自从1940年中期以来，石英晶体在精确频率源器件中占据主导地位。四十年MEMS振荡器的研究成果将使这种状况该发生改变，替代石英振荡器遗留的技术障碍已经得以解决。SiTime将引入替代石英振荡器的硅MEMS振荡器，它尺寸更小，使用更方便，以及更加便宜，这些将超过所替代之石英振荡器的规格指标。
石英晶体
石英具有非凡的机械和压电特性，使得从19世纪40年代中期以来一直作为基本的时钟器件。尽管在陶瓷、硅晶和RLC电路方面有60多年的研究，在此之前没有哪种材料或技术能替代石英振荡器。鉴于其异常的温度稳定性和相位噪声特性，估计2006年将有100亿颗石英振荡器被制造出来并放置到汽车、数码相机、工业设备、游戏设备、宽带设备、蜂窝电话，以及事实上每一种数字产品当中，石英振荡器的制造数量比地球上的人口还要多。
然而，石英振荡器有许多缺点，包括不能集成到硅圆晶上，缩小尺寸相应提高了成本，非工业标准的制造和封装方法，对热、冲击和振动敏感。因此，电子工业界习惯于使用石英振荡器，任何在不牺牲性能的情况下克服这些缺点的努力都是徒劳无功的。
MEMS谐振器：没能实现承诺的历史
谐振器是振荡于谐振频率的小型机电单元，必须通过驱动电路产生电输出。振荡器是谐振器和驱动电路的组合。
MEMS谐振器和石英晶体完全不同：不同的机械特性，不同的电气特性，不同的工艺技术和不同的驱动电路，甚至于尺寸也不同，MEMS谐振器比石英晶体具有更小的尺寸。因此，最具潜力的石英振荡器替代技术始终是MEMS振荡器。
早在1965年，H.C.Nathanson发表的一篇论文描述了使用细金属线制造的微机械谐振器，在1967年还发布铝线制造的方法。于1982年，K.Petersen发布了名为“以硅作为机械材料”的论文。这种硅机械技术，现在成为几百万美金MEMS工业的基础，先进的MEMS振荡器使用一种可替代石英晶体的材料设计。MEMS振荡器和石英振荡器具有完全不同的特性，依赖于不同的机械特性，不同的电特性，不同的制造工艺，以及不同的驱动电路，甚至对于相同振荡幅度在尺寸上小了几个数量级。由于相对简单的谐振腔制造工艺，高容量的市场和潜在的低成本优势，MEMS振荡器可以制造于100mm (4˝)、50mm (6˝)，和现在的200mm圆晶上，相比于使用小于100mm的矩形圆晶制造石英振荡器是非常有吸引力的。
不幸的是，对于便宜、高质量和全集成谐振器的承诺遭遇严酷的现实。早期的研究者，包括Petersen博士取得了很多进展但也发现许多困难的技术问题。这些困难的问题包括硅材料的30ppm/ºC温度系数，多晶疲劳所导致的老化，封装污染导致的漂移。漂移是最难处理的问题，因为谐振单元非常小以至于对表面细小颗粒和污染非常地敏感。一个单原子层的污染能使MEMS谐振器的频率漂移到超出典型石英振荡器的规格。另外，这种技术还存在成本问题—可用的封装技术与石英振荡器相类似，而封装主导了器件的最终成本。这些技术和成本限制阻碍了MEMS振荡器作为石英振荡器替代产品的市场化进程。
尽管硅基MEMS技术没有应用在振荡器中，但其广泛应用于喷墨打印机、蜂窝电话、压力传感器、汽车安全气囊加速度计，以及陀螺仪检测装置。每年有几百亿美金的研发投资使得电驱动的硅技术快速发展，越来越多的MEMS应用变得技术上可行和成本上有效。硅晶工业的一个公理：只要能实现，就能赢得市场。
MEMS振荡器时代的黎明
现在，MEMS振荡器技术已经成为现实，极其有效的成本以及非常小的尺寸。2006年的第一季度，SiTime开始为批量MEMS振荡器市场提供样片，直接与石英振荡器竞争。
关键性的突破被Robert Bosch的科学家Markus Lutz和Aaron Partridge发现，Markus Lutz和Aaron Partridge已加盟SiTime。这是一个直觉的发现，是硅封装上的创造，而非硅谐振器的进步冲破了MEMS振荡器技术应用的大门。MEMS-first和EpiSeal封装的发明允许硅谐振器封装于工业标准的低成本塑料封装，并解决了维持洁净真空的问题，实际上消除了空腔污染物和老化现象。减轻了温度补偿和漂移的复杂性。阻碍早期MEMS谐振器的成本问题和技术障碍均被顺利清除。
MEMS-first：比石英更好
工艺起始于由10µm SOI圆晶玻璃绝缘层向下刻蚀0.4µm而形成谐振腔原型。刻蚀层由硅氧化合物覆盖，圆晶置入外延反应器表面生长硅和多晶硅薄层。由这一层刻蚀通孔由通孔移除玻璃形成谐振器。圆晶重新置入外延反应器并于1000ºC下清洁除去污染，通孔密封关闭，并生长厚单晶和多晶覆盖。谐振通过高温退火，移除微裂纹和缺陷，MEMS谐振器永密封于极其洁净的真空腔内。厚多晶覆盖机械强度高能耐受封装注塑过程几百个大气压力。经过抛光，圆晶显得与未经处理一样崭新，尽管表面以下可能隐藏着树十甚至数千个谐振器。由覆盖单警开辟通孔形成到谐振器驱动和感应电极的电气接触。
