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oscilador de sistema microelectromecánico

Los osciladores de sistemas microelectromecánicos ( osciladores MEMS ) son dispositivos que generan frecuencias de referencia altamente estables utilizadas para secuenciar siste...

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Los osciladores de sistemas microelectromecánicos ( osciladores MEMS ) son dispositivos que generan frecuencias de referencia altamente estables utilizadas para secuenciar sistemas electrónicos, gestionar la transferencia de datos , definir radiofrecuencias y medir el tiempo transcurrido. Las tecnologías centrales utilizadas en los osciladores MEMS se han estado desarrollando desde mediados de la década de 1960, pero solo han estado lo suficientemente avanzadas para aplicaciones comerciales desde 2006. [ 1 ] Los osciladores MEMS incorporan resonadores MEMS , que son estructuras microelectromecánicas que 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 mayor resistencia a las vibraciones y los golpes mecánicos, y fiabilidad con respecto a las variaciones de temperatura.

Dispositivos de temporización MEMS

Resonadores

Los resonadores MEMS son pequeñas estructuras electromecánicas que vibran a altas frecuencias. Se utilizan como referencias de temporización, para el filtrado de señales, la detección de masa, la detección biológica, la detección de movimiento y en diversas aplicaciones.

Para obtener referencias de frecuencia y temporización, los resonadores MEMS se conectan a circuitos electrónicos, a menudo denominados amplificadores de sostenimiento, para mantenerlos en movimiento continuo. En la mayoría de los casos, estos circuitos se ubican cerca de los resonadores y en el mismo encapsulado físico. Además de controlar los resonadores, estos circuitos generan señales de salida para la electrónica posterior.

osciladores

Por convención, el término osciladores suele referirse a circuitos integrados (CI) que proporcionan una única frecuencia de salida. Los osciladores MEMS incluyen resonadores MEMS, amplificadores de sostenimiento y componentes electrónicos adicionales para configurar o ajustar sus frecuencias de salida. Estos circuitos suelen incluir bucles de enganche de fase (PLL) que generan frecuencias de salida seleccionables o programables a partir de las frecuencias de referencia MEMS. [ 2 ]

Los osciladores MEMS suelen estar 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 suele referirse a un circuito integrado de temporización con múltiples salidas. Siguiendo esta convención, los generadores de reloj MEMS son dispositivos de temporización MEMS con múltiples salidas. Estos se utilizan para suministrar señales de temporización en sistemas electrónicos complejos que requieren múltiples frecuencias o fases de reloj. Por ejemplo, la mayoría de los ordenadores requieren relojes independientes para la temporización del procesador, la E/S de disco, la E/S serie, la generación de vídeo, la E/S Ethernet, la conversión de audio y otras funciones. [ 3 ]

Los generadores de reloj suelen estar especializados para sus aplicaciones, incluyendo el número y la selección de frecuencias, diversas funciones auxiliares y configuraciones de encapsulado. A menudo incluyen múltiples PLL para generar múltiples frecuencias o fases de salida.

Relojes en tiempo real

Los relojes de tiempo real (RTC) MEMS son circuitos integrados que registran la hora y la fecha. Incluyen resonadores MEMS , amplificadores de sostenimiento y registros que se incrementan con el tiempo, por ejemplo, para contar días, horas, minutos y segundos. También incluyen funciones auxiliares como salidas de alarma y gestión de la batería .

Los RTC deben funcionar continuamente para registrar el tiempo transcurrido. Para ello, a veces necesitan alimentarse con baterías pequeñas y, por lo tanto, deben operar con niveles de potencia muy bajos. Generalmente son circuitos integrados de tamaño moderado con hasta 20 pines para alimentación, respaldo de batería, interfaz digital y 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, diversos problemas de precisión, estabilidad y capacidad de fabricación relacionados con el sellado, el empaquetado y el ajuste de los elementos resonadores impedían una fabricación comercial rentable. Se debían superar cinco desafíos técnicos:

  • Primeras manifestaciones
  • Encontrar materiales resonadores estables y predecibles,
  • Desarrollar tecnologías de envasado hermético suficientemente limpias,
  • Ajustar y compensar las frecuencias de salida, aumentar el factor de calidad de los elementos resonadores y
  • Mejorar la integridad de la señal para cumplir con los requisitos de diversas aplicaciones.

