MEMS硅晶振替代石英六大優(yōu)勢(shì)解決電子工程師問(wèn)題痛點(diǎn)

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2022-03-18 02:26:18 14

導(dǎo)讀：在不斷拓展的計(jì)時(shí)場(chǎng)景應(yīng)用中，電子系統(tǒng)對(duì)計(jì)時(shí)元件提出了更高、更復(fù)雜的技術(shù)要求，而傳統(tǒng)的石英晶振無(wú)法克服其固有限制，如怕摔怕振，易斷裂，易溫漂，有限的頻率等缺點(diǎn)。其已經(jīng)不能滿(mǎn)足所有應(yīng)用領(lǐng)域需求。與石英晶振相比，MEMS硅晶振憑借有不停振、不跑偏、不怕摔，無(wú)溫漂，體積小可編程等優(yōu)勢(shì)將有機(jī)會(huì)替代傳統(tǒng)石英晶振，解決電子工程師設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)。我愛(ài)方案商原創(chuàng)MEMS應(yīng)用專(zhuān)題，匯聚六大MEMS工程優(yōu)勢(shì)，幫助工程師深度認(rèn)識(shí)MEMS晶振產(chǎn)品、技術(shù)、替代案例，推薦的應(yīng)用領(lǐng)域。本專(zhuān)題得到原廠和代理商支持，我們對(duì)有項(xiàng)目導(dǎo)入需求的工程師提供免費(fèi)樣片，讓工程師隨看即用。
隨著MEMS優(yōu)勢(shì)逐漸被工程師了解和在汽車(chē)、通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用快速增加，其成本和可編程易用性不斷改善，應(yīng)用不斷向可穿戴和智能家居等消費(fèi)領(lǐng)域滲透。我愛(ài)方案網(wǎng)通過(guò)比對(duì)石英晶振與MEMS晶振來(lái)幫助工程師選型和提高導(dǎo)入新產(chǎn)品的能力。除了成本因素，與傳統(tǒng)石英晶振相比，MEMS硅晶振憑借能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、擁有高質(zhì)量高可靠性、對(duì)EMI和振動(dòng)敏感性低、占用板間距空間少、抗沖更強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)正在改變電子計(jì)時(shí)市場(chǎng)。我們相信更多電子工程師正在導(dǎo)入更大優(yōu)勢(shì)的MEMS硅晶振。
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Sitime是主流MEMS晶振原廠，針對(duì)MEMS硅晶振場(chǎng)景應(yīng)用，SiTime公司已經(jīng)在主流MCU時(shí)鐘應(yīng)用、自動(dòng)控制、IoT與移動(dòng)設(shè)備、安防與監(jiān)控、5G/通信、汽車(chē)、音頻和流媒體等場(chǎng)景快速落地應(yīng)用。截至目前，SiTime已經(jīng)向超過(guò)10，000家客戶(hù)交付了數(shù)十億顆元件，其中包括蘋(píng)果、FitBit、Garmin、海康威視、三星電子、谷歌、微軟、戴爾和華美等。
另外，據(jù)相關(guān)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，由于5G、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及自動(dòng)駕駛驅(qū)動(dòng)，到2024年MEMS振蕩器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億美元。SiTime已經(jīng)開(kāi)始將戰(zhàn)略目標(biāo)重心瞄向拓展汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)及5G/通信等市場(chǎng)。與傳統(tǒng)的石英晶振相比，新型MEMS振蕩器正憑借以下六大優(yōu)勢(shì)強(qiáng)勢(shì)入駐各大應(yīng)用市場(chǎng)。
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1、MEMS振蕩器簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)

