自從1940年中期以來(lái)，石英晶體在精確頻率源器件中占據(jù)主導(dǎo)地位。四十年MEMS振蕩器的研究成果將使這種狀況該發(fā)生改變，替代石英振蕩器遺留的技術(shù)障礙已經(jīng)得以解決。SiTime將引入替代石英振蕩器的硅MEMS振蕩器，它尺寸更小，使用更方便，以及更加便宜，這些將超過(guò)所替代之石英振蕩器的規(guī)格指標(biāo)。

石英晶體

石英具有非凡的機(jī)械和壓電特性，使得從19世紀(jì)40年代中期以來(lái)一直作為基本的時(shí)鐘器件。盡管在陶瓷、硅晶和RLC電路方面有60多年的研究，在此之前沒(méi)有哪種材料或技術(shù)能替代石英振蕩器。鑒于其異常的溫度穩(wěn)定性和相位噪聲特性，估計(jì)2006年將有100億顆石英振蕩器被制造出來(lái)并放置到汽車(chē)、數(shù)碼相機(jī)、工業(yè)設(shè)備、游戲設(shè)備、寬帶設(shè)備、蜂窩電話(huà)，以及事實(shí)上每一種數(shù)字產(chǎn)品當(dāng)中，石英振蕩器的制造數(shù)量比地球上的人口還要多。

然而，石英振蕩器有許多缺點(diǎn)，包括不能集成到硅圓晶上，縮小尺寸相應(yīng)提高了成本，非工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制造和封裝方法，對(duì)熱、沖擊和振動(dòng)敏感。因此，電子工業(yè)界習(xí)慣于使用石英振蕩器，任何在不犧牲性能的情況下克服這些缺點(diǎn)的努力都是徒勞無(wú)功的。

MEMS諧振器：沒(méi)能實(shí)現(xiàn)承諾的歷史

諧振器是振蕩于諧振頻率的小型機(jī)電單元，必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生電輸出。振蕩器是諧振器和驅(qū)動(dòng)電路的組合。

MEMS諧振器和石英晶體完全不同：不同的機(jī)械特性，不同的電氣特性，不同的工藝技術(shù)和不同的驅(qū)動(dòng)電路，甚至于尺寸也不同，MEMS諧振器比石英晶體具有更小的尺寸。因此，最具潛力的石英振蕩器替代技術(shù)始終是MEMS振蕩器。

早在1965年，H.C.Nathanson發(fā)表的一篇論文描述了使用細(xì)金屬線(xiàn)制造的微機(jī)械諧振器，在1967年還發(fā)布鋁線(xiàn)制造的方法。于1982年，K.Petersen發(fā)布了名為“以硅作為機(jī)械材料”的論文。這種硅機(jī)械技術(shù)，現(xiàn)在成為幾百萬(wàn)美金MEMS工業(yè)的基礎(chǔ)，先進(jìn)的MEMS振蕩器使用一種可替代石英晶體的材料設(shè)計(jì)。MEMS振蕩器和石英振蕩器具有完全不同的特性，依賴(lài)于不同的機(jī)械特性，不同的電特性，不同的制造工藝，以及不同的驅(qū)動(dòng)電路，甚至對(duì)于相同振蕩幅度在尺寸上小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于相對(duì)簡(jiǎn)單的諧振腔制造工藝，高容量的市場(chǎng)和潛在的低成本優(yōu)勢(shì)，MEMS振蕩器可以制造于100mm (4˝)、50mm (6˝)，和現(xiàn)在的200mm圓晶上，相比于使用小于100mm的矩形圓晶制造石英振蕩器是非常有吸引力的。

