MEMS振蕩器概述

　　MEMS振蕩器實現(xiàn)方式也有多種，如利用MEMS技術實現(xiàn)諧振腔的傳統(tǒng)MEMS振蕩器、結合石英晶體技術的QMEMS振蕩器、以及完全兼容半導體工藝的全硅MEMS振蕩器，目前全硅MEMS振蕩器發(fā)展趨勢最好。

　　與傳統(tǒng)石英相比，全硅MEMS振蕩器不管從生產(chǎn)工藝還是組件設計結構上，都更符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品的標準，也是對傳統(tǒng)石英產(chǎn)品的升級換代。

　　全硅的MEMS振蕩器技術，由兩個芯片堆棧起來，如下圖所示：

　　下方是驅動芯片，上方則是MEMS諧振器，以QFN IC封裝方式完成。為與石英晶振競爭，通常封裝尺寸以及焊接管腳與傳統(tǒng)標準石英晶振的腳位完全兼容，可直接替代原來石英晶振。

　　MEMS振蕩器市場分析

　　傳統(tǒng)石英振蕩器自誕生之日起，已經(jīng)統(tǒng)治頻率控制器件近60年，然而十幾年前，隨著第一顆硅MEMS振蕩器的量產(chǎn)，局勢逐漸改變了。石英振蕩器受傳統(tǒng)制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，性價比無法進一步提升。而全硅MEMS振蕩器體積更小、更可靠、功耗更低，近年來隨著封裝技術的成熟，其生產(chǎn)成本更是已經(jīng)低過石英振蕩器。

　　MEMS振蕩器已在許多應用領域包括計算機周邊相關產(chǎn)品、消費電子、網(wǎng)通設備、通訊裝置、車用電子、以及工業(yè)產(chǎn)品等，開始逐漸取代傳統(tǒng)固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。

　　根據(jù)調(diào)研機構的分析數(shù)據(jù)，2014年全球MEMS振蕩器市場規(guī)模約為1.65億美元，預計到2020年市場規(guī)模將達15億美元，MEMS振蕩器的年復合增長率將超過50％，成為時鐘市場增長的主要推動力。

　　中國作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，消耗了全球四分之一的MEMS器件，吸引了全球的目光。但目前中國MEMS振蕩器仍依賴進口。2014年，中國MEMS振蕩器市場規(guī)模約為0.34億美元，預計到2020年市場規(guī)模將達3.5億美元。

　　MEMS振蕩器優(yōu)缺點

　　MEMS硅振蕩器與石英振蕩器優(yōu)缺點對比：

　　1. 集成化

　　可采用多種集成方法將MEMS振蕩器與微電子電路集成，制作成單芯片、單諧振器或多諧振器的集成器件，實現(xiàn)多頻率輸出；而石英晶振加工工藝與現(xiàn)有半導體工藝不兼容，在集成化發(fā)展方面有較大劣勢。

　　2．成本

　　MEMS振蕩器采用硅工藝，可在任何一家半導體工廠代工，如大批量加工，生產(chǎn)成本會大幅下降；石英晶振的生產(chǎn)線設備均是專用設備，建設成本相對較高。目前隨著石英晶振工藝成熟度的提升，生產(chǎn)成本逐年下降；而MEMS振蕩器仍未形成大規(guī)模市場效應，因此目前MEMS振蕩器在成本優(yōu)勢上并不明顯。

　　3．頻率范圍

　　MEMS振蕩器通過合理的諧振結構或參數(shù)設計，頻率范圍可以達到GHz，而石英晶體受限于加工工藝和可靠性，在高頻應用上受限。

　　4．環(huán)境適應性

　　MEMS振蕩器對沖擊、振動的耐受能力極大，可承受的沖擊可達50000G以上，而石英晶振通常僅能承受20000G的沖擊。

　　5．性能指標

　　目前市場上主流的MEMS振蕩器通過溫度補償、電路優(yōu)化等手段，性能指標已經(jīng)可以媲美部分中低端石英晶振。得益于石英晶體的超高Q值，在高端應用領域，如高穩(wěn)定、低噪聲應用場合，石英晶振目前仍然無可替代。

　　6. 體積

　　MEMS振蕩器采用了半導體加工工藝，體積可以減小到目前器件的1/10；而要切割微小體積的石英晶體則非常困難，因此在小型化發(fā)展方面MEMS振蕩器相比石英晶體振蕩器更具備優(yōu)勢。

