माइक्रो इलेक्ट्रो मैकेनिकल प्रणाली दोलक

माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम ऑसिलेटर्स (एमईएमएस ऑसिलेटर्स) ऐसे उपकरण हैं जो समय को मापने के लिए अत्यधिक स्थिर संदर्भ आवृत्ति (इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली को अनुक्रमित करने, डेटा स्थानांतरण का प्रबंधन करने, आकाशवाणी आवृति  को परिभाषित करने और बीता हुआ समय मापने के लिए उपयोग किया जाता है) उत्पन्न करते हैं। एमईएमएस ऑसिलेटर्स में उपयोग की जाने वाली मुख्य प्रौद्योगिकियां 1960 के दशक के मध्य से विकास में हैं, लेकिन 2006 से केवल व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त रूप से उन्नत हैं। एमईएमएस ऑसिलेटर्स में एमईएमएस  गुंजयमान यंत्र  शामिल होते हैं, जो माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल संरचनाएं हैं जो स्थिर आवृत्तियों को परिभाषित करती हैं। एमईएमएस घड़ी जनरेटर एमईएमएस समय उपकरणों हैं जिनके प्रणाली के लिए कई आउटपुट होते हैं जिन्हें एक से अधिक संदर्भ आवृत्ति की आवश्यकता होती है। एमईएमएस ऑसिलेटर्स पुराने, अधिक स्थापित क्वार्ट्ज क्रिस्टल ऑसिलेटर्स के लिए एक वैध विकल्प हैं, जो कंपन और यांत्रिक झटके के खिलाफ बेहतर लचीलापन प्रदान करते हैं, और तापमान भिन्नता के संबंध में विश्वसनीयता प्रदान करते हैं।

गुंजयमान यंत्र
माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम ऑसिलेटर लघु इलेक्ट्रोमैकेनिकल संरचना हैं जो उच्च आवृत्तियों पर कंपन करते हैं। उनका उपयोग समय के संदर्भ, सिग्नल फ़िल्टरिंग, मास सेंसिंग, बायोलॉजिकल सेंसिंग, मोशन सेंसिंग और अन्य विविध अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। यह आलेख आवृत्ति और समय संदर्भों में उनके आवेदन से संबंधित है।

आवृत्ति और समय संदर्भों के लिए, एमईएमएस गुंजयमान यंत्र इलेक्ट्रॉनिक सर्किट से जुड़े होते हैं, जिन्हें अक्सर एम्पलीफायरों को बनाए रखने के लिए कहा जाता है, ताकि उन्हें निरंतर गति में चलाया जा सके। ज्यादातर मामलों में ये सर्किट रेज़ोनेटर के पास और उसी भौतिक पैकेज में स्थित होते हैं। गुंजयमान यंत्रों को चलाने के अलावा, ये सर्किट डाउनस्ट्रीम इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आउटपुट सिग्नल उत्पन्न करते हैं।

ऑसिलेटर्स
अधिवेशन के अनुसार, ऑसिलेटर्स शब्द आमतौर पर एकीकृत सर्किट (आईसी) को दर्शाता है जो एकल आउटपुट आवृत्तियों की आपूर्ति करता है। एमईएमएस ऑसिलेटर्स में एमईएमएस अनुनादक, अनुरक्षण एम्प्स और अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक्स शामिल हैं जो उनके आउटपुट आवृत्तियों को सेट या समायोजित करते हैं। इन सर्किटों में अक्सर फेज़ लॉक्ड लूप (PLL) शामिल होते हैं जो अपस्ट्रीम MEMS संदर्भ आवृत्तियों से चयन योग्य या प्रोग्राम करने योग्य आउटपुट फ़्रीक्वेंसी उत्पन्न करते हैं। MEMS ऑसिलेटर आमतौर पर 4- या 6-पिन IC के रूप में उपलब्ध होते हैं जो मुद्रित सर्किट बोर्ड  (PCB) सोल्डर फुटप्रिंट्स के अनुरूप होते हैं जो पहले क्वार्ट्ज क्रिस्टल ऑसिलेटर्स के लिए मानकीकृत होते थे।

घड़ी जनरेटर
टर्म क्लॉक जनरेटर आमतौर पर कई आउटपुट के साथ एक टाइमिंग आईसी को दर्शाता है। इस रिवाज के बाद, एमईएमएस घड़ी जनरेटर बहु-आउटपुट एमईएमएस टाइमिंग डिवाइस हैं। इनका उपयोग जटिल इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों में समय के संकेतों की आपूर्ति के लिए किया जाता है जिनके लिए कई आवृत्तियों या घड़ी चरणों की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, अधिकांश कंप्यूटरों को प्रोसेसर टाइमिंग, डिस्क I/O, सीरियल I/O, वीडियो जेनरेशन, ईथरनेट I/O, ऑडियो रूपांतरण और अन्य कार्यों के लिए स्वतंत्र घड़ियों की आवश्यकता होती है। घड़ी जनरेटर आमतौर पर उनके अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट होते हैं, जिसमें आवृत्तियों की संख्या और चयन, विभिन्न सहायक विशेषताएं और पैकेज कॉन्फ़िगरेशन शामिल हैं। वे अक्सर कई आउटपुट आवृत्तियों या चरणों को उत्पन्न करने के लिए कई PLL शामिल करते हैं।