不幸的是，對(duì)于便宜、高質(zhì)量和全集成諧振器的承諾遭遇嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)。早期的研究者，包括Petersen博士取得了很多進(jìn)展但也發(fā)現(xiàn)許多困難的技術(shù)問(wèn)題。這些困難的問(wèn)題包括硅材料的30ppm/ºC溫度系數(shù)，多晶疲勞所導(dǎo)致的老化，封裝污染導(dǎo)致的漂移。漂移是最難處理的問(wèn)題，因?yàn)橹C振單元非常小以至于對(duì)表面細(xì)小顆粒和污染非常地敏感。一個(gè)單原子層的污染能使MEMS諧振器的頻率漂移到超出典型石英振蕩器的規(guī)格。另外，這種技術(shù)還存在成本問(wèn)題—可用的封裝技術(shù)與石英振蕩器相類(lèi)似，而封裝主導(dǎo)了器件的最終成本。這些技術(shù)和成本限制阻礙了MEMS振蕩器作為石英振蕩器替代產(chǎn)品的市場(chǎng)化進(jìn)程。

盡管硅基MEMS技術(shù)沒(méi)有應(yīng)用在振蕩器中，但其廣泛應(yīng)用于噴墨打印機(jī)、蜂窩電話(huà)、壓力傳感器、汽車(chē)安全氣囊加速度計(jì)，以及陀螺儀檢測(cè)裝置。每年有幾百億美金的研發(fā)投資使得電驅(qū)動(dòng)的硅技術(shù)快速發(fā)展，越來(lái)越多的MEMS應(yīng)用變得技術(shù)上可行和成本上有效。硅晶工業(yè)的一個(gè)公理：只要能實(shí)現(xiàn)，就能贏得市場(chǎng)。

MEMS振蕩器時(shí)代的黎明

現(xiàn)在，MEMS振蕩器技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，極其有效的成本以及非常小的尺寸。2006年的第一季度，SiTime開(kāi)始為批量MEMS振蕩器市場(chǎng)提供樣片，直接與石英振蕩器競(jìng)爭(zhēng)。

關(guān)鍵性的突破被Robert Bosch的科學(xué)家Markus Lutz和Aaron Partridge發(fā)現(xiàn)，Markus Lutz和Aaron Partridge已加盟SiTime。這是一個(gè)直覺(jué)的發(fā)現(xiàn)，是硅封裝上的創(chuàng)造，而非硅諧振器的進(jìn)步?jīng)_破了MEMS振蕩器技術(shù)應(yīng)用的大門(mén)。MEMS-first和EpiSeal封裝的發(fā)明允許硅諧振器封裝于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低成本塑料封裝，并解決了維持潔凈真空的問(wèn)題，實(shí)際上消除了空腔污染物和老化現(xiàn)象。減輕了溫度補(bǔ)償和漂移的復(fù)雜性。阻礙早期MEMS諧振器的成本問(wèn)題和技術(shù)障礙均被順利清除。

MEMS-first：比石英更好

工藝起始于由10µm SOI圓晶玻璃絕緣層向下刻蝕0.4µm而形成諧振腔原型。刻蝕層由硅氧化合物覆蓋，圓晶置入外延反應(yīng)器表面生長(zhǎng)硅和多晶硅薄層。由這一層刻蝕通孔由通孔移除玻璃形成諧振器。圓晶重新置入外延反應(yīng)器并于1000ºC下清潔除去污染，通孔密封關(guān)閉，并生長(zhǎng)厚單晶和多晶覆蓋。諧振通過(guò)高溫退火，移除微裂紋和缺陷，MEMS諧振器永密封于極其潔凈的真空腔內(nèi)。厚多晶覆蓋機(jī)械強(qiáng)度高能耐受封裝注塑過(guò)程幾百個(gè)大氣壓力。經(jīng)過(guò)拋光，圓晶顯得與未經(jīng)處理一樣嶄新，盡管表面以下可能隱藏著樹(shù)十甚至數(shù)千個(gè)諧振器。由覆蓋單警開(kāi)辟通孔形成到諧振器驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)電極的電氣接觸。