圆晶的最后通过金属线和键合完成多芯片或片上系统封装的振荡器。MEMS谐振器顶层可以放置CMOS电路只是要小心不要在多晶覆盖放置晶体管。
EpiSeal：该到清洁的时候了
成功导入的技术通常必须建立性能标准，在新功能得以完全实现之前。起初的SiTime产品在功能上合适地替换石英振荡器，之后全功能的MEMS振荡器将超越规范。以下几个段落列出了一些MEMS-first振荡器性能优越之处：
抗老化
MEMS谐振器和石英谐振器均含有三个频率误差项，测量的总频率误差以ppm表示。此三项误差是初始频率偏移，温度系数和老化。控制老化曾经是困难的问题，但现在已经解决了。
MEMS-first硅谐振器仅由退火的硅和硅二氧化物制造而成。在SiTime公司的测试展示两星期的升温下漂移小于0.05ppm，局限于我们的测试容限。这些测量是未经过预退火或预老化情况下得到的。优越的测试结果归功于极度清洁的谐振腔和稳定性极好的高温退火谐振器材料。
另一方面，石英晶体不能进行高温退火，因为晶体在573ºC时晶格发生退化。这限制了石英的最大退火温度使得不能进行象SiTime在硅片上进行的表面改造工艺。作一个结论，石英晶体与老化相关的频率漂移由晶体本身的机械特性变化引起。如果把石英晶体块磨成合适的厚度，研磨过程将造成晶体表面的裂纹和缺陷。重复弯曲造成晶格异常松弛，温度循环造成频率的细微变化。石英晶体其它老化的源头包括弹性形变，封装应力，裸片接触氧化，以及各类材料的气化。对于小型表面贴装的石英晶体第一年的老化典型值为+/-5ppm，对于大型贴装的老化典型值为+/-1ppm，大部份的漂移出现在第一周，特别在升温的情况下。十年的老化效应通常在+/-10至+/-15ppm。精确的石英晶体产品减少了这类误差但这要求特殊工艺和长时间退火处理，工艺成本很昻贵。实验室级石英振荡器能做到老化效应每年小于0.1ppm，但每片要以数百美金为代价。
低温迟滞
石英晶体的情况是，导致热迟滞的原因是真空腔的污染，支撑应力，和各种原因未明的效应。污染材料使晶体在极端温度下浓缩蒸发，使晶体在起振和关断时产生频率迟滞现象，而且晶体本身对最近工作状态有记忆效应。普通的石英切割晶体，小型封装的典型迟滞是0.1至1.0ppm。不可思议的EpiSeal magic一种测试MEMS真空腔泄露的方法是直接测量谐振器的Q值。如果空腔有泄露，Q值将下降因为谐振能量被转化到气体分子。如果空腔保持密封，Q值将保持不变。然而，这不是问题所在！
在Stanford，Q值用于测试真空泄露但发现Q值随时间发生增长，因而必须相应提高真空度。Q值的提高和真空度结果通过以下方式得以解释：EpiSeal工艺过程中围绕谐振器的真空腔仅仅残留一定数量的氢气，氢气与氮、氧、水蒸气相反直接通过硅扩散(氮、氧、水蒸气是大气主要成份，不能通过硅扩散)，从而氢气扩散出谐振腔以达系统平衡但不被其它气体成份取代。
仅仅一个词：“塑料”
根据以上描述，MEMS-first可以使用任意标准封装：SOIC、SSOP、BGA、CSP或QFN。
SiTime选择QFN类型的塑料注塑封装，为实现高可靠性，低引线等效电感，良好的温度特性，灵活的管脚布局和低成本。相比之下石英晶体昂贵的特殊材料：陶瓷或金属封装。
第一代的SiTime振荡器提供有2.0x2.5mm、2.5x3.2mm和3.2x5.0mm尺寸及0.85mm高度的封装，与目前的石英振荡器PCB兼容。两个产品系列包括SiT8002可编程振荡器和SiT11xx固定频率振荡器，具备相同的规范和性能，因此客户使用可编程版本进行设计和测试而使用固定频率的版本用于生产制造。产品的频率范围1至125MHz，各种温度变化，电压变化和老化效应下的频率误差范围是+/-100至+/-50ppm。这些规范与普通消费类，工业和计算机应用的石英产品相类似。基于性能和成本考虑，SiTime估计70%的表面贴装石英振荡器市场将会转换到第一代MEMS振荡器。SiTime已经可以提供MEMS振荡器工程样片，量产计划在Q4 2006年。
MEMS振荡器和全新硅工业的诞生
电子工业的新技术，使得集成非常小的高Q值低ppm的单个或多个谐振器成为现实，并且成本低于石英晶体产品。一些颇有价值的应用包括：
消费类和计算机产品
笔记本计算机、数码相机、游戏机、VCD、便携式媒体播放器、机顶盒、高清电视和打印机等几乎所有消费类电子产品目前均需消耗石英产品。例如，PC主板需要数颗石英晶体、石英振荡器、VCXO和CMOS PLL芯片。
MEMS-first谐振器是CMOS兼容的，可以与PLL、逻辑电路和模拟电路集成，减少EMI，布线复杂度和减小时序电路面积达70%。MEMS-first谐振器以振荡器的形式焊装，不需要外接任何电容或电阻，节省了额外的PCB空间，不存在晶体起振的问题和布线干扰问题。
汽车应用
汽车工业以TS16949：2002质量和可靠性强硬政策著称，IATF和JAMA开发了更广泛的质量标准。关注共同的环境性能问题诸如温度、湿度、冲击和振动。对于汽车应用，新的MEMS-first谐振器在物理特性上，在设计上，在制造工艺上比石英晶体更加优越。
