取代石英晶体的MEMS振荡器和全硅振荡器
石英阵营纷纷倒戈MEMS，振荡器市场就要统一了？
石英阵营纷纷倒戈MEMS，振荡器市场就要统一了？传统石英振荡器自诞生之日起，已经统治频率控制器件近60年，然而10年前，随着第一颗硅MEMS振荡器的量产，局势逐渐改变了。
石英振荡器受传统制造工艺的限制以及下游原材料(起振电路和基座)市场的垄断，性价比无法进一步提升，而全硅MEMS振荡器体积更小、更可靠、功耗更低，近年来随着封装技术的成熟，其生产成本更是已经低过石英振荡器。
近日，硅MEMS振荡器霸主，MegaChips Corporation全资子公司SiTime在深圳举行了一场新品发布会，推出了最小巧、最稳定、内建自动校准的Super-TCXOs（温度补偿振荡器），主要针对物联网、可穿戴等小尺寸产品应用。
SiTime营销执行副总裁Piyush Sevalia发布会后，《电子工程专辑》专访了SiTime营销执行副总裁Piyush Sevalia以及亚太区销售副总裁谢鸿泉，了解到SiTime在2015年出货已经达到2014年的两倍，总量超4亿颗，其中简单封装晶体振荡器（SPXO）出货量1亿1千万颗，一举超越了这个领域曾经的龙头精工爱普生（EPSON）和台晶电子（TXC）。
谢鸿泉表示，SiTime产品的晶圆均由博世（Bosch）代工，模拟IC则由台积电（TSMC）提供代工，相较于传统石英厂需要自建工厂，这种无晶圆厂（Fabless）的运营模式在保障产品质量的同时，还有效地控制了成本。
SiTime亚太区销售副总裁谢鸿泉(David Hsieh)据了解，MEMS振荡器优秀的产品性能和价格，甚至还令不少原来专业的石英振荡器厂商，转而购买SiTimes的产品贴牌出售，敌方阵营都倒戈了，还有什么能够阻挡硅MEMS振荡器一统时钟器件江湖？SiTime又为什么愿意让石英厂商贴牌贩售他们的产品呢？全硅振荡器与传统石英振荡器各方面对比Piyush Sevalia这样解释：“传统石英振荡器厂商或者代理商，在这个行业有着几十年的渠道、客户积累，这是SiTime目前最看重的，与他们合作的同时，也向原来使用石英振荡器的客户推广了MEMS振荡器。
MEMS对晶体的挑战
MEMS振荡器将对石英晶振构成挑战作者：周智勇上网时间:2007年01月01日在时钟和频率控制领域，传统石英晶体振荡器受到了MEMS振荡器挑战，据In-Stat市场研究报告分析，从2007年起，MEMS数字调谐技术将在手机中获得应用，2008年MEMS振荡器也将上市。
MEMS振荡器上市将给传统石英晶振行业带来哪些挑战？技术和市场发展方向如何？MEMS振荡器会替代石英晶振吗？本文通过采访Sitime、Discera、Ecliptek、深圳英思特晶体电波有限公司、深圳世强电讯有限公司等公司，具体介绍MEMS振荡器上市带来的影响。
MEMS振荡器发展的目标目前，随着MEMS设计和制造工艺的成熟，可以利用兼容CMOS的工艺和材料在硅晶圆上制造MEMS振荡器。
Sitime公司市场营销副总裁John McDonald表示：“我们计划通过提供兼容CMOS工艺的硅MEMS振荡器产品，来变革整个石英晶体行业，正如晶体管取代了真空管一样，石英晶体将被硅技术取代。
”John McDonald认为：“MEMS振荡器发展的目标之一就是通过引脚对引脚的兼容方式，替代石英晶体或振荡器，以降低电子系统成本。
”MEMS振荡器的最早应用领域可能是硬盘驱动器、汽车电子、工业和笔记本制造。
据悉，SiTime计划通过向消费芯片制造商授权使用其MEMS振荡器，从而实现单芯片解决方案，John McDonald自信道：“我们的技术可以被所有半导体制造商采用。
”Sitime通过调整调谐叉的几何尺寸，将以往要由多个振荡器提供的多个频率，集成到同一CMOS晶圆之中，单一芯片能够根据需要产生不同时基。
MEMS振荡器可以利用现有硅半导体行业所使用的制造技术和设备，让半导体行业能在代工环境中集成MEMS。
Sitime公司将以MEMS First技术进入时钟管理器件市场，下一代集成度更高的解决方案将包括MEMS振荡器和在同一硅晶圆上制造的超大规模集成电路控制功能。
MEMS晶振与石英晶振的比较分析
４００－８８８－２４８３MEMS硅晶振VS石英晶振（连载一）之前言好久没写点东西了，最近抽空写了篇《MEMS硅晶振VS石英晶振》（连载），文章从石英晶振基础开始讲，涉及到石英晶振的生产工艺、以及MEMS硅晶振的详细介绍。
并对两个者进行了相关比较。
意在让大家更多的了解些新的产品技术，当然也推一下产品哈。
下面写一下目录：一、认识石英晶振二、石英晶振的工艺三、石英晶振的危机四、STIME MEMS硅晶振五、STIME MEMS硅晶振的十二大优势六、SITIME MEMS硅晶振的七大种类产品七、SITIME MEMS硅晶振的机会八、SITIME MEMS硅晶振专业推广商---北京晶圆简介九、后记MEMS硅晶振VS石英晶振（连载二）之认识石英晶振其实石英晶振这种说法本身并不十分准确，但长久以来大家已经形成了习惯，那就这样写呵。
石英晶振大体可以分为有源与无源两大种类，我们分别介绍一下：首先是无源晶振，无源晶振也叫晶体、谐振器。
英文名称是：crystal或Xtal。
无源晶振是大陆的叫法，其主要由石英晶片、基座、外壳、银胶、银等成分组成。
根据引线状况可分为直插（有引线）与表面贴装（无引线）两种类型。
现在常见的主要封装型号有HC-49U、HC-49S、UM-1、UM-4、UM-5与SMD。
其工作时，自身不能产生振荡，需借外围电路（电容）配合才可产生振荡。
常见的形状如下图所示：同样，有源晶振也是大陆的叫法，又叫钟振、晶振、振荡器。
英文名称是：oscillator。
其除了石英晶片、基座、金属外壳、银胶、银等成分组成之外，还需要起振芯片（也叫线路）。
正是因为将振荡电路嵌入了产品之内，所以只要给其所需要的电压，便可以产生振荡。
基中压控振荡器（VCXO）、温补振荡器（TCXO）等也属于有源晶振的范畴。
一般普通的有源晶振都是四脚表贴的，常见的主要封装型号有7050、5032、3225、2520。
如下图所示：目前国内很少有能生产2520封装尺寸的振荡器厂商。
SiTime 全硅MEMS可编程振荡器产品推荐
深圳市福浪電子有限公司
FRONTER ELECTRONICS CO.，LTD 地址 ADD：深圳市福田区深南大道 6021 号喜年中心 1112-1117 室 RM.1112-1117, XINIAN CENTER, NO.6021, SHENNAN Blvd . SHENZHEN,CHINA 电话 TEL：86-755-83458728/13823529576 陈军 Johnson Chen 传真 FAX： 86-755-83459818 网址 WEB ADD： 邮件 E-MAIL：chj@
未温度补偿前之纯硅谐振器
50
温度特性 25 PPM SiTime振荡器 较好的系统设计余量
40
30
20
10 Frequency ppm error
± 25ppm
0
-10
