電子發(fā)燒友網報道（文/李寧遠）在我們日常能見到的任何電子系統(tǒng)中，都需要一個或多個定時設備，其數量具體取決于系統(tǒng)中的處理器、分區(qū)和各種功能。不論是手機、可穿戴設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)，“精準定時”都是至關重要的。

石英定時，是傳統(tǒng)上電池供電電子系統(tǒng)中應用最多的用以實現時鐘功能的技術路線，不論是32.768 kHz晶振和低功耗MHz石英振蕩器都是絕大多數系統(tǒng)中定時的關鍵電子元器件。但隨著可穿戴設備、物聯網終端以及汽車電子等領域的不斷發(fā)展，這一定時元器件，好像也不再那么精準，那么可靠。

精準定時，石英定時到MEMS定時

石英晶體振蕩器利用振蕩電路中的反饋作用，使諧振回路在某一工作頻率下產生自激振蕩。晶體是諧振回路的基礎，它需要具有高品質因數和穩(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，然后該頻率用于提供穩(wěn)定的時鐘信號，具體來說就是用于生成所有內部操作同步所需的時鐘脈沖。

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

隨著汽車電子系統(tǒng)復雜性的增加，石英定時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不算高。在不加溫度補償的情況下，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+150℃的要求也有不少，同時這些器件還需要面臨嚴重的振動、沖擊，在嚴苛的環(huán)境下，石英定時難以保證穩(wěn)定。

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

正因如此，基于微機電系統(tǒng)MEMS技術的定時正在開始替代傳統(tǒng)的石英定時器件在各類應用的電子系統(tǒng)中發(fā)揮出精準可靠、性價比高的定時作用。

MEMS技術的應用最為人熟知的是在傳感器領域，MEMS技術在傳感器領域引領了一波又一波革新。MEMS定時技術同樣是通過微機電系統(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)的石英和時鐘芯片。

MEMS定時具體優(yōu)勢在哪？

MEMS定時技術第一個解決的問題就是空間尺寸，基于晶體設計的局限性在MEMS中不存在，單個MEMS諧振器的體積可以比圓柱形晶體小上一百多倍，運用MEMS定時尺寸上可以大幅縮減。并且隨著MEMS定時技術的發(fā)展，溫補這些都能集成到電路內部，既提升了穩(wěn)定性不需要犧牲額外的空間。

尺寸更小的MEMS定時器件另一個意義在于節(jié)省下的寶貴空間可以讓定時期間更靠近需要時鐘支持的器件，能夠獲得更好的信號完整性并降低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SiTime開發(fā)的MEMS振蕩器的測試結果，MEMS振蕩器的平均無故障時間（MTBF）超過22億小時，約為石英振蕩器的50倍?？煽啃酝瑯芋w現在耐沖擊和振動上，技術路線決定二者在抗震動抗沖擊上不在一個水平級別，根據Mircochip測試數據，與傳統(tǒng)的晶振相比，MEMS振蕩器抗振動能力提高了5倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。

至于精準定時，上面已經提到，隨著MEMS定時技術的發(fā)展，溫度補償已經集成進器件，高性能模擬溫補技術使全硅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頻率范圍，能夠為各類電子系統(tǒng)的穩(wěn)定精確同步保駕護航。

從供應的角度來說，MEMS的產業(yè)鏈是很成熟的，在導入MEMS定時器件時不用擔心供貨問題，同時MEMS成熟的生產工藝在一致性上也有保障。

MEMS定時器件替代開始

根據QYR的統(tǒng)計及預測，2022年全球MEMS振蕩器市場銷售額達到了32億美元，預計2029年將達到62億美元，年復合增長率為9.7%，MEMS定時器件正在穩(wěn)步對傳統(tǒng)石英定時器件進行革新。

目前在MEMS定時器件領域，Microchip、SiTime、NXP、Epson、Murata等國外廠商比較領先。2015年Microchip通過收購Micrel獲得了MEMS時序技術，而Micrel在此之前已收購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用上積累深厚。

SiTime作為純MEMS時鐘器件公司，在技術積累上行業(yè)領先，旗下產品在性能、穩(wěn)定性方面，都體現出了傳統(tǒng)石英技術無法比擬的優(yōu)勢，位于行業(yè)前列。

國內賽微電子在MEMS諧振器上也有著深厚的積累，掌握了多項在業(yè)內極具競爭力的工藝技術和工藝模塊，目前正在拓展相關MEMS振蕩器產品。

從應用場景來看，目前前景最廣闊的替代最快的應用場景是汽車電子、5G和物聯網設備，相關場景里MEMS定時器間的應用將大幅改進計時相關功能的創(chuàng)新實現并實現更小更低功耗的設計。

物聯網市場自不必多說，MEMS時鐘器件微型化和低功耗的特點已經足夠契合該應用。在汽車計時系統(tǒng)涉及攝像頭、ADAS、以太網、各類傳感器、信息娛樂系統(tǒng)、引擎與動力系統(tǒng)等等，MEMS定時器件的引入，將計時的準確性和可靠性大幅提升，汽車電子系統(tǒng)設計向更安全、更可靠的方向升級。

5G技術的應用也給定時方案帶來了不小壓力，5G更密集的部署配置，更高的帶寬以及關鍵任務服務的部署，相關時間精度規(guī)格更加嚴格。MEMS時鐘器件給5G應用帶來了遠比石英時鐘器件更穩(wěn)定更精準更方便的部署，助力5G網絡時序向更高端邁進。

小結

從長遠來看，越來越多的應用設計對定時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定時器件為這些應用提供了更契合的選擇，同時還能在小型化和低功耗上作出貢獻，最終逐步取代傳統(tǒng)的石英定時器件。