वास्तविक समय की घड़ियां
एमईएमएस वास्तविक समय की घड़ियाँ (आरटीसी) आईसी हैं जो दिन और तारीख के समय को ट्रैक करते हैं। इनमें एमईएमएस गुंजयमान यंत्र, स्थायी एम्प्स और रजिस्टर शामिल हैं जो समय के साथ बढ़ते हैं, उदाहरण के लिए दिन, घंटे, मिनट और सेकंड की गिनती। इनमें अलार्म आउटपुट और बैटरी (बिजली) प्रबंधन जैसे सहायक कार्य भी शामिल हैं।

बीता हुआ समय का ट्रैक रखने के लिए आरटीसी को लगातार चलना चाहिए। ऐसा करने के लिए उन्हें कभी-कभी छोटी बैटरी से चलना चाहिए और इसलिए बहुत कम बिजली के स्तर पर काम करना चाहिए। वे आम तौर पर मध्यम आकार के आईसी होते हैं जिनमें बिजली, बैटरी बैकअप, डिजिटल इंटरफ़ेस और कई अन्य कार्यों के लिए 20 पिन तक होते हैं।

पहला प्रदर्शन
क्वार्ट्ज क्रिस्टल ऑसिलेटर्स की कमियों से प्रेरित होकर, शोधकर्ता 1965 से एमईएमएस संरचनाओं के अनुनाद गुणों का विकास कर रहे हैं। हालांकि, हाल ही में सीलिंग, पैकेजिंग और गुंजयमान तत्वों को समायोजित करने से संबंधित विभिन्न सटीकता, स्थिरता और विनिर्माण क्षमता के मुद्दों ने लागत प्रभावी वाणिज्यिक निर्माण को रोका। पांच तकनीकी चुनौतियों को दूर करना पड़ा:
 * पहला प्रदर्शन
 * स्थिर और पूर्वानुमेय गुंजयमान सामग्री ढूँढना,
 * पर्याप्त स्वच्छ भली भांति बंद पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों का विकास करना,
 * उत्पादन आवृत्तियों को ट्रिम करना और क्षतिपूर्ति करना, अनुनादक तत्वों के गुणवत्ता कारक को बढ़ाना, और
 * विभिन्न एप्लिकेशन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए सिग्नल अखंडता में सुधार।

पहले एमईएमएस गुंजयमान यंत्र धात्विक गुंजयमान तत्वों के साथ बनाए गए थे। इन गुंजयमान यंत्रों की कल्पना ऑडियो फिल्टर के रूप में की गई थी और इनमें 500 के मध्यम गुणवत्ता कारक (Qs) और 1 kHz से 100 kHz की आवृत्तियां थीं। फ़िल्टरिंग अनुप्रयोग, अब उच्च आवृत्ति रेडियो के लिए, अभी भी महत्वपूर्ण हैं और एमईएमएस अनुसंधान और पूंजीवाद के लिए एक सक्रिय क्षेत्र हैं।

हालांकि, शुरुआती एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों में समय संदर्भ या घड़ी पीढ़ी के लिए उपयोग की जाने वाली पर्याप्त स्थिर आवृत्तियां नहीं थीं। धात्विक गुंजयमान तत्व समय के साथ (वे वृद्ध) और उपयोग के साथ (वे थके हुए) आवृत्ति में बदलाव करते थे। तापमान भिन्नता के तहत वे बड़ी और पूरी तरह से अनुमानित आवृत्ति बदलाव नहीं करते थे (उनके पास बड़ी तापमान संवेदनशीलता थी) और जब वे तापमान चक्रित होते थे तो वे अलग-अलग आवृत्तियों पर लौटने के लिए प्रवृत्त होते थे (वे हिस्टेरेटिक थे)।

भौतिक विकास
1970 के दशक में काम करें 1990 के दशक के माध्यम से पर्याप्त रूप से स्थिर गुंजयमान सामग्री और संबंधित निर्माण तकनीकों की पहचान की। विशेष रूप से, एकल और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन प्रभावी रूप से शून्य उम्र बढ़ने, थकान और हिस्टैरिसीस और मध्यम तापमान संवेदनशीलता के साथ आवृत्ति संदर्भों के लिए उपयुक्त पाया गया।

एमईएमएस गुंजयमान अनुसंधान में सामग्री का विकास अभी भी जारी है। इसके कम तापमान के निर्माण के लिए सिलिकॉन जर्मेनियम  (SiGe) में महत्वपूर्ण प्रयास किए गए हैं और इसके पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसडक्शन के लिए एल्यूमीनियम नाइट्राइड (AlN)। माइक्रोमाचिन्ड क्वार्ट्ज पर काम जारी है, जबकि पॉलीक्रिस्टलाइन हीरे का उपयोग इसकी असाधारण कठोरता-से-द्रव्यमान अनुपात के लिए उच्च आवृत्ति गुंजयमान यंत्रों के लिए किया गया है।

पैकेजिंग विकास
एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों को गुहाओं की आवश्यकता होती है जिसमें वे स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित हो सकते हैं, और आवृत्ति संदर्भों के लिए इन गुहाओं को खाली किया जाना चाहिए। प्रारंभिक गुंजयमान यंत्र सिलिकॉन वेफर्स के शीर्ष पर बनाए गए थे और निर्वात कक्षों में परीक्षण किए गए थे, लेकिन अलग-अलग गुंजयमान यंत्र इनकैप्सुलेशन की स्पष्ट रूप से आवश्यकता थी।