-20
-30
25 PPM 石英产品
-40
高低温设计余量较差
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Tem perature (C) 40 50 60 70 80 90
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有今日在所有电子产品设计内所使用的 IC 一般； 具备优良的稳定性及品质； 杜绝在生产过程中出现的 人为失误。产品的品质一致性是透过设计阶段完成，与石英产品在量产阶段控制品质之制造控管方式 不同，系统厂商无须担心来料与量产样品认证的不一致性。 3、SITIME 全硅 MEMS 可编程振荡器；支持频率、精度、电压可编程；可满足客户不同规则组合振 荡器需求。 4、SITIME 支持所有业界标准封装（7050，5032，3225，2520） ，所有规格产品交货期仅需 2-4 周。 5、SITIME 全矽 MSMS 振荡器内部起振锁相环晶片，具备温补功能；频率精度相对于温度的变化为 线性关系，规格所标示的频率精度涵盖震动频偏、温度频偏、老化频偏等，在-40~+85℃的工作温度范 围内温度频差可以控制到±10ppm。 6、 SITIME 全硅 MSMS 振荡器封装无密封问题， 防振性达石英产品的 25 倍。 出货不良率低于 1dppm。 7、SITIME 目前产品线涵盖范围已达石英振荡器应用的 70%市场；包括工控、监控、Computing、视 频应用、网络产品、消费类产品、低功耗产品、高速数据传输等。
替代石英晶体的硅mems振荡器
替代石英晶体的硅MEMS振荡器Dr. Aaron PartridgeSiTime CorporationChief Technical OfficerJohn McDonaldSiTime CorporationVice-President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 发布的一篇论文描述了使用细金属线制造的微机械谐振器[1], 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[2]. 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”), 150mm (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30 ppm/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是, 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 TM和 EpiSeal TM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 TM: 比石英更好Figure 2 描述了一系列MEMS工艺剖面. 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 TM: 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. 图4展示在Stanford的测试结果证明了谐振器一年的漂移小于1 ppm, 还仅局限于仪器的精度. 在SiTime公司的测试展示两星期的升温下漂移小于0.05 ppm, 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+/- 5 ppm, 对于大型贴装的老化典型值为+/- 1 ppm, 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 +/-15 ppm. 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0.1 ppm, 但每片要以数百美金为代价.低温迟滞超洁净MEMS-first 谐振器已经过测试, 在超过300个由-50 至 +80C的温度循环下获得, 图5展示没有明显温度漂移和温度迟滞. 图6展示精确的实验室测试结果, MEMS谐振器固有迟滞+/- 0.2 ppm以下.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 1.0 ppm .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. 图7描述了一种谐振腔的泄露测试, 带Q值提升.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. 图8和图9描述了QFN类型的封装和引线框架结构, 与目前的3.2x5.0 mm 石英振荡器布局兼容.第一代的SiTime 振荡器提供有2.0x2.5mm, 2.5x3.2mm 和 3.2x5.0mm尺寸及0.85 mm 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 125 MHz, 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 +/-50 ppm. 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. 图 10展示了SiTime振荡器于石英振荡器外接器件的比较.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 915 MHz 频段的无线节点受益于抖动<20 ps RMS 和+/-50 ppm 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32.768 kHz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32.768 kHz 的振荡器.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 withhigh-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, "HydrogenDiffusion and Pressure Control of Encapsulated MEMS Resonators," Transducers'05, pp.920-923, 2005. (Also pending in IEEE Packaging.)附加说明: 谐振器和振荡器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. 晶体与石英晶体通常是同意词.红外俯视图: 200 mm SOI 圆晶上的SiTime MEMS-first 谐振荡器. 