頻率信號對于所有電子產品就像是心跳對所有動物的生命一般重要，所有電子電路的動作都以此重復性且穩定的頻率信號作為參考信號源。設計優良的頻率信號，幾乎是系統是否能夠達到高效能、持續性穩定工作的重要基礎。一般而言，系統設計的參考頻率信號可由不同的頻率組件來產生，如諧振器（Resonator）、振蕩器（Oscillator）以及頻率產生器（Clock Generator），不同的系統設計會根據不同的設計考慮，選擇不同的組件來提供參考頻率。

諧振器是利用機械震動原理，加上一個外部諧振電路來產生周期性振蕩信號，一般該諧振電路會被整合在芯片之中。振蕩器組件則是將諧振器以及諧振電路整合于一4或6針腳的封裝中，用以輸出參考頻率信號。而頻率產生器則是較為復雜的頻率信號輸出組件，一般此類組件需要一個外部參考諧振器，內部則整合一個或多個鎖相環（Phase Lock Loop；PLL），來產生一個或數個參考頻率輸出的信號。

對于所有的系統設計而言，無論使用何種頻率組件作為電路設計時的參考信號，均需要一個穩定且質量良好的周期信號，包括良好的波形、duty cycle、較短的爬升時間及下降時間（rising time & falling time）、以及準確重復性的邊緣時間。

MEMS技術設計脫穎而出

創新MEMS諧振器

先前絕大部分的電子產品依靠石英晶體來提供可靠穩定的頻率信號，不過近幾年由于MEMS技術設計制造的電子零件，在許多應用領域不斷提供電子產品創新且質優的設計，其中包括MEMS諧振器零件在許多應用開始取代石英晶體：例如所謂MEMS振蕩器內部所采用的諧振器，即使用毫米級的MEMS諧振器，作為Mega Hertz級別的振蕩源。

MEMS振蕩器內部設計

除了創新諧振器的MEMS技術，振蕩器內部的振蕩電路設計亦開始進行中。傳統石英振蕩器內部的振蕩電路，其輸出頻率一般與石英設計切割的頻率相同，因此電路設計上僅僅采用單純的諧振放大電路或者驅動電路。

在MEMS振蕩器內部，采用嶄新的設計概念及線路設計，使得MEMS振蕩器提供更多可設定的變動頻率參數，在出貨前通過量產程序設定不同參數，可提供不同應用領域的特殊需要。MEMS振蕩器已在許多應用領域包括計算機周邊相關產品、消費電子、網通設備、通訊裝置、車用電子、以及工業產品等，開始逐漸取代傳統固定頻率或可編程輸出的石英振蕩器。

這樣的設計，簡化了目前石英振蕩器的冗長供應鏈，縮短廠商的交貨期，同時能讓使用同一電路設計的零件，滿足不同設計的需要，進一步協助系統廠商達到不同頻率不同參數的振蕩器一站式采購（One Stop Shopping）的目標。

MEMS振蕩器簡要透視

圖1為MEMS振蕩器的透視圖。以SiTime的MEMS振蕩器為例，其是由兩個芯片堆棧起來，下方是CMOS PLL驅動芯片，上方則是MEMS諧振器，以標準QFN IC封裝方式完成。封裝尺寸以及焊接管腳與傳統標準石英振蕩器的腳位完全兼容，可直接替代原來石英產品，無須更動任何設計。MEMS振蕩器在許多方面都超越石英振蕩器產品，包括全自動化生產過程、穩定交貨期、穩定的產品質量、以及近期和長期的成本優勢等。

圖1 全硅MEMS振蕩器透視圖

如何制造MEMS諧振器？

有些廠商是用CMOS半導體代工廠的標準設備以及材料制造全硅MEMS諧振器。由于無須CMOS半導體廠的額外設備制及工藝投資，這可提升 CMOS產業利用既有設備生產更多產品的經濟利基。另外MEMS振蕩器封裝方式亦使用目前半導體封裝廠通用設備以及標準IC后制封裝流程。

圖2展示一系列MEMS制造的剖面圖。圖2a則顯示通過窄信道蝕刻方式，從表面切割一空隙至硅晶氧化絕緣層（SOI），生成一諧振結構。這些諧振結構體在震動時，以水平方向在硅晶面上震動。

圖2a　從晶圓表面開始蝕刻進入到氧化絕緣層產生的諧振器以及電極示意圖

如圖2b所示，震動空隙上包覆著一層氧化層、硅晶層以及多晶硅層（Polysilicon），在多晶硅層以通過一些蝕刻的小細孔將氧化物取出后形成諧振體。

圖2b　氧化物層以及硅質排氣層形成后，制造氣孔以排放諧振器內部電極間距空間內的氣體形成真空