MEMS定時(shí)正在成為精準(zhǔn)時(shí)鐘的未來

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在我們?nèi)粘Ｄ芤姷降娜魏坞娮酉到y(tǒng)中，都需要一個(gè)或多個(gè)定時(shí)設(shè)備，其數(shù)量具體取決于系統(tǒng)中的處理器、分區(qū)和各種功能。不論是手機(jī)、可穿戴設(shè)備終端這種小的電子系統(tǒng)還是汽車這種大的電子系統(tǒng)，“精準(zhǔn)定時(shí)”都是至關(guān)重要的。

石英定時(shí)，是傳統(tǒng)上電池供電電子系統(tǒng)中應(yīng)用最多的用以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘功能的技術(shù)路線，不論是32.768 kHz晶振和低功耗MHz石英振蕩器都是絕大多數(shù)系統(tǒng)中定時(shí)的關(guān)鍵電子元器件。但隨著可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端以及汽車電子等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，這一定時(shí)元器件，好像也不再那么精準(zhǔn)，那么可靠。

精準(zhǔn)定時(shí)，石英定時(shí)到MEMS定時(shí)

石英晶體振蕩器利用振蕩電路中的反饋?zhàn)饔?，使諧振回路在某一工作頻率下產(chǎn)生自激振蕩。晶體是諧振回路的基礎(chǔ)，它需要具有高品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定的諧振頻率。按照工作頻率劃分，有低頻晶振、中頻晶振和高頻晶振。石英晶體振蕩器創(chuàng)建給定頻率的電信號(hào)，然后該頻率用于提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，具體來說就是用于生成所有內(nèi)部操作同步所需的時(shí)鐘脈沖。

電子系統(tǒng)能否同步，是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)考量。以現(xiàn)在火熱的汽車電子為例，定時(shí)器件的穩(wěn)定同步關(guān)系到各類傳感器數(shù)據(jù)、ECU數(shù)據(jù)等各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。在汽車電子創(chuàng)新日新月異的發(fā)展階段，穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘源愈發(fā)難得。

隨著汽車電子系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，石英定時(shí)器件固有的缺陷越來越難掩蓋。最大的影響因素來自溫度。溫度的變化會(huì)讓敏感的石英晶振的穩(wěn)定性大打折扣，即便石英本身熱膨脹系數(shù)不算高。在不加溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，固定頻率石英振蕩器的總體頻率穩(wěn)定度是±20ppm至±50ppm。汽車電子元器件目前較為通用的溫度范圍是?40℃到+125℃，高達(dá)+150℃的要求也有不少，同時(shí)這些器件還需要面臨嚴(yán)重的振動(dòng)、沖擊，在嚴(yán)苛的環(huán)境下，石英定時(shí)難以保證穩(wěn)定。

而到了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和可穿戴設(shè)備中，小尺寸和低功耗則是優(yōu)先級(jí)更高的考量。石英定時(shí)器件已經(jīng)在這些方向上做了不少努力，但進(jìn)步仍然比較小。很多應(yīng)用中為了維持頻率穩(wěn)定性不得不給石英時(shí)鐘加上溫補(bǔ)，但代價(jià)就是額外的功耗以及更大的PCB空間占用。

正因如此，基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)的定時(shí)正在開始替代傳統(tǒng)的石英定時(shí)器件在各類應(yīng)用的電子系統(tǒng)中發(fā)揮出精準(zhǔn)可靠、性價(jià)比高的定時(shí)作用。

MEMS技術(shù)的應(yīng)用最為人熟知的是在傳感器領(lǐng)域，MEMS技術(shù)在傳感器領(lǐng)域引領(lǐng)了一波又一波革新。MEMS定時(shí)技術(shù)同樣是通過微機(jī)電系統(tǒng)制出一種可編程的硅振蕩器，屬于有源晶振。MEMS定時(shí)器件正在依靠更小的尺寸、更低的功耗、更高的可靠性、可編程的靈活性取代傳統(tǒng)的石英和時(shí)鐘芯片。

MEMS定時(shí)具體優(yōu)勢(shì)在哪？

MEMS定時(shí)技術(shù)第一個(gè)解決的問題就是空間尺寸，基于晶體設(shè)計(jì)的局限性在MEMS中不存在，單個(gè)MEMS諧振器的體積可以比圓柱形晶體小上一百多倍，運(yùn)用MEMS定時(shí)尺寸上可以大幅縮減。并且隨著MEMS定時(shí)技術(shù)的發(fā)展，溫補(bǔ)這些都能集成到電路內(nèi)部，既提升了穩(wěn)定性不需要犧牲額外的空間。

尺寸更小的MEMS定時(shí)器件另一個(gè)意義在于節(jié)省下的寶貴空間可以讓定時(shí)期間更靠近需要時(shí)鐘支持的器件，能夠獲得更好的信號(hào)完整性并降低EMI。

