MEMS谐振器的发展史 Si50x CMEMS振荡器概述
MEMS发展历程
MEMS发展历程作者：来源：《中国信息化周报》2013年第48期1954年 Bell实验室发现碱金属溶液对硅材料刻蚀的各向异性；1962年 Kulite公司研制出硅微压力传感器，用硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀，是MEMS微传感器和MEMS体加工（Bulk micromachining）的起始点；1967年美国西屋研究实验室Nathanson研制出硅谐振栅晶体管；1968年美国Mallory公司Wallis发表硅玻璃静电键合技术；1974年美国国家半导体公司推出压力传感器并批量生产；1976年密歇根大学研制出电路集成的压力传感器；1977年斯坦福大学研制出电容压力传感器；1978年 IBM的Bassous发明了硅微喷嘴，是MEMS微结构的起点；1979年 HP研制出MEMS喷墨打印头；1980年 IBM的Petersen研制出扭转微镜，开始了光学MEMS的研究；1982年 IBM的Petersen发表论文，给出硅的力学性能和刻蚀数据，促使硅材料成为MEMS的主流材料；1983年物理学家Feynman再次发表演讲，详细阐述MEMS的发展和未来方向，初步提出NEMS概念；1985年德国科学家发明LIGA加工技术，能制造高深宽比的三维结构；1986年 IBM的Binning研制出基于MEMS的原子显微镜，获诺贝尔奖；1987年 IEEE召开第一届MEMS学术会议；1989年在盐湖城召开的会议上，加州大学伯克利分校的Howe建议用MEMS为这一领域正式定名；1991年美国Hughes公司和Rockwell公司在美国国防高级研究计划署的支持下发布了MEMS开关等研究成果，使MEMS通信器件成为热点；1992年斯坦福大学的Solgaard研制出MEMS衍射光栅；1993年北卡罗来纳州微电子中心为MEMS加工提供多用户工艺（MUMP），采用表面微加工技术，能够制造3层多晶硅结构；1994年美国Sandia国家实验室研制出的表面微加工工艺可制造5层多晶硅结构，可实现复杂的器件结构；1996年 TI公司推出DMD微镜；1998年密歇根大学研制出集成的PCR芯片分析系统，开创了MEMS的生化和流体应用。
MEMS振荡器技术设计概要
参考频率信号系统设计频率信号对于所有电子产品就像是心跳对所有动物的生命一般重要，所有电子电路的动作都以此重复性且稳定的频率信号作为参考信号源。
设计优良的频率信号，几乎是系统是否能够达到高效能、持续性稳定工作的重要基础。
一般而言，系统设计的参考频率信号可由不同的频率组件来产生，如谐振器（Resonator）、振荡器（Oscillator）以及频率产生器（Clock Generator），不同的系统设计会根据不同的设计考虑，选择不同的组件来提供参考频率。
谐振器是利用机械震动原理，加上一个外部谐振电路来产生周期性振荡信号，一般该谐振电路会被整合在芯片之中。
振荡器组件则是将谐振器以及谐振电路整合于一4或6针脚的封装中，用以输出参考频率信号。
而频率产生器则是较为复杂的频率信号输出组件，一般此类组件需要一个外部参考谐振器，内部则整合一个或多个锁相环（Phase Lock Loop；PLL），来产生一个或数个参考频率输出的信号。
对于所有的系统设计而言，无论使用何种频率组件作为电路设计时的参考信号，均需要一个稳定且质量良好的周期信号，包括良好的波形、duty cycle、较短的爬升时间及下降时间（rising time & falling time）、以及准确重复性的边缘时间。
MEMS技术设计脱颖而出创新MEMS谐振器先前绝大部分的电子产品依靠石英晶体来提供可靠稳定的频率信号，不过近几年由于MEMS 技术设计制造的电子零件，在许多应用领域不断提供电子产品创新且质优的设计，其中包括MEMS谐振器零件在许多应用开始取代石英晶体：例如所谓MEMS振荡器内部所采用的谐振器，即使用毫米级的MEMS谐振器，作为Mega Hertz级别的振荡源。
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。
MEMS谐振器的发展历程
MEMS谐振器的发展历程20世纪中期以来，频率控制的市场就是由石英晶体谐振器和石英振荡器所主导的。
甚至到了今天，几乎所有的电子设备在某方面仍是依赖机械石英晶体来产生多种可能运行频率中的至少一种。
现今市场上有无数的电子器件，从吉他扩音器到腕表，从智能手机到叉车等，其中绝大多数都使用晶体或晶体振荡器(X0) o由于电子市场每年要用到无数的晶体，庞大的规模经济促进了石英晶体和石英振荡器的制造精密程度达到了新高一一提供了更小、更薄、频率更高的解决方案。