एमईएमएस समुदाय ने अन्य एमईएमएस घटकों, उदाहरण के लिए दबाव सेंसर, accelerometers, और जाइरोस्कोप को संलग्न करने के लिए बंधुआ कवर तकनीकों को नियोजित किया था और इन तकनीकों को अनुनादकों के लिए अनुकूलित किया गया था।  इस दृष्टिकोण में, कवर वेफर्स को छोटे गुहाओं के साथ माइक्रोमशीन किया गया था और गुंजयमान यंत्र वेफर्स से बंधे थे, छोटे खाली गुहाओं में गुंजयमान यंत्रों को घेरते थे। प्रारंभ में इन वेफर्स को कम पिघलने वाले तापमान वाले ग्लास से जोड़ा जाता था, जिसे ग्लास फ्रिट बॉन्डिंग कहा जाता है, लेकिन हाल ही में धात्विक संपीड़न और धात्विक अमलगम सहित अन्य संबंध तकनीकों ने ग्लास फ्रिट को बदल दिया है।

रेज़ोनेटर पर बॉन्डिंग कवर के बजाय निर्माण प्रक्रिया में रेज़ोनेटर पर सीधे कवर बनाकर संलग्न गुहाओं को बनाने के लिए पतली फिल्म एनकैप्सुलेशन तकनीक विकसित की गई थी।    इन तकनीकों का यह फायदा था कि वे सीलिंग संरचना के लिए ज्यादा मरने वाले क्षेत्र का उपयोग नहीं करते थे, उन्हें कवर बनाने के लिए दूसरे वेफर्स की तैयारी की आवश्यकता नहीं थी, और परिणामी डिवाइस वेफर्स पतले थे।

आवृत्ति संदर्भों में आमतौर पर 100 भागों प्रति मिलियन (पीपीएम) या बेहतर की आवृत्ति स्थिरता की आवश्यकता होती है। हालांकि, शुरुआती आवरण और एनकैप्सुलेशन तकनीकों ने गुहाओं में महत्वपूर्ण मात्रा में संदूषण छोड़ा। क्योंकि एमईएमएस गुंजयमान यंत्र छोटे होते हैं, और विशेष रूप से क्योंकि उनका आयतन-से-सतह क्षेत्र छोटा होता है, वे विशेष रूप से बड़े पैमाने पर लोडिंग के प्रति संवेदनशील होते हैं। यहां तक ​​कि पानी या हाइड्रोकार्बन जैसे प्रदूषकों की एकल-परमाणु परतें गुंजयमान यंत्र की आवृत्तियों को विनिर्देश से बाहर कर सकती हैं।

जब गुंजयमान यंत्र वृद्ध या तापमान चक्रित होते हैं, तो संदूषक कक्षों में स्थानांतरित हो सकते हैं, और गुंजयमान यंत्रों पर या उसके बाहर स्थानांतरित हो सकते हैं। गुंजयमान यंत्रों पर द्रव्यमान में परिवर्तन हजारों पीपीएम के हिस्टैरिसीस का उत्पादन कर सकता है, जो वस्तुतः सभी आवृत्ति संदर्भ अनुप्रयोगों के लिए अस्वीकार्य है।

ग्लास फ्रिट सील के साथ शुरुआती कवर किए गए गुंजयमान यंत्र अस्थिर थे क्योंकि सीलिंग सामग्री से दूषित पदार्थ बाहर निकल गए थे। इसे दूर करने के लिए गुहाओं में प्राप्त करनेवाला ्स बनाए गए थे। गेटर्स ऐसी सामग्रियां हैं जो गुहाओं को सील करने के बाद गैस और दूषित पदार्थों को अवशोषित कर सकती हैं। हालांकि, गेटर्स संदूषक भी छोड़ सकते हैं और महंगा हो सकता है, इसलिए क्लीनर कवर बॉन्डिंग प्रक्रियाओं के पक्ष में इस एप्लिकेशन में उनका उपयोग बंद किया जा रहा है।

इसी तरह, पतली फिल्म एनकैप्सुलेशन गुहाओं में फैब्रिकेशन बायप्रोडक्ट्स को फंसा सकती है। इसे खत्म करने के लिए एपिटैक्सियल सिलिकॉन जमाव पर आधारित एक उच्च तापमान पतली फिल्म एनकैप्सुलेशन विकसित की गई थी। यह एपिटैक्सियल सीलिंग (एपिसील) प्रक्रिया असाधारण रूप से स्वच्छ पाया गया है और उच्चतम स्थिरता अनुनादक उत्पन्न करता है।

इलेक्ट्रॉनिक आवृत्ति चयन और ट्रिमिंग
प्रारंभिक एमईएमएस गुंजयमान यंत्र विकास में, शोधकर्ताओं ने लक्षित अनुप्रयोग आवृत्तियों पर गुंजयमान यंत्र बनाने और तापमान पर उन आवृत्तियों को बनाए रखने की कोशिश की। इस समस्या को हल करने के दृष्टिकोण में एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों को क्वार्ट्ज क्रिस्टल के लिए उपयोग किए जाने वाले तरीकों के अनुरूप ट्रिमिंग और तापमान शामिल थे।

हालाँकि, ये तकनीकें तकनीकी रूप से सीमित और महंगी पाई गईं। एक अधिक प्रभावी समाधान इलेक्ट्रॉनिक रूप से गुंजयमान यंत्रों की आवृत्तियों को ऑसिलेटर्स की आउटपुट आवृत्तियों में स्थानांतरित करना था। इसका यह फायदा था कि गुंजयमान यंत्रों को व्यक्तिगत रूप से छंटनी करने की आवश्यकता नहीं थी; इसके बजाय उनकी आवृत्तियों को मापा जा सकता है और ऑसीलेटर आईसी में उचित स्केलिंग गुणांक दर्ज किए जा सकते हैं। इसके अलावा, गुंजयमान यंत्रों के तापमान को इलेक्ट्रॉनिक रूप से मापा जा सकता है, और तापमान पर गुंजयमान यंत्रों की आवृत्ति भिन्नता की भरपाई के लिए आवृत्ति स्केलिंग को समायोजित किया जा सकता है।