Los primeros resonadores MEMS se construyeron con elementos resonadores metálicos. [ 4 ] Estos resonadores se concibieron como filtros de audio y presentaban factores de calidad (Q) moderados de 500 y frecuencias de 1  kHz a 100  kHz. Las aplicaciones de filtrado, actualmente para radio de alta frecuencia , siguen siendo importantes y constituyen un área activa para la investigación y los productos comerciales de MEMS.

Sin embargo, los primeros resonadores MEMS no tenían frecuencias suficientemente estables para usarse como referencias de temporización o para la generación de relojes. Los elementos metálicos del resonador tendían a variar su frecuencia con el tiempo (envejecían) y con el uso (se fatigaban). Bajo variaciones de temperatura, solían presentar grandes cambios de frecuencia, no del todo predecibles (tenían una alta sensibilidad a la temperatura), y al someterse a ciclos de temperatura, tendían a volver a frecuencias diferentes (eran histeréticos).

Desarrollo de materiales

Los trabajos realizados en las décadas de 1970 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] hasta la de 1990 [ 9 ] identificaron materiales resonadores suficientemente estables y técnicas de fabricación asociadas. En particular, se descubrió que el silicio monocristalino y policristalino era adecuado para referencias de frecuencia con un envejecimiento, fatiga e histéresis prácticamente nulos, y con una sensibilidad a la temperatura moderada. [ 10 ] [ 11 ]

El desarrollo de materiales continúa en la investigación de resonadores MEMS. Se ha invertido un esfuerzo significativo en silicio-germanio (SiGe) por su fabricación a baja temperatura [ 12 ] y en nitruro de aluminio (AlN) por su transducción piezoeléctrica [ 13 ] . El trabajo sobre cuarzo micromecanizado continúa [ 14 ] , mientras que el diamante policristalino se ha utilizado para resonadores de alta frecuencia debido a su excepcional relación rigidez-masa [ 15 ] .

Desarrollo de envases

Los resonadores MEMS requieren cavidades en las que puedan moverse libremente, y para las referencias de frecuencia estas cavidades deben estar al vacío. Los primeros resonadores se construían sobre obleas de silicio y se probaban en cámaras de vacío, [ 9 ] pero era evidente que se necesitaba el encapsulado individual de cada resonador.

La comunidad MEMS había empleado técnicas de recubrimiento adherido para encerrar otros componentes 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 recubrimiento se micromecanizaron con pequeñas cavidades y se unieron a las obleas de resonador, encerrando los resonadores en pequeñas cavidades al vacío. Inicialmente, estas obleas se unieron con vidrio de baja temperatura de fusión, llamado frita de vidrio , [ 18 ] pero recientemente otras tecnologías de unión, incluyendo compresión metálica y amalgamas metálicas, han reemplazado a la frita de vidrio. [ 19 ] [ 20 ]

Se desarrollaron técnicas de encapsulación de película delgada para formar cavidades cerradas mediante la construcción de 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 utilizaban tanta área del chip para la estructura de sellado, no requerían la preparación de segundas obleas para formar las cubiertas y las obleas de dispositivo resultantes eran más delgadas.

Las referencias de frecuencia generalmente requieren una estabilidad de frecuencia de 100 partes por millón (ppm) o mejor. Sin embargo, las primeras tecnologías de recubrimiento y encapsulado dejaban cantidades significativas de contaminación en las cavidades. Debido a que los resonadores MEMS son pequeños, y en particular debido a que tienen una pequeña relación volumen-superficie, son especialmente sensibles a la carga de masa. Incluso capas monoatómicas de contaminantes como agua o hidrocarburos pueden desviar las frecuencias del resonador fuera de las especificaciones. [ 27 ] [ 28 ]

Cuando los resonadores envejecen o se someten a ciclos de temperatura, los contaminantes pueden moverse dentro de 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 debido a la liberación de contaminantes del material de sellado. Para solucionar esto, se incorporaron absorbentes de gases en las cavidades. Estos absorbentes son materiales que pueden absorber gases y contaminantes una vez selladas las cavidades. Sin embargo, también pueden liberar contaminantes y resultan costosos, por lo que su uso en esta aplicación se está abandonando 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 este problema. Se ha comprobado que este proceso de sellado epitaxial (EpiSeal) [ 30 ] es excepcionalmente limpio y produce resonadores de máxima estabilidad. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

