微小電気機械システム (MEMS) この技術は、シリコンプロセス技術によって確立されたプロセス上の利点（低コスト、正確な動作、小型サイズなど）を活用して、圧力センサー、温度センサー、 加速度計、 ジャイロスコープガス検知器や化学分析装置も含まれます。拡張リストに高精度クロック ジェネレーターを追加することもできます。
すべてのデジタル デバイスには安定した基準周波数が必要であり、このタスクは従来、水晶発振器によって実行されてきました。初期のMEMSベースのデバイスは、精度、安定性、製造可能性に問題があり、要求の厳しいアプリケーションでの使用を妨げていましたが、メーカーはこれらの分野をターゲットにした新製品を開発しています。
最近提供されている製品には、過酷な環境向けの耐久性の高いデバイス、スペースが最も限られた用途向けの小型パッケージ、新興の5GおよびIEEE 1588向けの高性能デバイスなどがあります。この記事では、これらの新しいアプリケーションのいくつかにおけるMEMS発振器について説明します。
MEMS発振器の基礎
MEMS技術 1マイクロメートル未満から数ミリメートルまでのサイズに及ぶ小型の機械要素および電気機械要素を製造することです。MEMSデバイスは、可動部品のない比較的単純な構造から、複数の可動部品を持つ複雑な電気機械システムまで多岐にわたります。
MEMSデバイスの製造には、酸化、拡散、イオン注入、低圧化学蒸着など、他の半導体回路の製造に使用される多くのプロセスが使用されます。 （ LPCVD、スパッタリングなど。MEMSでは、これらの標準的な技術に加えて、マイクロマシニングなどの特殊なプロセスも使用されます。
図1: MEMSダイがCMOS IC上に直接取り付けられたSiTime QFNパッケージの概略図 (画像提供: SiTime)
MEMS発振器 アナログ ドライバICからの静電または圧電励起によって振動する共振器が含まれています。MEMS発振器は、優れた安定性と低消費電力で、1 Hzから数百MHzまでの周波数を生成できます。一般的なデバイス (図1) は、ドライバ チップの上に積み重ねられたMEMS共振器ダイで構成されています。
チップスケールパッケージは、スペースに制約のあるポータブルおよびウェアラブルアプリケーションに対応します。
長年にわたり、電子設計の傾向は、ますます増え続ける機能をより小さなパッケージに詰め込むことでした。製品はデスクトップ ユニットから、同じ機器のポータブル バージョンやウェアラブル バージョンに移行しています。その結果、設計者は常に標準機能のより小さな実装を探しています。
標準MEMS発振器は、フットプリントが2.0 mm x 1.2 mmと小さい標準の低コスト表面実装デバイス (SMD) プラスチック パッケージに成形されており、標準XTALフットプリントとのドロップイン互換性を必要とするアプリケーションに最適です。さらに小型のモバイル デバイスの需要に対応するため、MEMSサプライヤーはチップ スケール パッケージ (CSP) も提供しています。たとえば、SiTimeのSiT15xx MEMS発振器は、1.5 mm x 0.8 mm x 0.55 mm (L x W x H) のCSPで提供されます。
単一のデバイスから複数のクロック出力を提供することも、スペースを節約するもう1つのオプションです。たとえば、Microchip社のDSC613ファミリの3つの出力は、最大3つの水晶振動子とそのドライバ回路を置き換えることができます。このデバイスには、1つの共振器と2つの位相ロック ループ (PLL) が含まれており、クロック構成の幅広い選択肢を提供します。
ポータブル製品やウェアラブル製品はバッテリー電源に大きく依存しているため、これらのアプリケーションでは低消費電力も重要な要件となります。Microchip社のDSC6000シリーズ発振器は、バッテリー駆動のウェアラブル デバイスやモノのインターネット (IoT) デバイスのクロック リファレンスとして機能するように設計されています。これらの部品は、アクティブ モードで1.3 mA、スタンバイ モードで12 Aの電流消費を特徴とし、2 kHz ～ 8 MHzの周波数範囲を提供し、1.6 mm x 1.2 mmの小型パッケージで提供されます。
宇宙、自動車規格に対応した耐久性の高いユニット
多くの航空宇宙、軍事、自動車のアプリケーションでは、極端な温度、衝撃、振動などの厳しい環境条件下でも信頼性の高いパフォーマンスが求められます。
最小限の質量と堅固なシリコン結晶構造の組み合わせにより、MEMS発振器は外部ストレスに対して高い弾力性と耐性を備えています。上で説明したDSC60XXデバイスは、自動車AEC-Q100仕様の厳格な機械的耐久性要件と、MIIL-STD-883の衝撃および振動耐性規格を満たしています。
SiTimeはEnduraのブランドで耐久性の高いMEMS発振器のファミリーを開発しました。™ 航空宇宙および防衛用途を対象としたブランド。軍事温度範囲-55℃での動作が可能 °Cから155 ° Cであり、MIIL-STD-883とMIL-PRF-55310発振器仕様の両方に準拠しています。
高性能アプリケーション向けMEMS
