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MEMS频率器件技术发展综述
中兴通讯公司 杜良桢
作者简介：
杜良桢，现任中兴通讯公司材料委员会专家。1967年毕业于天津大学精密仪器专业。主要从事光纤通信、时间与频率器件以及微机电系统（MEMS）技术开发与应用研究。曾获省部级科技进步奖3项，深圳市科技进步奖3项，发表论文40余篇。
提要：本文就几种常见的MEMS频率器件为基础，对MEMS频率技术发展的现状和前景作了简单的归纳和评述。
一、 技术发展背景
石英晶体振荡器作为传统的频率时钟器件由于其高Q值，高稳定度，技术成熟等特点,几十年来一直发挥着无可替代的作用。但随着科学技术的不断发展的需要，石英晶体振荡器因其难于小型化、集成化、高可靠性以及低成本等方面的原因，在某些场合的应用受到了限制。另一方面，新技术的出现为新的时间频率器件的开发和应用创造了条件。近年来MEMS（微机电系统）技术的发展十分迅速，其中MEMS新型频率器件的开发和应用已经取得了突飞猛进的发展。本文根据作者多年来的跟踪研究和应用实践，对以MEMS技术为基础的新型频率器件的相关技术和应用加以评述，以便与对此类技术有兴趣的同仁交流参考。
二、 MEMS频率器件的技术基础
MEMS频率器件最主要的部分是MEMS谐振器，它是一种机电换能器，本质上是机械式谐振器。根据谐振频率要求，可分为低频谐振器（1kHz～250MHz）、中频谐振器（800 ～ 1800MHz）和高频谐振器（几个GH在以上）。
就目前出现的MEMS频率器件而言，以工作原理分，包括压电效应（如QMEMS、FBAR、
pMEMS ）和静电力作用（如SiTime、Discera的产品）两种。以谐振机构使用的材料来分，一种是压电材料，如石英晶体、AlN、ZnO、压电陶瓷等，另一种是硅基材料，包括单晶硅、多晶硅。从应用的情况看，可作为振荡器、滤波器、传感器等。
根据应用的条件，对MEMS频率器件的性能有不同要求，与晶振类似的项目，包括频
率稳定性（短稳与长稳）、频率准确度、频率范围 、工作电压、功耗 、环境变化敏感性（尤其是频率—温度特性）、可靠性等，但有不同的侧重；同时对器件体积、制造成本、工艺可行性以及开发周期等也是需要考虑的因素。
按使用条件选择MEMS振荡器的原理和结构。不同结构的谐振器有不同特点，基于压电原理谐振器的振荡频率可以比较高，而基于静电力原理的可变电容式谐振器结构是目前应用常见的结构形式，可根据具体应用要求选择，例如平行平板式结构、叉指状结构以及它们的变型。
图1是一个梳状电容驱动谐振器结构示意图，是根据外部电场的变化引起的电极间静电力的变化而使可动电极产生振动的原理工作的。这种结构的谐振器其弹性部分可以做的比较长，这样谐振器的刚度较小，驱动电压低，但频率不易做高（1kHz to 1MHz），例如镍材料振荡器（Ni osc）32kHz, 78kHz，多晶硅振荡器(poly-Si osc.）1MHz，Q值可达80K。
图1. 梳状电容式振荡器结构原理图
图2是一种方形的平行平板式可变电容MEMS谐振器结构图。这种结构的刚度范围可
变范围大，其频率范围可达10MHz to 500MHz，在SOI上制作频率13MHz时,Q值可达130K。
图2. 方形结构谐振器
三、 对几种MEMS频率器件技术浅析
伴随着MEMS技术的飞速发展，在频率领域MEMS技术同样发展迅速，其性能迅速提
高，品种不断增加，日新月异。就作者目前已知的信息，MEMS频率器件包括以下诸种：硅MEMS振荡器、QMEMS振荡器、FBAR谐振器 、pMEMS振荡器、CMEMS振荡器、OCMO等等。
