基本資料
如果把MCU或SoC主晶片比喻為現代電子系統的大腦，時鐘組件則是其當之無愧的心臟。無論是電子工程師還是元器件採購者，在選擇時鐘組件時都會經過全面嚴謹的評估。是否擁有一顆健康、穩定、持久的“心臟”，將直接影響到電子系統的功能和可靠性。
時鐘組件可分為無源晶振、有源晶振和多輸出時鐘發生器三大類產品。在過去60年中，石英作為時鐘市場的主流技術，一直占據著霸主地位。但由於其受到傳統製造工藝的限制以及下游原材料(起振電路和基座)市場的壟斷，因此其性價比始終無法得到提升。為了滿足不斷發展的電子市場對元器件提出的更小、更可靠、更靈活的需求，時鐘組件必須走上全面革新的道路。這篇文章將主要介紹全矽MEMS振盪器和傳統石英振盪器的區別，以及全矽IC技術所能解決的問題。
開發歷史
——石英振盪器和全矽MEMS時鐘振盪器簡介
傳統的石英振盪器是由壓電石英加上簡單的起振晶片和金屬封裝組成的，其生產工藝包括：石英切割、鍍銀、購買基座、起振晶片，以及將石英及晶片以特殊黏膠結合後至於基座上，然後充填氮氣，用金屬封裝進行密封。而不同頻率、不同工作電壓振盪器的產生，則是由石英的不同形狀、鍍銀厚度及所搭配的起振晶片所決定。所以，從生產工藝角度，石英產業是一個人工密集型的半自動化傳統產業，其產品也受制於傳統原材料和生產工藝：
1.複雜的生產程式導致供貨期的拖長及缺貨應急困難的現象；
2.不同振盪器規格需不同原料不同工藝，從而使成品缺乏靈活性，無法為滿足不同套用而進行實時配置；
3.壓電石英對溫度敏感度高的特性，造成石英振盪器的溫飄煩惱；
4.石英易碎怕摔老化的弱點需靠生產工藝和質量管理來解決，缺乏質量和長期可靠性的一致性。
MEMS振盪器技術原理
電子系統廠商為求從根本上解決石英的內在不足，在時鐘組件的選料上開始轉向全矽MEMS振盪器。與傳統石英振盪器截然不同，MEMS振盪器採用了全矽的產品結構，由一個全矽MEMS諧振器和一個可程式AnalogCMOS驅動晶片堆疊而成，並以標準QFNIC封裝方式完成。
SiTime全矽MEMS振盪器示意圖與傳統石英相比，全矽MEMS振盪器不管從生產工藝還是組件設計結構上，都更符合現代電子產品的標準，也是對傳統石英產品的升級換代。
1.高性能模擬溫補技術使全矽MEMS振盪器具有優秀的全溫頻率穩定性，徹底解除溫飄問題；
2.可程式的平台為系統設計和縮短新產品開發周期提供必要的靈活性；
3.完善的半導體生產鏈可讓全矽MEMS供貨期全面縮短，並提升需求應急的能力；
4.全自動生產的IC結構在質量和可靠性方面有無可置疑的優良的一致性。
技術特色
1、全溫式無溫漂
SiTimeMEMS矽晶振與傳統石英產品不同，無論輸出為何種頻率，均使用同一個MEMS諧振器。輸出頻率並不是使用不同的MEMS諧振器來達成頻率的變化，而是根據編程並儲存在內部非揮發性記憶體（Non-VolatileMemory；NVM）的數值，與MEMS諧振器的輸出頻率相乘倍數後而決定。
除此之外，SiTimeMEMS矽晶振的工作電壓、精度、溫度等參數，均可通過專用的編程器燒制。下圖顯示的是一個工作頻率穩定度為25PPM的MEMS矽晶振輸出特性曲線。
SiTime MEMS振盪器溫度特性2、低抖動
抖動是對震盪器在短期內頻率穩定性的一種描述。下圖則表示了SiTimeMEMS矽晶振的原理框圖。
SiTime 全矽MEMS振盪器原理框圖由圖可見，所有的SiTimeMEMS矽晶振均採用統一的MEMS晶圓作為諧振器，而COMS晶圓則起諧振、驅動電路的功能，並且具有溫度補償作用。MEMS諧振器輸出的頻率信號則經過PLL鎖相環編程輸出1-800MHZ的任一頻點。