圓晶的最后通過(guò)金屬線(xiàn)和鍵合完成多芯片或片上系統(tǒng)封裝的振蕩器。MEMS諧振器頂層可以放置CMOS電路只是要小心不要在多晶覆蓋放置晶體管。

EpiSeal：該到清潔的時(shí)候了

成功導(dǎo)入的技術(shù)通常必須建立性能標(biāo)準(zhǔn)，在新功能得以完全實(shí)現(xiàn)之前。起初的SiTime產(chǎn)品在功能上合適地替換石英振蕩器，之后全功能的MEMS振蕩器將超越規(guī)范。以下幾個(gè)段落列出了一些MEMS-first振蕩器性能優(yōu)越之處：

抗老化

MEMS諧振器和石英諧振器均含有三個(gè)頻率誤差項(xiàng)，測(cè)量的總頻率誤差以ppm表示。此三項(xiàng)誤差是初始頻率偏移，溫度系數(shù)和老化。控制老化曾經(jīng)是困難的問(wèn)題，但現(xiàn)在已經(jīng)解決了。

MEMS-first硅諧振器僅由退火的硅和硅二氧化物制造而成。在SiTime公司的測(cè)試展示兩星期的升溫下漂移小于0.05ppm，局限于我們的測(cè)試容限。這些測(cè)量是未經(jīng)過(guò)預(yù)退火或預(yù)老化情況下得到的。優(yōu)越的測(cè)試結(jié)果歸功于極度清潔的諧振腔和穩(wěn)定性極好的高溫退火諧振器材料。

另一方面，石英晶體不能進(jìn)行高溫退火，因?yàn)榫w在573ºC時(shí)晶格發(fā)生退化。這限制了石英的最大退火溫度使得不能進(jìn)行象SiTime在硅片上進(jìn)行的表面改造工藝。作一個(gè)結(jié)論，石英晶體與老化相關(guān)的頻率漂移由晶體本身的機(jī)械特性變化引起。如果把石英晶體塊磨成合適的厚度，研磨過(guò)程將造成晶體表面的裂紋和缺陷。重復(fù)彎曲造成晶格異常松弛，溫度循環(huán)造成頻率的細(xì)微變化。石英晶體其它老化的源頭包括彈性形變，封裝應(yīng)力，裸片接觸氧化，以及各類(lèi)材料的氣化。對(duì)于小型表面貼裝的石英晶體第一年的老化典型值為+/-5ppm，對(duì)于大型貼裝的老化典型值為+/-1ppm，大部份的漂移出現(xiàn)在第一周，特別在升溫的情況下。十年的老化效應(yīng)通常在+/-10至+/-15ppm。精確的石英晶體產(chǎn)品減少了這類(lèi)誤差但這要求特殊工藝和長(zhǎng)時(shí)間退火處理，工藝成本很昻貴。實(shí)驗(yàn)室級(jí)石英振蕩器能做到老化效應(yīng)每年小于0.1ppm，但每片要以數(shù)百美金為代價(jià)。

低溫遲滯

石英晶體的情況是，導(dǎo)致熱遲滯的原因是真空腔的污染，支撐應(yīng)力，和各種原因未明的效應(yīng)。污染材料使晶體在極端溫度下濃縮蒸發(fā)，使晶體在起振和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生頻率遲滯現(xiàn)象，而且晶體本身對(duì)最近工作狀態(tài)有記憶效應(yīng)。普通的石英切割晶體，小型封裝的典型遲滯是0.1至1.0ppm。不可思議的EpiSeal magic一種測(cè)試MEMS真空腔泄露的方法是直接測(cè)量諧振器的Q值。如果空腔有泄露，Q值將下降因?yàn)橹C振能量被轉(zhuǎn)化到氣體分子。如果空腔保持密封，Q值將保持不變。然而，這不是問(wèn)題所在！