在此之前，可行的石英晶体替代方案屈指可数，因为石英压电谐振器的特性和稳定性众所皆知，所以很容易做出性能可靠的晶体振荡器。
可是过去几年来，效仿拥有两个元件(谐振器和放大器)架构的晶体振荡器的微机电系统(MEMS)振荡器已打入了频率控制市场。
这些MEMS振荡器具有绝佳的可靠性，并且可提供具有成本优势的各种封装尺寸，尤其是在晶体振荡器上属于高成本结构的小巧型封装。
此外，通过引进单芯片MEMS解决方案，把MEMS谐振器直接叠放在CMOS放大器基座的上方后，MEMS振荡器的可靠性、可编程性、温度稳定性和成本水平如今也得以更上一层楼。
晶体振荡器晶体振荡器的工作频率范围广一一从几千赫兹一直到几百兆赫兹。
晶体振荡器在金属盖密封陶瓷封装中结合了石英谐振器以及放大器电路。
陶瓷封装和金属盖为非常脆弱的晶体提供了强大的防护罩，使组装好的元件避免受损。
一般来说，放大器电路会充分运用晶体的压电性，以电反馈来创造特定频率的共振或振荡，并由晶体谐振器的大小、切割和电镀来控制。
为了支持电子产业所需的范围宽广的频率，频率控制供应供应商必须设计、储存和制造数百、甚至数千种不同的定制晶体谐振器。
除了定制晶体谐振器，石英振荡器解决方案还面临着制造上的挑战。
在整个晶体市场上，便携设备占据很大的比重。
更加轻薄小型的便携设备使所有的供应商必须提供体积愈来愈小的元件。
而随着所有需求频率的石英谐振器尺寸的缩减，更小、更脆弱的晶体给制造的复杂度与可靠性带来了挑战，这就为晶体式振荡器带来了问题。
晶体振荡器 MEMS振荡器
晶振的缺点
受石英晶体自身的特性限制，比较脆弱，抗 震性能差； 由于切割尺寸难以继续缩小，频率难以继续 提高； 受封装限制，体积、价格难以继续降低。
石英晶体振荡器市场规模TAM
据统计报道，目前全球石英晶体振荡器市场年 规模约为30亿美元，每年生产90亿颗石英晶体 振荡器，应用涉及汽车、电视、摄像机、个人 电脑、便携式设备等等几乎一切电子设备。
石英晶体的等效电路
影响振荡器工作的环境因素
影响振荡器工作的环境因素有：电磁干扰 (EMI)、机械震动与冲击、温度和湿度。这些 因素会增大输出频率的变化，增加不稳定性， 并且在有些情况下，还会造成振荡器停振。 所以，晶振的封装很讲究，金属、陶瓷外壳 起屏蔽和机械稳定作用。
无源晶振和有源晶振
市场上晶体振荡器分为无源有源晶振两种类型。无源晶 振与有源晶振（谐振）的英文名称不同，无源晶振为 crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡 器）。无源晶振实际上是一颗石英晶体，需要借助于时 钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以 “无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振--振荡器模 块，才是一个完整的振荡器。 振荡器的性能受环境条件和电路元件选择的影响较大。 需认真对待振荡器电路的元件选择和线路板布局。相比 之下，有源晶振（钟振）更加稳定，工程应用更加方便。
MEMS 振荡器结构原理
MEMS谐振器是采用深度离子蚀刻技术在晶圆 上生成极细小且坚硬的机械结构，从而制成 谐振器。 MEMS 振荡器由下面部分组成
雕刻在硅片上面的谐振腔体 真空密封Cap 振荡器、PLL ASIC电路 封装
Build a MEMS Oscillator
1) Resonator
2) Packaged Resonator
MEMS的发展历史与前景
MEMS的发展趋势摘要：本文简要的分析了MEMS技术的基本定义，回顾了MEMS技术的发展历史，并从MEMS 的技术特点与应用结合当前国内外的技术研究现状，分析了未来的发展趋势；并总结得出MEMS技术将在人们的生产生活中扮演越来越重要的角色。
关键词：MEMS、微机电、机械系统、微细加工、传感器。
1、MEMS的定义微电子机械系统即MEMS，是Micro Electro Mechanical Systems的缩写，也可简称为微机电系统。
MEMS在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件的统称，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。
MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，1微米可是要比人们头发的直径小很多。
