在标准CMOS芯片上集成高精度振荡器的梦想，已经由Silicon Labs公司和他们最新推出的Si50x CMEMS振荡器系列变为现实。
2010年，Silicon Labs通过收购一家名为Silicon Clocks的公司，获得了在大批量生产中把MEMS架构直接构建于标准CMOS晶圆上，实现完全集成的、高可靠性的“CMOS+MEMS”(又称CMEMS) 技术，从而为推出单晶片(single-die)振荡器解决方案，用以替代工业、嵌入式和消费类电子应用中的通用型晶体振荡器(XO)，以及MEMS和传统硅振荡器奠定了基础。
“CMEMS振荡器具有更小尺寸、更高可靠性、更佳抗老化性以及更高集成度。”Silicon Labs 公司副总裁暨时序产品总经理Mike Petrowski说，“这是频率控制市场的重要技术进步。通过结合MEMS和XO两者的最好特性，我们能够为成本和功耗受限的嵌入式、工业和消费类电子应用提供最佳的通用型振荡器解决方案。”
Si50x是首个采用Silicon Labs CMEMS技术的产品系列，由于在单晶片上了集成MEMS谐振器和CMOS振荡器电路，其能够在CMOS工厂进行大批量生产制造，应用目标则锁定于数码相机、存储和内存、ATM机、POS机和多功能打印机等领域。
中芯国际(SMIC)负责Si50x振荡器的生产制造。Mike Petrowski认为，SMIC拥有一流的标准CMOS工艺生产线，支持完整振荡器系统的晶圆探测，易于获得最高级的质量和工艺控制。同时，由于CMEMS振荡器是集成的单片IC，配合采用广泛生产的模塑复合物4引脚封装，可再次确保可预见和可靠的供应链。
与Silicon Labs所有其他振荡器产品一样，Si50x振荡器可提供网络定制的2周样品交付周期，也可通过Silicon Labs销售合作伙伴在客户现场即刻编程。此外，Si50x振荡器与现有的石英或MEMS振荡器引脚和封装兼容，可实现快速便捷的替换解决方案。
Silicon Labs Si501/2/3/4 CMEMS振荡器现已量产，具有三种工业标准的4引脚DFN封装尺寸：2mm×2.5mm、2.5mm×3.2mm和3.2mm×5mm。在一万颗采购量，Si50x振荡器单价为0.44美元起。为了方便CMEMS振荡器评估和应用开发，Silicon Labs还提供Si501-2-3-4-EVB评估套件，价格为99美元，包括预编程的Si504器件和适合各封装尺寸的开放插座，以方便客户评估。
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CMEMS=COMS+MEMS
与任何其他集成MEMS的方法相比，CMEMS技术可以在CMOS电路上直接进行MEMS器件的模块化后处理，这是独一无二的。Silicon Labs方面称，CMEMS是首个可以在先进RF/混合信号CMOS技术(≤0.18μm)上直接进行高质量MEMS层后处理的技术，通过结合Silicon Labs混合信号的专业知识，CMEMS技术可以采用单一参考频率生成几乎所有频率输出，并且输出频率与大批量生产的晶体振荡器一样稳定。下图展示了CMEMS制造的基本流程：
图1. CMEMS制造基本流程
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(a)起始材料以钝化和平面化CMOS晶片形式存在，(b)多晶SiGe采用表面微机械形式生成集成的MEMS器件，(c)他们在真空中通过晶圆级绑定。整个完成的晶圆继续探测，(d)裸片成型和标准化小尺寸打包装配，像一个标准的CMOS产品。
CMEMS谐振器采用两种材料制造：多晶锗硅(poly-SiGe)和二氧化硅(SiO2)。其中，SiO2狭缝是Silicon Labs CMEMS知识产权中的一个关键组成部分。Mike Petrowski解释称，SiO2具备与SiGe相反的温度系数。这种复合材料设计提供了谐振器的被动补偿，允许CMOS系统使用更小、更简单、更低电能和更高成本效率的电路，以便更精确的补偿整个产品运行生命周期中的频率漂移。此外，拓扑结构、锚放置点、跳跃结构和材料布局等，也被视作CMEMS谐振器架构中的关键创新之处。
图2. Si50x CMEMS谐振器影像
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在经典的“魔鬼测试”中，即暴露在骤冷和骤热环境下，能够帮助快速验证CMEMS相关选项的好处。Silicon Labs提供的数据显示，双组件(Two-Die)解决方案容易受到热迟延影响，很难进行热环境下的系统补偿，导致操作频率有很大偏差。换句话说，单片CMEMS解决方案仅有极小的变化，这在非控制的或非预期的环境中提供了更好的稳定性。值得注意的是，在两幅图中通过闭合的高精度Y轴坐标上展示了Si50x CMEMS振荡器的变化，而对于传统的晶体振荡器和MEMS振荡器图来说，由于偏差太大，它们在同样高精度的Y轴上难以观察。
图3. Si50x振荡器不受骤冷影响
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图4. Si50x振荡器不受骤热影响
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图5. Si50x与XO在-40至85℃时输出频率稳定性对比
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本文下一页：晶体、MEMS和CMEMS振荡器老化测试结果对比
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与现有的混合技术相比，CMEMS长期老化性能也很优秀。图6提供了几个晶体和MEMS振荡器与Si50x CMEMS振荡器的对比图。在这个图中，晶体振荡器根据MIL-0-5530B在70℃进行老化，而所有MEMS和CMEMS器件在125℃进行老化，然后推算到相同时间。此外，CMEMS芯片对现有的MEMS技术方法进行了相当多的改进，为采用CMEMS技术的系统提供了整个生命周期内的更高稳定性。
图6. 晶体、MEMS和CMEMS振荡器老化测试结果对比
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Si50x CMEMS振荡器支持32kHz-100MHz之间的任意频率。频率稳定性选项包括±20ppm、±30ppm和±50ppm，运行温度范围支持商业应用(-20℃至+70℃)和工业应用(-40℃至+85℃)。CMEMS振荡器还提供丰富的现场和工厂可编程特性，包括低功耗和低周期抖动模式、可编程的上升/下降时间，以及可配置高/低输出使能功能。
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