原创替代石英晶振的硅MEMS振荡器（一）

 2011-6-13 15:42  1243 6 6 分类: 消费电子

　　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/ C 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.

图 1: MEMS-first 谐振器使用 0.18μm 工艺节点在200mm SOI 圆晶上形成, 比较于高频和音叉石英圆晶

　　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, MarkusLutz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-firstTM 和 EpiSealTM 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.