在红外波长处硅是”透明”的, 因此能拍下掩埋于表面以下的谐振荡器. SiT8002 和 SiT11xx 振荡器产品系列中, 谐振器和CMOS驱动电路采用多芯片封装形式.频和音叉石英圆晶图2加工序列: (a) MEMS-first 谐振器使用Bosch 的工艺进行DRIE(反应离子刻蚀) (b)生长初始多晶覆盖(c) 形成谐振器, 退火, 被厚多晶覆盖保护(d)形成谐振器接触, 铝接触和邦定, 连接到CMOS驱动电路图 3:SiTime 谐振器的SEM显微照片: 谐振器从圆晶体断裂面边缘延伸出来. 优化的谐振器形状决定了频率和Q值, 减少了准谐振模式, 对冲击和振动隔离, 减少了对应力的敏感性, 以及优化了其它各类性能参数.图 4: 归功于SiTime 谐振器极其洁净的EpiSeal TM封装, 室温下长达一年的测试显示没有系统化的漂移. B. Kim 在Stanford 大学的实验室测试结果显示, 在1 ppm 测量精度下谐振器没有系统的频率漂移. 典型的小型石英晶体显示第一年的漂移在 3 到 5 ppm 范围.图 5:温度循环显示没有系统漂移或迟滞变化. 测试数据显示在室温下通过300个-50 至 +80C间的上(蓝色线)下(绿色线)温度循环, 频率稳定在1 ppm 测量精度内. 数据来自B. Kim [4], Stanford 大学.图 6:精确的实验室测试显示在-40 to 至85C 工业温度范围内谐振器具备极好的补偿特性. 温度补偿特性测量展示两个温度循环内仅+/- 0.4 ppm的变化, 迟滞仅+/- 0.2 ppm.图 7:泄漏测试显示空腔真空度随时间而提升. 测量Q值设计成对空腔压力敏感. 当空腔压力下降, Q值上升, 因为真空度越高谐振器扩散的能量越少. 分析结果来自Stanford 大学的R.N. Candler [5], 现服务于Bosch 研究和技术中心.图 8:QFN类型 3.2x5.0 mm引线框架, MEMS裸片置于CMOS驱动器裸片上, 贴装和邦定到引线框架.图 9:封装成型之前的SEM照片, MEMS裸片置于CMOS驱动器裸片上图 10:方框图描述了SiTime 振荡器的简单连接, 相比于需要额外器件连接的石英晶体. SiTime 振荡器还不容易受干扰的影响, 贴装可以远离ASIC. SiTime 振荡器与石英晶体连接ASIC一样使用, 仅仅需要驱动Xin 引脚而使Xout 引脚开路.图 11: MEMS-first谐振器的圆晶测试图显示成品率超过98%. 此例中, 绿色方块表示测试良品, 黄色方块表示坏品. 成品率通常很高, 由于工艺流程缩短, 器件很小, 以及使用了控制良好的CMOS加工工艺.石英晶体MEMS-first谐振器尺寸 2 to 5 mm 400 um频率 1 to 80 MHz 1 to 50MHz老化第一年3 to 5 ppm 第一年3 ppm *补偿温度稳定性 1 to 10 ppm* 1 to 10 ppm*谐振Q值100K to 200K 75K to 150K抗冲击/振荡差好CMOS集成不能能封装陶瓷或金属塑料相对成本表 1:石英晶体技术和MEMS-first 谐振器技术的比较. 本表格描述的是共同的技术特征不包括例外情形. 带星号表示的数据在精确实验室测试下可能要高出10倍.。
SITIME小尺寸可编程振荡器可替代石英产品
SITIME小尺寸可编程振荡器可替代石英产品SiTime 公司隆重推出业界最小尺寸的低抖动可编程振荡器-SiT8102，以满足高速数据传输和存储应用之需求。
SiT8102 在1MHzto200MHz 频率范围内抖动小于5psrms，相比传统石英产品具有体积小，成本低的优势。
SiT8102 内含一颗MEMS 谐振器和一颗CMOS 电路。
所有的控制，驱动和频率变换由COMS 电路完成。
通过一次编程方式可产生从1MHzand200MHz 范围内的任何频率，在商用或工业级温度范围内误差为+/-50 或+/-100ppm。
工作电压可选；1.8V,2.5V,或3.3V。
并可工作于待机状态和输出使能控制以满足低功耗的要求。
“SiTime在成功推出第一代产品SiT8002 的基础上，新推出的SiT8102 将成为可编程振荡器的行业标准，并使MEMS 振荡器进入石英产品的应用领域，如：高速数据传输，高端视频和高速存储器。
”SiTime公司市场副总裁JohnMcDonald 先生说到：“SiTime公司有能力为年销售额两千亿美元的半导体行业提供高性能，小尺寸的时钟产品。
” SiT8102 的优势可编程振荡器可大大缩短产品的交货期，但传统产品的抖动指标在+/-70psp-p(10psrms)到+/-250psp-p(30psrms)之间，限制了应用范围。
SiT8102 的低抖动特性：+/-25psp-p(4psrms) to+/-70psp-p(10psrms)根据不同的频率，使之可以和固定频率振荡器抗衡，同时具有大批量快速交货的能力。
SiT8102 仍然采用MEMSFirstTMandEpiSealTM工艺制造的谐振器，具有SiTime 产品的固有特性：低老化率，低温漂和抗冲击与震动。
内部0.8x0.6mm 的谐振器，保证SiT8102 的最小封装为2.5x2.0x0.8mmQFN，同时提供业界其它标准封装尺寸。
具备上述特性的SiT8102，加上低成本的封装使之广泛适用于USB2.0HS,Firewire,SATA,PCI- Express,GigabitEthernet 和其它高速数据传输领域。
MEMS和石英技术争夺振荡器市场——访SiTime公司副总裁Piyush Sevalia先生
MEMS和石英技术争夺振荡器市场——访SiTime公司副总
裁Piyush Sevalia先生
依然
【期刊名称】《中国电子商情：基础电子》
【年(卷),期】2009(000)001
【摘要】据业界预测，MEMS（微电子机械系统）振荡器正以120％的年增长率（在某些地方是该增长率的四倍）逐渐取代石英晶体振荡器。
与石英晶体相比，MEMS振荡器的封装很小，而且价格相对更实惠，因此更适用于消费电子产品。
【总页数】0页(P18-19)
【作者】依然
【作者单位】《中国电子商情：基础电子》记者
【正文语种】中文
【中图分类】F426.63
【相关文献】
1.SiTime高精度MEMS振荡器颠覆全球电信与网络时钟市场 [J], 王颖
2.创新动力,引领汽车行业技术革新——访李尔公司亚太区座椅副总裁兼中国区总经理昌宏顺先生及李尔公司亚太区电子电气副总裁兼东盟国总经理艾汉缘先生 [J], 马璞;
3.SiTime仗剑SiRes融合硅微机械共振技术大举挺进传统石英振荡器、时钟和射频市场 [J], 任苙萍
4.SiTime仗剑SiRes融合硅微机械共振技术——大举挺进传统石英振荡器、时钟
和射频市场 [J], 任苙萍
5.SiTime高精度MEMS振荡器颠覆全球电信与网络时钟市场 [J], 王颖
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如何用硅振荡器替代晶体和陶瓷谐振器.
