MEMS振荡器优缺点

Getaway

与传统石英相比，全硅MEMS振荡器不管从生产工艺还是组件设计结构上，都更符合现代电子产品的标准，也是对传统石英产品的升级换代。
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全硅的MEMS振荡器技术，由两个芯片堆栈起来，如下图所示：

; T+ E) b5 H: i9 q3 d. j  W$ w! i下方是驱动芯片，上方则是MEMS谐振器，以QFN IC封装方式完成。为与石英晶振竞争，通常封装尺寸以及焊接管脚与传统标准石英晶振的脚位完全兼容，可直接替代原来石英晶振。

. W2 a, V. `  L4 `- N) |6 cMEMS振荡器市场分析
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传统石英振荡器自诞生之日起，已经统治频率控制器件近60年，然而十几年前，随着第一颗硅MEMS振荡器的量产，局势逐渐改变了。石英振荡器受传统制造工艺的限制以及下游原材料（起振电路和基座）市场的垄断，性价比无法进一步提升。而全硅MEMS振荡器体积更小、更可靠、功耗更低，近年来随着封装技术的成熟，其生产成本更是已经低过石英振荡器。/ }5 X9 g& k3 m# S9 r  P
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. l& A- c  r% P6 i4 hMEMS振荡器已在许多应用领域包括计算机周边相关产品、消费电子、网通设备、通讯装置、车用电子、以及工业产品等，开始逐渐取代传统固定频率或可编程输出的石英振荡器。
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根据调研机构的分析数据，2014年全球MEMS振荡器市场规模约为1.65亿美元，预计到2020年市场规模将达15亿美元，MEMS振荡器的年复合增长率将超过50％，成为时钟市场增长的主要推动力。3 Y0 z, {$ [1 d9 h8 p  k

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# M9 r, y% p4 t0 n  ^& Y: w9 G中国作为全球最大的电子产品生产基地，消耗了全球四分之一的MEMS器件，吸引了全球的目光。但目前中国MEMS振荡器仍依赖进口。2014年，中国MEMS振荡器市场规模约为0.34亿美元，预计到2020年市场规模将达3.5亿美元。( U8 Q. Q" W% N- P/ T; i
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- X1 i3 l0 l, n/ Q; VMEMS振荡器优缺点2 g  h- L9 S' ]4 t4 l, [" B' t. Q
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MEMS硅振荡器与石英振荡器优缺点对比：
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1. 集成化
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可采用多种集成方法将MEMS振荡器与微电子电路集成，制作成单芯片、单谐振器或多谐振器的集成器件，实现多频率输出；而石英晶振加工工艺与现有半导体工艺不兼容，在集成化发展方面有较大劣势。6 W- F9 Y, l& W

2．成本" K* S- b; |! r2 R0 M

MEMS振荡器采用硅工艺，可在任何一家半导体工厂代工，如大批量加工，生产成本会大幅下降；石英晶振的生产线设备均是专用设备，建设成本相对较高。目前随着石英晶振工艺成熟度的提升，生产成本逐年下降；而MEMS振荡器仍未形成大规模市场效应，因此目前MEMS振荡器在成本优势上并不明显。

: ?* L% A2 ]; c8 }" g) H3．频率范围
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# H$ E! L7 Z$ ?8 xMEMS振荡器通过合理的谐振结构或参数设计，频率范围可以达到GHz，而石英晶体受限于加工工艺和可靠性，在高频应用上受限。8 B  f& C: G  ?3 M0 n. m
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3 y0 @) f$ }& i8 g  R' O4．环境适应性

9 X) [1 d" }: B) k# iMEMS振荡器对冲击、振动的耐受能力极大，可承受的冲击可达50000G以上，而石英晶振通常仅能承受20000G的冲击。: \3 t2 b# ?1 s1 h4 U9 B7 g

5．性能指标

目前市场上主流的MEMS振荡器通过温度补偿、电路优化等手段，性能指标已经可以媲美部分中低端石英晶振。得益于石英晶体的超高Q值，在高端应用领域，如高稳定、低噪声应用场合，石英晶振目前仍然无可替代。
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6. 体积
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; h$ c; p6 q; U$ dMEMS振荡器采用了半导体加工工艺，体积可以减小到目前器件的1/10；而要切割微小体积的石英晶体则非常困难，因此在小型化发展方面MEMS振荡器相比石英晶体振荡器更具备优势。+ O' @4 S5 a" v, u0 U4 T
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+ T* X. ~1 v0 U- E! k2 TMEMS振荡器竞争格局

) o' {" ~. s: T; x5 I同许多其他MEMS器件类似，虽然看似前景广阔，但前进的道路曲折，一路困难重重，MEMS振荡器行业也一直面临很大的挑战。0 P/ e$ z) c( F- v# M

