20世纪中期以来，频率操控的商场便是由石英晶体谐振器和石英振动器所主导的。乃至到了今日，简直一切的电子设备在某方面仍是依靠机械石英晶体来发生多种或许运转频率中的至少一种。现在商场上有许多的电子器材，从吉他扩音器到腕表，从智能手机到叉车等，其间绝大多数都运用晶体或晶体振动器（XO）。
因为电子商场每年要用到许多的晶体，巨大的规模经济促进了石英晶体和石英振动器的制作精细程度到达了新高——供给了更小、更薄、频率更高的解决计划。在此之前，可行的石英晶体代替计划寥寥无几，因为石英压电谐振器的特性和稳定性众所皆知，所以很简单做出功能牢靠的晶体振动器。
但是曩昔几年来，仿效具有两个元件（谐振器和放大器）架构的晶体振动器的微机电体系（MEMS）振动器已打入了频率操控商场。这些MEMS振动器具有绝佳的牢靠性，而且可供给具有本钱优势的各种封装尺度，尤其是在晶体振动器上归于高本钱结构的细巧型封装。此外，通过引入单芯片MEMS解决计划，把MEMS谐振器直接叠放在CMOS放大器基座的上方后，MEMS振动器的牢靠性、可编程性、温度稳定性和本钱水平现在也得以更上一层楼。
晶体振动器
晶体振动器的作业频率规模广——从几千赫兹一直到几百兆赫兹。晶体振动器在金属盖密封陶瓷封装中结合了石英谐振器以及放大器电路。陶瓷封装和金属盖为十分软弱的晶体供给了强壮的防护罩，使拼装好的元件防止受损。一般来说，放大器电路会充分运用晶体的压电性，以电反应来发明特定频率的共振或振动，并由晶体谐振器的巨细、切开和电镀来操控。为了支撑电子工业所需的规模广大的频率，频率操控供给供给商有必要规划、贮存和制作数百、乃至数千种不同的定制晶体谐振器。
除了定制晶体谐振器，石英振动器解决计划还面对着制作上的应战。在整个晶体商场上，便携设备占有很大的比重。愈加轻浮小型的便携设备使一切的供给商有必要供给体积愈来愈小的元件。而跟着一切需求频率的石英谐振器尺度的减缩，更小、更软弱的晶体给制作的杂乱度与牢靠性带来了应战，这就为晶体式振动器带来了问题。此外，晶振计划在每个商场上都面对着一大难题，那便是它们先天上对环境要素很灵敏，像轰动、摇晃、热应力和制作上的改动都会形成发动问题和后续的运用毛病。
MEMS谐振器
曩昔几年来，MEMS振动器已成为石英解决计划的可行代替计划，原因有几点。榜首，MEMS振动器是在以硅资料为根底（硅工艺，silicon-based processes）的工艺流程中制作，其质量办理十分严厉，因而只需供给商规划、保证和赋予振动器的特性妥当，所出产的许多元件都能具有十分牢靠的功能。
第二，硅工艺的直接成果便是契合摩尔规律，亦即处理才能会愈来愈强壮，本钱会愈来愈低。换句话说，更小、更先进的硅器材在本钱上势必会逐步下降。而惋惜的是，晶振计划则和这项规律各走各路，亦即资料会跟着它体积的缩小而变得更贵，原因就在于上述的制作难题。此外，跟着晶体的制作变得更难且更贵，其产值也会因为器材愈来愈软弱与细巧而下降。
第三个长处相同源于硅工艺。归于硅解决计划的MEMS振动器天生就对环境要素比较有反抗力。但这并不代表一切的MEMS解决计划在这方面都相同抱负，产品规划会大大影响到不同的MEMS振动器的作业才能。不过，硅解决计划比晶体、尤其是小晶体在反抗轰动与摇晃才能方面更强，这是不争的现实。
榜首代MEMS振动器
榜首代的MEMS振动器跟石英振动器的架构相似，都是把两个天壤之其他元件结合起来，一是谐振器，一是能补偿谐振器频率的任何漂移（drift）的放大器IC/基座芯片。选用MEMS使振动器的制作大为改进，因为它免除了石英振动器所需求的杂乱资料处理技能，而且把石英振动器所运用本钱较高的陶瓷封装和金属盖换成了比较经济实惠的塑料封装。
不过，这种榜首代的做法在先天上仍是遭到石英振动器所运用的两层元件架构的约束。这些约束首要体现在两个元件的封装杂乱，一起电路数量至少是相似的单晶式拼装所需求的两倍。这会使得封装比较贵重，潜在失效点也会比相似的单晶/拼装工艺要多。