コンピュータ ネットワーク全体での高速通信には、クロック間の正確な同期が必要です。IEEE 1588で定義されている同期イーサネット (SyncE) と高精度時間プロトコル (PTP) は、2つの一般的な同期標準です。
これらの規格では、各システムの局部発振器が、温度変化などの環境条件が変化しても、正確で安定した基準を提供することが求められます。オーブン制御水晶発振器 (OCXO) が好まれる選択肢ですが、サイズが大きく、電力を大量に消費する傾向があります。
図2: SiT5146スーパーTCXOは2つのMEMS共振器と高精度アナログ回路を組み合わせています (画像提供: SiTime)
現在、これらの厳しい要件を満たす高性能MEMSデバイスが利用可能です。そのために、温度補正などの特殊な機能が組み込まれています。たとえば、SiTimeのSuper TXCOデバイスには、1つのダイに2つのMEMS共振器を備えたDualMEMSTM テクノロジーが組み込まれています。1つの共振器は温度に対して平坦な周波数応答を実現するように設計されており、2番目の共振器は極めて正確な温度センサーとして機能します。共振器と温度センサーは熱的に密接に結合されており、2つの要素間の距離はわずか100 µmです。共振器は高精度のフラクショナルN PLLと連携して動作し、極めて低いノイズで0.1 ppbを超える解像度を実現します。
MEMSデバイスは、同等のOCXOよりも消費電力が少なくなります。前述のように、MEMS構造により、発振器は振動に対して非常に耐性が高くなり、ネットワークでのデータ損失や携帯電話基地局での通話切断の原因となる振動が防止されます。
MEMS発振器はEMIの低減に役立ちます
より多くのコンポーネントをより狭いスペースに詰め込むと、電磁干渉 (EMI) のリスクが増大します。ボード上のさまざまなクロック ジェネレーターの高周波数と高速な立ち上がりおよび立ち下がり時間が、EMI増加の主な原因となります。
MEMS発振器は、クロックによって生成されるEMIを削減するのに役立つ2つの機能を備えています。クロック波形の立ち上がり時間と立ち下がり時間を長くすると、各クロック信号の高調波に関連するエネルギーが減少します。MEMS発振器は、駆動強度の選択肢を提供することで立ち上がり時間と立ち下がり時間を変化させます。駆動強度が低いと、特定の負荷容量を充電するのにかかる時間が長くなります。たとえば、Abraconの ASTMLP 発振器ファミリは、負荷容量CLOAD が45 pFで、立ち上がり時間が3.35 ns ～ 31.27 nsの8つの駆動強度オプションを提供します。
時間の経過と共にクロック周波数を変調することも、EMIを低減するもう1つの手法です。変調により、基本周波数とすべての高調波のピーク スペクトル エネルギーがより広い周波数範囲に分散され、クロック高調波のエネルギーが大幅に削減され、EMIが低減されます。
Microchip社のDSC63xx MEMS発振器ファミリ内のPLLは、33 kHzの三角波で変調されます。三角波はスペクトル密度が平坦であるため選択されます。DSC63xxにはいくつかの変調オプションがあります。拡散は、基本クロック周波数を中心に対称的に行うことも、基本周波数からより低い値に変化させることもできます。センタースプレッドの場合、出力は ±0.25% から ±2.5% の範囲で変化しますが、ダウンスプレッドの場合は –0.25% から –3% の範囲で変化します。たとえば、クロック周波数が100 MHzの場合、中心拡散値 ±1% では、出力クロックは99 MHzから101 MHzになります。-2% のダウン拡散を選択した場合、出力クロックは98 MHzから100 MHzまで変化します。
図3: (画像出典: Microchip)
図3は、DSC6331のスペクトル拡散によって得られる改善を示しています。33.333 MHzのクロックと1% の中心拡散により、拡散スペクトル機能により、拡散スペクトルを使用しない場合のパフォーマンスと比較して、ピーク電力が約10 dB低減されます。 ±
オンライン構成ツールは、迅速なデバイスのニーズを満たします
クイックターンサンプルは、ますます短くなる設計サイクルに対応するのに役立ちます。MicrochipのClockWorks® ConfiguratorおよびSampling Toolは、設計者が特定のアプリケーション ニーズに合わせて発振器やクロック ジェネレータをカスタマイズするのに役立つオンライン構成ツールです。設定可能な機能には、周波数、温度、ppm、パッケージ サイズが含まれます。カスタム サンプルは48時間以内に提供されます。
SiTimeのTime Machine IIは、同社のフィールド プログラマブル発振器のポートフォリオの構成とプログラミングを可能にするソフトウェアとUSB電源プログラマを備えたプログラミング キットです。サンプル デバイスの評価後、プログラムは最終仕様で一意の部品番号を生成し、そのデータを工場に送信して生産部品を製造します。
結論
MEMSデバイスは、低コストと高品質の組み合わせにより、長年にわたり幅広い用途で使用されてきました。現在、MEMS発振器は、最も要求の厳しいアプリケーションの一部で水晶振動子に取って代わり始めています。
