MEMS振盪器的出現，已開啟改善時脈設計行業的大門。基於MEMS製程支援寬廣頻率、封裝可靠度佳，以及元件交貨周期較短等諸多優點，MEMS振盪器正在加速取代傳統石英晶體解決方案，將揭開時脈元件市場新局面。
時脈元件為數位電子系統提供時脈訊號，或提供與所有其他訊號同步的心跳。在過去幾10年中，這些時脈元件一直基於石英晶體解決方案，以諧振器(一個機械振動元件)和振盪器(結合電路的諧振器)的形式提供。
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| 圖1 石英與MEMS振盪器功能特性比較 |
石英晶體是由高度聚焦此一任務的公司在專門工廠中生產，這些石英產品公司的核心競爭力在於精密製造和石英晶體切割技術，以確保其在正確的頻率上運行，並保持穩定的溫度。石英廠商在滿足這些基本需求方面做了出色的工作，然而，石英公司並沒有跟上半導體行業在性能和功能提升方面的步伐，也沒有完善的配套措施，來應對多樣化設計、產品生命週期加速和半導體產業固有的成本優勢；因此本文將討論新型微機電系統(MEMS)振盪器與傳統石英方案的比較(圖1)，並剖析MEMS取代石英的優勢和進展。
MEMS突破石英晶體諸多限制
對於非補償元件來說，石英晶體振盪器的精度限制在約±20ppm。小型封裝的頻率限制範圍為10M∼60MHz。在12kHz∼20MHz條件下，抖動在1∼2ps的範圍內。
這些限制是由石英元件的機械限制所決定，雖然可以在特殊情況下被打破，但元件的成本將顯著增加。相較之下，MEMS振盪器沒有這些限制，因為其使用一種可程式設計模擬架構，例如電路為中心的MEMS振盪器架構很容易支持1M∼625MHz的寬廣頻率。
石英還有一些沒有在矽MEMS方案中發現的微妙問題，「活性驟降(Activity Dips)」現象就是一個很好的例子。活性驟降將晶體穩定性的下限設置在約0.1ppm，或約10億分之100(ppb)。隨著元件溫度的升高，這將引起諧振器的頻率大幅躍遷幾10ppb。在低成本晶體中，這可能變得更糟，躍遷可達1ppm。究其原因，活性驟降與穿過石英的波傳播方式有關；活性驟降非常難以去除，且為了實用目的，工程師必須假設所有石英諧振器都具有這個缺點；相反的，在正確設計的矽MEMS中將不存在活性驟降的問題。
MEMS設計/生產具高靈活度
石英公司通常把振盪電路的開發和生產外包給半導體公司，並專注於製造石英晶體。相比之下，矽MEMS時脈公司採用無晶圓廠的半導體代工模式，而且擁有設計MEMS諧振器及類比振盪電路方面深厚的專業知識，將有助提升時脈性能。
舉例來說，MEMS振盪器可實現從1Hz∼625MHz的可定製頻率，精度高達6位小數，亦能增添降低電磁干擾(EMI)的擴頻功能，透過可程式設計驅動強度控制，以達到更好的訊號完整性並降低EMI。此外，MEMS振盪器在整個頻率範圍內可以1.8伏特(V)工作電壓，以及電池供電應用1.2∼4.5V(連續)操作，至於MEMS溫度補償振盪器(VCXO)、電壓控制溫度補償振盪器(VCTCXO)和數位控制振盪器(DCXO)的可程式設計範圍，更達到±25∼±1,600ppm。
MEMS元件可在各種工作溫度和廣泛的工業標準表面黏著元件(SMD)封裝中，提供這些功能，可直接替代石英元件。特殊封裝也可實現，如超小型1.5×0.8晶片級封裝，或針對惡劣環境的更高板級可靠性的SOT23-5封裝。
交貨周期較短 MEMS庫存壓力大減
