对MEMS振动器的已超越四十个年初，但是最近才走向商用化，其间最大的一个妨碍是开发一种经济并满意纯真的密闭封装体系。MEMS振动器有必要密封于十分洁净的环境，因为即便极小的外表污染物也会显着改动振动频率。别的，因为封装对本钱灵敏，所以封装还有必要低本钱。
因而，MEMS振动器的封装有必要满意四大要求：（1）供给极端洁净的内部环境；（2）供给安稳的机械结构；（3）小型化，合适CMOS集成并能发挥MEMS的利益；（4）低本钱。
SiTIme公司的MEMS-First晶圆级密闭和封装技能可满意这些要求。SiTIme公司的MEMS振动器通过在晶圆外表下埋葬外延层密封多晶硅技能来完结密闭，并与驱动电路一同，通过划片，浇铸成标准塑料封装集成电路。这种密闭和封装技能并不贵重且十分洁净，选用这种技能制作出来的硅MEMS振动器具有与石英振动器类似的功能，有望完结大规模商业运用。
要特别注意参阅振动器的封装清洁度，未封装的振动器每天的漂移可达上百ppm数量级。主导时刻参阅源商场的石英振动器一般选用金属封装或真空陶瓷封装，对MEMS振动器也可选用类似的封装，但存在安稳性问题。阳极氧化绑定掩盖技能能为某些运用的振动器类型供给洁净的环境，但仍达不到满意的洁净，而且不具备普遍性。
MEMS振动器的封装应该运用MEMS的利益，即小尺度、可与CMOS工艺集成，以及集成电路制作技能带来的本钱下降。不然，MEMS振动器很难与老练的石英技能竞赛。
当MEMS需求经用的掩盖时，一般计划包含大型显微机械加工硅或由玻璃掩盖的晶圆的晶圆绑定。晶圆绑定技能现已量产，例如它们已用于Bosch公司的安全气袋和偏航传感器运用。晶圆绑定技能包含如玻璃熔化、焊接、紧缩绑定等。
虽然这种掩盖需求供给机械维护，但只在一些特别情况下能为时钟参IC供给满意洁净的环境。绑定掩盖导致体系本钱显着上升，一般超越振动器自身的本钱。它们需求安装和晶圆到晶圆的掩盖对准，并使MEMS器材的厚度加倍，还需求很大的芯片面积用于放置密闭环和绑定焊盘。密闭环和绑定焊盘或许占用80%~90%的芯片面积，其本钱占封装后MEMS振动器本钱的80%~90%以上。
薄膜封装技能是绑定掩盖的一种代替技能，一般根据薄膜层，如低压化学气相淀积（LPCVD）氮化物或多晶，或根据镀金金属。这种技能不存在大的密封环，且不受绑定布局的约束，但一般不能耐受注塑成型的压力，无法为频率参阅源供给满意的洁净。SiTIme的密封技能根据外延多晶，并由氧化物密封，它针对耐受加快环境运用而规划，而不是为洁净环境而优化。
对氧化物密封封装测验成果表明：当温度发生变化时，谐振器存在数十ppm的频率迟滞。外延密封的谐振器被成功地运用于谐振压力传感器，这种谐振器选用纯真的单晶工艺电化学结构的封装。
SiTIme的密封不需求密封圈或严厉的绑定焊盘，而且电气衔接能够引到芯片外表的恣意恰当方位，以更有用地运用芯片面积（芯片面积只要选用绑定掩盖技能的十分之一）。这种密封的机械强度很高，在改动芯片封装注塑成形工艺情况下能接受几百个大气压。这种密封一起还能供给十分纯真和安稳的真空环境，十分合适参阅振动器运用。这儿给出的密封MEMS振动器安稳性数据与石英晶体振动器类似。最终值得一提的是，该产品工艺十分经济，可大节操约本钱。
加工工艺
SiTime谐振器的制作进程如图1所示：（1）在10-20um厚SOI（绝缘体硅）衬底上通过反应离子刻蚀（DRIE）构成谐振器结构图画；（2） 淀积一层氧化物并构成图画，以掩盖被挑选的谐振器部分，并供给到驱动和感应电极的电气触摸；（3）淀积1.5um厚的外延层并构成至氧化物的焊盘；（4）由通孔挖除谐振器结构自由空间上下的氧化物；（5）谐振腔用SiTime的EpiSeal工艺密封于外延环境，构成洁净的密封空间；（6）晶圆通过化学机械抛光（CMP）构成平面，绝缘延伸构成触摸图画，曲折成10-20um厚的外延多晶密封层；（7）淀积构成绝缘氧化层、金属衔接和掩膜，或许制作CMOS。
去除氧化物之后，第一次和第2次淀积在氧化层和单晶上淀积成长多晶硅，通过将CMP暴露在单晶体润滑区域使之能集成CMOS电路。环形空腔的真空度高达挨近10mT，本质上能避免水污染和高气压污染。
图2是工艺在触摸与金属化之前发生的完好的扫描隧道显微镜（SEM）结构图，从中可看到封装与谐振器的晶圆外表和剖面结构。
密封的谐振器通过划片，并以标准的注塑模具进行封装。图3给出了一种2.5×2.0×0.85mm塑料封装的规划原理，行将MEMS谐振器安装在CMOS驱动电路之上。这种封装办法经济有用，是QFN/MLF技能的折衷考虑。它是振动器中的一种极小封装，而且将来尺度会更小。
丈量成果
丈量成果显现，选用这种封装的MEMS振动器在初始频率安稳性、长时刻频率安稳性、长时刻封装密封功能、耐温特性以及循环温度安稳性方面，与石英振动器适当。
图4给出了一种温补密封MEMS振动器的初始频率安稳度测验数据。这些数据在50℃温度下起振几分钟后开端搜集，成果显现超越14天的振动漂移小于50ppm。图5是振动器在25℃温度下作业8，000小时的长时频率安稳度数据，丈量到的总漂移2ppm在丈量仪器界说的3ppm规模内。
图6显现了在进行温度循环实验时两个振动器的频率安稳度。数据在-50℃到+80℃正温度循环和负温度循环中的30℃情况下取得，数据收集自600个温度循环，以3ppm为标准容许规模则没有频率漂移。
图7为补偿后的频率安稳性数据， 温度从-40℃到+85℃规模内扫描两次并返回到-40℃。整个温度规模的总频率差错小于100ppm （200ppm丈量噪底，30ppm丈量差错），迟滞大约小于50ppm。
这些成果与石英振动器的功能具有可比性。因为仪器自身的约束，谐振和封装技能的潜能还没有被充分体现出来。丈量由高功能的实验室仪器完结，这反映了该技能自身的潜能，而不是产品标准界说的规模。
总归，本文展现了一种适用于MEMS振动器的制作工艺，以及一组可与传统的石英晶体技能相媲美的丈量数据。这些丈量数据是目前为止得到的最安稳的MEMS振动器数据。此MEMS振动器合适商业运用。