如何用硅振荡器替代晶体和陶瓷谐振器对于绝大多数微控制器时钟电路而言，硅振荡器是一种简单且有效的解决方案。
与晶体和陶瓷谐振器不同，基于硅材料的定时器具有抗振动、抗撞击和抗电磁干扰的优点。
同时，硅振荡器不需要严格匹配的定时元件和线路板走线。
抛开应用过程中的环境因素，时钟源的选择主要取决于4个基本参数：精度、供电电压、体积和噪声。
精度要求主要是由应用所采用的通信标准决定的。
譬如，高速USB要求总的时钟精度控制在±0.25％。
而相应地，无须与外界进行通信的系统却能在5％、10％甚至20％的时钟精度下正常工作。
硅振荡器与晶体或陶瓷谐振器的比较硅振荡器能够在供电电压2.4～5.5V之间正常工作，因此一般驱动微控制器的3.3V和5V供电电压能够很稳定的驱动硅振荡器。
时钟的噪声受许多噪声源的影响，包括放大器噪声、供电电源噪声、线路板走线和振荡器件固有噪声抑制特性（Q值）。
由于具有很高的Q值，晶体被广泛的应用在低噪声振荡电路中。
它特别适用于如音频编解码器这样需要低基带噪声的系统。
就精度而言，晶体最高，其次是陶瓷谐振器和硅振荡器，而且硅振荡器也比晶体和陶瓷谐振器对温度更敏感。
然而，硅振荡器通常占用最小的空间，而且不需要额外的定时元件。
一般而言，1个供电电源的滤波电容是硅振荡器唯一的外加元件。
就功耗而言，硅振荡器的电源电流取决于其类型与功能，范围可以从低频（固定）器件的几μA到可编程器件的几mA。
以一种低功率的硅振荡器MAX7375为例，它工作在4MHz时只需不到2mA的电流。
皮尔斯振荡器晶体和陶瓷谐振器经常被当作皮尔斯振荡器使用，其中晶体或者谐振器用于反相放大器反馈回路上的调谐元件。
为了工作在稳定状态，需要外加电容和电阻以提供相位漂移补偿和增益控制。
另外，电阻具有阻尼作用，用来防止可能永久损坏晶体和陶瓷谐振器的过激励效应。
图1给出了两个皮尔斯振荡器的例子。
图1（a）是用外加电容和电阻构成的典型晶体振荡器电路。
Silicon Labs推出以全硅振荡器部分取代石英振荡器
Silicon Labs推出以全硅振荡器部分取代石英振荡器
佚名
【期刊名称】《中国集成电路》
【年(卷),期】2008(17)10
【摘要】日前，高性能模拟与混合信号IC设计公司silicon Laboratories宣布推出全CMOS振荡器，以此进入消费性定时市场。
新产品不仅交货时间较短，成本较低，可靠度较高且性能更佳，成为一种在中等频率范围内，在消费性应用市场取代石英振荡器（XO）的理想方案。
在所有针对大量消费性应用的振荡器中，新推出的Si500系列的频率范围在0．9MHz～200MHz内；具有最差分和单端时钟选择，
【总页数】1页(P9-9)
【关键词】石英振荡器;Silicon;Labs;CMOS振荡器;全硅;IC设计公司;性能模拟【正文语种】中文
【中图分类】TN752.2;TP332
【相关文献】
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2.Silicon Labs推出全硅振荡器欲取代传统石英产品 [J], 章从福
3.IC设计人员面临设计思想变革—Silicon Labs以Si500全硅振荡器取代消费电子应用的石英振荡器 [J], 徐俊毅
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5.Silicon Labs以全硅振荡器取代石英振荡器 [J],
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硅MEMS振荡器有望替代石英晶体
硅MEMS振荡器有望替代石英晶体石英具有非凡的机械和压电特性, 长期以来一直作为基本的时钟器件,在精确频率源器件中占据主导地位。
然而, 石英振荡器也有许多缺点, 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,特别是一种封装只对应一种频率。
因此,业界习惯于使用石英振荡器后, 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。
所以,人们也一直在寻找一种能替代石英晶体振荡器的器件。
目前,这个长期困惑人们的问题已经得以解决。
SiTime 公司研发出替代石英振荡器的硅MEMS 振荡器, 它可靠性高、尺寸更小, 便于使用, 以及价格便宜,并与CMOS 兼容还具有单片多谐振的功能,这些特点都超过了石英振荡器的规格指标。
SiTime 公司表示,硅MEMS 振荡器定会在30 亿美元的石英振荡器市场中逐步显示出它的竞争力。
据了解,MEMS 工艺起始于由10mm SOI 圆晶玻璃绝缘层向下刻蚀0.4mm 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在1000℃下清洁除去污染, 通孔密封关闭, 并生长厚单晶和多晶覆盖。
MEMS 谐振器通过高温退火, 移除微裂纹和缺陷, 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数十甚至数千个谐振器。
由覆盖单晶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上放置晶体管。