Selección y ajuste electrónico de frecuencia

En las primeras etapas del desarrollo de resonadores MEMS, los investigadores intentaron construir resonadores a las frecuencias de aplicación objetivo y mantener dichas frecuencias en todo el rango de temperaturas. Los enfoques para resolver este problema incluyeron el ajuste y la compensación de temperatura de los resonadores MEMS de forma análoga a la utilizada para los cristales de cuarzo. [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]

Sin embargo, se descubrió que estas técnicas eran técnicamente limitantes y costosas. Una solución más eficaz consistió en desplazar electrónicamente las frecuencias de los resonadores a las frecuencias de salida de los osciladores. [ 39 ] [ 40 ] Esto tenía la ventaja de que no era necesario ajustar individualmente los resonadores; en su lugar, se podían medir sus frecuencias y registrar los coeficientes de escala adecuados en los circuitos integrados del oscilador. Además, se podían medir electrónicamente las temperaturas de los resonadores y ajustar la escala de frecuencia para compensar la variación de frecuencia de los resonadores con la temperatura.

Mejorar la integridad de la señal

Diversas aplicaciones requieren relojes con especificaciones de señal y rendimiento predefinidas. De estas, las especificaciones clave son el ruido de fase y la estabilidad de frecuencia.

El ruido de fase se ha optimizado aumentando las frecuencias naturales (f) y los factores de calidad (Q) del resonador. El factor Q especifica cuánto tiempo siguen resonando los resonadores después de que se interrumpe la excitación, o, equivalentemente, cuando se consideran filtros, cuán estrechas son sus bandas de paso. En particular, el producto Q por f, o Qf, determina el ruido de fase cercano a la portadora. [ 41 ] Los primeros resonadores MEMS mostraron productos Qf inaceptablemente bajos como referencia. Un trabajo teórico significativo aclaró la física subyacente [ 42 ] [ 43 ] mientras que el trabajo experimental desarrolló resonadores con alto Qf. [ 44 ] El rendimiento Qf de los MEMS disponibles actualmente es adecuado para prácticamente todas las aplicaciones.

El diseño estructural de resonadores, particularmente en el control de modos, [ 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 varían desde relativamente amplias para la sincronización de procesadores, típicamente de 50 a 100 ppm, hasta precisas para la sincronización de datos de alta velocidad, a menudo de 2,5 ppm o menos. Las investigaciones demostraron que los resonadores y osciladores MEMS podían construirse con una precisión muy inferior a estos niveles. [ 50 ] [ 51 ] Actualmente existen productos comerciales con una precisión de hasta 0,5 ppm, [ 52 ] lo que cubre la mayoría de los requisitos de las aplicaciones.

Finalmente, fue 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 ] . Los desarrollos recientes de circuitos han producido osciladores MEMS adecuados para aplicaciones seriales de alta velocidad [ 55 ] con fluctuación de fase integrada de subpicosegundos [ 56 ] .

Comercialización

La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU. ( DARPA ) financió una amplia gama de investigaciones sobre 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 resonadores y encapsulados MEMS de alta estabilidad. Este trabajo fue fructífero y llevó la tecnología a un nivel que permitió a las empresas emergentes financiadas por capital de riesgo desarrollar productos comerciales. Estas empresas emergentes incluyeron Discera [ 57 ] en 2001, SiTime en 2004, Silicon Clocks en 2006 y Harmonic Devices en 2006.

SiTime presentó el primer oscilador MEMS de producción en 2006, seguido por Discera en 2007. Harmonic Devices cambió su enfoque hacia productos de sensores y fue adquirida por Qualcomm en 2010. Silicon Clocks nunca lanzó productos comerciales y fue adquirida por Silicon Labs en 2010. Otros participantes han anunciado su intención de producir osciladores MEMS, incluyendo Sand 9 [ 58 ] y VTI Technologies. [ 59 ]

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 había enviado un total de 50 millones de unidades hasta mediados de 2011. [ 60 ] Otros no han revelado sus volúmenes de ventas.