如前所述，硅谐振器在1000°C温度下退火。因此，正常操作温度本质上对它无任何影响。器件的其它部份是标准的，温度和可靠性限制被很好地符合。实际上，最终的振荡器操作温度不是被谐振器所限制，而是被标准CMOS电路和封装所限制。
相比于石英晶体，硅谐振器对冲击和振不敏感，因为硅谐振器具有更多的基本谐振模式。封装失效发生在谐振器之前本质上不能使谐振停止。
SiTime的MEMS-first振荡器建立在6-sigma标准的基础上，无论是MEMS裸片和驱动IC，并使用符合汽车质量标准的封装。使用0.18µm标准CMOS半导体设备生产的0.4µm最小尺寸谐振器，正常的结果是对于初始频率分布，品质因素和插入损耗具有高成品率和极紧密的特性分布。
无线应用
这项技术早期的应用目标之一是紧凑型无线节点，它需要集成一个或多个谐振器。工作在315、433、868，以及915MHz频段的无线节点受益于抖动<20ps RMS和+/-50ppm特性的第一代振荡器，节约超过50%的节点空间。一颗、两颗或者更多的MEMS-first谐振器可能集成到单一的裸片上，对于无线应用要求32.768kHz的振荡器用于实现低功耗唤醒和实时时钟，而高频率振荡器用于实现发送、接收和处理功能。
Moore定理应用于MEMS-first谐振器
新谐振器更激动人心的特性之一是它随着工艺尺寸的缩减而缩减。所有常规MEMS产品由旧的生产线移植。然而，SiTime的谐振器技术，缩减CMOS尺寸的优越之处还提高了谐振器的性能。SiTime的SiT8002 MEMS谐振器电极间距0.4µm，限制了加在CMOS振荡器上的电信号数量。在下一代产品，减少电极间距将增加振荡器感应信号数量，提高信噪比，提供更好的相位噪声和抖动性能。下一步的MEMS-first性能更高成本更低。
这趋势与石英晶体恰恰相反，对于石英晶体，更小的尺寸意味着更差的性能和更高的成本。
下一代MEMS振荡器
技术继续往前，引入到市场的MEMS振荡器将具备更高频率和更低的相位噪声，并且保持与MEMS-first封装技术同样的尺寸和成本的好处。蜂窝电话的应用将受益于第二代产品。研究表示这种技术在当前的GSM和CDMA手机TCXO应用在2008年成熟。
SiTime的下一代产品系列将是32.768kHz的振荡器。
作者：
Dr.Aaron Partridge，SiTime公司CEO
John McDonald，SiTime公司副总裁
致谢
作者将感谢Stanford 大学的B.Kim，M.Hopcroft和T.W.Kenny，以及Bosch 技术研究中心的R.N.Candler，向本文慷慨地贡献出稳定性和谐振Q值数据。有关这相工作更多的细节见参考[4，5]。
参考文摘
(1) H.C. Nathanson, R.A. Wickstrom, “A resonant-gate silicon surface transistor with high-Q bandpass properties,” IEEE Applied. Physics. Letters, v.7, pp.84-86, 1965.
(2) K.E. Petersen, “Silicon as a mechanical material,” Proc of the IEEE. v.70, n.5, pp.420-457, 1982.
(3) A. Partridge, M. Lutz, B. Kim, M. Hopcroft, R.N. Candler, T.W. Kenny, K. Petersen, M. Esashi “MEMS Resonators: Getting the Packaging Right,”
SEMICON-Japan, 2006.
(4) B. Kim, R.N. Candler, M. Hopcroft, M. Agarwal, W.T. Park, T.W. Kenny, “Frequency Stability of Wafer-Scale Encapsulated MEMS Resonators”, Transducers ’05, pp.1965-1968, 2005. (Also pending in Sensors and Actuators.)
(5) R.N. Candler, W.T. Park, M. Hopcroft, B. Kim, and T.W. Kenny, "Hydrogen Diffusion and Pressure Control of Encapsulated MEMS Resonators," Transducers '05, pp.920-923, 2005. (Also pending in IEEE Packaging.)