सिग्नल अखंडता में सुधार
विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए पूर्वनिर्धारित सिग्नल और प्रदर्शन विशिष्टताओं वाली घड़ियों की आवश्यकता होती है। इनमें से, प्रमुख विनिर्देश चरण शोर और आवृत्ति स्थिरता हैं।

गुंजयमान यंत्र की प्राकृतिक आवृत्तियों (एफ) और गुणवत्ता कारकों (क्यू) को बढ़ाकर चरण शोर को अनुकूलित किया गया है। क्यू निर्दिष्ट करता है कि ड्राइव बंद होने के बाद अनुनादक कितनी देर तक बजते रहते हैं, या समकक्ष रूप से फ़िल्टर के रूप में देखे जाने पर उनके पास-बैंड कितने संकीर्ण होते हैं। विशेष रूप से, क्यू गुना एफ, या क्यूएफ उत्पाद, निकट-वाहक चरण शोर को निर्धारित करता है। प्रारंभिक एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों ने संदर्भ के लिए अस्वीकार्य रूप से कम क्यूएफ उत्पाद दिखाए। महत्वपूर्ण सैद्धांतिक कार्य ने अंतर्निहित भौतिकी को स्पष्ट किया जबकि प्रायोगिक कार्य ने उच्च Qf गुंजयमान यंत्र विकसित किए। वर्तमान में उपलब्ध एमईएमएस क्यूएफ प्रदर्शन वस्तुतः सभी अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है।

गुंजयमान यंत्र संरचनात्मक डिजाइन, विशेष रूप से मोड नियंत्रण में, एंकरिंग के तरीके, संकीर्ण अंतर ट्रांसड्यूसर, रैखिकता, और सरणी संरचनाएं महत्वपूर्ण शोध प्रयासों का उपभोग किया।

आवश्यक आवृत्ति सटीकता प्रोसेसर क्लॉकिंग के लिए अपेक्षाकृत ढीली होती है, आमतौर पर 50 से 100 पीपीएम, उच्च गति डेटा क्लॉकिंग के लिए सटीक होती है, अक्सर 2.5 पीपीएम और नीचे। अनुसंधान ने प्रदर्शित किया कि एमईएमएस गुंजयमान यंत्र और ऑसिलेटर इन स्तरों के भीतर अच्छी तरह से बनाए जा सकते हैं। वाणिज्यिक उत्पाद अब 0.5 पीपीएम पर उपलब्ध हैं, जो अधिकांश आवेदन आवश्यकताओं को कवर करता है।

अंत में, आवृत्ति नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स और संबंधित समर्थन सर्किट्री को विकसित और अनुकूलित करने की आवश्यकता है। प्रमुख क्षेत्र तापमान सेंसर में थे और पीएलएल डिजाइन। हाल के सर्किट विकास ने उच्च गति सीरियल अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त एमईएमएस ऑसिलेटर्स का उत्पादन किया है सब-पिकोसेकंड इंटीग्रेटेड जिटर के साथ।

व्यावसायीकरण
यूएस डिफेंस एडवांस्ड रिसर्च प्रोजेक्ट्स एजेंसी (डीएआरपीए) ने एमईएमएस अनुसंधान की एक विस्तृत श्रृंखला को वित्तपोषित किया जो ऊपर वर्णित विकास के लिए आधार प्रौद्योगिकियां प्रदान करता है। 2001 और 2002 में DARPA ने विशेष रूप से MEMS उच्च स्थिरता गुंजयमान यंत्र और पैकेजिंग प्रौद्योगिकियों को विकसित करने के लिए नैनो मैकेनिकल एरे सिग्नल प्रोसेसर (NMASP) और कठोर पर्यावरण रोबस्ट माइक्रोमैकेनिकल टेक्नोलॉजी (HERMIT) प्रोग्राम लॉन्च किए। यह कार्य फलदायी था और प्रौद्योगिकी को उस स्तर तक उन्नत किया जिस पर उद्यम पूंजी से वित्त पोषित स्टार्टअप वाणिज्यिक उत्पाद विकसित कर सकते थे। इन स्टार्टअप्स में डिस्केरा भी शामिल है 2001 में, SiTime 2004 में, सिलिकॉन क्लॉक 2006 में, और हार्मोनिक डिवाइसेस 2006 में।

SiTime ने 2006 में पहला उत्पादन MEMS थरथरानवाला पेश किया, इसके बाद 2007 में डिस्केरा। हार्मोनिक डिवाइसेस ने सेंसर उत्पादों पर अपना ध्यान केंद्रित किया और 2010 में क्वालकॉम द्वारा खरीदा गया। सिलिकॉन क्लॉक्स ने कभी भी वाणिज्यिक उत्पादों को पेश नहीं किया और 2010 में सिलिकॉन लैब्स द्वारा खरीदा गया। सैंड 9 सहित एमईएमएस ऑसिलेटर्स का उत्पादन करने के अपने इरादे की घोषणा की और वीटीआई टेक्नोलॉजीज। बिक्री की मात्रा के अनुसार, एमईएमएस ऑसिलेटर आपूर्तिकर्ता SiTime और Discera के रूप में अवरोही क्रम में रैंक करते हैं। कई क्वार्ट्ज ऑसिलेटर आपूर्तिकर्ता एमईएमएस ऑसिलेटर्स को फिर से बेचते हैं। सीटाइम ने घोषणा की कि उसने 2011 के मध्य तक संचयी रूप से 50 मिलियन यूनिट भेज दिया है। दूसरों ने बिक्री की मात्रा का खुलासा नहीं किया है।