在Stanford，Q值用于測(cè)試真空泄露但發(fā)現(xiàn)Q值隨時(shí)間發(fā)生增長(zhǎng)，因而必須相應(yīng)提高真空度。Q值的提高和真空度結(jié)果通過(guò)以下方式得以解釋?zhuān)篍piSeal工藝過(guò)程中圍繞諧振器的真空腔僅僅殘留一定數(shù)量的氫氣，氫氣與氮、氧、水蒸氣相反直接通過(guò)硅擴(kuò)散(氮、氧、水蒸氣是大氣主要成份，不能通過(guò)硅擴(kuò)散)，從而氫氣擴(kuò)散出諧振腔以達(dá)系統(tǒng)平衡但不被其它氣體成份取代。

僅僅一個(gè)詞：“塑料”

根據(jù)以上描述，MEMS-first可以使用任意標(biāo)準(zhǔn)封裝：SOIC、SSOP、BGA、CSP或QFN。

SiTime選擇QFN類(lèi)型的塑料注塑封裝，為實(shí)現(xiàn)高可靠性，低引線(xiàn)等效電感，良好的溫度特性，靈活的管腳布局和低成本。相比之下石英晶體昂貴的特殊材料：陶瓷或金屬封裝。

第一代的SiTime振蕩器提供有2.0x2.5mm、2.5x3.2mm和3.2x5.0mm尺寸及0.85mm高度的封裝，與目前的石英振蕩器PCB兼容。兩個(gè)產(chǎn)品系列包括SiT8002可編程振蕩器和SiT11xx固定頻率振蕩器，具備相同的規(guī)范和性能，因此客戶(hù)使用可編程版本進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試而使用固定頻率的版本用于生產(chǎn)制造。產(chǎn)品的頻率范圍1至125MHz，各種溫度變化，電壓變化和老化效應(yīng)下的頻率誤差范圍是+/-100至+/-50ppm。這些規(guī)范與普通消費(fèi)類(lèi)，工業(yè)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用的石英產(chǎn)品相類(lèi)似。基于性能和成本考慮，SiTime估計(jì)70%的表面貼裝石英振蕩器市場(chǎng)將會(huì)轉(zhuǎn)換到第一代MEMS振蕩器。SiTime已經(jīng)可以提供MEMS振蕩器工程樣片，量產(chǎn)計(jì)劃在Q4 2006年。

MEMS振蕩器和全新硅工業(yè)的誕生

電子工業(yè)的新技術(shù)，使得集成非常小的高Q值低ppm的單個(gè)或多個(gè)諧振器成為現(xiàn)實(shí)，并且成本低于石英晶體產(chǎn)品。一些頗有價(jià)值的應(yīng)用包括：

消費(fèi)類(lèi)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)品

筆記本計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)、VCD、便攜式媒體播放器、機(jī)頂盒、高清電視和打印機(jī)等幾乎所有消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品目前均需消耗石英產(chǎn)品。例如，PC主板需要數(shù)顆石英晶體、石英振蕩器、VCXO和CMOS PLL芯片。

MEMS-first諧振器是CMOS兼容的，可以與PLL、邏輯電路和模擬電路集成，減少EMI，布線(xiàn)復(fù)雜度和減小時(shí)序電路面積達(dá)70%。MEMS-first諧振器以振蕩器的形式焊裝，不需要外接任何電容或電阻，節(jié)省了額外的PCB空間，不存在晶體起振的問(wèn)題和布線(xiàn)干擾問(wèn)題。

汽車(chē)應(yīng)用

汽車(chē)工業(yè)以TS16949：2002質(zhì)量和可靠性強(qiáng)硬政策著稱(chēng)，IATF和JAMA開(kāi)發(fā)了更廣泛的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)注共同的環(huán)境性能問(wèn)題諸如溫度、濕度、沖擊和振動(dòng)。對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，新的MEMS-first諧振器在物理特性上，在設(shè)計(jì)上，在制造工藝上比石英晶體更加優(yōu)越。