　　MEMS振蕩器競爭格局

　　同許多其他MEMS器件類似，雖然看似前景廣闊，但前進的道路曲折，一路困難重重，MEMS振蕩器行業(yè)也一直面臨很大的挑戰(zhàn)。

　　近年來，由于全球經(jīng)濟復蘇緩慢，終端需求疲弱，再加上競爭激烈導致價格不斷下滑，傳統(tǒng)晶體振蕩器廠商營收普遍差強人意；在市場需求不佳和產(chǎn)品競爭日益加劇下，盈利能力下降。同樣MEMS振蕩器要代替石英晶體振蕩器，其價格下跌也無法阻止。沒有足夠的利潤支撐，MEMS振蕩器廠商紛紛被并購或放棄該產(chǎn)品。

　　最早商用化的MEMS振蕩器由Discera（現(xiàn)屬于Microchip）于2003年所提出，之后，包括SiTime（現(xiàn)屬于MegaChips）、Silicon Clocks（現(xiàn)屬于Silicon lab）、IDT等業(yè)者陸續(xù)推出相關產(chǎn)品。時至今日，SiTime以超90%的市場絕對占有率，引領著全球電子廠商全面從石英晶振轉向全硅MEMS振蕩器。其他幾家逐漸式微甚至銷聲匿跡了。

　　我們看到，目前IDT與Silicon lab（收購Silicon Clocks）已逐步退出該市場；而Discera，這家最早商用化的MEMS振蕩器公司，先被Micrel收購，后隨同Micrel被Microchip收購，其市場地位漸漸式微。

　　成立于2007年的Sand 9公司，從美國波士頓大學的實驗室分拆出來，曾是一家頗有前途的新創(chuàng)公司，其MEMS振蕩器技術具有相位噪聲低和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在業(yè)界率先滿足了無線和有線應用需求，但后來經(jīng)營不佳，被ADI悄然收購后消失了。

　　SiTime雖然后來也被MegaChips公司收購，成為其旗下子公司獨立運行，但收購后業(yè)務未受影響。SiTime產(chǎn)品的晶圓由博世（Bosch）、Tower Jazz代工，模擬IC則由臺積電（TSMC）提供代工。2015年，SiTime的MEMS振蕩器出貨量已經(jīng)達到2014年的兩倍，總量超4億顆，預計2016年出貨量也將達到2015年的兩倍。

　　為了快速提高MEMS振蕩器的市場滲透率，并解決客戶心中供貨來源太過集中的疑慮，SiTime也在與傳統(tǒng)晶體振蕩器廠商如Abracon、TXC、深圳揚興科技等展開合作，授權生產(chǎn)MEMS振蕩器。

　　由于MEMS制程在微型加工的優(yōu)異性能，Epson Toyocom也將此技術用于其振蕩器的制造。于2006年推出了結合石英材料穩(wěn)定性和MEMS制造技術的QMEMS技術，利用感光印刷技術對晶體實施精細加工，繼續(xù)推進石英器件向更小尺寸、更高精度和更高穩(wěn)定性發(fā)展。從而突破傳統(tǒng)石英制程在100MHz的頻率上限。

　　NXP、德州儀器（TI）與村田（Murata）也在研發(fā)MEMS振蕩器，但均還未有量產(chǎn)的產(chǎn)品出來。

　　深圳揚興科技有限公司創(chuàng)立于1986年7月，是一家專業(yè)的晶振服務商。30年來，揚興科技一直專研于晶振技術的研究與開發(fā)。2016年，SiTime授權揚興工廠大規(guī)模投產(chǎn)MEMS振蕩器，揚興科技成為中國首家MEMS振蕩器生產(chǎn)廠商。

　　另外值得一提的是國內(nèi)本土MEMS振蕩器創(chuàng)新科研團隊-廣東合微，已在MEMS振蕩器上進行了多年的研究和產(chǎn)業(yè)化的前期準備工作，并建立硅MEMS振蕩器研發(fā)和測試平臺，填補這一產(chǎn)業(yè)的國內(nèi)空白，打破國外壟斷。創(chuàng)新團隊在MEMS振蕩器產(chǎn)品研發(fā)方面取得了很多成就，擁有多項核心技術，并發(fā)表論文276篇，申請專利92項，已獲授權發(fā)明專利39項。期待廣東合微能在MEMS振蕩器市場中占有一席之地。

　　MEMS振蕩器沖擊并且也在影響著石英晶體振蕩器市場的發(fā)展。MEMS振蕩器在交貨周期、供貨靈活度等方面有較為明顯的優(yōu)勢，將會在對小型化要求較高的市場或某些特定的應用場所如物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴等逐漸取得主導地位。但其在電流和抖動值上略差，在對精度要求較高、高速通信或需要極佳信噪比性能的應用中，仍然會以傳統(tǒng)石英晶振為主。

　　總結：

　　目前MEMS振蕩器與石英晶體振蕩器都在各自擅長的應用領域發(fā)揮特點，呈現(xiàn)出各分天下的并存局面。未來MEMS振蕩器能否一統(tǒng)晶振江湖，我們拭目以待。