硅MEMS振荡器是出现较早的MEMS频率器件，其生产厂家包括SiTime和Discera，分别成立于2005年和2001年。Discera和SiTime两家公司的产品分别在2006年和2007年前后推向市场，他们的谐振器的基本结构都是可变电容式静电力驱动结构。谐振器输出固定频率，与CMOS电路一起组成振荡器，完成驱动、变频和温度补偿等功能，振荡器使用塑料封装后构成完整的振荡器产品。其中SiTime谐振器的频率初期结构为5MHz，新型结构为48MHz，Discera谐振器的输出频率为18MHz。这种振荡器的Q值较高，所以稳定性较好。据了解，SiTime的振荡器Q值在100K以上。
关于硅MEMS振荡器的原理和特点已有较多资料报道，此处不再赘述。值得一提的是硅MEMS振荡器的技术进步，尤其是近五年来性能方面有显著的改进。例如这种振荡器的近载频相位噪声初期比较差，成为某些应用的障碍。但近几年来SiTime的产品抖动性能从150ps（型号8002）提高到0.5ps（型号8208），改善约300倍之多（见图3）。频率稳定性从25ppm（型号8002）改善到0.1ppm(型号5301)，提高约250倍（图4）。相位噪声从2009年至今改善约40dB，在1KHz频偏处的相位噪声可达-134dBc/Hz以上（见图5)。产品已经形成相当于从XO到VCXO、TCXO的系列化，首款三級钟(Stratum 3)MEMS振盪器也于日前正式问世，性能指标已经达到了与石英晶体振荡器媲美的程度。
图3. 硅MEMS振荡器的抖动指标的改善（约300倍）
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图4. 硅MEMS振荡器频率稳定性指标的改善（提高约250倍）
图5. 硅MEMS振荡器相位噪声的改善
随着性能的改善，其市场亦在迅速扩大，年销售额成倍地成长。产品应用领域正在从消费产品市场走向通信产品市场。硅MEMS振荡器由于可与半导体制造工艺和封装技术兼容，可大幅度縮減产品尺寸及封裝成本，在取代传统晶振发展过程中，可谓愈演愈烈，形势咄咄逼人，不可小觑。
QMEMS振荡器是石英晶体振荡器的一种。这个名字是石英QUARTZ的第一字母Q加上
MEMS构成的（QMEMS=QUARTZ+MEMS），其工作原理与石英晶体振荡器相同，但尺寸小，性能良好。
QMEMS能提供高精度、高稳定、高附加值的石英晶体产品。与机械加工相比，QMEMS
在大幅提升精度和稳定性的同时实现了超小型。 可提供小尺寸、高稳定度晶振。如用于GPS导航的TCXO TG5005CG的指标为2.5×2.0×0.9mm/0.5ppm/-30 ～ +85℃。QMEMS振荡器正在取代3G手机及GPS中带温度补偿电路的晶体振荡器（TCXO）。
QMEMS是对传统机械加工技术极限的突破，是结合石英(QUARTZ)材料稳定性和MEMS制造技术的可微型化精细化加工特点形成的设计与加工技术，推进了石英晶体器件向更小尺寸、更高精度和更高稳定性发展。其应用在逐渐扩大。
顺便提一下高基频腐蚀晶体谐振器的制造工艺，即所谓MESA技术。为了提高谐振器的振荡频率而采取的泛音晶体振荡器存在的不足影响其可靠性，而传统的加工方法实现高基频又存在工艺上的困难。采用光刻腐蚀的方法使振动区域很薄而周围有较厚的支撑（MESA）这一类似微加工的方法是打破传统加工技术的尝试。该技术目前正在某些晶振企业试验推广。据某厂家提供的信息，他们已实现200MHz谐振器的批量化生产，试验样品的频率可达400MHz。期待着这一工艺技术尽快成熟，使用微加工方法实现高频晶体谐振器的高精度、低成本、批量化生产，这或许是传统晶振在新形势下发展的出路之一。
另一个值得一提的是FBAR（ Film Bulk Acoustic Wave Resonator）频率器件，通常称
