos tendían a cambiar de frecuencia con el tiempo (envejecían) y con el uso (se fatigaban). Bajo la variación de temperatura, tendían a tener cambios de frecuencia grandes y no del todo predecibles (tenían una gran sensibilidad a la temperatura) y cuando tenían ciclos de temperatura tendían a volver a diferentes frecuencias (eran histeréticos).
Desarrollo material
El trabajo en la década de 1970 [6] [7] [8] hasta la década de 1990 [9] identificó materiales de resonador suficientemente estables y técnicas de fabricación asociadas. En particular, se encontró que el silicio simple y policristalino era adecuado para referencias de frecuencia con envejecimiento, fatiga e histéresis efectivamente cero y con una sensibilidad moderada a la temperatura. [10] [11]
El desarrollo de material todavía está en curso en la investigación de resonadores MEMS. Se ha invertido un esfuerzo significativo en silicio-germanio (SiGe) para su fabricación a baja temperatura [12] y nitruro de aluminio (AlN) para su transducción piezoeléctrica. [13] El trabajo en cuarzo micromecanizado continúa, [14] mientras que el diamante policristalino se ha utilizado para resonadores de alta frecuencia por su excepcional relación rigidez-masa. [15]
Desarrollo de envases
Los resonadores MEMS requieren cavidades en las que puedan moverse libremente y, para referencias de frecuencia, estas cavidades deben ser evacuadas. Los primeros resonadores se construyeron sobre obleas de silicio y se probaron en cámaras de vacío, [9] pero la encapsulación de resonador individual era claramente necesaria.
La comunidad de MEMS había empleado técnicas de cobertura adherida para encerrar otros componentes de MEMS, por ejemplo , sensores de presión , acelerómetros y giroscopios , y estas técnicas se adaptaron a los resonadores. [16] [17] En este enfoque, las obleas de cobertura se micromecanizaron con pequeñas cavidades y se unieron a las obleas del resonador, encerrando los resonadores en pequeñas cavidades evacuadas. Inicialmente, estas obleas se unieron con vidrio de baja temperatura de fusión, llamado frita de vidrio , [18] pero recientemente otras tecnologías de unión, incluida la compresión metálica y las amalgamas metálicas, han reemplazado a la frita de vidrio. [19] [20]
Se desarrollaron técnicas de encapsulación de película delgada para formar cavidades cerradas construyendo cubiertas directamente sobre los resonadores en el proceso de fabricación en lugar de unir cubiertas a los resonadores. [21] [22] [23] [24] [25] [26] Estas técnicas tenían la ventaja de que no usaban tanta área de troquel para la estructura de sellado, no requerían la preparación de segundas obleas para formar las cubiertas, y las obleas del dispositivo resultantes eran más delgadas.
Las referencias de frecuencia generalmente requieren estabilidades de frecuencia de 100 partes por millón (ppm) o mejores. Sin embargo, las primeras tecnologías de cobertura y encapsulación dejaron cantidades significativas de contaminación en las cavidades. Debido a que los resonadores MEMS son pequeños, y particularmente porque tienen un área de volumen a superficie pequeña, son especialmente sensibles a la carga de masa. Incluso las capas de contaminantes de un solo átomo, como el agua o los hidrocarburos, pueden cambiar las frecuencias del resonador fuera de las especificaciones. [27] [28]
Cuando los resonadores se envejecen o se ciclan la temperatura, los contaminantes pueden moverse en las cámaras y transferirse hacia o desde los resonadores. [10] [29] El cambio de masa en los resonadores puede producir una histéresis de miles de ppm, lo cual es inaceptable para prácticamente todas las aplicaciones de referencia de frecuencia.
Los primeros resonadores cubiertos con sellos de frita de vidrio eran inestables porque los contaminantes se desgasificaban del material de sellado. Para superar esto, se construyeron captadores en las cavidades. Los absorbentes son materiales que pueden absorber gas y contaminantes después de sellar las cavidades. Sin embargo, los absorbentes también pueden liberar contaminantes y pueden ser costosos, por lo que su uso en esta aplicación se está descontinuando en favor de procesos de unión de cubiertas más limpios.