ऑपरेशन
एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों को छोटी घंटियों के रूप में सोच सकते हैं जो उच्च आवृत्तियों पर बजती हैं। बड़ी घंटियों की तुलना में छोटी घंटियाँ उच्च आवृत्तियों पर बजती हैं, और चूंकि एमईएमएस गुंजयमान यंत्र छोटे होते हैं इसलिए वे उच्च आवृत्तियों पर बज सकते हैं। सामान्य घंटियाँ मीटर नीचे से लेकर सेंटीमीटर तक होती हैं और सैकड़ों हेटर्स ़ से किलोहर्ट्ज़ पर बजती हैं; एमईएमएस गुंजयमान यंत्र एक मिलीमीटर के दसवें हिस्से में होते हैं और दसियों किलोहर्ट्ज़ से लेकर सैकड़ों मेगाहर्ट्ज़ तक बजते हैं। एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों ने गीगाहर्ट्ज़ से अधिक पर काम किया है।

सामान्य घंटियाँ यांत्रिक रूप से बजाई जाती हैं, जबकि एमईएमएस गुंजयमान यंत्र विद्युत चालित होते हैं। एमईएमएस गुंजयमान यंत्र बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली दो आधार प्रौद्योगिकियां हैं जो यांत्रिक गति से विद्युत ड्राइव और अर्थ संकेतों को ट्रांसड्यूस करने के तरीके में भिन्न होती हैं। ये इलेक्ट्रोस्टैटिक और piezoelectric  हैं। सभी वाणिज्यिक एमईएमएस ऑसिलेटर इलेक्ट्रोस्टैटिक ट्रांसडक्शन का उपयोग करते हैं जबकि एमईएमएस फिल्टर पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसडक्शन का उपयोग करते हैं। पीजोइलेक्ट्रिक अनुनादकों ने आवृत्ति संदर्भ अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त आवृत्ति स्थिरता या गुणवत्ता कारक (क्यू) नहीं दिखाया है।

इलेक्ट्रॉनिक अनुरक्षण एम्प्स गुंजयमान यंत्रों को निरंतर दोलन में चलाते हैं। ये एम्पलीफायर गुंजयमान गति का पता लगाते हैं और अनुनादकों में अतिरिक्त ऊर्जा चलाते हैं। वे उचित आयामों पर अनुनादक गति को बनाए रखने और कम शोर आउटपुट घड़ी संकेतों को निकालने के लिए सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किए गए हैं।

अतिरिक्त सर्किट जिन्हें फ्रैक्शनल-एन फेज लॉक लूप्स (frac-N PLLs) कहा जाता है, गुंजयमान यंत्र की यांत्रिक आवृत्तियों को ऑसिलेटर की आउटपुट आवृत्तियों से गुणा करते हैं।   ये अत्यधिक विशिष्ट PLL डिजिटल राज्य मशीनों के नियंत्रण में आउटपुट फ़्रीक्वेंसी सेट करते हैं। राज्य मशीनों को अंशांकन और गैर-वाष्पशील मेमोरी में संग्रहीत प्रोग्राम डेटा द्वारा नियंत्रित किया जाता है और तापमान भिन्नता की भरपाई के लिए PLL कॉन्फ़िगरेशन को समायोजित करता है।

अतिरिक्त उपयोगकर्ता कार्यों को प्रदान करने के लिए राज्य मशीनों का भी निर्माण किया जा सकता है, उदाहरण के लिए स्प्रेड-स्पेक्ट्रम क्लॉकिंग और वोल्टेज नियंत्रित आवृत्ति ट्रिमिंग।

एमईएमएस घड़ी जनरेटर एमईएमएस ऑसिलेटर्स के साथ उनके मूल में बनाए गए हैं और अतिरिक्त आउटपुट की आपूर्ति के लिए अतिरिक्त सर्किट्री शामिल हैं। यह अतिरिक्त सर्किट्री आमतौर पर अनुप्रयोगों द्वारा आवश्यक विशिष्ट सुविधाएं प्रदान करने के लिए डिज़ाइन की जाती है।

एमईएमएस आरटीसी ऑसिलेटर की तरह काम करते हैं लेकिन कम बिजली की खपत के लिए अनुकूलित होते हैं और इसमें तारीख और समय को ट्रैक करने के लिए सहायक सर्किट शामिल होते हैं। कम शक्ति पर काम करने के लिए वे कम आवृत्ति वाले एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों के साथ निर्मित होते हैं। आवश्यक समय सटीकता प्रदान करते हुए बिजली की खपत को कम करने के लिए सर्किट डिजाइन में देखभाल की जाती है।

गुंजयमान यंत्र
गुंजयमान यंत्र के प्रकार के आधार पर, निर्माण प्रक्रिया या तो एक विशेष एमईएमएस फैब या सीएमओएस फाउंड्री में की जाती है।

निर्माण प्रक्रिया गुंजयमान यंत्र और इनकैप्सुलेशन डिज़ाइन के साथ भिन्न होती है, लेकिन सामान्य तौर पर गुंजयमान संरचनाएं लिथोग्राफिक रूप से प्रतिरूपित होती हैं और सिलिकॉन वेफर्स में या पर प्लाज्मा-नक़्क़ाशीदार होती हैं। सभी वाणिज्यिक एमईएमएस ऑसिलेटर पॉली या सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन से बने होते हैं।