0 I* o6 j) j4 ?& J+ m+ w: [近年来，由于全球经济复苏缓慢，终端需求疲弱，再加上竞争激烈导致价格不断下滑，传统晶体振荡器厂商营收普遍差强人意；在市场需求不佳和产品竞争日益加剧下，盈利能力下降。同样MEMS振荡器要代替石英晶体振荡器，其价格下跌也无法阻止。没有足够的利润支撑，MEMS振荡器厂商纷纷被并购或放弃该产品。# y! z3 a8 ~9 P$ _$ ]# \. J/ a
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最早商用化的MEMS振荡器由Discera（现属于Microchip）于2003年所提出，之后，包括SiTime（现属于MegaChips）、Silicon Clocks（现属于Silicon lab）、IDT等业者陆续推出相关产品。时至今日，SiTime以超90%的市场绝对占有率，引领着全球电子厂商全面从石英晶振转向全硅MEMS振荡器。其他几家逐渐式微甚至销声匿迹了。) M' Y" F1 ], Y, `( g
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7 A' B- x( g; G% i! @2 D% e2 a我们看到，目前IDT与Silicon lab（收购Silicon Clocks）已逐步退出该市场；而Discera，这家最早商用化的MEMS振荡器公司，先被Micrel收购，后随同Micrel被Microchip收购，其市场地位渐渐式微。; |( \9 O; ^0 S
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: u$ r" l* u4 |1 B4 s+ n( u成立于2007年的Sand 9公司，从美国波士顿大学的实验室分拆出来，曾是一家颇有前途的新创公司，其MEMS振荡器技术具有相位噪声低和性能稳定等优点，在业界率先满足了无线和有线应用需求，但后来经营不佳，被ADI悄然收购后消失了。% c+ O6 N# `5 O, g) S3 i
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0 P: ~' t7 I) K. B* J0 fSiTime虽然后来也被MegaChips公司收购，成为其旗下子公司独立运行，但收购后业务未受影响。SiTime产品的晶圆由博世（Bosch）、Tower Jazz代工，模拟IC则由台积电（TSMC）提供代工。2015年，SiTime的MEMS振荡器出货量已经达到2014年的两倍，总量超4亿颗，预计2016年出货量也将达到2015年的两倍。$ U* n3 e5 g' X$ U: ?# C

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为了快速提高MEMS振荡器的市场滲透率，并解決客户心中供货来源太过集中的疑虑，SiTime也在与传统晶体振荡器厂商如Abracon、TXC、深圳扬兴科技等展开合作，授权生产MEMS振荡器。
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由于MEMS制程在微型加工的优异性能，Epson Toyocom也将此技术用于其振荡器的制造。于2006年推出了结合石英材料稳定性和MEMS制造技术的QMEMS技术，利用感光印刷技术对晶体实施精细加工，继续推进石英器件向更小尺寸、更高精度和更高稳定性发展。从而突破传统石英制程在100MHz的频率上限。
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; h9 D. r- q9 T5 p' s/ Z( ONXP、德州仪器（TI）与村田（Murata）也在研发MEMS振荡器，但均还未有量产的产品出来。
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深圳扬兴科技有限公司创立于1986年7月，是一家专业的晶振服务商。30年来，扬兴科技一直专研于晶振技术的研究与开发。2016年，SiTime授权扬兴工厂大规模投产MEMS振荡器，扬兴科技成为中国首家MEMS振荡器生产厂商。3 }# o7 k1 W  ^$ D0 z/ u6 s; h
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' N1 ~! Z* x* U4 B; C另外值得一提的是国内本土MEMS振荡器创新科研团队-广东合微，已在MEMS振荡器上进行了多年的研究和产业化的前期准备工作，并建立硅MEMS振荡器研发和测试平台，填补这一产业的国内空白，打破国外垄断。创新团队在MEMS振荡器产品研发方面取得了很多成就，拥有多项核心技术，并发表论文276篇，申请专利92项，已获授权发明专利39项。期待广东合微能在MEMS振荡器市场中占有一席之地。

MEMS振荡器冲击并且也在影响着石英晶体振荡器市场的发展。MEMS振荡器在交货周期、供货灵活度等方面有较为明显的优势，将会在对小型化要求较高的市场或某些特定的应用场所如物联网、可穿戴等逐渐取得主导地位。但其在电流和抖动值上略差，在对精度要求较高、高速通信或需要极佳信噪比性能的应用中，仍然会以传统石英晶振为主。9 `+ W2 z4 x5 L: o0 h5 ?& E9 R
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总结：目前MEMS振荡器与石英晶体振荡器都在各自擅长的应用领域发挥特点，呈现出各分天下的并存局面。未来MEMS振荡器能否一统晶振江湖，我们拭目以待。