为薄膜体声波谐振器。它是一种利用声学谐振实现电学选频的器件，其工作原理是压电效应。
FBAR谐振器的关键部分是基于硅基材料上做的一种三明治结构，中间是一层具有压电效应的薄膜，两边各有一层电极。工作于厚度振动模式，工作频率与压电薄膜的厚度成反比。压电薄膜是AIN或ZnO等材料，目前以AIN薄膜为主，电极材料多用钼。
目前常见的结构有空气腔型谐振器（这种结构有时单独称作FBAR结构，以与SMR型区别）、固体装配型（SMR）谐振器（又叫布拉格反射型谐振器）（图6）。
图6是固体装配型谐振器（SMR）的结构示意图，顶部是谐振器的关键部分，中间是一层具有压电效应的薄膜，两边各有一层电极。对空气腔型而言，膜的下面有一个空腔。对SMR型结构而言，如图所示，紧靠下电极的是反射层结构，由厚度四分之一波长的声阻抗差异大的多层膜交替构成，相邻膜层之间的声阻抗差越大，反射效率越高，由此减少能量泄露，提高Q值。
图6. SMR型结构
有效耦合系数K2eff和品质因数Q是衡量FBAR谐振器性能的最重要的参数，其表达式分
别如下：
式中，fp和fs分别为并联和串联谐振频率，Lm和Rm分别是等效MBVD模型电路的等效串联电感和等效串联电阻,。
K2eff除与压电薄膜的耦合系数K2t有关外，还与电极的材料、形状和厚度有关，它的大小影响器件的插损和fp与fs之间的带宽，K2eff 越大，插损越小，带宽越大。
与传统的声表面波（SAW）相比，FBAR的技术主要具有频率范围宽、Q值高、承受功率大、体积小、可集成化以及抗静电干扰能力强等独特优势。这就决定了以FBAR技术构成的频率器件在某些应用中处于SAW技术无可替代的地位。
FBAR技术广泛应用于军事、航天和无线通信等领域，目前已大量用作基于3G和4G标准的无线通信手持设备的双工器、滤波器，在即将到来的5G通信中更有着其它器件不可替代的作用。例如CDMA2000的双工器，PCS1900（上行1850-1910MHz、下行1930-1990MHz）和 LTE的Band 3（上行1710-1785、下行1805-1880MHz）双工器。
可以看到，这两个频段上，工作频率带宽与收发间隔带宽之比较大，PCS1900和 LTE的Band 3分别达60/20、75/20。根据供应商最近提供的信息，SAW器件Q值可达1300—1500，而FBAR可达3700（1GHz）到4900（2GHz），因此，FBAR的滤波特性，如滚降系数，明显好于SAW器件。传统的SAW器件与FBAR器件的隔离度相差5dB以上，其射频指标中的单音抗扰度很难达标，只有应用FBAR双工器才能满足要求。
可集成化也是FBAR技术的重要特点。器件的集成化是电子产品实现小体积、多功能化的重要手段和发展方向。FBAR技术能够完全和现有的集成电路技术相兼容，提高系统性能，缩小系统体积，降低外部射频干扰，降低产品成本。例如应用于LTE系统集成了MEMS体声波双工器和功率放大器的无线射频前端模块。FBAR是目前唯一可以与射频或微波集成电路实现片上集成的滤波器方案，应用前景广阔。图7是FBAR谐振器件与BiCMOS电路集成的例子。
图7. Above IC FBAR截面图
FBAR技术已经经历了近10年的发展，在双工器、滤波器领域得到了成功的批量化应用，但仍然面临着设计和工艺等方面的技术问题需要深入研究和解决。其应用除了目前移动终端产品的滤波器、双工器，有可能向高频振荡器等领域扩展。
由于FBAR器件具有十分广阔的应用前景和巨大的市场，国外研究机构和厂家多年来投入巨大的人力和资金对FBAR技术进行开发，目前Avago、TriQuint等少数外国公司是主要的供应商。据了解国内院校和研究单位已经投入较大资源进行开发，目前已知的有天津大学已实现小批量生产，期待着这一技术能够尽快在国内成熟，实现产业化、国产化，并逐步取代进口，降低成本，提高我国在这一领域的竞争力。