從表面上看，使用石英晶體的振蕩器設(shè)計(jì)似乎是直接的，特別是考慮到這項(xiàng)技術(shù)的成熟。但是，在將晶體與振蕩器電路匹配時(shí)，需要考慮無(wú)數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)包括晶體運(yùn)動(dòng)阻抗、諧振模式、驅(qū)動(dòng)電平和振蕩器負(fù)電阻，它們是衡量振蕩器增益的指標(biāo)。
此外，并聯(lián)諧振模式晶體必須考慮負(fù)載電容，它應(yīng)考慮PCB寄生電容，以及可能包含在振蕩器電路中的片上集成電容。必須仔細(xì)考慮所有這些參數(shù)，以確保電路的可靠啟動(dòng)和運(yùn)行。由于振蕩器電路需要諧振器與振蕩器電路的緊密匹配，晶體供應(yīng)商不能保證晶體的啟動(dòng)。
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相反，MEMS振蕩器是一個(gè)完整的解決方案。振蕩器制造商將石英諧振器與振蕩器電路相匹配，從而減輕了電路板設(shè)計(jì)者的負(fù)擔(dān)。由于消除了匹配誤差，SiTime保證了振蕩器的啟動(dòng)。簡(jiǎn)而言之，MEMS振蕩器是一種即插即用的解決方案，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2、提供了高質(zhì)量和高可靠性

相對(duì)于石英晶體的專(zhuān)門(mén)制造工藝，MEMS振蕩器制造商采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝工藝，這包括硅片級(jí)的諧振器和振蕩器集成電路的生產(chǎn)，以及與標(biāo)準(zhǔn)引線框架的塑料封裝的模具結(jié)合。
SiTime的MEMS First工藝采用標(biāo)準(zhǔn)的硅制造技術(shù)，在非常高溫，清潔，真空的環(huán)境中密封MEMS。這為MEMS創(chuàng)造了一個(gè)非常干凈，無(wú)濕氣的環(huán)境，并且消除了污染或水分引起的Activity Dip的可能性。
所有SiTime產(chǎn)品均采用強(qiáng)大的6-Sigma工藝設(shè)計(jì)并投入生產(chǎn)。產(chǎn)品按照適當(dāng)?shù)腏EDEC和AEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分表征和鑒定。為了確保最高質(zhì)量，SiTime在每個(gè)生產(chǎn)批次的樣品上對(duì)溫度范圍進(jìn)行批次驗(yàn)收測(cè)試（LAT）。SiTime的超高質(zhì)量已經(jīng)在成千上萬(wàn)的裝置上得到了驗(yàn)證。其實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)報(bào)廢率低于2 DPPM，在半導(dǎo)體行業(yè)中名列前茅。經(jīng)過(guò)六年多的出貨，SiTime已經(jīng)沒(méi)有MEMS領(lǐng)域的故障。

3、MESM振蕩器EMI敏感性低

電磁能量，在大多數(shù)系統(tǒng)中是常見(jiàn)的，可以通過(guò)暴露的PCB痕跡，連接晶體諧振器和包含振蕩器電路的集成電路。這種噪聲可以耦合到振蕩器電路中并傳遞到輸出端，從而增加系統(tǒng)的抖動(dòng)和噪聲。然而，集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒(méi)有暴露的PCB連接，連接MEMS諧振器和IC的鍵合線或球非常短。這使得MEMS振蕩器對(duì)電磁干擾不太敏感。如下表和圖所示，SiTime硅晶振比晶體諧振器低11.3dBm(線性尺度上的134倍)。

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4、MEMS振蕩器占用板空間少

MEMS振蕩器是一個(gè)完全集成的解決方案，不需要外部組件，如電源去耦蓋。SiTime的1.5毫米x0.8毫米(1508)足跡小于最小的石英晶體足跡1.6毫米x1.2毫米。當(dāng)考慮到32kHz石英晶體所需的負(fù)載電容時(shí)，總板面積或Xtal溶液的體積是原來(lái)的3倍以上。

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5、振動(dòng)敏感度更低，抗沖更強(qiáng)