微电子机械系统MEMS通常是一个包含有动能、弹性形变能、静电能或静磁能等多个能量域的复杂系统，它是微电子系统与其它微型信息系统（各种能进行信息与能量传输和转换的系统）相结合的产物，是新兴的、多学科交叉的高科技领域。
2、MEMS的历史MEMS技术发展至今已经历40余年，开辟了一个全新的技术领域和产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。
MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。
由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。
后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。
第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC 和信息技术的兴起。
TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。
第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。
尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。
MEMS技术的发展与应用
测控新技术课程报告ＭＥＭＳ技术的发展与应用摘要微机电系统(Micro-Electronic Mechanical System-MEMS),是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。
如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。
由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。
关键词：精密机械技术，微执行器，微传感器，微型致动器前言微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System），简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。
它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉及到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。
MEMS在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。
MEMS 研究的主要内容包括微传感器、微执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。
从广义上讲，MEMS 是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
微电子机械系统(MEMS)综述
浙大-微电子机械系统（MEMS）综述内容：一、MEMS概念二、MEMS研究背景三、MEMS发展史四、最近国外MEMS发展的概况五、最近国内MEMS发展的概况六、MEMS研究内容七、MEMS技术分类八、MEMS技术的加工工艺九、LIGA和准LIGA技术十、MEMS最新研究方向十一、MEMS的最新应用十二、MEMS的未来十二、参考文献一、MEMS概念MEMS即Micro-Electro-Mechanical System，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等。
日本国家MEMS中心给Microsystem/Micromachine下的定义：A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks。
一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。
微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。
MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种，一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA( Lithograph galvanfomung und abformug)技术，；三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。