以上介绍的是已经技术成熟并批量化应用的MEMS频率器件。以下介绍几种开发中的MEMS频率器件。这里首先提一下与此相关的全硅振荡器。由IDT和Silicon Labs开发的全硅振荡器曾经轰动一时，他们用LC和RC电路构成谐振器，通过具有专利技术的电路完成驱动、频率变换、温度补偿以及降噪。值得注意的是产品的抖动值（RMS值）达到了ps级，而频率偏差值仍然比较大（IDT的在±300ppm ～±2000ppm，Silicon Labs在频率稳定性±100～±150ppm）。经过一段时间的跟踪观察，发现产品并未达到规模化应用，后来分别与两家公司的销售和技术人员接触，得知这种结构的振荡器稳定性很差，他们转而准备购买或开发以MEMS技术为基础的振荡器技术。从原理上讲，以LC或CR作为谐振器结构，其品质因数很难达到较高的水平，所以稳定性很差。而MEMS谐振器是一种机械结构，可以达到较高的Q值而保持振荡器的稳定性。而后，IDT开发了pMEMS振荡器，而Silicon Labs开发了CMEMS振荡器，但未见到有商品供应市场。
所谓pMEMS振荡器，就是利用压电原理和MEMS技术设计和制作的频率器件，pMEMS=Piezoelectric+MEMS，是利用AlN压电薄膜构成的叉指状结构，以横向波传播。据称，其频率最高可达 625MHz，频率精度:±50 ppm（-40℃至85℃），在频偏12KHz—20MHz范围内，相位抖动典型值（Phase Jittertyp）＜1.0ps。图8是pMEMS振荡器工作原理示意图。笔者认为，由于AlN压电薄膜的温度系数较大，仅靠谐振器来实现高稳定度振荡器所要求的稳定性并不容易。
图8. pMEMS振荡器结构原理示意图
CMEMS振荡器是Silicon Labs基于美国加州大学伯克利分校早期技术开发的一种MEMS振荡器，其突出特点是把MEMS谐振器与CMOS控制电路集成在一起，实现Above IC，代表了MEMS振荡器发展的方向之一。目前已知的批量应用的MEMS振荡器，结构上还基本是谐振器和驱动电路分开制作，然后把谐振器（Die）与驱动电路通过键合技术用导线连在一起，据了解，分开加工的原因是，若把谐振器（Die）和CMOS电路通过集成技术一起加工，会对谐振器的性能产生影响。若能在保证谐振器性能的前提下实现集成，对振荡器的性能提高和成本降低将非常有利。
下面介绍以下OCMO MEMS振荡器，OCMO是Oven—Controlled—MEMS—Oscillator 的缩写，即恒温MEMS振荡器，是比利时一家研究机构提出的方案。它是把MEMS谐振器放在一个恒温槽内，通过电路控制保持其温度不变，从而保持稳定的频率输出。其原理和结构示意图如图9所示。其目标参数：输出频率可达20MHz，频率稳定度＜±1ppm（-40～+85℃），频率精度±30ppm内，抖动（RMS）值＜1ps,功耗＜10毫瓦，估计成本＜0.2美元，平面尺寸＜2mm2。
图9. OCMO结构原理图
四、 MEMS频率器件的技术发展趋势
MEMS频率器件技术发展可谓日新月异，首先是该技术的研究受到业界重视，开发力量
不断加强，已有产品性能不断提高，基于新的原理和结构的MEMS振荡器不断出现，介入MEMS技术和产品的队伍逐渐扩大，其应用正在从消费电子产品进入通信产品领域。一些多年从事石英晶体振荡器的厂家也不断加入MEMS振荡器行列。根据近期报道，已有多家以投资或合作的形式涉入MEMS频率器件技术领域。
总的看来，技术上MEMS频率器件发展趋势依然是小型化 、高稳定度、低电压、低功耗、低成本、集成化、多功能化。另外，设计、制造与封装测试的标准化也是面临的重要课题。