SiTime 公司专家介绍说,硅MEMS 振荡器比同类型石英振荡器的体积要小1000 倍,成品率超过98%。
在-50℃~+80℃之间上下温度循环300 次,经测试数据显示,系统中没有出现漂移或迟滞变化。
硅振荡器取代石英晶体的遥测采编器
２ １ 年 １ 月 ０１ ２
探 测 与 控 制 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｔｃｉｎ ＆ Ｃｏ ｔｏ ｏ ｒ ａ ｆＤｅｅｔｏ ｎｒｌ
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ６ １３ ．
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ ｌ
硅 振 荡 器 取 代 石 英 晶体 的遥 测 采编 器
邵森木 ， 苗 军 蒙美海 卢 一苗 ， ，
Ｓ ＨＡＯ ｅ ｍｕ ， Ｉ Ｓ ｎ Ｍ ＡＯ ｕ ２ Ｍ ＥＮＧ ｅｈ ｉ， Ｕ ｚ ｅ， Ｊｎ， Ｍ ｉａ Ｌ Ｙｉｈ
（ ． ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ Ｅｌｃ ｒ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌＤｙ ａ ｃ Ｃ ｎ ｒ ｌ ｂ ｒ ｔ ｒ ， ＇ｎ ７ ０ ６ Ｃｈ ｎ ； １ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｅ ｔｏ ｃ ａ ｉａ ｎ ｍｉ ｏ ｔｏ Ｌａ ｏ ａ ｏ ｙ Ｘｉ １ ０ ５， ｉ ａ ａ
Ｋｅ ｒ ｓ ｔｌ ｔ ；Ｃ Ｆ ；ｃｕｓ ｉｎｃ ｄｒｈｇ ｖｒ ａ ；ｉｃｎｏｃｌ ｔｒ ｙｗｏ ｄ ：ｅｅ ｒ Ｐ Ｍ／ Ｍ ａｑ ｉｔ ｏ ｅ ；ｉｈｏ ｅｌ ｄ ｓｉ ｓｉａｏｓ ｍｅ ｙ ｉｏ ｏ ｌｏ ｌ
０ 引 言
我 国 的遥 测 技 术 应 用 始 于 ２ ０世 纪 ５ 代 ， ０年 引
２ Ｘｉｎ Ｉ ｓｉ ｔ ｆＥｌｃｒ ｍｅ ｈ ｎｃ ｌＩ ｆｒ ｔｏ ｃ ｎ ｌｇ Ｘｉｎ ７ ０ ６ Ｃｈｎ ） ． ＇ ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｅｔｏ ｃ ａ ｉａ ｎｏ ｍａ ｉｎ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ， ＇ １ ０ ５， ｉａ ａ ｔ ａ
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MEMS振荡器会一统晶振江湖？
MEMS 振荡器会一统晶振江湖？
MEMS 振荡器概述
MEMS 振荡器实现方式也有多种，如利用MEMS 技术实现谐振腔的传统MEMS 振荡器、结合石英晶体技术的QMEMS 振荡器、以及完全兼容半导体工艺的全硅MEMS 振荡器，目前全硅MEMS 振荡器发展趋势最好。
与传统石英相比，全硅MEMS 振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上，都更符合现代电子产品的标准，也是对传统石英产品的升级换代。
全硅的MEMS 振荡器技术，由两个芯片堆栈起来，如下图所示：
下方是驱动芯片，上方则是MEMS 谐振器，以QFN IC 封装方式完成。
为与石英晶振竞争，通常封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英晶振的脚位完全兼容，可直接替代原来石英晶振。
MEMS 振荡器市场分析。
SiTime MEMS振荡器代替晶体谐振器的8大理由
SiTime MEMS振荡器代替晶体谐振器的8大理由每个电子系统都需要一个计时装置。
晶体(XTAL) 谐振器通常是首选解决方案。
然而，与XTAL 相比，将谐振器与振荡器IC 配对成一个完整的集成计时器件的振荡器具有多项优势。
MEMS 计时技术进一步扩展了这些优势。
系统设计人员不再需要解决XTAL 的局限性，也不再需要接受使用晶体进行设计的麻烦和风险。
SiTime 即将在一个有源器件中包含一个MEMS 器件和配套IC，如图所示结构可实现、实现、灵活的一个产品，这些产品设计到系统中。
1.即插即用振荡器简化系统设计从表面上看，使用石英晶体的振荡器设计似乎很简单，尤其是考虑到这项技术的成熟度。
但是，在将晶体与振荡器电路匹配时，需要考虑无数的设计参数。
这些参数包括晶体运动阻抗、谐振模式、驱动电平和振荡器负电阻，它是振荡器增益的量度。
此外，必须考虑并联谐振模式晶体的负载电容，它应该考虑PCB 寄生电容和振荡器电路中可能包含的片上集成电容。
必须仔细考虑所有这些参数，以确保电路的可靠启动和运行。
由于振荡器电路需要谐振器与振荡器电路紧密匹配，因此晶体供应商无法保证晶体的启动。
相比之下，振荡器是一个完全集成的解决方案。
振荡器制造商将石英谐振器与振荡器电路相匹配，从而减轻了电路板设计者的负担。
由于消除了匹配错误，SiTime 保证了振荡器的启动。
简而言之，振荡器是一种即插即用的解决方案，可以极大地简化系统设计。