MEMS技术特点是：小尺寸（miniaturization）、多样化（multiplicity）、微电子（microelectronics），还有其他特点。
微机械谐振器
讲稿早在多年前，来自美国的SiTime公司推出了第一代以微机电系统(MEMS)技术开发的硅振荡器产品。
从该产品诞生之日起，MEMS可编程振荡器的前途就一路被看好，更有人将其称为传统的石英晶体震荡器（OCXO)的终结者目前，MEMS可编程振荡器的主要应用领域包括便携式产品（如手机、MP4），太阳能，汽车电子，工控以及网络路由器、通信基站等领域。
据透露，中兴、华为等企业均已采用MEMS 可编程振荡器到各自产品中。
当下流行的Iphone4中大量的充斥着MEMS器件，其中就包括MEMS陀螺仪和MEMS谐振器。
而在曾以铺天盖地之势而来的3G时代通信产品中，MEMS谐振器更是扮演着重要的角色。
根据安捷伦公司保守预测，目前的第三代移动通信系统(3G:3rdgeneration mobile phone)中,将会有超过100项的应用都可由RF MEMS技术提供,其中有多项与MEMS谐振器、滤波器有关。
为了了解MEMS器件特别是微机械谐振器在高科技数码产品中的应用，我们找到了chipswork公司的iPhone4拆解图。
图中红框部分据传是由ST 微电子设计的MEMS 陀螺仪。
而如果MEMS 陀螺仪想要正常的在系统中工作，就必须配合以高质量的时钟信号。
MEMS 陀螺仪的灵敏度通常以mV/dps（或度每秒）衡量，因此振荡器的输出量（mV）除以敏感度（mV/dps）得到了角速率，以度每秒衡量。
在谐振器领域里举足轻重的SiTime公司在MEMS谐振器领域处于比较领先的位置，右图就是SiTime 公司的SI8002AC 振荡器，整个单元密实的封装在塑料外壳中。
堆叠式芯片使得制造商在同一封装内加入更多的功能。
而且因为电路板空间有限，所以对iPhone 4 等移动设备来说尤其重要。
这幅图则是扫描电子显微镜所摄SiTime SI8002 AC 内的振荡器。
而SiTime公司的另一款振荡器SiT8003低功耗可编程MEMS振荡器可被设置成驱动在平板计算机（如iPad）、电子书设计中不同工能区块芯片的振荡器。
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MEMS谐振器的发展史Si50x CMEMS振荡器概述
20世纪中期以来，频率控制的市场就是由石英晶体谐振器和石英振荡器所主导的。
甚至到了今天，几乎所有的电子设备在某方面仍是依赖机械石英晶体来产生多种可能运行频率中的至少一种。
现今市场上有无数的电子器件，从吉他扩音器到腕表，从智能手机到叉车等，其中绝大多数都使用晶体或晶体振荡器（XO）。
由于电子市场每年要用到无数的晶体，庞大的规模经济促进了石英晶体和石英振荡器的制造精密程度达到了新高提供了更小、更薄、频率更高的解决方案。
在此之前，可行的石英晶体替代方案屈指可数，因为石英压电谐振器的特性和稳定性众所皆知，所以很容易做出性能可靠的晶体振荡器。
可是过去几年来，效仿拥有两个元件（谐振器和放大器）架构的晶体振荡器的微机电系统（MEMS）振荡器已打入了频率控制市场。
这些MEMS振荡器具有绝佳的可靠性，并且可提供具有成本优势的各种封装尺寸，尤其是在晶体振荡器上属于高成本结构的小巧型封装。
此外，通过引进单芯片MEMS解决方案，把MEMS谐振器直接叠放在CMOS放大器基座的上方后，MEMS振荡器的可靠性、可编程性、温度稳定性和成本水平如今也得以更上一层楼。
晶体振荡器晶体振荡器的工作频率范围广从几千赫兹一直到几百兆赫兹。
晶体振荡器在金属盖密封陶瓷封装中结合了石英谐振器以及放大器电路。
陶瓷封装和金属盖为非常脆弱的晶体提供了强大的防护罩，使组装好的元件避免受损。
一般来说，放大器电路会充分运用晶体的压电性，以电反馈来创造特定频率的共振或振荡，并由晶体谐振器的大小、切割和电镀来控制。
为了支持电子产业所需的范围宽广的频率，频率控制供应供应商必须设计、储存和制造数百、甚至数千种不同的定制晶体谐振器。
除了定制晶体谐振器，石英振荡器解决方案还面临着制造上的挑战。
在整个晶体市场上，便携设备占据很大的比重。
更加轻薄小型的便携设备使所有的供应商必须提供体积愈来愈小的元件。
而随着所有需求频率的石英谐振器尺寸的缩减，更小、更脆弱的晶体给制造的复杂度与可靠性带来了挑战，这就为晶体式振荡器带来了问题。
此外，晶振方案在每个市。