傳統石英可程式振盪器內部使用環震盪鎖相環（RingOscillatorPLL）作為其倍頻電路的設計。這樣的設計容易造成輸出具高抖動（jitter）特性的頻率信號，因此這類振盪器僅適合精準度無須太高的套用。SiTimeMEMS矽晶振在架構設計上採用所謂Sigma-DeltaFran-NPLL鎖相環作為倍頻電路，此電路設計能夠將MEMS諧振器的輸出頻率任意倍頻到所需的頻率，頻率信號的抖動特性與一般石英振盪器相較則更佳。
3、低功耗
SiTimeMEMS矽晶振具有業界最低功耗的振盪器，實際工作電流僅為3.2MA，靜態工作電流最低僅為0.4微安。值得說明的是，SiTimeMEMS矽晶振的1腳，除了作為編程腳之外還有OE/ST兩種工作模可選。在OE模式下，通過對1腳的控制，可以使振盪器的輸出被禁止（但內部諧振器依然工作）；而ST模式下，通過對1腳的控制，則可以停止內部諧振器的振動，而且啟動時間僅為0.4mS.
4、高穩定性
集成電路的穩定性一般是用平均無故障時間（MeanTimeBetweenFailure；MTBF）作為衡量標準，該標準的衡量單位為小時，數字越高表示產品越可靠。一般半導體產品的典型數值約為5億小時MTBF，即便是一線大廠的石英振盪器產品，其MTBF值也僅僅是三千萬小時。由下圖我們可以看出，SiTimeMEMS矽晶振可提升產品的穩定性為原來的10倍以上。
5、可有效降低EMI
EMI一直以來是設計研發中的一大關鍵，所有的產品都要過EMI測試。而一般這種測試會在產品研發完成時才會進行，而如果要降低EMI只有通過更改電路設計來完成。這無疑是一件費時費力的工作。SiTimeMEMS矽晶振的展頻時脈產品，內部通過展頻技術，最高可降低16DB的EMI干擾。下圖為普通振盪器的頻譜特性與SiTimeMEMS矽晶振展頻產品的頻譜特性。
6、24-48小時樣品周期&3-5周量產供貨周期
由於石英的製造工藝複雜，不同的頻點需研磨不同的石英晶片，再加上振盪器的型號繁多。因此石英振盪器生產廠商根本不可能對所有頻點都有備貨，如果有客戶需求，只有重新生產或別處調貨。重新生產則意味著8-10周的供貨周期；別處調貨則意味著質量的風險。
SiTimeMEMS矽晶振因其可程式性，則有可能會備大量空白樣品，只需針對客戶需求編程老化即可；或者重新生產，因採用全自動化流程，工藝簡單，也僅需2-4周就可交貨。
7、高性價比
因SiTimeMEMS矽晶振採用半導體常用的矽為原材料，並且生產工藝上採用全自動化。從而節省了大量的人力物力，使低成本成為可能性。目前SiTimeMEMS矽晶振擁有石英振盪器所無法比擬的高性價比，50MHZSiTimeMEMS矽晶振10K報價僅為$0.4。
此外，SiTime公司已成為全球最大的MEMS時脈領導廠商，不僅擁有世界上最全的MEMS時脈產品，而且新產品的研發速度也越來越快。隨著200%市場份額的不斷增長，SiTime對亞洲區客戶的樣品、小批量等支持也越來越完善，相信在不久的將來SiTimeMEMS矽晶振將全面替代石英產品，將時鐘組件全面矽化！
套用前景
消費類和計算機產品
筆記本計算機,數位相機,遊戲機,VCD,攜帶型媒體播放器,機頂盒,高畫質電視和印表機等幾乎所有消費類電子產品目前均需消耗石英產品.例如,PC主機板需要數顆石英晶體,石英振盪器,VCXO和CMOSPLL晶片.