MEMS 振荡器消除了设计问题晶体运动阻抗和振荡器负电阻振荡器电路必须有足够的增益和相移才能满足振荡的巴克豪森准则。
特别重要的是晶体的运动阻抗(ESR) 和振荡器的负电阻（相当于增益）。
如果振荡器的增益不足以克服石英谐振器的运动阻抗，则电路可能无法启动。
使用振荡器可以消除这些问题。
晶体谐振模式、频率调谐电容和片上振荡器电容石英晶体可以在串联或并联谐振模式下谐振，但通常只针对这两种模式中的一种进行校准。
如果针对并联谐振进行校准，则它们需要通常指定的特定负载电容。
SiTime公司介绍
●●●●●●●●●●●●MEMSFirstTM，TempFlat MEMSTM，EpiSealTM，MEMS 技术数字 P LL，TurboCompensationTM，FlexEdgeTM 基于模拟的技术ChornosTMMEMS 设计自动化软件ALL 内部设计的 M EMS 和混合信号 I C 数十年的 M EMS 和模拟专业知识160 名员工--50％的工程师，75％的工程师拥有高级学位荣誉2008-2018 的 M EMS 时序中的＃1（cs＆A 和 Y ole Developpement）2015-2016 电子产品年度产品ECN 影响力决赛入围者 2015-2017ACE 奖入围者 2015-20172015-2016 年度微波和射频产品EDN 热门产品 2014,2016产品和优点●MEMS 振荡器和谐振器-最广泛的产品组合●可编程架构-65种产品种类可生成 200K 零件-更多功能，最短的交货时间●独特的基于 M EMS 的计时产品-最小尺寸（1.5×0.8mm-kHZ 和 M Hz）-最低功率（900 nA typ.-32kHz）-最高性能（±0.1ppm 稳定性，3e-11 ADEV）-最佳可靠性（12 亿平方英尺 M TBF）-最佳的坚固性（50,000 g shock 和 70 g 振动）-最佳质量（2DPPM），终身保修市场大约 60 亿美元的元件市场始终产品为每个电子产品提供心跳2012 年至 2017 年，MEMS 振荡器增长的年复合增长率将超过 65％技术和专业知识SiTime 公司SiTime Corporation为MEMS与模拟半导体公司，专业致力于为全球提供最先进的MEMS全硅振荡器，取代传统石英产品。
SiTime的可配置解决方案协助客户创造产品的市场差异性，让产品具备更高的效能、最小的尺寸、最低功耗及最佳稳定性。
SiTime 产品丰富的功能组合和灵活性可使客户精简其供应链，降低成本。
取代石英晶体的MEMS振荡器和全硅振荡器
年来 崭露 头 角的 ＭＥ ＭＳ振 荡
器 由 于 采 用 了 ＣＭ ＯＳ工 艺 而
更加 易于集成 并缩小 尺寸 ， 其 市场 已经 初 具 规 模 ；而 今 年 陆续 推 出的 全 硅 振 荡 器也
瞄 准 了 １ Ｏ Ｈｚ以 下 的 大 批 Ｍ Ｏ
图 １ ＭＳ振 荡器的全球 市场规模 （ ０ ７ ０ ） ＭＥ ２ ０ —２ １ ２
电子 系统正常运 行的根本 。
Ｔ ｙ ｃ ｍ 等 。 ｉ ｉ 和 Ｄｉｃｒ 制 造 硅 ＭＥ ｏ ｏｏ ＳＴ ｍｅ ｓｅａ ＭＳ振 荡器正 开始取 代手机 及 ＧＰ Ｓ
目前 ，绝大部 分高性能 电子 系统的 材 料 的 Ｍ Ｓ振 荡 器 ，而 ＥＰＳ 中 带 温 度 补 偿 电 路 的 晶 体 振 荡 器 ＥＭ Ｏｎ
Ｃ ｏ ｋ 几 家美 国公司外 ， ｌｃ ｓ 欧洲 的恩智浦 的单 芯片 ，又可在一 个晶 圆上 构造多个
如 图 １ 示 ，德 国 Ｗ ｉｈ 技 术 咨 询 半导 体 、意法 半导体等 大企业都在 投资 谐振 器成为 Ｓ Ｃ计时方案 。这将 带来更 所 ｃｔ ｏ
公司 （ Ｃ） ＷＴ 在今年３ 月预测， ０ ２ ２ １ 年 ＭＥ ＭＳ振 荡器的开 发 。另外 ，芬 兰技术 少 的锁相环 、更好的抖动 性能 以及更低
计时都是 由石英 晶体提供 的。但 是 ，随 Ｔ ｙ ｃ ｍ 的 ＭＥ Ｓ振 荡 器 是 采 用 被 该 （ ＸＯ） ｏ ｏｏ Ｍ ＴＣ 。另一方面 ，硅材料 的 ＭＥ ＭＳ
着Ｉ 尺 寸越来越 小 ， Ｃ的 由于 不 是 采 用 硅 公 司 称 为 “ ＱＭＥ Ｓ 的 工 艺 制 造 的石 振 荡 器 与 温 度 稳 定 性 指 标 比 较 容 易 满 足 Ｍ ”
目前 ， 制造 ＭＥ 振 荡器 的主要厂 化 、 高 性 能 的 晶 体 元 器 件 被 定 义 为 ＭＳ
石英振荡器让路 全硅MEMS振荡器时代来临
石英振荡器让路全硅MEMS振荡器时代来临
如果说很多人把MCU或SoC主芯片比喻为现代电子系统的大脑，那幺时钟组件当之无愧是其心脏。
无论是电子工程师还是元器件采购者，在选择时钟组件时都会经过全面严谨的评估。
因为一颗健康、稳定、持久的心脏，将直接影响到电子系统的功能和可靠性。
时钟组件可分为无源晶振、有源晶振和多输出时钟发生器三大类产品。
在过去60年中，石英作为时钟市场的主流技术，一直占据着霸主地位。
但由于其受到传统制造工艺的限制以及下游原材料（起振电路和基座）市场的垄断，因此性价比无法进一步提升。
为了满足电子市场对元器件提出的更小、更可靠、更灵活的需求，时钟组件必须走上全面硅化的道路。