另一层约束是，两层元件的解决计划缺少可以有用补偿一切温度改动的才能，而这也是晶振计划所面对的问题。这点是因为两层元件（谐振器和放大器/基座）所组成的体系有必要同步运转。基座则是在补偿由温度形成的谐振器的频率改动。因为两种器材没有整合，而是各自独立并靠多条焊线相连，因而当温度改动时，它们并不会同步运转。这种缺少直接联络的景象会形成这些体系在温度改动时发生偏移。现实上，在温度改动的多种情况下，晶体振动器的体现仍是比多芯片的MEMS器材要好。
第二代MEMS振动器
近期在工艺技能上的新进展使MEMS振动器得以直接制作在CMOS基座芯片的上方。这是很大的前进，原因有几点。榜首，在规范代工厂里制作单芯片时，本钱会低于用多家代工厂的元件来制作双芯片解决计划，或是制作晶体式解决计划。第二，在单芯片的架构中，谐振器是直接和基座补偿与放大器芯片整合起来的，等于是单一的整合体系，稳定性一流，能克服晶体和榜首代MEMS所敷衍不了的轰动、摇晃、老化和温度动摇等问题。最终，一如摩尔规律所示，单芯片解决计划比以往的解决计划供给了更大的弹性与效果，其价位一般来说也比较低。
CMEMS技能（CMOS和MEMS这两个缩写的简称）的面世完成了MEMS和CMOS的单芯片整合。这项一起的技能与工艺是由Silicon Labs联合其他抢先的代工业者开发而成。CMEMS是同类工艺的前驱，它能把高质量的MEMS层直接构建于先进CMOS技能之上，而成为单一的单芯片。Silicon Labs的第一批CMEMS产品是MEMS振动器，在规划上可供给10年的牢靠性保证，不受轰动与摇晃的影响，灵敏的可编程方法满意许多的使用需求，在温度改动的环境中展示优异的功能。
讨论单芯片的长处
榜首代两层芯片MEMS振动器的架构有必要把MEMS谐振器芯片和振动器芯片线焊起来，所以会添加本钱、杂乱度，以及多芯片模块（MCM）规划中的许多失效点。再者，在榜首代两层芯片的解决计划中，MEMS谐振器是由坐落欧洲的专业MEMS代工厂所打造，制作本钱八成比在亚洲要高。这些MEMS谐振器的晶圆会通过单一化（singulated），再跟坐落远东本钱较低的代工厂所出产的规范CMOS芯片一起封装。
CMEMS振动器是由世界第二大规范CMOS代工厂中芯世界（SMIC）所打造。CMEMS谐振器选用使用广泛价格便宜的硅锗（SiGe）资料直接建构于CMOS之上。这种工艺立异使CMEMS解决计划得以受惠于单一来历的较低本钱晶圆，而防止了多芯片和许多焊线所导致的裕量仓库（margin stacking）与杂乱封装。
温度补偿
跟两层芯片的架构比起来，单芯片CMEMS振动器在功能上还有其他优势。根据上述的种种原因，两层芯片的架构所供给的输出频率或许会遭到温度改动的负面影响。
如图1所示，把抢先的晶体振动器、榜首代MEMS振动器和Silicon Labs的CMEMS暴露在温度快速改动的景象中来丈量输出频率的稳定性。抱负的成果是Y轴的零值没有发生改动，这代表温度的改动并没有使输出频率改动。
图1：温度骤冷对晶体振动器、榜首代MEMS和CMEMS的影响。
晶体振动器（XO）所发生的频率偏移到达了声称的20 ppm的两倍，榜首代MEMS解决计划所发生的频率偏移则到达了20ppm标准的八倍。这两种解决计划跟CMEMS形成了激烈的比照，CMEMS和方针频率相差不到1ppm。
Si50x CMEMS振动器概述
图2显现了Silicon Labs Si50x CMEMS振动器的单芯片架构。
图2：Silicon Labs单芯片CMEMS谐振器电路图。
Si50x振动器系列产品可支撑32kHz和100MHz之间的分辨率到达六位数的任何频率。此振动器系列产品包含了四种基座器材，并可按照供电电压、输出升降时刻、频率稳定性、温度支撑等来做装备。这些器材在功能上与许多晶体振动器和榜首代MEMS解决计划兼容，而且是以引脚兼容的4引脚封装来供给（2mm&TImes;2.5mm、2.5mm&TImes;3.2mm和3.2mm&TImes;5mm）。