可靠性上，MEMS振蕩器的可靠性也是明顯優(yōu)于石英振蕩器的。根據(jù)SiTime開發(fā)的MEMS振蕩器的測(cè)試結(jié)果，MEMS振蕩器的平均無故障時(shí)間（MTBF）超過22億小時(shí)，約為石英振蕩器的50倍?？煽啃酝瑯芋w現(xiàn)在耐沖擊和振動(dòng)上，技術(shù)路線決定二者在抗震動(dòng)抗沖擊上不在一個(gè)水平級(jí)別，根據(jù)Mircochip測(cè)試數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的晶振相比，MEMS振蕩器抗振動(dòng)能力提高了5倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。

至于精準(zhǔn)定時(shí)，上面已經(jīng)提到，隨著MEMS定時(shí)技術(shù)的發(fā)展，溫度補(bǔ)償已經(jīng)集成進(jìn)器件，高性能模擬溫補(bǔ)技術(shù)使全硅MEMS振蕩器具有優(yōu)秀的全溫頻率穩(wěn)定性，溫漂問題不再是困擾。更高的頻率穩(wěn)定性也讓MEMS振蕩器有更大的精調(diào)頻率范圍，能夠?yàn)楦黝愲娮酉到y(tǒng)的穩(wěn)定精確同步保駕護(hù)航。

從供應(yīng)的角度來說，MEMS的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)呛艹墒斓?，在?dǎo)入MEMS定時(shí)器件時(shí)不用擔(dān)心供貨問題，同時(shí)MEMS成熟的生產(chǎn)工藝在一致性上也有保障。

MEMS定時(shí)器件替代開始

根據(jù)QYR的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)，2022年全球MEMS振蕩器市場(chǎng)銷售額達(dá)到了32億美元，預(yù)計(jì)2029年將達(dá)到62億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為9.7%，MEMS定時(shí)器件正在穩(wěn)步對(duì)傳統(tǒng)石英定時(shí)器件進(jìn)行革新。

目前在MEMS定時(shí)器件領(lǐng)域，Microchip、SiTime、NXP、Epson、Murata等國(guó)外廠商比較領(lǐng)先。2015年Microchip通過收購(gòu)Micrel獲得了MEMS時(shí)序技術(shù)，而Micrel在此之前已收購(gòu)Discera，Discera早在2008年就交付了第一批振蕩器成品。目前在Microchip的MEMS振蕩器在低功耗以及汽車應(yīng)用上積累深厚。

SiTime作為純MEMS時(shí)鐘器件公司，在技術(shù)積累上行業(yè)領(lǐng)先，旗下產(chǎn)品在性能、穩(wěn)定性方面，都體現(xiàn)出了傳統(tǒng)石英技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，位于行業(yè)前列。

國(guó)內(nèi)賽微電子在MEMS諧振器上也有著深厚的積累，掌握了多項(xiàng)在業(yè)內(nèi)極具競(jìng)爭(zhēng)力的工藝技術(shù)和工藝模塊，目前正在拓展相關(guān)MEMS振蕩器產(chǎn)品。

從應(yīng)用場(chǎng)景來看，目前前景最廣闊的替代最快的應(yīng)用場(chǎng)景是汽車電子、5G和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，相關(guān)場(chǎng)景里MEMS定時(shí)器間的應(yīng)用將大幅改進(jìn)計(jì)時(shí)相關(guān)功能的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)更小更低功耗的設(shè)計(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)自不必多說，MEMS時(shí)鐘器件微型化和低功耗的特點(diǎn)已經(jīng)足夠契合該應(yīng)用。在汽車計(jì)時(shí)系統(tǒng)涉及攝像頭、ADAS、以太網(wǎng)、各類傳感器、信息娛樂系統(tǒng)、引擎與動(dòng)力系統(tǒng)等等，MEMS定時(shí)器件的引入，將計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性大幅提升，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)向更安全、更可靠的方向升級(jí)。

5G技術(shù)的應(yīng)用也給定時(shí)方案帶來了不小壓力，5G更密集的部署配置，更高的帶寬以及關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)的部署，相關(guān)時(shí)間精度規(guī)格更加嚴(yán)格。MEMS時(shí)鐘器件給5G應(yīng)用帶來了遠(yuǎn)比石英時(shí)鐘器件更穩(wěn)定更精準(zhǔn)更方便的部署，助力5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)序向更高端邁進(jìn)。

小結(jié)

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，越來越多的應(yīng)用設(shè)計(jì)對(duì)定時(shí)器件提出了更高可靠性、更高性能和更穩(wěn)定頻率特性的需求，MEMS定時(shí)器件為這些應(yīng)用提供了更契合的選擇，同時(shí)還能在小型化和低功耗上作出貢獻(xiàn)，最終逐步取代傳統(tǒng)的石英定時(shí)器件。