使用硅MEMS振荡器有许多好处 - 从低功耗和高性能到可靠性和弹性。当然，这个尺寸很小。本文探讨了MEMS小型化，支持电路和全硅方法带来的优势。我们将介绍封装尺寸，以及一些不太明显的微系统优势，这些优势会产生重大影响。

小尺寸

    从显而易见的开始，作为微电子机械系统，MEMS本身就很小。硅可实现极端扩展。无论是单独的谐振器还是与其控制电子器件（例如，振荡器IC）组合的封装部件，其范围从几毫米到几分之一毫米。 MEMS振荡器通常由堆叠在硅混合信号IC上的硅MEMS谐振器组成。由于MEMS振荡器的主要元件是硅，因此可以应用先进的半导体封装技术，如晶圆级芯片级封装（WL-CSP），从而创建一个与硅芯片大小相当的振荡器。该SEM图像显示了CSP振荡器，其不需要塑料，陶瓷或金属来容纳芯片。

1.更高稳定性

    关于你可能不知道的一些事实......硅比钛强15倍*。事实上，MEMS谐振器的移动质量比石英谐振器小3000倍，并且您可以获得高度可靠的器件。这种小质量减小了加速度施加到MEMS谐振器的力。 （还记得牛顿的第二运动定律吗？）此外，我们的谐振器采用坚硬的硅中心锚定结构设计，并采用先进的模拟技术控制，使其更耐机械力。凭借较小的力和我们的专有设计，冲击和振动不会破坏性能。抖动改善，频率跳跃消失，整体可靠性大大提高。下载我们的冲击和振动论文，了解有关MEMS时序弹性的更多信息。

2.增加系统集成

    与石英晶体不同，微型MEMS谐振器可以集成到SoC和多芯片模块中。类似于MEMS如何与振荡器IC组合以制造振荡器，硅MEMS谐振器可以与其他硅芯片封装在一起。例如，MEMS可以嵌入到收发器中的调制解调器中，或者作为微控制器内的实时时钟。这些定时集成系统似乎没有外部定时参考。没有外部频率参考的无线电将看起来像没有参考的无线电。当然，参考文献仍将存在，只有它才会被整合。除了更小的尺寸外，该系统更可靠，坚固且功率更低。

3.降低杂散电容，降低相位噪声

    噪音可能对系统造成严重破坏。那么尺寸如何帮助？当谐振器很小并位于其读出放大器附近时，放大器输入端的杂散电容会减小。顾名思义，杂散电容是不需要的电容，它直接和成比例地影响放大器的输入噪声。要理解这一概念，请考虑高阻抗放大器（如CMOS FET）上的电压噪声，通过杂散输入电容转换为输入电流噪声，或通过杂散输入将低阻抗放大器的电流噪声转换为电压噪声电容。两者都与电容成比例。然后，此输入噪声与放大器的输出相位噪声成反比。低相位噪声对几乎所有应用都很重要。

4.扩展电路功能

    随着附近的集成电路，在MEMS振荡器中包含更多功能越来越实用，为它们提供了更多的灵活性和功能。今天的MEMS振荡器通常包括分数N PLL，以将内部谐振器频率转换为所需的输出频率。这些PLL还可以在整个温度范围内补偿谐振器频率并调整初始偏移。此外，PLL可以调制输出，例如通过扩频来降低EMI，或调整用于跟踪外部信号的频率。可以扩展这些电路以提供相关频率或受控相位的多个输出。人们可以认为这些系统不是振荡器，而是频率合成器。

5.关闭热耦合

    TCXO（温度补偿振荡器）是一种通过测量和补偿温度来提供精确频率的振荡器。传统的石英TCXO可以做到这一点，但由于晶体谐振器和补偿测量电路之间的距离，反馈环路存在滞后现象。这在具有显着热梯度的现代电子系统中引起问题，这可能由许多动态条件引起。例如，电源管理系统循环电路块功率。冷却风扇迅速下降。

    为了克服宽温度和快速温度波动的影响，应尽可能靠近谐振器测量温度。这就是全硅MEMS器件的小尺寸和内聚特性变得特别有益的地方。 MEMS谐振器，MEMS传感器和最新一代MEMS TCXO中的高级补偿电路非常接近（如上图所示），使这些器件能够精确测量并几乎立即响应微小的μKevin温度变化。这些振荡器采用DualMEMS™设计（一个用于谐振器，另一个用于传感器），旨在提供最精确的温度补偿和特别低的噪声。下载我们的DualMEMS论文或查看我们的Precision TCXO以了解更多信息。

以更少的方式获得摩尔

    全硅元件的使用使MEMS定时遵循摩尔定律，即随着时间的推移加速改进，将更多的空间包装到更小的空间中。这种缩放使微机械硅谐振器相对于其他机械（非硅）谐振器具有明显的优势。除了小型化之外，MEMS还在稳健性和前所未有的集成方面实现了显着改进。此外，还具有系统紧凑性和内聚性所带来的性能和功能优势。随着我们在机械和集成电路设计以及制造能力方面的进步，这些优势将逐步升级。

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    *与246至620MPa的钛相比，硅的极限强度（或拉伸强度）为5,000至9,000MPa（兆帕，压力测量）。

    感谢SiTime的创始人兼首席科学家Aaron Partridge对本文的贡献。