MEMS振荡器技术设计概要

频率信号对于所有电子产品就像是心跳对所有动物的生命一般重要，所有电子电路的动作都以此重复性且稳定的频率信号作为参考信号源。设计优良的频率信号，几乎是系统是否能够达到高效能、持续性稳定工作的重要基础。一般而言，系统设计的参考频率信号可由不同的频率组件来产生，如谐振器（Resonator）、振荡器（Oscillator）以及频率产生器（Clock Generator），不同的系统设计会根据不同的设计考虑，选择不同的组件来提供参考频率。

　　谐振器是利用机械震动原理，加上一个外部谐振电路来产生周期性振荡信号，一般该谐振电路会被整合在芯片之中。振荡器组件则是将谐振器以及谐振电路整合于一4或6针脚的封装中，用以输出参考频率信号。而频率产生器则是较为复杂的频率信号输出组件，一般此类组件需要一个外部参考谐振器，内部则整合一个或多个锁相环（Phase Lock Loop；PLL），来产生一个或数个参考频率输出的信号。

　　对于所有的系统设计而言，无论使用何种频率组件作为电路设计时的参考信号，均需要一个稳定且质量良好的周期信号，包括良好的波形、duty cycle、较短的爬升时间及下降时间（rising TIme & falling TIme）、以及准确重复性的边缘时间。

　　MEMS技术设计脱颖而出

　　创新MEMS谐振器

　　先前绝大部分的电子产品依靠石英晶体来提供可靠稳定的频率信号，不过近几年由于MEMS技术设计制造的电子零件，在许多应用领域不断提供电子产品创新且质优的设计，其中包括MEMS谐振器零件在许多应用开始取代石英晶体：例如所谓MEMS振荡器内部所采用的谐振器，即使用毫米级的MEMS谐振器，作为Mega Hertz级别的振荡源。

　　MEMS振荡器内部设计

　　除了创新谐振器的MEMS技术，振荡器内部的振荡电路设计亦开始进行中。传统石英振荡器内部的振荡电路，其输出频率一般与石英设计切割的频率相同，因此电路设计上仅仅采用单纯的谐振放大电路或者驱动电路。

　　在MEMS振荡器内部，采用崭新的设计概念及线路设计，使得MEMS振荡器提供更多可设定的变动频率参数，在出货前通过量产程序设定不同参数，可提供不同应用领域的特殊需要。MEMS振荡器已在许多应用领域包括计算机周边相关产品、消费电子、网通设备、通讯装置、车用电子、以及工业产品等，开始逐渐取代传统固定频率或可编程输出的石英振荡器。

　　这样的设计，简化了目前石英振荡器的冗长供应链，缩短厂商的交货期，同时能让使用同一电路设计的零件，满足不同设计的需要，进一步协助系统厂商达到不同频率不同参数的振荡器一站式采购（One Stop Shopping）的目标。

　　MEMS振荡器简要透视

　　图1为MEMS振荡器的透视图。以SiTIme的MEMS振荡器为例，其是由两个芯片堆栈起来，下方是CMOS PLL驱动芯片，上方则是MEMS谐振器，以标准QFN IC封装方式完成。封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英振荡器的脚位完全兼容，可直接替代原来石英产品，无须更动任何设计。MEMS振荡器在许多方面都超越石英振荡器产品，包括全自动化生产过程、稳定交货期、稳定的产品质量、以及近期和长期的成本优势等。

　　图1 全硅MEMS振荡器透视图

　　如何制造MEMS谐振器？

　　有些厂商是用CMOS半导体代工厂的标准设备以及材料制造全硅MEMS谐振器。由于无须CMOS半导体厂的额外设备制及工艺投资，这可提升CMOS产业利用既有设备生产更多产品的经济利基。另外MEMS振荡器封装方式亦使用目前半导体封装厂通用设备以及标准IC后制封装流程。

　　图2展示一系列MEMS制造的剖面图。图2a则显示通过窄信道蚀刻方式，从表面切割一空隙至硅晶氧化绝缘层（SOI），生成一谐振结构。这些谐振结构体在震动时，以水平方向在硅晶面上震动。

　　图2a　从晶圆表面开始蚀刻进入到氧化绝缘层产生的谐振器以及电极示意图

　　如图2b所示，震动空隙上包覆着一层氧化层、硅晶层以及多晶硅层（Polysilicon），在多晶硅层以通过一些蚀刻的小细孔将氧化物取出后形成谐振体。

　　图2b　氧化物层以及硅质排气层形成后，制造气孔以排放谐振器内部电极间距空间内的气体形成真空