这篇文章将主要介绍全硅MEMS振荡器和传统石英的区别，以及全硅IC技术所解决的问题。
石英和全硅MEMS时钟振荡器简介
传统的石英振荡器是由压电石英加上简单的起振芯片和金属封装组成的，其生产工艺包括：石英切割镀银、购买基座、起振芯片，以及将石英及芯片以特殊黏胶结合后至于基座上，然后充填氮气，用金属封装进行密封。
而不同频率、不同工作电压振荡器的产生，则是由石英的不同形状、镀银厚度及。
Silicon Labs推全硅振荡器 欲取代传统石英产品
进行 日常、 预防以及 紧急医疗服务， 超 接收器 的器件，现 已广 泛应用 于超声 计 工 程 师 可 以优 化 超 声 信 号 处理 架 声设备设计 工程师必 须满 足不断变 化 设备中。 Ｄ ２ ｘ产 品利用 集成 了八个 构 ，实现 最佳 的噪声性能或 更长的 电 Ａ ９７ 的新需求 ，在 成像质量 与功耗之 间达 通道 的单 芯片取代 了 以往 的分 立解决 池 寿命， 同时提供 易于使用 的软件工 到更好 的平衡 。Ａ ＤＩ公司 为满足这 一 方案 ，每个通 道 中部 包含一个低 噪声 具 ， 以简化配置 。 需求 ， 出了两款新品 ， 推 其中 Ａ ９ ７ 放大器 （Ｎ ） Ｄ ２２ Ｌ Ａ 、一 个可变 增益 放大器 ＡＤ Ｉ公 司大 中华区工业及 医疗 资
所 而这些 因素常常会 对 准的Ｉ Ｃ工艺制造 ， 能产生从 ０９ ０ ＭＨ 的任 何输 出频率 。 生频率 ， 以不受冲撞 和震动的影响 ， ． －２ ０ ｚ
Ｓ５ ０振荡器采用创新 的混合信 号模拟 电路， ｌｏ 能补偿 因 传 统石英振荡器造成损 害。 为操作温度范 围、 起始频率准 确性、 供应 电压变化和输 出负 载改变所造成 的频率差异 。 作为技术 突破 的代 表性产品 ， 它 可提供与石英振荡器 同等温度 的稳 定性。
度 高， 成为一种取代石英振荡器（Ｏ 的理想方案。 ×）
Ｓ５ ０ 淘汰 了需针对每 一个频率进行切 割并调谐的石 振 荡器在组装 时会 发生的污染 问题 ，从而保证整个产 品周 ｉ０
Ｓ５ ０不采用机械式 共振 器来产 英共振器， 转而采用一个超低相位 噪声硅 振荡器， 它采用标 期中的高振荡性能 。此外 ， ｉ０
司深 知新一代 高性能 与便 携式超 声系
Ａ ９ ７ 系 列 器 件 为 医 疗 设 备 设 统 设 计 工 程 师 正 面 临 的 挑 战 ， 需要 在 Ｄ ２ｘ
客观评价全硅MEMS振荡器与石英晶体振荡器
客观评价全硅MEMS振荡器与石英晶体振荡器石英晶体已经在存在半个多世纪了，一直占居着绝大部分的时钟频率市场。
石英晶体分为有源和无源两大系列，从使用量来说，绝大多数产品均选用成本较低的无源晶振，即石英晶体谐振器，所以无源晶振使用更广泛。
而全硅MEMS系列产品声称要替代的其实就是指有源晶振的部分，即石英晶体振荡器，换个说法如果要替代无源，恐怕就不是一个单一频率器件之间的替代，而是要整合到主控IC里去，属于主控IC的功能的扩展，跟MEMS还没有太大关系。
所以我们重点客观的对比分析的是全硅MEMS振荡器和有源晶振的比较，认识各自的特点。
全硅MEMS振荡器首先，从工作原理来看，MEMS振荡器它是由一个全硅的MEMS 谐振器（类似一颗无源石英谐振器）和一个可编程Analog CMOS驱动芯片组成的。
而石英晶体振荡器它也是由一个石英晶体和一颗IC 组成的。
他们之间的大体结构，以及工作模型是一致的。
然他们之间的不同，在于以下几个方面：第一，谐振子的不同，即频率源有本质的区别，MEMS器件采用的静电驱动悬梁臂，以悬梁臂的谐振频率作为基准频率, 他可以通过程序任意倍频而输出各种需要的工作的频率。
而石英晶振利用的石英材料的压电特性，用石英晶片的频率作为工作频率，其工作频率就是里面的石英晶片的频率；MEMS器件一个基准频率可以输出很多的频率；而石英晶振是基准频率就是其工作频率;这正是全硅MEMS振荡器的一个很重要的方便之处，其快速交货能力正是来源于此，对比晶振工艺，晶振制程显得比较复杂的原因所在。
第二，驱动芯片的特性，MEMS采用的是可编程CMOS芯片，故输出只能是方波；而石英晶振所使用的芯片就比MEMS广泛，所以其输出特性不仅仅有方波，还有正弦波等各种波形。
全硅MEMS振荡器只能输出方波，所以在对输出有特别要求的场合下，全硅MEMS振荡器可能满足不了客户需求，而这又凸显是石英晶体振荡器的性能的全面性。
第三，材料及封装结构，从这个方面来说，确实是MEMS的无可比拟的优势，晶圆的制造工艺，在结构上和产品小型化方面有其独特的优势；而使用晶振在体积超小型化方面，因受到材料特性，以及工艺条件出现瓶颈，同时在成本上也明显不占有优势。
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取代石英晶体的ＭＥＭＳ振荡器和全硅振荡器
“时钟和振荡器是所有电子系统的心跳”，正如Silicon Labs公司副总裁Dave Bresemann所说的，振荡器可谓电子系统正常运行的根本。
目前，绝大部分高性能电子系统的计时都是由石英晶体提供的。
但是，随着IC的尺寸越来越小，由于不是采用硅材料，这些谐振器因为无法遵循摩尔定律而大大制约了计时方案缩小尺寸及降低成本。
是否有更小巧、更廉价的方案为电子系统提供更加稳健的心跳?答案是肯定的。
