MEMS振荡器会一统晶振江湖？

　　MEMS振荡器概述

　　MEMS振荡器实现方式也有多种，如利用MEMS技术实现谐振腔的传统MEMS振荡器、结合石英晶体技术的QMEMS振荡器、以及完全兼容半导体工艺的全硅MEMS振荡器，目前全硅MEMS振荡器发展趋势最好。

　　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。

　　全硅的MEMS振荡器技术，由两个芯片堆栈起来，如下图所示：

　　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。

　　MEMS振荡器市场分析

　　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。

　　MEMS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。

　　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。

　　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。

　　MEMS振荡器优缺点

　　MEMS硅振荡器与石英振荡器优缺点对比：

　　1. 集成化

　　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。

　　2．成本

　　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。

　　3．频率范围

　　MEMS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。

　　4．环境适应性

　　MEMS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。

　　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。

　　6. 体积

　　MEMS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。

　　MEMS振荡器竞争格局

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　SiTime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。

　　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。

　　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。

　　NXP、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。

　　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。

　　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。

　　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。