全硅MEMS振荡器与石英晶体振荡器的不同

自从苹果手机首次使用了MEMS产品以来， MEMS工艺就掀起了一波又一波的热潮。诚然MEMS产品有其独特的地方，弥补了传统产品的某些方面的不足，但是能否就说传统产品就即将被完全替代呢，还是产品之间的相互补充呢？所以我们就需要客观认识新的产品和传统产品之间的优缺点，方才有助于我们合理的选用相关产品，全硅MEMS振荡器和石英晶体振荡器也应如此。

石英晶体已经在存在半个多世纪了，一直占居着绝大部分的时钟频率市场。石英晶体分为有源和无源两大系列，从使用量来说，绝大多数产品均选用成本较低的无源晶振，即石英晶体谐振器，所以无源晶振使用更广泛。而全硅MEMS系列产品声称要替代的其实就是指有源晶振的部分，即石英晶体振荡器，换个说法如果要替代无源，恐怕就不是一个单一频率器件之间的替代，而是要整合到主控IC里去，属于主控IC的功能的扩展，跟MEMS还没有太大关系。所以我们重点客观的对比分析的是全硅MEMS振荡器和有源晶振的比较，认识各自的特点。

首先，从工作原理来看，MEMS振荡器它是由一个全硅的MEMS谐振器（类似一颗无源石英谐振器）和一个可编程Analog CMOS驱动芯片组成的。而石英晶体振荡器它也是由一个石英晶体和一颗IC 组成的。他们之间的大体结构，以及工作模型是一致的。然他们之间的不同，在于以下几个方面：

第一，谐振子的不同，即频率源有本质的区别，MEMS器件采用的静电驱动悬梁臂，以悬梁臂的谐振频率作为基准频率， 他可以通过程序任意倍频而输出各种需要的工作的频率。而石英晶振利用的石英材料的压电特性，用石英晶片的频率作为工作频率，其工作频率就是里面的石英晶片的频率；MEMS器件一个基准频率可以输出很多的频率；而石英晶振是基准频率就是其工作频率;这正是全硅MEMS振荡器的一个很重要的方便之处，其快速交货能力正是来源于此，对比晶振工艺，晶振制程显得比较复杂的原因所在。

第二，驱动芯片的特性，MEMS采用的是可编程CMOS芯片，故输出只能是方波；而石英晶振所使用的芯片就比MEMS广泛，所以其输出特性不仅仅有方波，还有正弦波等各种波形。全硅MEMS振荡器只能输出方波，所以在对输出有特别要求的场合下，全硅MEMS振荡器可能满足不了客户需求，而这又凸显是石英晶体振荡器的性能的全面性。

第三，材料及封装结构，从这个方面来说，确实是MEMS的无可比拟的优势，晶圆的制造工艺，在结构上和产品小型化方面有其独特的优势；而使用晶振在体积超小型化方面，因受到材料特性，以及工艺条件出现瓶颈，同时在成本上也明显不占有优势。

俗话说，成也萧何，败也萧何，有其优点也必有其缺点，不可能十全十美，产品也如此，下面我们从有源频率器件的几个非常关键的参数进行比较。

第一，输出频率公差，通常有源频率器件的频差，都是指总频差或一定工作温度范围内的频差。

首先，我们比较不带额外补偿功能的情况，即普通钟振，作为普通钟振来说，其实客户产品对频差的要求本身并不高，关心的是产品的稳定性。通常只要满足±50ppm使用都不会有任何影响，所以去讨论特别的精度如±20ppm及以下其实没有太大的意思。不过既然要比较，那也应该有个结果才对，石英晶振的温度频率变化有其本身的特性曲线；MEMS谐振器其频率完全是机械谐振，所以温度对频率的影响较小，所以在较宽温度范围，如工业级等，MEMS有一定的优势，但同时由于石英晶振在25度有个拐点温度，那么在较窄的温度范围内，如0～55℃，石英晶振可以做到±2.5ppm，石英晶振此时则又体现了优势。