Operación

Se puede pensar en los resonadores MEMS como pequeñas campanas que suenan a altas frecuencias. Las campanas pequeñas suenan a frecuencias más altas que las grandes, y dado que los resonadores MEMS son pequeños, pueden sonar a altas frecuencias. Las campanas comunes miden desde metros hasta centímetros de diámetro y suenan a cientos de hercios a kilohercios ; los resonadores MEMS miden una décima de milímetro de diámetro y suenan a decenas de kilohercios a cientos de megahercios. Los resonadores MEMS han operado a más de un gigahercio . [ 61 ]

Las campanas comunes se golpean mecánicamente, mientras que los resonadores MEMS se accionan eléctricamente. Existen dos tecnologías básicas para la construcción de resonadores MEMS que difieren en la forma en que se transducen las señales de accionamiento y detección eléctricas a partir del movimiento mecánico: la electrostática y la piezoeléctrica . Todos los osciladores MEMS comerciales utilizan transducción electrostática, mientras que los filtros MEMS utilizan transducción piezoeléctrica. Los resonadores piezoeléctricos no han demostrado suficiente estabilidad de frecuencia ni factor de calidad (Q) para aplicaciones de referencia de frecuencia.

Los amplificadores electrónicos de sostenimiento impulsan los resonadores en oscilación continua. Estos amplificadores detectan el movimiento de los resonadores y les suministran energía adicional. Están diseñados cuidadosamente para mantener el movimiento de los resonadores con amplitudes adecuadas y para generar señales de reloj de salida con bajo nivel de ruido.

Circuitos adicionales denominados bucles de enganche de fase fraccionarios (frac-N PLL) multiplican las frecuencias mecánicas del resonador por 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 estados digitales. Las máquinas de estados se controlan mediante datos de calibración y programación almacenados en memoria no volátil y ajustan las configuraciones de los PLL para compensar las variaciones de temperatura.

Las máquinas de estados también pueden diseñarse para proporcionar funciones adicionales al usuario, como por ejemplo, sincronización de espectro ensanchado y ajuste de frecuencia controlado por voltaje.

Los generadores de reloj MEMS se construyen con osciladores MEMS como núcleo e incluyen circuitos adicionales para proporcionar las salidas adicionales. Estos circuitos adicionales suelen diseñarse para ofrecer las características específicas que requieren las aplicaciones.

Los RTC MEMS funcionan como osciladores, pero están optimizados para un bajo consumo de energía e incluyen circuitos auxiliares para el seguimiento de la fecha y la hora. Para operar con bajo consumo, se construyen con resonadores MEMS de baja frecuencia. Se presta especial atención al diseño del circuito para minimizar el consumo de energía sin comprometer la precisión temporal requerida.

Fabricación

Resonadores

Dependiendo del tipo de resonador, el proceso de fabricación se lleva a cabo en una fábrica especializada de MEMS o en una fundición de CMOS .

El proceso de fabricación varía según el diseño del resonador y la encapsulación, pero, en general, las estructuras del resonador se modelan litográficamente y se graban con plasma en obleas de silicio. Todos los osciladores MEMS comerciales se fabrican con silicio policristalino o monocristalino.

En los resonadores transductores electrostáticos, es importante formar espacios estrechos y bien controlados entre los condensadores de excitación y detección. Estos espacios pueden ser laterales, por ejemplo, debajo de los resonadores, o verticales, junto a ellos. Cada opción tiene sus ventajas y ambas se utilizan comercialmente.

Los resonadores se encapsulan mediante la adhesión de obleas de recubrimiento a las obleas resonadoras o mediante la deposición de capas delgadas de encapsulación sobre los resonadores. En este caso, ambos métodos se utilizan comercialmente.

Las obleas de recubrimiento adheridas deben fijarse con un adhesivo. Se utilizan dos opciones: un anillo de unión de frita de vidrio o un anillo de unión metálico. Se ha comprobado que la frita de vidrio genera demasiada contaminación y, por lo tanto, deriva, por lo que ya no se utiliza comúnmente. [ 62 ]

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 ]

Circuitos

Los amplificadores de sostenimiento, los PLL y los 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 ] [ 63 ] , pero hasta la fecha esta integración homogénea no es comercialmente viable. En cambio, resulta ventajoso producir los resonadores MEMS y los circuitos CMOS en chips separados y combinarlos en la etapa de empaquetado. La combinación de múltiples chips en un solo paquete de esta manera se denomina integración heterogénea o simplemente apilamiento de chips.

