你不知道的MEMS与QUARTZ振荡器相爱相杀的历史
　　关于是使用MEMS更好还是QUARTZ比较好,这个问题已经存在了至少十年,至今也没有一个有效的答案,这在学界和业界里来说,其说法也比较笼统,反正还没有一个定论.但是行业里有两种声音,一种说是MEMS会替代石英晶振成为频率元件的主导方向,另一种说法是MEMS无法完全代替QUARTZ.分成两派谁也无法说服谁,可以说这么多年来硅晶与石英是一种相爱相杀的关系了,即不能完全摆脱对方的存在,也无法共存或结合在一起,以下内容是有关于MEMS的发展历史,以及与石英晶体/石英晶体振荡器相争的过程.
　　微机电系统或MEMS,是可以定义其最一般形式的技术作为使用微细加工技术制成的小型机械和机电元件(即设备和结构).MEMS器件的关键物理尺寸可能从尺寸范围的下端的一微米以下到几毫米不等.同样,MEMS器件的类型可以从没有移动元件的相对简单的结构到非常复杂的结构.
　　在集成微电子控制下具有多个运动元件的复杂机电系统.MEMS的一个主要标准是”至少有一些元件具有某种机械功能,无论这些元件是否可以移动.”MEMS技术现在被广泛用于传感器和执行器应用中.此外,MEMS技术的新兴应用正在取代传统的晶体振荡器.本文将重点研究MEMS与晶体的关系,以阐明它们在先进电子设计中的地位.
　　压电晶体谐振器(晶体振荡器)是WalterCady博士发明的,并在1920年代初获得了专利.1921年,Cady设计了第一个基于石英晶体谐振器的频率控制电路,并于1923年获得了两项关于石英晶体谐振器及其在无线电中的应用的基本专利.随后,晶体振荡器迅速成为控制无线电通信和其他早期电子应用中的频率的标准.
　　上个世纪后期,高频电子应用的快速发展推动了振荡器技术的发展.已开发出成本更低的晶体振荡器替代品,以在频率精度要求不高的应用中提供定时功能.例如,在诸如VCR,电话,玩具之类的应用中可以找到陶瓷谐振器,最近,MEMS振荡器已成为晶体的替代品.
　　根据新墨西哥大学西南微系统教育中心在2008年发表的一篇论文,”自1960年代中期以来,用于MEMS可编程晶振的核心技术一直在开发中,但自2006年以来仅在商业应用方面足够先进.”振荡器是较老的,更成熟的石英晶体振荡器的有效替代品,具有更好的抗振动和机械冲击能力,以及温度变化方面的可靠性.”
　　从这一表述来看,也许可以得出结论,晶体振荡器在标准的层次结构中已经失去了地位,但这远非现实.下页顶部的图1所示,SiMEMS器件的框图由MEMS谐振器,稳定的锁相环和其他电路组成,以提供温度稳定性.航空航天技术,军事制导系统,井下钻井控制等领域的应用发展迅速,与性能最佳的MEMS器件相比,整个应用范围更适合于先进的晶体振荡器.虽然比MEMS昂贵,但晶体振荡器的固有简单性增加了它们的可靠性.

　　对有关MEMS振荡器性能的详细信息的搜索会导致大量相互矛盾的信息.在准备本文时,审查了两个详尽的报告:
　　维基百科上有关该主题的文章是来自西南微系统教育中心的引文(上).尽管这是一篇引人注目的文章,但Wikipedia实际上将其标记为具有”写为广告的内容”.我以为可以假设许多Wiki帖子都受此困扰.即使这样,这篇文章还是值得花时间阅读的.
　　在2014年9月由爱普生晶振(Epson)发表的白皮书中,也许找到了与高可靠性应用相关的更相关的信息来源.尽管该论文是由一家公司比较其自己的石英晶体振荡器与可比较的MEMS器件而制作的,结果值得考虑.
本文比较了五个关键领域的性能:
相位噪声和相位抖动
　　实验室测量表明,晶体振荡器的相位噪声要比两个Si-MEMS振荡器中的任一个更好.
功耗
　　晶体振荡器的功耗最低,为1.5mA,比”标准”Si-MEMS可编程晶体振荡器低5倍,比”低抖动”Si-MEMS振荡器低20倍.
　　-晶体振荡器具有最低的功耗,因为它们具有振荡源的基本谐波振荡和简单的电路结构的优势.
　　-相比之下,Si-MEMS振荡器消耗的功率更多,因为它们具有更多的电路.
启动特性
　　与MEMS器件相比,使用具有快速启动功能的振荡器可以缩短唤醒周期并延长电池寿命.
频率温度特性
　　首次检查时,Si-MEMS振荡器的频率和温度特性似乎更好.仔细检查发现,当分频比切换以补偿温度变化时,Si-MEMS振荡器会出现跳频.
频率稳定度
　　“标准”Si-MEMS晶振的跳频远远超过大多数无线射频标准.”低抖动”Si-MEMS振荡器具有更好的性能,但石英振荡器更加稳定.
　　MEMS振荡器需要更复杂的电路来执行基本功能并补偿温度变化和其他变量(图1).尽管其本质上更为复杂,但MEMS通常比晶体振荡器便宜得多.随着采用新兴MEMS拓扑结构实现的所有其他功能,低成本MEMS振荡器的适应性显然将增加.此外,MEMS振荡器可以很好地应对冲击和振动.不利的一面是,MEMS振荡器通常表现出较低的Q值,这会导致较差的相位噪声和抖动,如参考白皮书所证明的那样.最后,MEMS器件电路根本无法处理与空间相关的辐射暴露.
　　考虑到所有这些因素,在众多应用中,MEMS振荡器是首选解决方案.较低的成本和可接受的性能水平使这些设备非常适合大批量消费产品,包括手机,玩具,游戏,汽车娱乐/导航系统等.在某些短期应用(一次完成)很重要而长期稳定性不重要的航空航天应用中,也可以考虑使用MEMS.
　　那么,经典的高性能晶体振荡器又在哪里呢?简单的答案可能是在高性能应用程序中,绝对不需要”服务呼叫”!低地球轨道(LEO)和地球同步轨道卫星等空间应用是其中之一.像井下钻井这样的高温应用将是另一种应用.军事和航空电子应用(如导弹制导和导航系统)的温度和频率稳定性至关重要.高清视频显示器中还发现了贴片石英晶振,除了出色的性能外,其他任何东西都将显而易见.
　　MEMS技术正在进入振荡器应用领域,其低成本提供了一种有吸引力的解决方案.但是,超高可靠性的世界仍然是并将仍然是古老的晶体振荡器的领域.
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