隨著射頻系統小型化及對晶振抗振性、相位噪聲等參數要求越來越高，石英晶體諧振器尺寸進一步減小。微電子機械系統(MEMS)技術利用IC加工技術實現微納米尺度加工，在加工精度、加工手段、EDA(計算機輔助設計)等方面具有先天優勢，因此石英晶體技術與MEMS技術的結合成為必然趨勢。

1、EPSON公司的QMEMS技術

EPSON公司在上世紀七十年代，即將MEMS的光刻技術應用于音叉諧振器的生產，隨著該技術在石英晶體元件領域的進一步應用，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的微納米加工技術手段，進一步縮小石英晶體元件的尺寸，抵制硅諧振器產品對市場的侵蝕。

圖2、石英晶體元件機械加工與QMEMS加工工藝的比較

(1)利用QMEMS技術實現的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微米的極薄的構造(反向臺構造)，可以在保持芯片的強度的同時，將高頻中的基波振蕩變為可能。

圖3、QMEMS的技術優勢

圖4、利用QMEMS技術實現的反向臺結構

(2)QMEMS使用MEMS的光刻技術實現了小型化的蝕刻型晶體與振蕩器

原來的機械加工首先將石英切成片后對每片進行倒角。因此，每片石英芯片的形狀均不相同。與此相對，利用MEMS技術的光刻加工是以晶圓為單位進行精微加工。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工藝與機械加工工藝對比

使用MEMS技術的光刻加工，可以使石英晶體芯片的形狀保持均一。與機械加工相比，即使是超小型石英晶體單元，也可以實現不均度少的優越的溫度特性。

圖6、2.0×1.6mm規格的AT型晶體(26MHz)的頻率溫度特性

2、臺晶科技(TXC)的MEMS技術應用

***TXC也將MEMS的微納米加工技術引入石英晶體元件的加工，降低晶體元件的體積。并且將MEMS技術中的圓片級封裝技術方面也做了大量的積累，并申請了大量相關專利，以進一步縮小元件的體積。

圖7、MEMS的圓片級封裝技術

隨著石英晶體元件尺寸的進一步縮小以及SMD技術的廣泛應用，臺晶公司及國內外眾多石英晶體元件公司將MEMS技術中常用的多物理場有限元仿真方法應用于石英晶體元件的設計，降低由于尺寸降低引起的寄生模態和錨點損耗。

圖8、有限元仿真方法在石英晶體元件設計中的應用

3、美國HRL實驗室石英晶體MEMS技術

美國HRL實驗室在美國軍方DARPA項目的支持下，大力發展MEMS技術與石英晶振結合的MEMS圓片級封裝技術。將石英晶體技術完美融合入MEMS加工方法，提高石英晶體元件的集成度和性能。

圖9、實現石英晶體與ASIC電路的圓片級集成和封裝

結論：

MEMS技術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得到廣泛應用，相關產品頁越來越多。在石英晶體元件小型化及SMD技術發展過程中，由于小型化引起的寄生模態及損耗影響也通過MEMS技術常用的多物理場有限元仿真方法得到改善和避免。石英晶體技術與MEMS技術的結合必將進一步深化，在實現小型化的同時提升石英晶體元件的性能。