Embalaje

Los dispositivos MEMS terminados, encerrados en pequeñas cámaras de vacío a nivel de chip , se cortan de sus obleas de silicio , y el chip resonador se apila sobre un chip CMOS y se moldea en paquetes de plástico para formar osciladores.

Los osciladores MEMS se encapsulan en las mismas fábricas y con los mismos equipos y materiales que se utilizan para el encapsulado estándar de circuitos integrados. Esto contribuye significativamente a su rentabilidad y fiabilidad en comparación con los osciladores de cuarzo, que se ensamblan con encapsulados cerámicos especializados en fábricas construidas a medida.

Las dimensiones del encapsulado y la forma de las almohadillas coinciden con las de los encapsulados estándar de osciladores de cuarzo, por lo que los osciladores MEMS se pueden soldar directamente en placas de circuito impreso diseñadas para cuarzo sin necesidad de modificar ni rediseñar la placa.

Pruebas y calibración

Las pruebas de producción verifican y calibran los resonadores MEMS y los circuitos integrados CMOS para comprobar que cumplen con las especificaciones y ajustar sus frecuencias. Además, muchos osciladores MEMS tienen frecuencias de salida programables que se pueden configurar durante las pruebas. Por supuesto, los distintos tipos de osciladores se configuran a partir de chips CMOS y MEMS especializados. Por ejemplo, los osciladores de bajo consumo y de alto rendimiento no se fabrican con el mismo chip. Asimismo, los osciladores de alta precisión suelen requerir una calibración más minuciosa que los de menor precisión.

Los osciladores MEMS se prueban de forma muy similar a los circuitos integrados estándar. Al igual que el empaquetado, esto se realiza en fábricas de circuitos integrados estándar con equipos de prueba estándar.

El uso de instalaciones estándar de empaquetado y prueba de circuitos integrados (denominadas subcontratistas en la industria de circuitos integrados) permite la escalabilidad de la producción de osciladores MEMS. [ 46 ] Estas instalaciones son capaces de producir grandes volúmenes, a menudo cientos de millones de circuitos integrados al día. Esta capacidad se comparte entre muchas empresas de circuitos integrados, por lo que aumentar los volúmenes de producción de circuitos integrados específicos, o en este caso osciladores MEMS específicos, depende de la asignación de equipos de producción estándar. Por el contrario, las fábricas de osciladores de cuarzo son de una sola función, por lo que aumentar la producción requiere la instalación de equipos personalizados, lo que resulta más costoso y requiere más tiempo que la asignación de equipos estándar.

Comparación de osciladores MEMS y 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 constituyen la base a partir de la cual se comparan los osciladores MEMS. [ 64 ]

Los avances recientes han permitido que los dispositivos de temporización basados ​​en MEMS ofrezcan niveles de rendimiento similares, y a veces superiores, a los de 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. Actualmente, se encuentran disponibles dispositivos con un ruido de fase de -159 dBc/Hz a un  desplazamiento de 10 kHz para una  frecuencia portadora de 19,2 MHz, [ 65 ] un nivel que generalmente solo se requiere para aplicaciones de radiofrecuencia (RF). Los osciladores MEMS ahora están disponibles con una fluctuación de fase integrada inferior a 1,0 picosegundo, medida de 12  kHz a 20  MHz, un nivel que normalmente se requiere para enlaces de datos serie de alta velocidad, como SONET y SyncE, y algunas aplicaciones de instrumentación.

La estabilidad a corto plazo, el tiempo de arranque y el consumo de energía son similares a los del cuarzo. En algunos casos, los osciladores MEMS presentan un consumo de energía inferior al del cuarzo.