SiTime MEMS振蕩器與類(lèi)似的石英晶振器件相比，電路設(shè)計(jì)的振動(dòng)敏感度更低，抗沖擊能力更強(qiáng)。一些需要非常穩(wěn)定頻率的系統(tǒng)，如無(wú)線基站和小小區(qū)，可能會(huì)因振動(dòng)而發(fā)生系統(tǒng)故障和服務(wù)中斷。SiTime MEMS振蕩器具有抗振動(dòng)能力，因?yàn)镸EMS諧振器的質(zhì)量比石英諧振器的質(zhì)量低大約1,000到3,000倍。這意味著在MEMS結(jié)構(gòu)上施加一定的加速度，例如沖擊或振動(dòng)，將導(dǎo)致比其石英等效力低得多的力，從而導(dǎo)致更低的頻移。
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圖5顯示，SiTime MEMS振蕩器的振動(dòng)靈敏度比石英振蕩器低10倍以上。請(qǐng)注意，這個(gè)數(shù)字是基于測(cè)量石英振蕩器，而不是被動(dòng)晶體諧振器，但類(lèi)似的結(jié)果是預(yù)期的石英晶體諧振器。

6、MEMS硅振蕩器任何頻率都易獲得

與晶體諧振器相比，MEMS諧振器是基于標(biāo)準(zhǔn)諧振器結(jié)構(gòu)的。MEMS振蕩器的輸出頻率是通過(guò)對(duì)不同乘法值的鎖相環(huán)編程產(chǎn)生的。這使得頻率范圍非常寬，精度達(dá)到六位數(shù)。此外，MEMS硅振蕩器是用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝和封裝。由于MEMS振蕩器廠商利用非常大的半導(dǎo)體工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，容量實(shí)際上是無(wú)限的。
MEMS振蕩器樣品可以編程并在一天內(nèi)獲得，甚至對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)頻率也是如此。通過(guò)使用SiTime的低成本時(shí)間機(jī)器II程序員和現(xiàn)場(chǎng)可編程振蕩器，設(shè)計(jì)者可以在他們的實(shí)驗(yàn)室中立即編程振蕩器，以創(chuàng)造一個(gè)設(shè)備的任何頻率，任何供電電壓和任何穩(wěn)定的設(shè)備在設(shè)備的操作范圍內(nèi)。
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二、MEMS硅晶振場(chǎng)景應(yīng)用

2.1、汽車(chē)MEMS計(jì)時(shí)解決方案

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針對(duì)汽車(chē)計(jì)時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用，SiTime公司憑借突破性技術(shù)和快速創(chuàng)新，其MEMS振蕩器業(yè)務(wù)已經(jīng)覆蓋了汽車(chē)攝像頭、ADAS計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、雷達(dá)與激光雷達(dá)、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、引擎與動(dòng)力系統(tǒng)、無(wú)線充電器等。其汽車(chē)MEMS振蕩器產(chǎn)品的魯棒性提高了30倍，并AEC-Q100兼容，是為符合ASIL（汽車(chē)安全完整性等級(jí)）的汽車(chē)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)(ADAS)、車(chē)載以太網(wǎng)、動(dòng)力總成和電子控制單元(ECU)。
其次，根據(jù)SiTime的數(shù)據(jù)顯示，每臺(tái)車(chē)有20-70個(gè)振蕩器機(jī)會(huì)，每臺(tái)車(chē)MEMS成本為3到10美元，而在這些極端溫度和振動(dòng)惡劣環(huán)境中的MEMS振蕩器的優(yōu)勢(shì)具有：1、最佳穩(wěn)定性±20ppm，延長(zhǎng)溫度從-55oC到125o耐沖擊，振動(dòng)和噪音比石英振蕩器好50倍；2、最佳可制造性。SOT23最佳焊點(diǎn)可靠性和易于視覺(jué)檢測(cè)；EMI控制，無(wú)需PCB更改，可配置上升/下降時(shí)間控制。

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簡(jiǎn)而言之，SiTime擁有強(qiáng)大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925等振蕩器，它們是汽車(chē)應(yīng)用的最佳解決方案，因?yàn)樗鼈兎?駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的ASIL（汽車(chē)安全完整性）車(chē)輛以太網(wǎng)，動(dòng)力總成和電子控制單元（ECU）。

2.2、MEMS硅晶振5G應(yīng)用

在5G/通信領(lǐng)域，SiTime與英特爾等行業(yè)*企業(yè)合作，推動(dòng)5G的計(jì)時(shí)創(chuàng)新。

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據(jù)SiTime首席執(zhí)行官Rajesh Vashist表示，“由于多種原因，5G技術(shù)將給定時(shí)解決方案帶來(lái)的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)過(guò)去。5G無(wú)線電使用毫米波技術(shù)，覆蓋范圍為幾百米，而不是4G的千米距離。因此，5G網(wǎng)絡(luò)將更加密集。更密集的網(wǎng)絡(luò)使設(shè)備更貼近客戶(hù)，進(jìn)入更嚴(yán)苛，更少控制的環(huán)境，例如在交通信號(hào)燈，路燈，建筑物，屋頂和停車(chē)場(chǎng)上部署。
這些位置具有許多環(huán)境壓力因素，例如振動(dòng)，沖擊，高溫和快速溫度變化。這些壓力因素導(dǎo)致石英器件失效，我們認(rèn)為這可能是5G中單個(gè)最大的失效點(diǎn)。祖母綠產(chǎn)品對(duì)這些環(huán)境壓力因素的免疫力提高20倍，并確保網(wǎng)絡(luò)以及在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)運(yùn)行*。
考慮到5G的更密集的部署配置，更高的帶寬以及關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)的部署，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)正在使無(wú)線電到無(wú)線電時(shí)間精度規(guī)格更加嚴(yán)格10倍。在4G中，它是1.5微秒。在5G中，它是130納秒（ns）。”為了滿(mǎn)足這一嚴(yán)格的規(guī)范，SiTime推出了Emerald產(chǎn)品。
這是*款基于MEMS的恒溫晶振（OCXO）。它們旨在解決與夸脫OCXO相關(guān)的問(wèn)題，這些夸脫對(duì)高溫，熱斜坡和振動(dòng)非常敏感。設(shè)計(jì)人員通常需要進(jìn)行3到5次電路板迭代才能正確放置石英OCXO，如果設(shè)計(jì)仍然顯示靈敏度，他們必須使用塑料或金屬蓋來(lái)安裝石英OCXO，以將其與周?chē)h(huán)境隔離。RajeshVashist表示，Emerald Platform消除了這個(gè)問(wèn)題。其強(qiáng)大的OCXO可放置在電路板上的任何位置。客戶(hù)*次獲得正確的位置，可以更快地推出產(chǎn)品并加快收入時(shí)間。
除了解決電路板設(shè)計(jì)問(wèn)題外，Emerald Platform還在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性（系統(tǒng)中，存在振動(dòng)，沖擊，溫度斜坡）方面設(shè)定了新的性能基準(zhǔn)，比石英高出20倍-新5G必備基礎(chǔ)架構(gòu)部署Emerald產(chǎn)品是可編程的，始終可提供1至220MHz的任何頻率，以及一系列頻率穩(wěn)定性，工作溫度，輸出類(lèi)型和封裝，包括比類(lèi)似石英OCXO小75％的解決方案。
對(duì)于客戶(hù)而言，SiTime公司已經(jīng)為客戶(hù)消除了一長(zhǎng)串令人頭疼的問(wèn)題，并有中國(guó)本地代理商提供編程服務(wù)，解決工程樣品和批量訂貨的及時(shí)交貨難題。對(duì)于SiTime，Emerald Platform使之能夠擴(kuò)展到價(jià)值15億美元的電信和網(wǎng)絡(luò)時(shí)序市場(chǎng)的更高端。

三、MEMS硅晶振替代案例

硅晶振替代石英晶振的場(chǎng)景正在快速提升，特別在缺貨潮中，替代將更加迫切。我愛(ài)方案網(wǎng)聯(lián)合硅晶振原廠Sitime推薦通信設(shè)備、工業(yè)控制、電源和FPGA配套時(shí)鐘應(yīng)用案例，幫助方案商和終端設(shè)備制造商做好選型替代，并提供免費(fèi)研發(fā)樣片。硅晶振的頻點(diǎn)有四大優(yōu)勢(shì)，不停振、不跑偏、無(wú)溫漂，不怕摔，能有效提升產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性，特別適合溫差大，震動(dòng)大和頻率點(diǎn)多的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

案例一：SIT8008低功耗可編程振蕩器

兼容性：無(wú)需PCB改動(dòng)，直接替代石英晶振；

頻率精度：1-110MHZ任一頻點(diǎn)，精確小數(shù)點(diǎn)后6位；

電壓范圍：1.8V--3.3V全電壓范圍；

封裝規(guī)格：7050、5032、3225、2520、2016全封裝范圍支持；

樣片交貨：任一頻點(diǎn)，24小時(shí)樣品供應(yīng)。

應(yīng)用場(chǎng)景：以太網(wǎng)設(shè)備、服務(wù)器、SSD、光通訊、音視頻、工業(yè)控制、電源等行業(yè)應(yīng)用

產(chǎn)品承諾：立即交付，綠色環(huán)保，全程品質(zhì)保證

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案例二：SIT9121高性能差分晶振

頻率精度：1-220MHZ任一頻點(diǎn)，精確小數(shù)點(diǎn)后6位；

電壓范圍：2.5V-3.3V電壓范圍；

封裝規(guī)格：7050、5032、3225封裝；

輸出信號(hào)：LVDSLVPECL信號(hào)模式；

應(yīng)用場(chǎng)景：PCI-E時(shí)鐘、SONET設(shè)備、FPGA時(shí)鐘和系統(tǒng)時(shí)鐘，存儲(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)中心設(shè)備

硅晶振比較石英晶振的老化參數(shù)

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案例三：SIT535X溫補(bǔ)晶振（TCXO）

溫補(bǔ)范圍：±100ppbupto±220ppb全溫度范圍內(nèi)高精度穩(wěn)定（無(wú)溫漂）；

頻率精度：1-220MHZ任一頻點(diǎn)，精確小數(shù)點(diǎn)后6位；

電壓范圍：2.5V2.8V3.3V電壓；

封裝規(guī)格：503210-Pin封裝；

輸出信號(hào)：LVCMOS&正弦波輸出；

應(yīng)用場(chǎng)景：小基站、IEEE1588、GPS/GNSS、同步以太網(wǎng)設(shè)備、測(cè)試儀器、雷達(dá)等產(chǎn)品。

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總體而言，隨著MEMS硅晶振技術(shù)的擴(kuò)展，傳統(tǒng)石英晶振將有機(jī)會(huì)被替代。與石英晶振相比，MEMS硅晶振突破了多重技術(shù)限制，為電子設(shè)計(jì)工程師解決了時(shí)鐘電路方案的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

四、MEMS硅晶振產(chǎn)品選型

SiTime公司是硅MEMS時(shí)鐘市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。SiTime的可編程解決方案提供了豐富的特性，通過(guò)幫助客戶(hù)提高產(chǎn)品的性能、縮小尺寸、降低功耗并提升可靠性來(lái)提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。憑借著80%的市場(chǎng)份額和超過(guò)20億顆MEMS時(shí)鐘器件的出貨量，SiTime正在變革時(shí)鐘行業(yè)。SiTime產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝和高量產(chǎn)塑料封裝技術(shù)的生產(chǎn)流程，提供業(yè)界最強(qiáng)的供貨能力和最短的交貨時(shí)間。
為了加速M(fèi)EMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及及對(duì)電子工程師的認(rèn)知和產(chǎn)品選型替代，使得國(guó)內(nèi)電子方案商和設(shè)計(jì)工程師快速體驗(yàn)MEMS硅晶振產(chǎn)品帶來(lái)的高穩(wěn)定度、超小封裝、超低功耗、超低抖動(dòng)帶來(lái)的產(chǎn)品體驗(yàn)升級(jí)。MEMS硅晶振計(jì)時(shí)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者SiTime已經(jīng)聯(lián)合我愛(ài)方案網(wǎng)推出免費(fèi)送樣活動(dòng)（詳情請(qǐng)點(diǎn)擊：https://activity.52solution.com/sitime/或點(diǎn)擊“閱讀原文”進(jìn)入專(zhuān)題頁(yè)面申請(qǐng)），并可通過(guò)現(xiàn)金券進(jìn)行產(chǎn)品批量訂貨。

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