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,布線複雜度和減小時序電路面積達70%.MEMS-first諧振器以振盪器的形式焊裝,不需要外接任何電容或電阻,節省了額外的PCB空間,不存在晶體起振的問題和布線干擾問題.圖10展示了SiTime振盪器於石英振盪器外接器件的比較.
汽車套用
汽車工業以TS16949:2002質量和可靠性強硬政策著稱,IATF和JAMA開發了更廣泛的質量標準.關注共同的環境性能問題諸如溫度,濕度,衝擊和振動.對於汽車套用,新的MEMS-first諧振器在物理特性上,在設計上,在製造工藝上比石英晶體更加優越.
如前所述,矽諧振器在1000°C溫度下退火.因此,正常操作溫度本質上對它無任何影響.器件的其它部份是標準的,溫度和可靠性限制被很好地符合.實際上,最終的振盪器操作溫度不是被諧振器所限制,而是被標準CMOS電路和封裝所限制.
相比於石英晶體,矽諧振器對衝擊和振不敏感,因為矽諧振器具有更多的基本諧振模式.
無線套用
這項技術早期的套用目標之一是緊湊型無線節點,它需要集成一個或多個諧振器.工作在315,433,868,以及915MHz頻段的無線節點受益於抖動<20psRMS和+/-50ppm特性的第一代振盪器,節約超過50%的節點空間.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,對於無線套用要求32.768kHz的振盪器用於實現低功耗喚醒和實時時鐘,而高頻率振盪器用於實現傳送,接收和處理功能.
發明人或機構
從美國科學家H.C.Nathanson1967年最初提出MEMS振盪器概念，到2003年Dr.AaronPatridge和Dr.MarkusLutz離開Bosch集資創建SiTime，並於2006年量產業界第一顆MEMS振盪器,到今天SiTime擁有11個MEMS頻率產品系列和超過一千萬顆的出貨量，MEMS振盪器產業的發展成熟走過了40年漫長的道路，也凝集了無數研究人員的心血。
一顆小小的MEMS振盪器，為什麼會吸引那么多世界上一流VC的投資及無數工程師和採購人員的關注？對於電子產品來說不起眼的振盪器就是它的心臟。一個健康，穩定心跳（所產生的頻率信號），是一個電子系統能否達到高效能、持續性穩定工作的重要基礎之一。振盪器的選擇也就成為系統廠商在研發，量產過程中一個關鍵的考慮，直接影響產品最終的功能，質量和成本。
系統廠商，面對電子產業激烈競爭，要想脫穎而出，必須不斷縮短新產品開發周期，提升產品功能和質量，同時壓縮成本。而消費市場，特別是移動便攜產品如電子閱讀器，微型投影手機的熱賣，對廠商提出了更高的要求：產品要小，薄又耐摔；貨要隨訂隨到，以滿足消費者隨時變化的喜好。市場對系統廠商的挑戰，也就是下游包括振盪器在內電子組件供貨商在產品功能，質量，靈活性和所有權總成本（totalcostofownership）上的新挑戰。過去60年石英振盪器在電子系統和頻率市場中始終占有著霸主的地位，但由於受其傳統石英切割封裝工藝的限制，及起振電路和基座市場壟斷的局面，已無法進一步提高性價比，滿足市場的新需求。這也為MEMS振盪器創造了無限商機，並使其成為MEMS運動感測器、MEMS顯示和微投影機之外一個新的MEMS焦點。
