原创 SiTime MEMS振荡器技术设计大要（二）

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时脉参数，在出货前透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，满足不同应用设计的需要，进一步协助系统厂商达到不同频率不同参数的振荡器一次购足（One Stop Shopping）的目标。

MEMS振荡器简要透视
　　图一为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相容，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。

如何制造MEMS谐振器？
　　有些厂商是用CMO S半导体代工厂的标准设备以及材料制造全硅 M E M S谐振器。由于无须CMOS半导体厂的额外设备制及制程投资，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。

　　图二展示一系列MEMS制造的剖面图。图二a则显示透过窄通道蚀刻方式，从表面切割一空隙至硅晶氧化绝缘层（S O I），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。

　　如图二b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），在多晶硅层以透过一些蚀刻的小细孔将氧化物取出后形成谐振体。

　　然后硅晶圆被置入1000℃的epitaxial反应炉内去除杂质，并密封之前所蚀刻的小细孔，以及透过长晶生成较厚的硅晶和一层多晶硅电容层。这个高温制程对谐振体而言也是一个退火（anneal）的过程，让谐振体表面达到光滑的程度，并将其永久密封在完全真空无污染的空间中。上述所描述的多晶硅电容层结构非常坚硬，可承受接下来超过100个大气压压力的塑模成型制程（Plastic molding）。

　　图二d则说明如何在多晶硅层上生成一导电接点，来连接至内部谐振器的驱动感应电极。而后进行铝质导电层（A l u m i n u m L a y e r）长晶过程、完成导线（l trace）以及打线接点生成制程，并被覆盖上一层非导电材质钝化层后（passivation layer），完成整个硅晶圆的生产。

相关链接：MEMS振荡器与传统石英晶振的比较

http://www.adum.com.cn/fangan/jichuzhishi/2011-06-15/248.html