近年来崭露头角的MEMS振荡器由于采用了CMOS工艺而更加易于集成并缩小尺寸，其市场已经初具规模；而今年陆续推出的全硅振荡器也瞄准了
100MHz以下的大批量低频振荡器市场。
MEMS振荡器市场稳步增长
如图1所示，德国Wicht技术咨询公司(WTC)在今年3月预测，2012年MEMS振荡器的全球市场规模将达到1亿4千万美元。
2007年的市场规模为250万美元，今后将以年均120％以上的速度高速增长，其主要原因是许多领域将用
MEMS振荡器替换石英振荡器。
目前，制造MEMS振荡器的主要厂商有SiTime、Discera 及EpsonToyocom等。
SiTime和Discera制造硅材料的MEMS 振荡器，而EpsonToyocom的MEMS振荡器是采用被该公司称为“QMEMS”的工艺制造的石英MEMS振荡器。
除SiTime、Discera和SiliconClocks几家美国公司外，欧洲的恩智浦半导体、意法半导体等大企业都在投资MEMS 振荡器的开发。
另外，芬兰技术研究中心VTT、MEMS公司VTI及精工爱普生(Seiko Epson)等也在开发MEMS振荡器。
与采用硅材料的MEMS同理，以石英为原料进行精微加工(光刻)的小型化、高性能的晶体元器件被定义为QMEMS(Quartz+MEMS)。
石英MEMS振荡器正开始取代手机及GPS中带温度补偿电路的晶体振荡器(TCXO)。
另一方面，硅材料的MEMS振荡器与温度稳定性指标比较容易满足的晶体振荡器(XO)展开了竞争。
最先采用硅材料MEMS振荡器的产品有数字电视、数码摄像机以及车载后视摄像头等。
WTC预计，2012年之前，由于对相位噪声和温度补偿相关的性能要求较为苛刻，硅材料的MEMS振荡器很难在TCXO市场上普及。
MEMS振荡器在替代石英晶体和锁相环IC的SoC方案里最有可能实现增长。
MEMS既能作为可与CMOS集成的单芯片，又可在一个晶圆上构造多个谐振器成为SoC计时方案。
这将带来更少的锁相环、更好的抖动性能以及更低的功耗和成本。
MEMS并不是能实现SoC计时的唯一方案，采用最新的工艺的硅材料LC振荡器技术，Mobius Microsystems等公司也致力于推出单芯片的解决方案以取代石英晶体和锁相环IC。
全硅振荡器技术不断突破
采用标准CMOSI艺的全硅振荡器的推出使去掉被称为主流电子应用中最后一个非CMOS器件的石英振荡器成为可能。
采用Mobius Microsystems专利的CMOS谐波振荡器(CHO)技术，今年4月推出的MM8511振荡器用一片单片CMOS裸片同时取代了石英晶体和锁相环IC。
无须外接谐振器，该裸片就可生成扩频时钟。
去掉石英晶体增强了可靠性，而去掉锁相环后能降低时钟抖动，并获得更低的相位噪声和功耗。
Silicon Labs今年9月推出的全CMOS振荡器Si500与MM8511相比，在频率范围和抖动性能等方面又有提升。
Si500能提供原厂设定的0.9～200MHz间的任何频率，
100MHz抖动小于0.8ps，可与石英振荡器媲美。
Si500采用创新的混合信号模拟电路，能补偿因为操作温度范围、起始频率准确性、供应电压变化和输出负载改变所造成的频率差异。
值得一提的是，Si500能提供与石英振荡器相当的温度稳定性，支持±100～±150×10-6的频率稳定性选择，并拓展了与石英振荡器的兼容性。
此外，Si500不仅可支持CMOS和SSTL，还可以支持差分时钟输出(LVPECL、LVDS、HCSL)，提供了更进一步的设计弹性，并提升了信号完整性。
Si500是支持CMOS双输出模式的振荡器，单一元器件可在相同的频率上产生两个输出时钟，因此便不再需要额外的时钟缓冲器。
如图2所示，传统的石英振荡器依赖机械式谐振器进行振荡，因此极易受到撞击和震动的影响，此外，还必须进行密封组装，以防止晶体受到污染，但这会影响器件的性能。
而全硅振荡器没有移动元器件，所以不易受到撞击及震动的影响，且不会受到污染，因而采用塑料封装无须密封，使得启动及工作更为可靠。
以Si500为例，因其无须针对每一个频率进行切割并调谐的石英谐振器，转而使用超低相位噪声的硅振荡器，可以采用标准而大量的IC工艺制造。
这些元器件为原厂设定，无须传统石英振荡器复杂的制造流程，从而大幅缩短了交货
时间，将原先的12周起缩短至2周。
进军传统晶振市场
如图3所示，Silicon Labs公司资深营销经理James Wilson先生把振荡器市场分为四个层次。
分别为小批量高端市场(包括恒温晶体振荡器OCXO和高端温度补偿晶体振荡器TCXO)、高频市场(频率大于100MHz的晶体振荡器和压控振荡器VCXO)、大批量低频市场(频率小于100MHz的晶体振荡器)以及更大批量的计时市场(包括手机用TCXO、GPS 用TCXO、晶体和谐振器)。
全硅振荡器的频率范围和性能优势使其能大举进入包括消费类、计算、成像、存储和工业控制领域的大批量低频晶振市场，这一市场总价值为6亿美元。
而MEMS振荡器的适用范围更广，石英MEMS振荡器开始替代手机和GPS中采用的TCXO，而硅材料MEMS振荡器则能够提供更高精度的计时，在千兆位以太网、光纤通道和SATA/SAS等设备中取代传统的石英振荡器。