隨著射頻系統(tǒng)小型化及對晶振抗振性、相位噪聲等參數(shù)要求越來越高，石英晶體諧振器尺寸進(jìn)一步減小。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)利用IC加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)微納米尺度加工，在加工精度、加工手段、EDA(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))等方面具有先天優(yōu)勢，因此石英晶體技術(shù)與MEMS技術(shù)的結(jié)合成為必然趨勢。

1、EPSON公司的QMEMS技術(shù)

EPSON公司在上世紀(jì)七十年代，即將MEMS的光刻技術(shù)應(yīng)用于音叉諧振器的生產(chǎn)，隨著該技術(shù)在石英晶體元件領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，使得石英器件的尺寸大幅縮小。

圖1、早期音叉石英晶體諧振器尺寸演變

隨著SiTime等公司的硅諧振器產(chǎn)品對石英晶體諧振器的沖擊，EPSON公司正式提出QMEMS概念，利用MEMS的微納米加工技術(shù)手段，進(jìn)一步縮小石英晶體元件的尺寸，抵制硅諧振器產(chǎn)品對市場的侵蝕。

圖2、石英晶體元件機(jī)械加工與QMEMS加工工藝的比較

(1)利用QMEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的HFF晶振

使用光刻加工，通過只將晶體芯片的激勵部加工成數(shù)微米的極薄的構(gòu)造(反向臺構(gòu)造)，可以在保持芯片的強(qiáng)度的同時，將高頻中的基波振蕩變?yōu)榭赡堋?/p>

圖3、QMEMS的技術(shù)優(yōu)勢

圖4、利用QMEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的反向臺結(jié)構(gòu)

(2)QMEMS使用MEMS的光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了小型化的蝕刻型晶體與振蕩器

原來的機(jī)械加工首先將石英切成片后對每片進(jìn)行倒角。因此，每片石英芯片的形狀均不相同。與此相對，利用MEMS技術(shù)的光刻加工是以晶圓為單位進(jìn)行精微加工。所以，形狀不均可以控制到較小。形狀不均將引起石英晶體元器件的特性不均。

圖5、QMEMS工藝與機(jī)械加工工藝對比

使用MEMS技術(shù)的光刻加工，可以使石英晶體芯片的形狀保持均一。與機(jī)械加工相比，即使是超小型石英晶體單元，也可以實(shí)現(xiàn)不均度少的優(yōu)越的溫度特性。

圖6、2.0×1.6mm規(guī)格的AT型晶體(26MHz)的頻率溫度特性

2、臺晶科技(TXC)的MEMS技術(shù)應(yīng)用

***TXC也將MEMS的微納米加工技術(shù)引入石英晶體元件的加工，降低晶體元件的體積。并且將MEMS技術(shù)中的圓片級封裝技術(shù)方面也做了大量的積累，并申請了大量相關(guān)專利，以進(jìn)一步縮小元件的體積。

圖7、MEMS的圓片級封裝技術(shù)

隨著石英晶體元件尺寸的進(jìn)一步縮小以及SMD技術(shù)的廣泛應(yīng)用，臺晶公司及國內(nèi)外眾多石英晶體元件公司將MEMS技術(shù)中常用的多物理場有限元仿真方法應(yīng)用于石英晶體元件的設(shè)計(jì)，降低由于尺寸降低引起的寄生模態(tài)和錨點(diǎn)損耗。

圖8、有限元仿真方法在石英晶體元件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3、美國HRL實(shí)驗(yàn)室石英晶體MEMS技術(shù)

美國HRL實(shí)驗(yàn)室在美國軍方DARPA項(xiàng)目的支持下，大力發(fā)展MEMS技術(shù)與石英晶振結(jié)合的MEMS圓片級封裝技術(shù)。將石英晶體技術(shù)完美融合入MEMS加工方法，提高石英晶體元件的集成度和性能。

圖9、實(shí)現(xiàn)石英晶體與ASIC電路的圓片級集成和封裝

結(jié)論：

MEMS技術(shù)最為微納米尺度加工手段，在石英晶體元件的小型化及集成化方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品頁越來越多。在石英晶體元件小型化及SMD技術(shù)發(fā)展過程中，由于小型化引起的寄生模態(tài)及損耗影響也通過MEMS技術(shù)常用的多物理場有限元仿真方法得到改善和避免。石英晶體技術(shù)與MEMS技術(shù)的結(jié)合必將進(jìn)一步深化，在實(shí)現(xiàn)小型化的同時提升石英晶體元件的性能。