过去数10年来，在几乎所有电子系统中，频率基准应用一直使用石英晶体谐振器及振荡器，因为石英晶体谐振器及振荡器稳定性好、电气性能卓越。为了克服性能限制并解决石英振荡器的可靠性问题，近几年来，人们一直试图用几种替代性产品来取代石英晶体，其中包括MEMS振荡器和CMOS振荡器。这类新的颠覆性产品在遇到冲击和振动时，具备更高的可靠性，而且外形尺寸更小，有可能集成到单个芯片中。不过，与石英振荡器相比，这些新产品的性能需要改进，尤其就高频基准应用而言。压电转换的pMEMS谐振器目前已经成为在高频、低噪声基准应用中，取代石英振荡器的强有力候选者之一。在本文中，我们将介绍pMEMS振荡器的设计原则和性能特点。
pMEMS谐振器
正如其名字所意味的那样，pMEMS谐振器由压电材料和单晶硅组成，这种谐振器利用了这两种材料的优势，即兼有压电石英谐振器和硅MEMS谐振器的优势。与典型的纯硅电容谐振器不同，pMEMS谐振器不需要任何DC偏置电压就可工作。这类合成的pMEMS谐振器具备更好的动生阻抗和线性功率使用容量，而且显示出了卓越的长期频率稳定性。pMEMS谐振器受益于压电材料强大的机电耦合特性以及单晶硅的稳定性和低衰减特性，具备非常低的动生阻抗和卓越的品质因数。图1显示了一个pMEMS谐振器的示意图，压电层和电极叠置在单晶硅层上。
给一个顶面电极加上电激励，以激发压电层，压电层的横向压电系数e31在整个器件中产生一个体声波。然后，该谐振器横向振动，而且通过压电层，机械运动被转换并被另一个顶面电极检测到。这种基本模式的谐振频率由该器件的横向长度L、合成谐振体的有效弹性常数Eeff以及有效质量密度决定。
就体声波在谐振体中向不同方向的传播而言，通过设计谐振器的厚度和宽度，以最大限度地减小在其他方向上的损失，可以最大限度地增大在所希望长度方向上的能量。图2显示了一个典型的107MHz谐振器，所测得的Q值为7453，IL为- 12. 4dB。
pMEMS谐振器是用CMOS兼容工艺制造的，采用晶片级封装。制造过程始于SOI晶片，在SOI晶片上沉积压电材料和电极材料。一旦电极形成，谐振体就由压电层和单晶硅衬底的大小和形状决定了。之后，将覆盖晶片粘合到器件晶片上，并沉积焊盘金属层，以形成密封的晶片级封装器件。图3显示的是晶片级封装的550×450×200μm3谐振器的3维图。
为了确切了解pMEMS，我们将切割好的晶片级封装pMEMS谐振器放到了一粒米上，如图4所示。
这种pMEMS谐振器用导线连接到IC芯片上，以形成振荡器。pMEMS振荡器的塑料封装拆解后如图5所示。器件性能
除了要克服石英晶体和传统ME MS在较高固有频率方面的挑战，我们还研究了石英的一些已知限制，例如频率扰动、老化、振动灵敏度等。
频率扰动：晶体振荡器的已知问题之一是频率扰动，这种频率扰动可能引起间歇性故障。这类故障对晶体谐振器的频率和电阻（即Q）都有影响。频率扰动通常由干扰模式引起（例如，高泛音挠曲模式），而且受到晶体驱动电平和负载电抗的强烈影响。ME MS振荡器没有这种频率扰动，因为ME MS谐振器设计为，随温度和工艺变化抑制不想要的、能损害晶体振荡器的模式。
冲击和振动灵敏度：此外，作为可靠性提高的体现之一，ME MS振荡器还具有更高的半导体级抗冲击及振动能力。标准石英器件易碎，因为晶体装在一个金属或陶瓷封装中，在受到50～100g的冲击时，晶体就能断裂。因此，制造商不得不执行专门的存储、包装和运输协议，以避免因粗心大意而损坏晶体器件。
我们评估了pMEMS振荡器的抗冲击及振动能力。在测试中，这类器件能非常容易地承受超过1500G的冲击和20G的振动，如图6所示。
pMEMS谐振器因尺寸小而产生了更高的可靠性，即较小的质量产生了更好的振动/冲击灵敏度。除了满足军用级冲击/振动规范，pME MS器件在经过70000G的冲击测试后，依然能保持正常工作。
频率稳定性：通过对这些塑料QF N封装的pME MS器件进行长期老化（即频率漂移）测试，我们也测量了这些器件的长期频率稳定性。在这些测试中，塑料封装的pM E M S谐振器与石英器件一起，放置在温度受控的容器中。在为期21个月的时间内，在25℃的条件下，pME MS器件的频率变化小于±2. 5ppm，这好于石英±5ppm的典型性能。
此外，在125℃的温度条件下测试时，pMEMS器件在4500小时内显示了不到±3ppm的频率漂移，这远远好于典型的±10ppm石英测量值。
最后，展示一下这些高性能亚ps级抖动（12kHz～20MHz）的pMEMS振荡器在真实世界中的性能，如下图所示，我们将pME MS振荡器用于3种应用，即网络、FPGA和存储应用。
所有这些pMEMS应用演示都在世界各地各种不同的展览会上展示过，都可以在IDT的展台上看到。ME MS产品的其他优点包括：自然而然地与表面贴装组装工艺兼容，从订货到交货的时间很短；这使供应商和用户（电子产品制造商）能保持较少的器件库存，供应短缺风险也降低了。IDT的MEMS振荡器以高达625MHz的频率，支持低压差分信号（LV DS）和低压正发射极耦合逻辑（L V PE C L）输出，而在大多数通信、网络和高性能计算应用中，都有这类要求。
面向高频、低相位噪声（< 1. 0ps）定时基准应用的新一代pME MS振荡器已经推出。pME M S器件的高性能以及紧凑性和稳定性已经证明，这种技术经济实惠且更加可靠，可取代石英晶体振荡器，用于高频频率基准应用。
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