MEMS定时正在成为精准时钟的未来

电子发烧友网报道（文/李宁远）在我们日常能见到的任何电子系统中，都需要一个或多个定时设备，其数量具体取决于系统中的处理器、分区和各种功能。不论是手机、可穿戴设备终端这种小的电子系统还是汽车这种大的电子系统，“精准定时”都是至关重要的。
 
石英定时，是传统上电池供电电子系统中应用最多的用以实现时钟功能的技术路线，不论是32.768 kHz晶振和低功耗MHz石英振荡器都是绝大多数系统中定时的关键电子元器件。但随着可穿戴设备、物联网终端以及汽车电子等领域的不断发展，这一定时元器件，好像也不再那么精准，那么可靠。
 
精准定时，石英定时到MEMS定时
 
石英晶体振荡器利用振荡电路中的反馈作用，使谐振回路在某一工作频率下产生自激振荡。晶体是谐振回路的基础，它需要具有高品质因数和稳定的谐振频率。按照工作频率划分，有低频晶振、中频晶振和高频晶振。石英晶体振荡器创建给定频率的电信号，然后该频率用于提供稳定的时钟信号，具体来说就是用于生成所有内部操作同步所需的时钟脉冲。
 
电子系统能否同步，是非常关键的一项考量。以现在火热的汽车电子为例，定时器件的稳定同步关系到各类传感器数据、ECU数据等各子系统的数据传输。在汽车电子创新日新月异的发展阶段，稳定可靠的时钟源愈发难得。
 
随着汽车电子系统复杂性的增加，石英定时器件固有的缺陷越来越难掩盖。最大的影响因素来自温度。温度的变化会让敏感的石英晶振的稳定性大打折扣，即便石英本身热膨胀系数不算高。在不加温度补偿的情况下，固定频率石英振荡器的总体频率稳定度是±20ppm至±50ppm。汽车电子元器件目前较为通用的温度范围是−40℃到+125℃，高达+150℃的要求也有不少，同时这些器件还需要面临严重的振动、冲击，在严苛的环境下，石英定时难以保证稳定。
 
而到了物联网应用和可穿戴设备中，小尺寸和低功耗则是优先级更高的考量。石英定时器件已经在这些方向上做了不少努力，但进步仍然比较小。很多应用中为了维持频率稳定性不得不给石英时钟加上温补，但代价就是额外的功耗以及更大的PCB空间占用。
 
正因如此，基于微机电系统MEMS技术的定时正在开始替代传统的石英定时器件在各类应用的电子系统中发挥出精准可靠、性价比高的定时作用。
 
MEMS技术的应用最为人熟知的是在传感器领域，MEMS技术在传感器领域引领了一波又一波革新。MEMS定时技术同样是通过微机电系统制出一种可编程的硅振荡器，属于有源晶振。MEMS定时器件正在依靠更小的尺寸、更低的功耗、更高的可靠性、可编程的灵活性取代传统的石英和时钟芯片。
 
MEMS定时具体优势在哪？
 
MEMS定时技术第一个解决的问题就是空间尺寸，基于晶体设计的局限性在MEMS中不存在，单个MEMS谐振器的体积可以比圆柱形晶体小上一百多倍，运用MEMS定时尺寸上可以大幅缩减。并且随着MEMS定时技术的发展，温补这些都能集成到电路内部，既提升了稳定性不需要牺牲额外的空间。
 
尺寸更小的MEMS定时器件另一个意义在于节省下的宝贵空间可以让定时期间更靠近需要时钟支持的器件，能够获得更好的信号完整性并降低EMI。
 
可靠性上，MEMS振荡器的可靠性也是明显优于石英振荡器的。根据SiTime开发的MEMS振荡器的测试结果，MEMS振荡器的平均无故障时间（MTBF）超过22亿小时，约为石英振荡器的50倍。可靠性同样体现在耐冲击和振动上，技术路线决定二者在抗震动抗冲击上不在一个水平级别，根据Mircochip测试数据，与传统的晶振相比，MEMS振荡器抗振动能力提高了5倍，抗冲击能力更是提高了500倍。
 
至于精准定时，上面已经提到，随着MEMS定时技术的发展，温度补偿已经集成进器件，高性能模拟温补技术使全硅MEMS振荡器具有优秀的全温频率稳定性，温漂问题不再是困扰。更高的频率稳定性也让MEMS振荡器有更大的精调频率范围，能够为各类电子系统的稳定精确同步保驾护航。
 
从供应的角度来说，MEMS的产业链是很成熟的，在导入MEMS定时器件时不用担心供货问题，同时MEMS成熟的生产工艺在一致性上也有保障。
 
MEMS定时器件替代开始
 
根据QYR的统计及预测，2022年全球MEMS振荡器市场销售额达到了32亿美元，预计2029年将达到62亿美元，年复合增长率为9.7%，MEMS定时器件正在稳步对传统石英定时器件进行革新。
 
目前在MEMS定时器件领域，Microchip、SiTime、NXP、Epson、Murata等国外厂商比较领先。2015年Microchip通过收购Micrel获得了MEMS时序技术，而Micrel在此之前已收购Discera，Discera早在2008年就交付了第一批振荡器成品。目前在Microchip的MEMS振荡器在低功耗以及汽车应用上积累深厚。
 
SiTime作为纯MEMS时钟器件公司，在技术积累上行业领先，旗下产品在性能、稳定性方面，都体现出了传统石英技术无法比拟的优势，位于行业前列。
 
国内赛微电子在MEMS谐振器上也有着深厚的积累，掌握了多项在业内极具竞争力的工艺技术和工艺模块，目前正在拓展相关MEMS振荡器产品。
 
从应用场景来看，目前前景最广阔的替代最快的应用场景是汽车电子、5G和物联网设备，相关场景里MEMS定时器间的应用将大幅改进计时相关功能的创新实现并实现更小更低功耗的设计。
 
物联网市场自不必多说，MEMS时钟器件微型化和低功耗的特点已经足够契合该应用。在汽车计时系统涉及摄像头、ADAS、以太网、各类传感器、信息娱乐系统、引擎与动力系统等等，MEMS定时器件的引入，将计时的准确性和可靠性大幅提升，汽车电子系统设计向更安全、更可靠的方向升级。
 
5G技术的应用也给定时方案带来了不小压力，5G更密集的部署配置，更高的带宽以及关键任务服务的部署，相关时间精度规格更加严格。MEMS时钟器件给5G应用带来了远比石英时钟器件更稳定更精准更方便的部署，助力5G网络时序向更高端迈进。
 
小结
 
从长远来看，越来越多的应用设计对定时器件提出了更高可靠性、更高性能和更稳定频率特性的需求，MEMS定时器件为这些应用提供了更契合的选择，同时还能在小型化和低功耗上作出贡献，最终逐步取代传统的石英定时器件。