Recientemente se han anunciado osciladores MEMS de alta precisión con compensación de temperatura (TCXO) que ofrecen una estabilidad de frecuencia de ±0,1 ppm en función de la temperatura. [ 66 ] Esto supera el rendimiento de todos los osciladores TCXO de cuarzo de gama muy alta y los osciladores controlados por horno (OCXO). Los TCXO MEMS ya están disponibles con frecuencias de salida superiores a 100 MHz, una capacidad que solo ofrecen unos pocos osciladores de cuarzo especializados (por ejemplo, de mesa invertida). 

En las aplicaciones RTC, los osciladores MEMS ofrecen un rendimiento ligeramente superior al de los mejores diapasones de cuarzo en términos de estabilidad de frecuencia con respecto a la temperatura y el desplazamiento de la soldadura, si bien el cuarzo sigue siendo superior para las aplicaciones de menor potencia.

Fabricar y almacenar osciladores de cuarzo con las diversas especificaciones que requieren los usuarios es complejo. Las distintas aplicaciones exigen osciladores con frecuencias, niveles de precisión, calidad de señal, tamaños de encapsulado, voltajes de alimentación y características especiales específicas. La combinación de estos factores genera una gran cantidad de referencias, lo que dificulta el almacenamiento y puede ocasionar largos plazos de entrega.

Los proveedores de osciladores MEMS resuelven el problema de la diversidad aprovechando la tecnología de circuitos. Mientras que los osciladores de cuarzo suelen construirse con cristales de cuarzo excitados a las frecuencias de salida deseadas, los osciladores MEMS comúnmente excitan los resonadores a una frecuencia y la multiplican para obtener la frecuencia de salida diseñada. De esta manera, se pueden proporcionar cientos de frecuencias de aplicación estándar y, ocasionalmente, frecuencias personalizadas sin rediseñar los resonadores o circuitos MEMS.

Por supuesto, existen diferencias en el resonador, los circuitos o la calibración requerida para las distintas categorías de componentes, pero dentro de estas categorías, los parámetros de traslación de frecuencia a menudo se pueden programar en los osciladores MEMS al final del proceso de producción. Dado que los componentes no se diferencian hasta una etapa avanzada del proceso, los plazos de entrega pueden ser cortos, generalmente de unas pocas semanas. Tecnológicamente, los osciladores de cuarzo se pueden fabricar con arquitecturas programables centradas en circuitos, como las que se utilizan en los MEMS, pero históricamente solo una minoría se ha construido de esta manera.

Los osciladores MEMS también son significativamente inmunes a los golpes y vibraciones [ 67 ] y han mostrado niveles de calidad de producción más altos que los asociados con el cuarzo.

Los osciladores de cuarzo son seguros en aplicaciones específicas donde aún no se han introducido osciladores MEMS adecuados. Un ejemplo de estas aplicaciones son los TCXO controlados por voltaje (VCTCXO) para teléfonos móviles. Esta aplicación requiere un conjunto de capacidades muy específicas para las que los productos de cuarzo están altamente optimizados.

Los osciladores de cuarzo son superiores en los rangos de rendimiento más altos. Esto incluye osciladores OCXO que mantienen una estabilidad de unas pocas partes por mil millones (ppb) y osciladores de ondas acústicas superficiales (SAW) que ofrecen una fluctuación de fase inferior a 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 los ha introducido en ese mercado.

El cuarzo sigue siendo el material dominante en las aplicaciones de generadores de reloj. Estas aplicaciones requieren combinaciones de salida altamente especializadas y encapsulados a medida. 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 diversas aplicaciones, como la informática, los productos de consumo, las redes, las comunicaciones, la automoción y los sistemas industriales.

Los osciladores MEMS programables se pueden utilizar en la mayoría de las aplicaciones donde 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 consume cantidades significativas de estos dispositivos.

La "X" en los nombres de los tipos de osciladores originalmente indicaba "cristal". Algunos fabricantes han adoptado esta convención para incluir los osciladores MEMS. Otros están sustituyendo la "X" por la "M" (como en "VCMO" frente a "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 . En 2018, una fuga de helio de una máquina de resonancia magnética de un hospital provocó fallos generalizados en los iPhones cercanos debido a sus osciladores MEMS. [ 68 ] [ 69 ] Se ha demostrado que una concentración de helio de tan solo el 2 % puede provocar el fallo total de un oscilador MEMS.

Véase también

Referencias

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