Asimismo, la encapsulación de película delgada puede atrapar subproductos de fabricación en las cavidades. Se desarrolló una encapsulación de película delgada a alta temperatura basada en la deposición epitaxial de silicio para eliminar esto. Se ha descubierto que este proceso de sellado epitaxial (EpiSeal) [30] es excepcionalmente limpio y produce resonadores de máxima estabilidad. [31] [32] [33] [34] [35]
Selección y recorte de frecuencia electrónica
En el desarrollo temprano del resonador MEMS, los investigadores intentaron construir resonadores en las frecuencias de aplicación objetivo y mantener esas frecuencias sobre la temperatura. Los enfoques para resolver este problema incluían recortar y compensar la temperatura de los resonadores MEMS de formas análogas a las utilizadas para el cristal de cuarzo. [36] [37] [38]
Sin embargo, se encontró que estas técnicas eran técnicamente limitadas y costosas. Una solución más eficaz fue cambiar electrónicamente las frecuencias de los resonadores a las frecuencias de salida de los osciladores. [39] [40] Esto tenía la ventaja de que los resonadores no necesitaban recortarse individualmente; en su lugar, se podrían medir sus frecuencias y registrar los coeficientes de escala apropiados en los circuitos integrados del oscilador. Además, las temperaturas de los resonadores podrían medirse electrónicamente y la escala de frecuencia podría ajustarse para compensar la variación de frecuencia de los resonadores sobre la temperatura.
Mejorando la integridad de la señal
Varias aplicaciones requieren relojes con señales predefinidas y especificaciones de rendimiento. De estos, las especificaciones clave son el ruido de fase y la estabilidad de frecuencia.
El ruido de fase se ha optimizado aumentando las frecuencias naturales del resonador (f) y los factores de calidad (Q). La Q especifica cuánto tiempo continúan sonando los resonadores después de que se detiene el impulso hacia ellos, o de manera equivalente, cuando se ven como filtros, qué tan estrechas son sus bandas de paso. En particular, el producto Q por f, o Qf, determina el ruido de fase cercana a la portadora. [41] Los primeros resonadores MEMS mostraron productos de Qf inaceptablemente bajos como referencia. Un trabajo teórico significativo clarificó la física subyacente [42] [43] mientras que el trabajo experimental desarrolló resonadores de alto Qf. [44] El rendimiento MEMS Qf actualmente disponible es adecuado para prácticamente todas las aplicaciones.
El diseño estructural del resonador, particularmente en el control de modo, [45] métodos de anclaje, [15] [46] transductores de espacio estrecho, [47] linealidad, [48] y estructuras en matriz [49] consumieron un esfuerzo de investigación significativo.
Las precisiones de frecuencia requeridas van desde relativamente flojas para la sincronización del procesador, típicamente de 50 a 100 ppm, hasta precisas para la sincronización de datos de alta velocidad, a menudo de 2,5 ppm o menos. La investigación demostró que los osciladores y resonadores MEMS podrían construirse dentro de estos niveles. [50] [51] Los productos comerciales están ahora disponibles a 0,5 ppm, [52] que cubre la mayoría de los requisitos de aplicación.
Por último, era necesario desarrollar y optimizar la electrónica de control de frecuencia y los circuitos de soporte asociados. Las áreas clave fueron los sensores de temperatura [53] y el diseño de PLL. [54] Desarrollos recientes de circuitos han producido osciladores MEMS adecuados para aplicaciones en serie de alta velocidad [55] con jitter integrado de subpicosegundos. [56]
Comercialización
La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos ( DARPA ) financió una amplia gama de investigaciones de MEMS que proporcionaron las tecnologías base para los desarrollos descritos anteriormente. En 2001 y 2002, DARPA lanzó los programas Nano Mechanical Array Signal Processors (NMASP) y Harsh Environment Robust Micromechanical Technology (HERMIT) para desarrollar específicamente tecnologías de envasado y resonador de alta estabilidad MEMS. Este trabajo fue fructífero y avanzó la tecnología a un nivel en el que las nuevas empresas financiadas con capital de riesgo podían desarrollar productos comerciales. Estas nuevas empresas incluyeron Discera [57] en 2001, SiTime [58] en 2004, Silicon Clocks en 2006 y Harmonic Devices en 2006.
SiTime introdujo el primer oscilador MEMS de producción en 2006, seguido de Discera en 2007. Harmonic Devices cambió su enfoque a productos de sensores y fue comprado por Qualcomm en 2010. Silicon Clocks nunca presentó productos comerciales y fue comprado por Silicon Labs en 2010. Otros participantes han anunció su intención de producir osciladores MEMS, incluidos Sand 9 [59] y VTI Technologies. [60]
Por volumen de ventas, los proveedores de osciladores MEMS se clasifican en orden descendente como SiTime y Discera. Varios proveedores de osciladores de cuarzo revenden osciladores MEMS. SiTime anunció que ha enviado de forma acumulativa 50 millones de unidades a mediados de 2011. [61] Otros no han revelado los volúmenes de ventas.
Operación
Uno puede pensar en los resonadores MEMS como pequeñas campanas que suenan a altas frecuencias. Las campanas pequeñas suenan a frecuencias más altas que las campanas grandes y, dado que los resonadores MEMS son pequeños, pueden sonar a frecuencias altas. Las campanas comunes miden metros hasta centímetros de ancho y suenan a cientos de hercios a kilohercios ; Los resonadores MEMS tienen una décima de milímetro de ancho y suenan a decenas de kilohercios a cientos de megahercios. Los resonadores MEMS han operado a más de un gigahercio . [62]
Las campanas comunes se golpean mecánicamente, mientras que los resonadores MEMS son accionados eléctricamente. Hay dos tecnologías básicas que se utilizan para construir resonadores MEMS que se diferencian en cómo se transducen las señales eléctricas y de detección a partir del movimiento mecánico. Estos son electrostáticos y piezoeléctricos . Todos los osciladores MEMS comerciales utilizan transducción electrostática, mientras que los filtros MEMS utilizan transducción piezoeléctrica. Los resonadores piezoeléctricos no han mostrado suficiente estabilidad de frecuencia o factor de calidad (Q) para aplicaciones de referencia de frecuencia.
Los amplificadores de sostenimiento electrónicos impulsan los resonadores en oscilación continua. Estos amplificadores detectan el movimiento del resonador e impulsan energía adicional a los resonadores. Están cuidadosamente diseñados para mantener el movimiento de los resonadores en amplitudes apropiadas y para extraer señales de reloj de salida de bajo ruido.
Los circuitos adicionales llamados bucles de bloqueo de fase fraccional-n (frac-N PLL) multiplican las frecuencias mecánicas del resonador a las frecuencias de salida del oscilador. [39] [40] [54] [56] Estos PLL altamente especializados establecen las frecuencias de salida bajo el control de máquinas de estado digitales. Las máquinas de estado se controlan mediante datos de calibración y programa almacenados en una memoria no volátil y ajustan las configuraciones de PLL para compensar las variaciones de temperatura.
Las máquinas de estado también se pueden construir para proporcionar funciones de usuario adicionales, por ejemplo , reloj de espectro ensanchado y recorte de frecuencia controlado por voltaje.
Los generadores de reloj MEMS están construidos con osciladores MEMS en su núcleo e incluyen circuitos adicionales para suministrar las salidas adicionales. Este circuito adicional generalmente está diseñado para proporcionar las características específicas requeridas por las aplicaciones.
Los MEMS RTC funcionan como osciladores pero están optimizados para un bajo consumo de energía e incluyen circuitos auxiliares para rastrear la fecha y la hora. Para operar a baja potencia, están construidos con resonadores MEMS de baja frecuencia. Se tiene cuidado en el diseño del circuito para minimizar el consumo de energía mientras se proporciona la precisión de tiempo requerida.
Fabricación
Resonadores
Dependiendo del tipo de resonador, el proceso de fabricación se realiza en una fábrica MEMS especializada o en una fundición CMOS .
El proceso de fabricación varía con el diseño del resonador y del encapsulado, pero en general las estructuras del resonador están modeladas litográficamente y grabadas con plasma en o sobre obleas de silicio. Todos los osciladores MEMS comerciales están construidos a partir de silicio monocristalino o de poli (silicio).
En los resonadores transducidos electrostáticamente es importante formar brechas estrechas y bien controladas en los capacitores de detección y transmisión. Estos pueden ser laterales, por ejemplo, debajo de los resonadores, o verticales al lado de los resonadores. Cada opción tiene sus ventajas [ se necesitan más explicaciones ] y ambas se utilizan comercialmente.
Los resonadores se encapsulan uniendo obleas de cubierta a las obleas de resonador o depositando capas de encapsulación de película delgada sobre los resonadores. Aquí nuevamente, ambos métodos se utilizan comercialmente.
Las obleas de cubierta adheridas deben adherirse con un adhesivo. Se utilizan dos opciones, un anillo de unión de frita de vidrio o un anillo de unión metálico. Se ha descubierto que la frita de vidrio genera demasiada contaminación y, por lo tanto, se desplaza, y ya no se usa comúnmente. [63]
Para la encapsulación de película delgada, las estructuras de los resonadores se cubren con capas de óxido y silicio, luego se liberan eliminando el óxido circundante para formar resonadores independientes y finalmente se sellan con una deposición adicional. [31]
Circuitería
Los amplificadores sostenidos, PLL y circuitos auxiliares están construidos con procesos CMOS de señal mixta estándar fabricados en fundiciones CMOS.
Se han demostrado osciladores MEMS integrados con circuitos CMOS en el mismo chip IC [9] [64], pero hasta la fecha esta integración homogénea no es comercialmente viable. En cambio, es ventajoso producir los resonadores MEMS y la circuitería CMOS en una matriz separada y combinarlos en la etapa de empaquetado. La combinación de múltiples matrices en un solo paquete de esta manera se denomina integración heterogénea o simplemente apilamiento de matrices.
embalaje
Los dispositivos MEMS completos, encerrados en pequeñas cámaras de vacío a nivel de chip , se cortan en cubitos de sus obleas de silicio , y la matriz del resonador se apila en la matriz CMOS y se moldea en paquetes de plástico para formar osciladores.
Los osciladores MEMS se empaquetan en las mismas fábricas y con el mismo equipo y materiales que se utilizan para el empaquetado IC estándar. Esto contribuye significativamente a su rentabilidad y confiabilidad en comparación con los osciladores de cuarzo, que se ensamblan con paquetes cerámicos especializados en fábricas hechas a medida.
Las dimensiones del paquete y las formas de la almohadilla coinciden con las de los paquetes de oscilador de cuarzo estándar, por lo que los osciladores MEMS se pueden soldar directamente en PCB diseñados para cuarzo sin necesidad de modificar o rediseñar la placa.
Prueba y calibración
Las pruebas de producción verifican y calibran los resonadores MEMS y los circuitos integrados CMOS para verificar que funcionan según las especificaciones y recortar sus frecuencias. Además, muchos osciladores MEMS tienen frecuencias de salida programables que se pueden configurar en el momento de la prueba. Por supuesto, los diversos tipos de osciladores se configuran a partir de CMOS y MEMS especializados. Por ejemplo, los osciladores de baja potencia y alto rendimiento no se construyen con la misma matriz. Además, los osciladores de alta precisión a menudo requieren una calibración más cuidadosa que los osciladores de menor precisión.
Los osciladores MEMS se prueban de forma muy similar a los circuitos integrados estándar. Al igual que el embalaje, esto se realiza en fábricas de CI estándar con equipo de prueba de CI estándar.
El uso de instalaciones de prueba y empaquetado de IC estándar (llamadas subcons en la industria de IC) proporciona escalabilidad de producción de osciladores MEMS. [46] Estas instalaciones tienen capacidad para grandes volúmenes de producción, a menudo cientos de millones de circuitos integrados por día. Esta capacidad se comparte entre muchas empresas de CI, por lo que aumentar los volúmenes de producción de CI específicos, o en este caso osciladores MEMS específicos, es una función de la asignación de equipos de producción estándar. Por el contrario, las fábricas de osciladores de cuarzo son de una sola función por naturaleza, por lo que aumentar la producción requiere la instalación de equipos personalizados, lo que es más costoso y requiere más tiempo que la asignación de equipos estándar.
Comparación de MEMS y osciladores de cuarzo
Los osciladores de cuarzo se venden en cantidades mucho mayores que los osciladores MEMS y son ampliamente utilizados y comprendidos por los ingenieros electrónicos. Por lo tanto, los osciladores de cuarzo proporcionan la línea de base a partir de la cual se comparan los osciladores MEMS. [sesenta y cinco]
Los avances recientes han permitido que los dispositivos de temporización basados en MEMS ofrezcan niveles de rendimiento similares, y en ocasiones superiores, a los dispositivos de cuarzo. La calidad de la señal del oscilador MEMS medida por el ruido de fase es ahora suficiente para la mayoría de las aplicaciones. Ahora está disponible el ruido de fase de -150 dBc a 10 kHz desde 10 MHz, un nivel que generalmente solo se necesita para aplicaciones de radiofrecuencia (RF). Los osciladores MEMS ahora están disponibles con jitter integrado por debajo de 1.0 picosegundo, medido de 12 kHz a 20 MHz, un nivel que normalmente se requiere para enlaces de datos seriales de alta velocidad, como SONET y SyncE, y algunas aplicaciones de instrumentación.
La estabilidad a corto plazo, el tiempo de inicio y el consumo de energía son similares a los del cuarzo. [ cita requerida ] En algunos casos, los osciladores MEMS muestran un menor consumo de energía que el de cuarzo.
Se han anunciado recientemente osciladores de temperatura compensada (TCXO) MEMS de alta precisión con una estabilidad de frecuencia de ± 0,1 ppm sobre la temperatura. [66] Esto excede el rendimiento de todos menos los TCXO de cuarzo de muy alta gama y los osciladores controlados por horno (OCXO) [ cita requerida ] . Los MEMS TCXO ahora están disponibles con frecuencias de salida superiores a 100 MHz, una capacidad que solo pueden proporcionar unos pocos osciladores de cuarzo especializados (por ejemplo, mesa invertida). [ cita requerida ]
En aplicaciones RTC, los osciladores MEMS tienen un rendimiento ligeramente mejor que los mejores diapasones de cuarzo en términos de estabilidad de frecuencia sobre temperatura y desplazamiento de soldadura hacia abajo, mientras que el cuarzo sigue siendo superior para las aplicaciones de menor potencia.
Es difícil fabricar y almacenar osciladores de cuarzo con la amplia variedad de especificaciones que requieren los usuarios. [ cita requerida ] Varias aplicaciones requieren osciladores con frecuencias específicas, niveles de precisión, niveles de calidad de la señal, tamaños de paquetes, voltajes de suministro y características especiales. La combinación de estos conduce a una proliferación de números de pieza, lo que hace que el almacenamiento no sea práctico y puede conducir a largos tiempos de producción. [ cita requerida ]
Los proveedores de osciladores MEMS resuelven el problema de la diversidad aprovechando la tecnología de circuitos. Mientras que los osciladores de cuarzo generalmente se construyen con los cristales de cuarzo impulsados a las frecuencias de salida deseadas [ cita requerida ] , los osciladores MEMS comúnmente impulsan los resonadores a una frecuencia y la multiplican por la frecuencia de salida diseñada. De esta manera, los cientos de frecuencias de aplicación estándar y la frecuencia personalizada ocasional se pueden proporcionar sin rediseñar los circuitos o resonadores MEMS.
Por supuesto, existen diferencias en el resonador, los circuitos o la calibración requeridos para las diferentes categorías de piezas, pero dentro de estas categorías, los parámetros de traducción de frecuencia a menudo se pueden programar en los osciladores MEMS al final del proceso de producción. Debido a que los componentes no se diferencian hasta el final del proceso, los plazos de entrega pueden ser cortos, por lo general de unas pocas semanas. Tecnológicamente, los osciladores de cuarzo se pueden fabricar con arquitecturas programables centradas en circuitos como las que se utilizan en MEMS, pero históricamente solo una minoría se ha construido de esta manera.
Los osciladores MEMS también son significativamente inmunes a los golpes y vibraciones y han mostrado niveles de calidad de producción más altos que los asociados con el cuarzo. [ cita requerida ]
Los osciladores de cuarzo son seguros en aplicaciones específicas donde no se han introducido osciladores MEMS adecuados. Una de esas aplicaciones, por ejemplo, son los TCXO controlados por voltaje (VCTCXO) para teléfonos celulares. Esta aplicación requiere un conjunto muy específico de capacidades para las cuales los productos de cuarzo están altamente optimizados. [ cita requerida ]
Los osciladores de cuarzo son superiores en los extremos extremos del rango de rendimiento. Estos incluyen OCXO que pueden mantener la estabilidad dentro de unas pocas partes por mil millones (ppb) y osciladores de ondas acústicas de superficie (SAW) que pueden producir jitter por debajo de 100 femtosegundos a altas frecuencias. Hasta hace poco, los osciladores MEMS no competían en la gama de productos TCXO, pero la introducción de nuevos productos ha llevado a los osciladores MEMS a ese mercado.
El cuarzo sigue siendo dominante en las aplicaciones de generadores de relojes. Estas aplicaciones requieren combinaciones de salida altamente especializadas y paquetes personalizados. La cadena de suministro de estos productos es especializada y no incluye un proveedor de osciladores MEMS.
Aplicaciones Típicas
Los osciladores MEMS están reemplazando a los osciladores de cuarzo en una variedad de aplicaciones como informática, consumo, redes, comunicaciones, automoción y sistemas industriales.
Los osciladores MEMS programables se pueden utilizar en la mayoría de las aplicaciones en las que se utilizan osciladores de cuarzo de frecuencia fija, como PCI-Express, SATA, SAS, PCI, USB, Gigabit Ethernet, vídeo MPEG y módems de cable.
Los generadores de reloj MEMS son útiles en sistemas complejos que requieren múltiples frecuencias, como servidores de datos y conmutadores de telecomunicaciones.
Los relojes MEMS en tiempo real se utilizan en sistemas que requieren mediciones de tiempo precisas. Los contadores inteligentes de gas y electricidad son un ejemplo que está consumiendo cantidades importantes de estos dispositivos.
Tipos de osciladores MEMS y sus aplicaciones | ||||
---|---|---|---|---|
Tipo de dispositivo | Clasificación de estabilidad | Aplicaciones | Comentarios | |
XO - Oscilador | 20 - 100 ppm | Aquellos que requieren un reloj de uso general, como electrónica de consumo e informática:
| Esta fue la primera categoría de producto suministrada por osciladores MEMS | |
VCXO - Oscilador controlado por voltaje | <50 ppm | Sincronización de reloj en:
| Las salidas de reloj son "pulsables", es decir, su frecuencia se puede "extraer" o ajustar. Las salidas VCXO se pueden extraer usando una entrada de voltaje analógica. | |
TCXO - Oscilador con compensación de temperatura y VC-TCXO - TCXO controlado por voltaje | 0,5 - 5 ppm | Equipo de alto rendimiento que requiere frecuencias muy estables:
| Las salidas VC-TCXO son extraíbles | |
SSXO - Oscilador de espectro ensanchado | 20 - 100 ppm | Reloj basado en microprocesador:
| El reloj de espectro ensanchado reduce la EMI en sistemas sincronizados desde los osciladores. | |
FSXO - Oscilador de selección de frecuencia | 20 - 100 ppm | Aquellos que requieren agilidad de frecuencia e interfaces seriales multiprotocolo. | Las frecuencias de salida del reloj se pueden cambiar con hardware o entradas de selección en serie, lo que reduce la lista de materiales y simplifica la cadena de suministro. | |
DCXO - Oscilador controlado digitalmente | 0,5 - 100 ppm | Sincronización de reloj en
| Las frecuencias de salida del reloj se obtienen mediante entradas digitales. |
La "X" en los nombres de los tipos de oscilador originalmente denotaba "cristal". Algunos fabricantes han adoptado esta convención para incluir osciladores MEMS. Otros están sustituyendo “M” por “X” (como en “VCMO” versus “VCXO”) para diferenciar los osciladores basados en MEMS de los osciladores basados en cuarzo.
Limitaciones
Los osciladores MEMS pueden verse afectados negativamente por el helio . [67] [68]
Ver también
- Componente electrónico
- Circuito integrado
Referencias
Lista de referencias:
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