संकीर्ण और अच्छी तरह से नियंत्रित ड्राइव और सेंस कैपेसिटर गैप बनाने के लिए इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से ट्रांसड्यूस्ड रेज़ोनेटर में यह महत्वपूर्ण है। ये या तो पार्श्व हो सकते हैं उदाहरण के लिए गुंजयमान यंत्र के तहत, या गुंजयमान यंत्र के बगल में लंबवत। प्रत्येक विकल्प के अपने फायदे हैं और दोनों का व्यावसायिक उपयोग किया जाता है।

रेज़ोनेटर या तो रेज़ोनेटर वेफ़र्स पर कवर वेफ़र्स को जोड़कर या रेज़ोनेटर पर पतली फ़िल्म इनकैप्सुलेशन परतों को जमा करके समझाया जाता है। यहाँ फिर से, दोनों विधियों का व्यावसायिक उपयोग किया जाता है।

बंधुआ कवर वेफर्स को चिपकने वाला जोड़ा जाना चाहिए। दो विकल्पों का उपयोग किया जाता है, एक ग्लास फ्रिट बॉन्ड रिंग या एक मैटेलिक बॉन्ड रिंग। ग्लास फ्रिट बहुत अधिक संदूषण उत्पन्न करने के लिए पाया गया है, और इस प्रकार बहता है, और अब इसका आमतौर पर उपयोग नहीं किया जाता है।

पतली फिल्म एनकैप्सुलेशन के लिए रेज़ोनेटर की संरचना ऑक्साइड और सिलिकॉन की परतों से ढकी होती है, फिर फ्रीस्टैंडिंग रेज़ोनेटर बनाने के लिए आसपास के ऑक्साइड को हटाकर जारी किया जाता है, और अंत में एक अतिरिक्त जमाव के साथ सील कर दिया जाता है।

सर्किट्री
निरंतर एम्प्स, चरण बंद लूप और सहायक सर्किट सीएमओएस फाउंड्री में निर्मित मानक मिश्रित-सिग्नल सीएमओएस प्रक्रियाओं के साथ बनाए गए हैं।

एक ही आईसी डाई पर सीएमओएस सर्किट के साथ एकीकृत एमईएमएस ऑसिलेटर्स का प्रदर्शन किया गया है लेकिन आज तक यह सजातीय एकीकरण व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य नहीं है। इसके बजाय, एमईएमएस गुंजयमान यंत्र और सीएमओएस सर्किटरी को अलग-अलग डाई पर बनाना और उन्हें पैकेजिंग चरण में संयोजित करना फायदेमंद है। इस तरह से एक ही पैकेज में कई डाई को मिलाने को विषम एकीकरण या केवल डाई स्टैकिंग कहा जाता है।

पैकेजिंग
पूर्ण किए गए एमईएमएस उपकरण, छोटे चिप-स्तर के निर्वात कक्षों में संलग्न होते हैं, उनके वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) से काटे जाते हैं, और अनुनादक डाई को सीएमओएस डाई पर रखा जाता है और ऑसिलेटर बनाने के लिए प्लास्टिक पैकेज में ढाला जाता है।

एमईएमएस ऑसिलेटरों को उन्हीं कारखानों में और उन्हीं उपकरणों और सामग्रियों के साथ पैक किया जाता है जिनका उपयोग मानक आईसी पैकेजिंग के लिए किया जाता है। क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स की तुलना में उनकी लागत-प्रभावशीलता और विश्वसनीयता में यह एक महत्वपूर्ण योगदान है, जो कस्टम-निर्मित कारखानों में विशेष सिरेमिक पैकेज के साथ इकट्ठे होते हैं।

पैकेज आयाम और पैड आकार मानक क्वार्ट्ज ऑसिलेटर पैकेज से मेल खाते हैं इसलिए एमईएमएस ऑसिलेटर्स को बोर्ड संशोधन या फिर से डिजाइन की आवश्यकता के बिना क्वार्ट्ज के लिए डिज़ाइन किए गए पीसीबी पर सीधे टांका लगाया जा सकता है।

परीक्षण और अंशांकन
उत्पादन परीक्षण एमईएमएस गुंजयमान यंत्रों और सीएमओएस आईसी की जांच और अंशांकन करते हैं ताकि यह सत्यापित किया जा सके कि वे विनिर्देशों के अनुसार प्रदर्शन कर रहे हैं और उनकी आवृत्तियों को कम कर रहे हैं। इसके अलावा, कई एमईएमएस ऑसिलेटर्स में प्रोग्राम करने योग्य आउटपुट फ़्रीक्वेंसी होती हैं जिन्हें परीक्षण के समय कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। बेशक विभिन्न प्रकार के ऑसिलेटर्स को विशेष सीएमओएस और एमईएमएस डाई से कॉन्फ़िगर किया गया है। उदाहरण के लिए, कम शक्ति और उच्च प्रदर्शन वाले ऑसिलेटर्स एक ही डाई के साथ नहीं बनाए जाते हैं। इसके अलावा, उच्च परिशुद्धता ऑसिलेटरों को अक्सर कम सटीक ऑसिलेटर्स की तुलना में अधिक सावधानीपूर्वक अंशांकन की आवश्यकता होती है।

एमईएमएस ऑसिलेटरों का मानक आईसी की तरह ही परीक्षण किया जाता है। पैकेजिंग की तरह, यह मानक आईसी कारखानों में मानक आईसी परीक्षण उपकरण के साथ किया जाता है।