其次，带一定补偿的情况，如温度补偿条件下即温补振荡器，如果对频率精度要求不高的话，比如大于±2.5ppm，性能上差异不大，关键是价格，而价格由很多因素决定，所以可能各有优势。那么对于特殊精度如±0.5ppm及以下，在这方面石英晶体发展的比较成熟，全硅MEMS振荡器是属于追赶者，全硅MEMS振荡器能否替代还要看其技术发展及成熟度。

第二，输出特性

前面已经讲过，MEMS产品输出只有方波；而石英晶振输出特性多样化，包含方波还有正弦波，削峰正弦波等，可以满足客户的各种需求。

第三，功耗

随着智能产品的蓬勃发展，产品的功耗越来越受到关注；这两大产品在这个问题上也各有其优缺点。

普通产品（不带任何补偿）， 在频率小于30MHZ 的产品，两者功耗，相差不大，大于30MHZ石英晶振因其功耗同频率成一定的正比关系，其功耗变大；而MEMS器件由于频率高低由编程实现，功耗具有优势，总的来说在普通产品，功耗方面MEMS器件优势明显。不过，在温补系列产品，石英晶振功耗却较低，石英晶振在2~6mA；而MEMS振荡器在30mA左右，差异较大。

所以他们各有优缺点，你需要什么功能就应该选择什么类型的产品，不能一概而论。

第四，相噪及抖动

在相噪及抖动的特性上，全硅MEMS振荡器同样是扮演着追赶者角色，也一直在努力提高相关特性。但是在这个问题上，我们同时也要一分为二的看待，产品的好坏是以满足客户需求为目标，而不是一味追求最好，所以相噪及抖动应以客人的需求为准；当然对于某些产品需要更高相噪和抖动，那么还是建议选择石英晶体振荡器更能满足要求。

其它，体现产品性能的指标还有很多，比如更低电压工作特性，更快启动时间等等，只是这些方面属于一些特别的应用，对于这些特殊要求，实现难易考验是厂家的研发实力。

说完产品性能的差别，再中立的说说一些争论的话题：

第一。 交期问题

MEMS厂家或代理商，说晶振产品工艺复杂，生产过程长，所以交货周期长；而MEMS产品，可以批量备货空白MEMS器件，要用时，根据需求快速烧录即可；如此可以实现快速交货。

其实这个问题看似好像有道理，但是一概而论未免有失偏颇，晶振产业是非常成熟产业，有其固定的运作规则；晶振和MEMS产品制程区别在于，晶振属于类似流水作业，工序较多，MEMS属于集成电路作业。在国内，晶振产品交货期长主要是国外品牌的交货期长，国产品牌交货期也是很快的，频率器件的使用跟应用方案相关，只要方案还在用，相关产品就会一直使用；所以优秀的有实力的晶振厂家，采用的预生产方式，寻求长期合作，为客户备货，这样满足快速交货，以弥补交期较长的问题。所以选择有实力的厂家才是保证供货关键，否则再简单的产品也未必能做到顺利交付。

第二。 产品的灵活性

这是MEMS振荡器特别自傲的地方，因为采用了可编程设计，所以将频率看的非常简单，通过软件任意倍频可以达成任何想要频率。针对这个就如前面所讲，有优点，也必有其缺点，关键是客户对产品的需求；只有自身的价值来符合客户的需求，方能得到客户青睐。同样，作为石英晶体振荡器，也研发出来了类似的可编程晶振，代表性厂家为EPSON，而后很多晶振厂家也陆续推出类似编程设计产品，也能达到快速交货，增加晶体振荡器的灵活性。

第三。 产品可靠性

关于温度特性的问题，跟温度相关的主要指的是频率精度，在前面介绍频率精度时做出了分析，可见各有优缺点，关键是客户的选择。

其次，机械可靠性，MEMS具有摔不坏的特性，根据MEMS产品的结构特点，这方面的可靠性非常好；不过话又说回来，必须有清醒的认识，石英晶振确实在抗跌落方面需特别小心，但是晶振产品存在了半个多世纪，也就是说在通常的产品是满足要求的，或至少跟整机特性是匹配的，所以这个方面其实没有太必要的担心。

市场出现新鲜的事物总是好事，说明社会在进步，相信全硅MEMS振荡器随着技术的越来越成熟，作为频率时钟器件用途越来越广泛。