由於MEMS振盪器具有可程式設計架構，大多數功能都可透過程式設計來定製，這使得系統設計人員能在自己的實驗室中編寫，並測試與時間相關的繁多功能，加快開發時間，而毋須搜索貨源和等待樣品。
矽MEMS時脈元件是在半導體晶圓廠和組裝廠生產的。MEMS振盪器採用晶圓上可程式設計，並以晶片形式保存在庫存中。當供應商接到批量生產訂單時，才進行元件封裝、測試、程式設計，並在3∼5周時間交付，這比遵循材料密集型製造流程的石英元件製造商，通常需8∼16周的生產交付時間要短得多。MEMS時脈供應商提供的短交貨週期帶來了更好的庫存控制，以及更快、更經濟高效地滿足需求上升的能力。
諧振器尺寸縮小 MEMS減輕外部衝擊/雜訊問題
相較於石英，矽MEMS時脈解決方案具有更高的可靠性(壽命)。基於MEMS的振盪器有<2 FIT比率，這意味著5億小時平均故障間隔時間(MTBF)，大約比典型石英元件提高十五倍。
在強固性(Robustness)和抗雜訊能力方面，MEMS振盪器顯示出以下與石英振盪器相比的試驗結果。
這些優勢源於諧振器的尺寸和結構，這是一個簡單的縮放問題。石英振盪器中的諧振器是毫米級懸臂式結構，對加速度很敏感，雖然晶體可能有MHz電氣共振，但它有kHz結構共振，這些kHz頻率可透過外部振動或衝擊激發，造成振動的敏感度或故障。由於MEMS諧振器的尺寸縮小約十倍，移動品質小了多達三千倍，因此對外部振動和衝擊較不敏感。
與此同時，MEMS振盪器中使用的封裝和振盪電路設計，可使元件不易受電雜訊的影響；當MEMS諧振器靠近驅動電路安裝，相比石英封裝為天線區域帶來的電雜訊更少，而多層片上穩壓器更將提升振盪器對電源雜訊的控制能力。
由於採用矽製程製造，並採用低成本的標準塑膠封裝，MEMS元件還提供一個較低的價格演變軌跡；MEMS時脈元件商更採用無晶圓廠(Fabless)模式，利用半導體產業的基礎設施進行批量生產，以提供有競爭力的價格。另外，MEMS時脈解決方案的短交貨期、增加功能的彈性，以及元件本身的高可靠度，皆意味著電子產品製造商的擁有權總成本(TCOO)更低。
邁向高整合SoC 矽MEMS風潮快速蔓延
近來MEMS時脈元件商更積極協助處理器廠，開發內建kHz和MHz諧振器的系統單晶片(SoC)方案。kHz諧振器適合於時脈應用，其中一種將使用32kHz石英音叉，而MHz諧振器適合於報時應用，例如時脈和射頻(RF)，可為SoC增添許多應用的可能性。相較於MEMS，由於石英晶體過度成型(Over-molding)將引發明顯的性能和可靠性下降問題，因此晶片商很難將其嵌入在塑膠封裝內。
直到過去10年，系統設計人員和原始設備製造商都不得不設法解決石英產品的局限性問題，因為這是唯一可行的選擇。隨著MEMS時脈解決方案進入市場，振盪器的性能、可靠性和靈活性限制已經逐漸消除，設計師們也能透過MEMS技術來改善時脈系統的性能、功能、尺寸和功耗表現；同時供應鏈管理亦不再受制於石英可用性和成本問題。
未來，MEMS公司遵循摩爾定律(Moore's Law)驅動的半導體產業改善步伐，將繼續擴大MEMS和石英方案之間的差距。事實上，其他領域朝向導入矽元件的發展已有許多實例，例如矽已取代相機中的膠片和攝像機中的磁帶，並已取代磁片和真空管顯示器；同樣的，石英計時設備也將在往後幾年逐步改搭MEMS時脈元件。
(本文作者Piyush Sevalia為SiTime市場行銷執行副總裁，Aaron Partridge為SiTime首席科學家)