मानक आईसी पैकेजिंग और परीक्षण सुविधाओं (आईसी उद्योग में सबकॉन्स कहा जाता है) का उपयोग करना एमईएमएस ऑसिलेटर्स उत्पादन मापनीयता देता है। ये सुविधाएं बड़ी मात्रा में उत्पादन करने में सक्षम हैं, अक्सर प्रति दिन करोड़ों आईसी। यह क्षमता कई आईसी कंपनियों में साझा की जाती है, इसलिए विशिष्ट आईसी के उत्पादन की मात्रा में वृद्धि, या इस मामले में विशिष्ट एमईएमएस ऑसीलेटर, मानक उत्पादन उपकरण आवंटित करने का एक कार्य है। इसके विपरीत, क्वार्ट्ज ऑसिलेटर कारखाने प्रकृति में एकल-फ़ंक्शन हैं, ताकि रैंपिंग उत्पादन के लिए कस्टम उपकरण स्थापित करने की आवश्यकता हो, जो मानक उपकरण आवंटित करने की तुलना में अधिक महंगा और समय लेने वाला है।

एमईएमएस और क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स की तुलना
एमईएमएस ऑसिलेटर्स की तुलना में क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स बहुत अधिक मात्रा में बेचे जाते हैं, और इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियरों द्वारा व्यापक रूप से उपयोग और समझे जाते हैं। इसलिए, क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स आधार रेखा प्रदान करते हैं जिससे एमईएमएस ऑसिलेटर्स की तुलना की जाती है। हाल के अग्रिमों ने एमईएमएस-आधारित समय उपकरणों को क्वार्ट्ज उपकरणों के समान प्रदर्शन स्तर और कभी-कभी बेहतर प्रदान करने में सक्षम बनाया है। चरण शोर द्वारा मापी गई एमईएमएस ऑसिलेटर सिग्नल गुणवत्ता अब अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है। 10 मेगाहर्ट्ज से 10 kHz पर -150 dBc का चरण शोर अब उपलब्ध है, एक स्तर जो आम तौर पर केवल रेडियो फ्रीक्वेंसी (RF) अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक होता है। MEMS ऑसिलेटर्स अब 1.0 पिकोसेकंड के तहत एकीकृत जिटर के साथ उपलब्ध हैं, जिसे 12 kHz से 20 MHz तक मापा जाता है, एक ऐसा स्तर जो सामान्य रूप से उच्च गति वाले सीरियल डेटा लिंक, जैसे SONET और SyncE, और कुछ इंस्ट्रूमेंटेशन अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक होता है।

लघु अवधि की स्थिरता, स्टार्टअप समय और बिजली की खपत, क्वार्ट्ज के समान हैं। कुछ मामलों में, एमईएमएस ऑसिलेटर क्वार्ट्ज की तुलना में कम बिजली की खपत दिखाते हैं।

उच्च परिशुद्धता एमईएमएस तापमान-मुआवजा ऑसिलेटर्स (टीसीएक्सओ) को हाल ही में तापमान पर ± 0.1 पीपीएम आवृत्ति स्थिरता के साथ घोषित किया गया है। यह बहुत उच्च अंत क्वार्ट्ज TCXOs और ओवन-नियंत्रित ऑसिलेटर्स (OCXOs) को छोड़कर सभी के प्रदर्शन से अधिक है।. एमईएमएस टीसीएक्सओ अब 100 मेगाहर्ट्ज से अधिक आउटपुट फ्रीक्वेंसी के साथ उपलब्ध हैं, एक ऐसी क्षमता जो केवल कुछ विशेष क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स (जैसे, इनवर्टेड मेसा) प्रदान कर सकते हैं।

आरटीसी अनुप्रयोगों में एमईएमएस ऑसीलेटर तापमान और सोल्डर-डाउन शिफ्ट पर आवृत्ति स्थिरता के मामले में सर्वश्रेष्ठ क्वार्ट्ज ट्यूनिंग फोर्क से थोड़ा बेहतर प्रदर्शन कर रहे हैं, जबकि क्वार्ट्ज अभी भी सबसे कम बिजली अनुप्रयोगों के लिए बेहतर है।

उपयोगकर्ताओं को आवश्यक विभिन्न प्रकार के विनिर्देशों के लिए क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स का निर्माण और स्टॉक करना मुश्किल है। विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट आवृत्तियों, सटीकता स्तरों, सिग्नल गुणवत्ता स्तरों, पैकेज आकारों, आपूर्ति वोल्टेज और विशेष सुविधाओं वाले ऑसिलेटर्स की आवश्यकता होती है। इनके संयोजन से भाग संख्याओं का प्रसार होता है जो स्टॉकिंग को अव्यावहारिक बनाता है और लंबे समय तक उत्पादन का नेतृत्व कर सकता है।

एमईएमएस थरथरानवाला आपूर्तिकर्ता सर्किट प्रौद्योगिकी का लाभ उठाकर विविधता की समस्या का समाधान करते हैं। जबकि क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स आमतौर पर वांछित आउटपुट आवृत्तियों पर संचालित क्वार्ट्ज क्रिस्टल के साथ बनाए जाते हैं, एमईएमएस ऑसिलेटर आमतौर पर रेज़ोनेटर को एक आवृत्ति पर चलाते हैं और इसे डिज़ाइन किए गए आउटपुट फ़्रीक्वेंसी से गुणा करते हैं। इस तरह, एमईएमएस गुंजयमान यंत्र या सर्किट को फिर से डिजाइन किए बिना सैकड़ों मानक अनुप्रयोग आवृत्तियों और सामयिक कस्टम आवृत्ति प्रदान की जा सकती है।

