石英具有非凡的機械和壓電特性，使得從19世紀40年代中期以來一直作為基本的時鐘器件。盡管在陶瓷、硅晶和RLC電路方面有60多年的研究，在此之前沒有哪種材料或技術能替代石英振蕩器。鑒于其異常的溫度穩(wěn)定性和相位噪聲特性，估計2006年將有100億顆石英振蕩器被制造出來并放置到汽車、數碼相機、工業(yè)設備、游戲設備、寬帶設備、蜂窩電話，以及事實上每一種數字產品當中，石英振蕩器的制造數量比地球上的人口還要多。
然而，石英振蕩器有許多缺點，包括不能集成到硅圓晶上，縮小尺寸相應提高了成本，非工業(yè)標準的制造和封裝方法，對熱、沖擊和振動敏感。因此，電子工業(yè)界習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的努力都是徒勞無功的。
MEMS諧振器的出現
MEMS諧振器和石英晶體完全不同：不同的機械特性，不同的電氣特性，不同的工藝技術和不同的驅動電路，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始終是MEMS振蕩器。
現在，MEMS振蕩器技術已經成為現實，極其有效的成本以及非常小的尺寸。2006年的第一季度，SiTime開始為批量MEMS振蕩器市場提供樣片，直接與石英振蕩器競爭。
MEMS振蕩器技術
MEMS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�？涛g層由硅氧化合物覆蓋，圓晶置入外延反應器表面生長硅和多晶硅薄層。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器并于1000oC下清潔除去污染，通孔密封關閉，并生長厚單晶和多晶覆蓋。諧振通過高溫退火，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。厚多晶覆蓋機械強度高能耐受封裝注塑過程幾百個大氣壓力。經過拋光，圓晶顯得與未經處理一樣嶄新，盡管表面以下可能隱藏著樹十甚至數千個諧振器。由覆蓋單警開辟通孔形成到諧振器驅動和感應電極的電氣接觸。
圓晶的最后通過金屬線和鍵合完成多芯片或片上系統封裝的振蕩器。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。
全新硅工業(yè)的誕生
電子工業(yè)的新技術使得集成非常小的高Q值低ppm的單個或多個諧振器成為現實，并且成本低于石英晶體產品。一些頗有價值的應用包括：
消費類和計算機產品
筆記本計算機、數碼相機、游戲機、VCD、便攜式媒體播放器、機頂盒、高清電視和打印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主板需要數顆石英晶體、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，布線復雜度和減小時序電路面積達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題和布線干擾問題。
汽車應用
汽車工業(yè)以TS16949：2002質量和可靠性強硬政策著稱，IATF和JAMA開發(fā)了更廣泛的質量標準。關注共同的環(huán)境性能問題諸如溫度、濕度、沖擊和振動。對于汽車應用，新的MEMS-first諧振器在物理特性上，在設計上，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，最終的振蕩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。
相比于石英晶體，硅諧振器對沖擊和振不敏感，因為硅諧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上不能使諧振停止。
SiTime的MEMS-first振蕩器建立在6-sigma標準的基礎上，無論是MEMS裸片和驅動IC，并使用符合汽車質量標準的封裝。使用0.18μm標準CMOS半導體設備生產的0.4μm最小尺寸諧振器，正常的結果是對于初始頻率分布，品質因素和插入損耗具有高成品率和極緊密的特性分布。
無線應用
這項技術早期的應用目標之一是緊湊型無線節(jié)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(jié)點受益于抖動<20ps RMS和+/-50ppm特性的第一代振蕩器，節(jié)約超過50%的節(jié)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，對于無線應用要求32.768kHz的振蕩器用于實現低功耗喚醒和實時時鐘，而高頻率振蕩器用于實現發(fā)送、接收和處理功能。
Moore定律應用于MEMS-first諧振器
新諧振器更激動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產品由舊的生產線移植。然而，SiTime的諧振器技術，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振蕩器上的電信號數量。在下一代產品，減少電極間距將增加振蕩器感應信號數量，提高信噪比，提供更好的相位噪聲和抖動性能。下一步的MEMS-first性能更高成本更低。
這趨勢與石英晶體恰恰相反，對于石英晶體，更小的尺寸意味著更差的性能和更高的成本。SiTime的下一代產品系列將是32.768kHz的振蕩器。進一步信息，請訪問
http://www.sitime.com/news/podcasts.htm。
