以壓電式微機電振盪器取代傳統石英晶體振盪器
- 張琳一
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傳統石英晶體振盪器就是把石英共振子與振盪線路或集成電路一起整合在一個封裝內，由外部提供電源電壓，形成一個主動元件輸出頻率信號。其元件製造流程需要晶片前洗、烘乾、整列、後洗、烘乾、濺鍍等複雜製造流程。
而壓電式微機電(pMEMS)型的振盪器，是以矽為基礎的新世代頻率控制元件的一部分，同時具備電子與機械特性的微元件；也就是說，微機電是藉著一連串微加工步驟，來進行電子訊號處理與機械可動結構區塊之製造，利用半導體的製程可在單片晶圓上同時生產大量元件，及低成本的塑膠封裝帶來生產上的規模經濟。它具有許多的優勢，例如可靠度高，並符合耐摔、耐撞、耐熱等半導體等級的特性。
壓電式微機電型振盪器的其他優勢包含與表面黏著組裝製程本質上的相容，以及較短的生產前置時間；如此可讓供應商及使用者(電子零件製造商)保持較低的元件存貨水準並降低供應短缺的風險。如同使用石英晶體一般，壓電式微機電型諧振器並不需要電源，同時也有著較低的插入損耗。此外，微機電型諧振器並不會受到插件活動的影響，而這一般是會傷害到石英元件的可靠度。
商用微機電型振盪器的效能在經過數個產品世代的發展之後，已經趨於穩定，與傳統石英元件的效能差距逐漸縮小。iSuppli總監暨微機電及感應器首席分析師Jeremie Bouchaud預測在40億美元規模的頻率控制市場中，微機電型振盪器所佔有的比例將逐漸增加，預計將會從2010年的1,350萬美元，增加到2015年的2.05億美元，這代表著年複合成長率(CAGR)高達72.3%。
在設計4M系列的壓電式微機電型諧振器時，IDT藉由將穩定性高且低衰減的單矽晶與壓電材料進行強大的機電耦合，創造出便利且更有成本效率的振盪器系列產品，可達到更高的信賴度及效能水準。4M系列是最新的壓電式微機電型振盪器，可提供更佳的效能及整合的特性。
4M系列振盪器低於皮秒(sub-ps)等級的抖動效能足以媲美傳統晶體振盪器，且頻率精確度在±50ppm之內。這些元件可以在頻率高達625MHz時，支援低電壓差動訊號(LVDS)及低電壓正發射極耦合邏輯(LVPECL)，因此可以滿足大部分通訊、網路及高效能運算應用的嚴格要求。振盪器的運作電壓範圍是從2.5V~3.3V。±5ppm的特定老化穩定性，使得該元件適合用於電信及網路基礎設施等應用領域。
因為壓電式微機電技術的先天特性之故，使它較傳統石英元件具有更高的原生諧振頻率，因此這些振盪器能在不犧牲重要規格的情況之下，以更具競爭力的價格來提供較高的效能。利用小型晶片尺寸及晶圓級封裝的優勢，4M系列元件的塑膠封裝是標準6隻腳、5公厘x 3.2公厘(5032)，同時也提供7公厘x 5公厘(7050)的選擇，客戶可以直接替換傳統石英晶體振盪器，測試並通過系統所有驗證。
隨著MEMS元件逐漸進入消費性電子市場，IDT也提供CrystalFree 5V系列壓電式微機電型時脈產生器此類產品，它結合了壓電式微機電型振盪器技術及相位鎖定迴路(PLL)技術，以產生高品質時脈頻率，提供消費性電子產品、運算裝置及嵌入式應用產品使用。藉由整合壓電式微機電技術，這些元件能去除原本額外所需的外接式頻率發生源，從而有助於改善可靠度、減少板面空間並降低系統成本。事實上，壓電式微機電技術使得許多像是時脈乘法器或是除法器，或是多重輸出組態等新興的功能得以被整合在相同的封裝之中。
壓電式微機電技術更進一步的好處是，這些振盪器的輸出頻率可以在元件出廠前被快速的程式化，而不需要浪費時間或是進行成本昂貴的微調程序。如此一來可縮短交期至4週之內且讓IDT此類供應商在接到較少的最小訂購量時，依然可以用具競爭力的價格來提供客製化的頻率。
在標準的石英元件中，晶體是被夾附安裝在一個金屬的空間中，被視為是很脆弱的零件。只要有大約50~100G的衝擊力，就足以壓裂晶體並造成頻率無法輸出問題；因此晶體製造商需列出晶體零件在儲存、包裝及運輸時的準則，其中便規定要避免掉落或丟擲於貨櫃，或組裝時的粗心操作，或是在組裝過程將零件插入用力過大等。微機電型振盪器提供了半導體級的堅固性，在不需要提供任何特殊構造或封裝技術的情況下，就能夠提供更高耐衝擊性，達到50,000G等級。如此一來，能為設計工程師提供經濟又堅固的計時解決方案。
此外4M系列振盪器取代傳統石英晶體振盪器應用在網通、現場可編程輯閘陣列(Field-Programmable Gate Arrays；FPGA)、儲存設備可靠性測試，如高性能的數據包交換傳輸、20Gbps串列數據包、SRS 6Gbp資料傳輸效率驗證。都可通過更優異的效能及可靠度測試。
整體而言，低於皮秒(sub-ps)等級抖動的壓電式微機電型振盪器，可以為設計工程師帶來更大的選擇自由，以及更精確的、更有價格競爭力的計時解決方案發展。最終將可允許設計工程師可根據終端應用產品來決定使用搭配最精確的元件型態；也就是根據所需要滿足的條件，像是成本、頻率、精確度、穩定性、機械韌性、尺寸、以及可供貨時程，在晶體式振盪器、或是以CMOS矽晶為基礎的振盪器、或是壓電式微機電型元件中做出最佳選擇。 (本文作者為IDT公司David Chiu，記者張琳一整理)