बेशक, भागों की विभिन्न श्रेणियों के लिए आवश्यक गुंजयमान यंत्र, सर्किट या अंशांकन में अंतर हैं, लेकिन इन श्रेणियों के भीतर आवृत्ति अनुवाद मापदंडों को अक्सर उत्पादन प्रक्रिया में देर से एमईएमएस ऑसिलेटर में प्रोग्राम किया जा सकता है। क्योंकि घटकों को प्रक्रिया में देर तक विभेदित नहीं किया जाता है, इसलिए लीड समय कम हो सकता है, आमतौर पर कुछ सप्ताह। तकनीकी रूप से, क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स को सर्किट-केंद्रित प्रोग्रामेबल आर्किटेक्चर के साथ बनाया जा सकता है, जैसे कि एमईएमएस में उपयोग किया जाता है, लेकिन ऐतिहासिक रूप से केवल अल्पसंख्यक ही इस तरह से बनाए गए हैं।

एमईएमएस ऑसिलेटर भी सदमे और कंपन के लिए काफी प्रतिरोधी हैं और उन्होंने क्वार्ट्ज से जुड़े उत्पादन की गुणवत्ता के स्तर को उच्च दिखाया है।

क्वार्ट्ज ऑसिलेटर विशिष्ट अनुप्रयोगों में सुरक्षित हैं जहां उपयुक्त एमईएमएस ऑसिलेटर पेश नहीं किए गए हैं। उन अनुप्रयोगों में से एक, उदाहरण के लिए, सेल फोन हैंडसेट के लिए वोल्टेज-नियंत्रित टीसीएक्सओ (वीसीटीसीएक्सओ) है। इस एप्लिकेशन को क्षमताओं के एक बहुत विशिष्ट सेट की आवश्यकता होती है जिसके लिए क्वार्ट्ज उत्पादों को अत्यधिक अनुकूलित किया जाता है।

प्रदर्शन रेंज के चरम उच्च सिरों में क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स बेहतर हैं। इनमें ओसीएक्सओ शामिल हैं जो प्रति बिलियन (पीपीबी) कुछ भागों के भीतर स्थिरता बनाए रख सकते हैं, और सतह ध्वनिक तरंग (एसएडब्ल्यू) ऑसिलेटर जो उच्च आवृत्तियों पर 100 फेमटोसेकंड के तहत जिटर वितरित कर सकते हैं। हाल तक तक, एमईएमएस ऑसिलेटर्स टीसीएक्सओ उत्पाद श्रेणी में प्रतिस्पर्धा नहीं करते थे, लेकिन नए उत्पाद परिचय ने एमईएमएस ऑसिलेटर्स को उस बाजार में ला दिया है।

घड़ी जनरेटर अनुप्रयोगों में क्वार्ट्ज अभी भी प्रमुख है। इन अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक विशिष्ट आउटपुट संयोजनों और कस्टम पैकेजों की आवश्यकता होती है। इन उत्पादों के लिए आपूर्ति श्रृंखला विशिष्ट है और इसमें एमईएमएस ऑसिलेटर आपूर्तिकर्ता शामिल नहीं है।

विशिष्ट अनुप्रयोग
कंप्यूटिंग, उपभोक्ता, नेटवर्किंग, संचार, मोटर वाहन और औद्योगिक प्रणालियों जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों में एमईएमएस ऑसिलेटर्स क्वार्ट्ज ऑसिलेटर्स की जगह ले रहे हैं।

प्रोग्राम करने योग्य एमईएमएस ऑसीलेटर का उपयोग अधिकांश अनुप्रयोगों में किया जा सकता है जहां पीसीआई-एक्सप्रेस, सैटा, एसएएस, पीसीआई, यूएसबी, गिगाबिट ईथरनेट, एमपीईजी वीडियो और केबल मोडेम जैसे निश्चित आवृत्ति क्वार्ट्ज ऑसीलेटर का उपयोग किया जाता है।

एमईएमएस घड़ी जनरेटर जटिल प्रणालियों में उपयोगी होते हैं जिनके लिए कई आवृत्तियों की आवश्यकता होती है, जैसे डेटा सर्वर और टेलीकॉम स्विच।

एमईएमएस रीयल-टाइम घड़ियों का उपयोग उन प्रणालियों में किया जाता है जिनके लिए सटीक समय मापन की आवश्यकता होती है। गैस और बिजली के लिए स्मार्ट मीटर एक उदाहरण है जो इन उपकरणों की महत्वपूर्ण मात्रा में खपत कर रहा है।

थरथरानवाला प्रकार के नाम में "एक्स" मूल रूप से "क्रिस्टल" को दर्शाता है। कुछ निर्माताओं ने एमईएमएस ऑसिलेटर्स को शामिल करने के लिए इस परिपाटी को अपनाया है। अन्य क्वार्ट्ज-आधारित ऑसिलेटर्स से एमईएमएस-आधारित ऑसिलेटर्स को अलग करने के लिए "एक्स" ("वीसीएमओ" बनाम "वीसीएक्सओ") के लिए "एम" को प्रतिस्थापित कर रहे हैं।

सीमाएं
एमईएमएस ऑसिलेटर्स हीलियम से हानिकारक रूप से प्रभावित हो सकते हैं। 2018 में एक अस्पताल में एक हीलियम रिसाव के कारण एमईएमएस ऑसिलेटर्स का उपयोग करने वाले उपकरणों की बड़े पैमाने पर विफलता हुई। 2% से कम हीलियम सांद्रता को एमईएमएस ऑसिलेटर की पूर्ण विफलता का कारण दिखाया गया है।

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रॉनिक घटक
 * एकीकृत परिपथ

संदर्भ
List of references: