MEMS硅晶振替代石英六大優(yōu)勢解決電子工程師問題痛點

發(fā)布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：2180

導讀：在不斷拓展的計時場景應(yīng)用中，電子系統(tǒng)對計時元件提出了更高、更復雜的技術(shù)要求，而傳統(tǒng)的石英晶振無法克服其固有限制，如怕摔怕振，易斷裂，易溫漂，有限的頻率等缺點。其已經(jīng)不能滿足所有應(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，無溫漂，體積小可編程等優(yōu)勢將有機會替代傳統(tǒng)石英晶振，解決電子工程師設(shè)計的痛點。我愛方案商原創(chuàng)MEMS應(yīng)用專題，匯聚六大MEMS工程優(yōu)勢，幫助工程師深度認識MEMS晶振產(chǎn)品、技術(shù)、替代案例，推薦的應(yīng)用領(lǐng)域。本專題得到原廠和代理商支持，我們對有項目導入需求的工程師提供免費樣片，讓工程師隨看即用。
隨著MEMS優(yōu)勢逐漸被工程師了解和在汽車、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領(lǐng)域滲透。我愛方案網(wǎng)通過比對石英晶振與MEMS晶振來幫助工程師選型和提高導入新產(chǎn)品的能力。除了成本因素，與傳統(tǒng)石英晶振相比，MEMS硅晶振憑借能簡化系統(tǒng)設(shè)計、擁有高質(zhì)量高可靠性、對EMI和振動敏感性低、占用板間距空間少、抗沖更強等優(yōu)勢正在改變電子計時市場。我們相信更多電子工程師正在導入更大優(yōu)勢的MEMS硅晶振。

Sitime是主流MEMS晶振原廠，針對MEMS硅晶振場景應(yīng)用，SiTime公司已經(jīng)在主流MCU時鐘應(yīng)用、自動控制、IoT與移動設(shè)備、安防與監(jiān)控、5G/通信、汽車、音頻和流媒體等場景快速落地應(yīng)用。截至目前，SiTime已經(jīng)向超過10，000家客戶交付了數(shù)十億顆元件，其中包括蘋果、FitBit、Garmin、?？低?、三星電子、谷歌、微軟、戴爾和華美等。
另外，據(jù)相關(guān)市場研究機構(gòu)預計，由于5G、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）及自動駕駛驅(qū)動，到2024年MEMS振蕩器市場規(guī)模將達到100億美元。SiTime已經(jīng)開始將戰(zhàn)略目標重心瞄向拓展汽車、物聯(lián)網(wǎng)及5G/通信等市場。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)勢強勢入駐各大應(yīng)用市場。

1、MEMS振蕩器簡化了系統(tǒng)設(shè)計

從表面上看，使用石英晶體的振蕩器設(shè)計似乎是直接的，特別是考慮到這項技術(shù)的成熟。但是，在將晶體與振蕩器電路匹配時，需要考慮無數(shù)的設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)包括晶體運動阻抗、諧振模式、驅(qū)動電平和振蕩器負電阻，它們是衡量振蕩器增益的指標。
此外，并聯(lián)諧振模式晶體必須考慮負載電容，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。必須仔細考慮所有這些參數(shù)，以確保電路的可靠啟動和運行。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。

相反，MEMS振蕩器是一個完整的解決方案。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)計者的負擔。由于消除了匹配誤差，SiTime保證了振蕩器的啟動。簡而言之，MEMS振蕩器是一種即插即用的解決方案，大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

2、提供了高質(zhì)量和高可靠性

相對于石英晶體的專門制造工藝，MEMS振蕩器制造商采用標準的半導體封裝工藝，這包括硅片級的諧振器和振蕩器集成電路的生產(chǎn)，以及與標準引線框架的塑料封裝的模具結(jié)合。
SiTime的MEMS First工藝采用標準的硅制造技術(shù)，在非常高溫，清潔，真空的環(huán)境中密封MEMS。這為MEMS創(chuàng)造了一個非常干凈，無濕氣的環(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)品均采用強大的6-Sigma工藝設(shè)計并投入生產(chǎn)。產(chǎn)品按照適當?shù)腏EDEC和AEC標準進行充分表征和鑒定。為了確保[敏感詞]質(zhì)量，SiTime在每個生產(chǎn)批次的樣品上對溫度范圍進行批次驗收測試（LAT）。SiTime的超高質(zhì)量已經(jīng)在成千上萬的裝置上得到了驗證。其實際的現(xiàn)場報廢率低于2 DPPM，在半導體行業(yè)中名列前茅。經(jīng)過六年多的出貨，SiTime已經(jīng)沒有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)中是常見的，可以通過暴露的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)的抖動和噪聲。然而，集成振蕩器在諧振器和振蕩器IC之間沒有暴露的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)。

4、MEMS振蕩器占用板空間少

MEMS振蕩器是一個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。當考慮到32kHz石英晶體所需的負載電容時，總板面積或Xtal溶液的體積是原來的3倍以上。

5、振動敏感度更低，抗沖更強

SiTime MEMS振蕩器與類似的石英晶振器件相比，電路設(shè)計的振動敏感度更低，抗沖擊能力更強。一些需要非常穩(wěn)定頻率的系統(tǒng)，如無線基站和小小區(qū)，可能會因振動而發(fā)生系統(tǒng)故障和服務(wù)中斷。SiTime MEMS振蕩器具有抗振動能力，因為MEMS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，將導致比其石英等效力低得多的力，從而導致更低的頻移。

圖5顯示，SiTime MEMS振蕩器的振動靈敏度比石英振蕩器低10倍以上。請注意，這個數(shù)字是基于測量石英振蕩器，而不是被動晶體諧振器，但類似的結(jié)果是預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諧振器是基于標準諧振器結(jié)構(gòu)的。MEMS振蕩器的輸出頻率是通過對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，精度達到六位數(shù)。此外，MEMS硅振蕩器是用標準半導體工藝和封裝。由于MEMS振蕩器廠商利用非常大的半導體工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，容量實際上是無限的。
MEMS振蕩器樣品可以編程并在一天內(nèi)獲得，甚至對非標準頻率也是如此。通過使用SiTime的低成本時間機器II程序員和現(xiàn)場可編程振蕩器，設(shè)計者可以在他們的實驗室中立即編程振蕩器，以創(chuàng)造一個設(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)。

二、MEMS硅晶振場景應(yīng)用

2.1、汽車MEMS計時解決方案

針對汽車計時系統(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)覆蓋了汽車攝像頭、ADAS計算機、以太網(wǎng)、雷達與激光雷達、高精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、信息娛樂系統(tǒng)、引擎與動力系統(tǒng)、無線充電器等。其汽車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（汽車安全完整性等級）的汽車應(yīng)用而設(shè)計，如先進的驅(qū)動輔助系統(tǒng)(ADAS)、車載以太網(wǎng)、動力總成和電子控制單元(ECU)。
其次，根據(jù)SiTime的數(shù)據(jù)顯示，每臺車有20-70個振蕩器機會，每臺車MEMS成本為3到10美元，而在這些[敏感詞]溫度和振動惡劣環(huán)境中的MEMS振蕩器的優(yōu)勢具有：1、[敏感詞]穩(wěn)定性±20ppm，延長溫度從-55oC到125o耐沖擊，振動和噪音比石英振蕩器好50倍；2、[敏感詞]可制造性。SOT23[敏感詞]焊點可靠性和易于視覺檢測；EMI控制，無需PCB更改，可配置上升/下降時間控制。

簡而言之，SiTime擁有強大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925等振蕩器，它們是汽車應(yīng)用的[敏感詞]解決方案，因為它們符合高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的ASIL（汽車安全完整性）車輛以太網(wǎng)，動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)領(lǐng)先企業(yè)合作，推動5G的計時創(chuàng)新。

據(jù)SiTime首席執(zhí)行官Rajesh Vashist表示，“由于多種原因，5G技術(shù)將給定時解決方案帶來的壓力遠遠超過過去。5G無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，進入更嚴苛，更少控制的環(huán)境，例如在交通信號燈，路燈，建筑物，屋頂和停車場上部署。
這些位置具有許多環(huán)境壓力因素，例如振動，沖擊，高溫和快速溫度變化。這些壓力因素導致石英器件失效，我們認為這可能是5G中單個[敏感詞]的失效點。祖母綠產(chǎn)品對這些環(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)上運行的關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)運行良好。
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，標準機構(gòu)正在使無線電到無線電時間精度規(guī)格更加嚴格10倍。在4G中，它是1.5微秒。在5G中，它是130納秒（ns）?！睘榱藵M足這一嚴格的規(guī)范，SiTime推出了Emerald產(chǎn)品。
這是[敏感詞]款基于MEMS的恒溫晶振（OCXO）。它們旨在解決與夸脫OCXO相關(guān)的問題，這些夸脫對高溫，熱斜坡和振動非常敏感。設(shè)計人員通常需要進行3到5次電路板迭代才能正確放置石英OCXO，如果設(shè)計仍然顯示靈敏度，他們必須使用塑料或金屬蓋來安裝石英OCXO，以將其與周圍環(huán)境隔離。RajeshVashist表示，Emerald Platform消除了這個問題。其強大的OCXO可放置在電路板上的任何位置?？蛻鬧敏感詞]次獲得正確的位置，可以更快地推出產(chǎn)品并加快收入時間。
除了解決電路板設(shè)計問題外，Emerald Platform還在動態(tài)穩(wěn)定性（系統(tǒng)中，存在振動，沖擊，溫度斜坡）方面設(shè)定了新的性能基準，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，輸出類型和封裝，包括比類似石英OCXO小75％的解決方案。
對于客戶而言，SiTime公司已經(jīng)為客戶消除了一長串令人頭疼的問題，并有中國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交貨難題。對于SiTime，Emerald Platform使之能夠擴展到價值15億美元的電信和網(wǎng)絡(luò)時序市場的更高端。

三、MEMS硅晶振替代案例

硅晶振替代石英晶振的場景正在快速提升，特別在缺貨潮中，替代將更加迫切。我愛方案網(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，并提供免費研發(fā)樣片。硅晶振的頻點有四大優(yōu)勢，不停振、不跑偏、無溫漂，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，震動大和頻率點多的開發(fā)項目。

案例一：SIT8008低功耗可編程振蕩器

兼容性：無需PCB改動，直接替代石英晶振；

頻率精度：1-110MHZ任一頻點，精確小數(shù)點后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，24小時樣品供應(yīng)。

應(yīng)用場景：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

案例二：SIT9121高性能差分晶振

頻率精度：1-220MHZ任一頻點，精確小數(shù)點后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：LVDS\LVPECL信號模式；

應(yīng)用場景：PCI-E時鐘、SONET設(shè)備、FPGA時鐘和系統(tǒng)時鐘，存儲設(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)

案例三：SIT535X溫補晶振（TCXO）

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

頻率精度：1-220MHZ任一頻點，精確小數(shù)點后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：LVCMOS&正弦波輸出；

應(yīng)用場景：小基站、IEEE1588、GPS/GNSS、同步以太網(wǎng)設(shè)備、測試儀器、雷達等產(chǎn)品。

總體而言，隨著MEMS硅晶振技術(shù)的擴展，傳統(tǒng)石英晶振將有機會被替代。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)計工程師解決了時鐘電路方案的難點和痛點。

四、MEMS硅晶振產(chǎn)品選型

SiTime公司是硅MEMS時鐘市場的領(lǐng)導者。SiTime的可編程解決方案提供了豐富的特性，通過幫助客戶提高產(chǎn)品的性能、縮小尺寸、降低功耗并提升可靠性來提高產(chǎn)品的市場競爭力。憑借著80%的市場份額和超過20億顆MEMS時鐘器件的出貨量，SiTime正在變革時鐘行業(yè)。SiTime產(chǎn)品采用標準半導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)界最強的供貨能力和最短的交貨時間。
為了加速MEMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及及對電子工程師的認知和產(chǎn)品選型替代，使得國內(nèi)電子方案商和設(shè)計工程師快速體驗MEMS硅晶振產(chǎn)品帶來的高穩(wěn)定度、超小封裝、超低功耗、超低抖動帶來的產(chǎn)品體驗升級。MEMS硅晶振計時市場的領(lǐng)導者SiTime已經(jīng)聯(lián)合我愛方案網(wǎng)推出免費送樣活動（詳情請點擊：https://activity.52solution.com/sitime/或點擊“閱讀原文”進入專題頁面申請），并可通過現(xiàn)金券進行產(chǎn)品批量訂貨。