如前所述，硅諧振器在1000°C溫度下退火。因此，正常操作溫度本質(zhì)上對(duì)它無(wú)任何影響。器件的其它部份是標(biāo)準(zhǔn)的，溫度和可靠性限制被很好地符合。實(shí)際上，最終的振蕩器操作溫度不是被諧振器所限制，而是被標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路和封裝所限制。

相比于石英晶體，硅諧振器對(duì)沖擊和振不敏感，因?yàn)楣柚C振器具有更多的基本諧振模式。封裝失效發(fā)生在諧振器之前本質(zhì)上不能使諧振停止。

SiTime的MEMS-first振蕩器建立在6-sigma標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，無(wú)論是MEMS裸片和驅(qū)動(dòng)IC，并使用符合汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的封裝。使用0.18µm標(biāo)準(zhǔn)CMOS半導(dǎo)體設(shè)備生產(chǎn)的0.4µm最小尺寸諧振器，正常的結(jié)果是對(duì)于初始頻率分布，品質(zhì)因素和插入損耗具有高成品率和極緊密的特性分布。

無(wú)線(xiàn)應(yīng)用

這項(xiàng)技術(shù)早期的應(yīng)用目標(biāo)之一是緊湊型無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)，它需要集成一個(gè)或多個(gè)諧振器。工作在315、433、868，以及915MHz頻段的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)受益于抖動(dòng)<20ps RMS和+/-50ppm特性的第一代振蕩器，節(jié)約超過(guò)50%的節(jié)點(diǎn)空間。一顆、兩顆或者更多的MEMS-first諧振器可能集成到單一的裸片上，對(duì)于無(wú)線(xiàn)應(yīng)用要求32.768kHz的振蕩器用于實(shí)現(xiàn)低功耗喚醒和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，而高頻率振蕩器用于實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收和處理功能。

Moore定理應(yīng)用于MEMS-first諧振器

新諧振器更激動(dòng)人心的特性之一是它隨著工藝尺寸的縮減而縮減。所有常規(guī)MEMS產(chǎn)品由舊的生產(chǎn)線(xiàn)移植。然而，SiTime的諧振器技術(shù)，縮減CMOS尺寸的優(yōu)越之處還提高了諧振器的性能。SiTime的SiT8002 MEMS諧振器電極間距0.4µm，限制了加在CMOS振蕩器上的電信號(hào)數(shù)量。在下一代產(chǎn)品，減少電極間距將增加振蕩器感應(yīng)信號(hào)數(shù)量，提高信噪比，提供更好的相位噪聲和抖動(dòng)性能。下一步的MEMS-first性能更高成本更低。

這趨勢(shì)與石英晶體恰恰相反，對(duì)于石英晶體，更小的尺寸意味著更差的性能和更高的成本。

下一代MEMS振蕩器

技術(shù)繼續(xù)往前，引入到市場(chǎng)的MEMS振蕩器將具備更高頻率和更低的相位噪聲，并且保持與MEMS-first封裝技術(shù)同樣的尺寸和成本的好處。蜂窩電話(huà)的應(yīng)用將受益于第二代產(chǎn)品。研究表示這種技術(shù)在當(dāng)前的GSM和CDMA手機(jī)TCXO應(yīng)用在2008年成熟。

SiTime的下一代產(chǎn)品系列將是32.768kHz的振蕩器。

作者：
Dr.Aaron Partridge，SiTime公司CEO
John McDonald，SiTime公司副總裁

致謝
作者將感謝Stanford 大學(xué)的B.Kim，M.Hopcroft和T.W.Kenny，以及Bosch 技術(shù)研究中心的R.N.Candler，向本文慷慨地貢獻(xiàn)出穩(wěn)定性和諧振Q值數(shù)據(jù)。有關(guān)這相工作更多的細(xì)節(jié)見(jiàn)參考[4，5]。

參考文摘
(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.)