MEMS硅晶振替代石英的时代到来 六大工程优势解决电子工程师问题痛点

导读：在不断拓展的计时场景应用中，电子系统对计时元件提出了更高、更复杂的技术要求，而传统的石英晶振无法克服其固有限制，如怕摔怕振，易断裂，易温漂，有限的频率等缺点。其已经不能满足所有应用领域需求。与石英晶振相比，MEMS硅晶振凭借有不停振、不跑偏、不怕摔，无温漂，体积小可编程等优势将有机会替代传统石英晶振，解决电子工程师设计的痛点。我爱方案网原创MEMS应用专题，汇聚六大MEMS工程优势，帮助工程师深度认识MEMS晶振产品、技术、替代案例，推荐的应用领域。本专题得到原厂和代理商支持，我们对有项目导入需求的工程师提供免费样片，让工程师随看即用。

随着MEMS优势逐渐被工程师了解和在汽车、通信、网络设备、工业领域的应用快速增加，其成本和可编程易用性不断改善，应用不断向可穿戴和智能家居等消费领域渗透。我爱方案网通过比对石英晶振与MEMS晶振来帮助工程师选型和提高导入新产品的能力。除了成本因素，与传统石英晶振相比，MEMS硅晶振凭借能简化系统设计、拥有高质量高可靠性、对EMI和振动敏感性低、占用板间距空间少、抗冲更强等优势正在改变电子计时市场。我们相信更多电子工程师正在导入更大优势的MEMS硅晶振。

Sitime是主流MEMS晶振原厂，针对MEMS硅晶振场景应用，SiTime公司已经在主流MCU时钟应用、自动控制、IoT与移动设备、安防与监控、5G/通信、汽车、音频和流媒体等场景快速落地应用。截至目前，SiTime已经向超过10，000家客户交付了数十亿颗元件，其中包括苹果、FitBit、Garmin、海康威视、三星电子、谷歌、微软、戴尔和华美等。

另外，据相关市场研究机构预计，由于5G、物联网（IoT）及自动驾驶驱动，到2024年MEMS振荡器市场规模将达到100亿美元。SiTime已经开始将战略目标重心瞄向拓展汽车、物联网及5G/通信等市场。与传统的石英晶振相比，新型MEMS振荡器正凭借以下六大优势强势入驻各大应用市场。

1、MEMS振荡器简化了系统设计

从表面上看，使用石英晶体的振荡器设计似乎是直接的，特别是考虑到这项技术的成熟。但是，在将晶体与振荡器电路匹配时，需要考虑无数的设计参数。这些参数包括晶体运动阻抗、谐振模式、驱动电平和振荡器负电阻，它们是衡量振荡器增益的指标。

此外，并联谐振模式晶体必须考虑负载电容，它应考虑PCB寄生电容，以及可能包含在振荡器电路中的片上集成电容。必须仔细考虑所有这些参数，以确保电路的可靠启动和运行。由于振荡器电路需要谐振器与振荡器电路的紧密匹配，晶体供应商不能保证晶体的启动。

相反，MEMS振荡器是一个完整的解决方案。振荡器制造商将石英谐振器与振荡器电路相匹配，从而减轻了电路板设计者的负担。由于消除了匹配误差，SiTime保证了振荡器的启动。简而言之，MEMS振荡器是一种即插即用的解决方案，大大简化了系统设计。

2、提供了高可靠性和稳定性

相对于石英晶体的专门制造工艺，MEMS振荡器制造商采用标准的半导体封装工艺，这包括硅片级的谐振器和振荡器集成电路的生产，以及与标准引线框架的塑料封装的模具结合。

SiTime的MEMSFirst?工艺采用标准的硅制造技术，在非常高温，清洁，真空的环境中密封MEMS。这为MEMS创造了一个非常干净，无湿气的环境，并且消除了污染或水分引起的ActivityDip的可能性。

所有SiTime产品均采用强大的6-Sigma工艺设计并投入生产。产品按照适当的JEDEC和AEC标准进行充分表征和鉴定。为了确保最高质量，SiTime在每个生产批次的样品上对温度范围进行批次验收测试（LAT）。SiTime的超高质量已经在成千上万的装置上得到了验证。其实际的现场报废率低于2DPPM，在半导体行业中名列前茅。经过六年多的出货，SiTime已经没有MEMS领域的故障。

3、MEMS振荡器EMI敏感性低

电磁能量，在大多数系统中是常见的，可以通过暴露的PCB痕迹，连接晶体谐振器和包含振荡器电路的集成电路。这种噪声可以耦合到振荡器电路中并传递到输出端，从而增加系统的抖动和噪声。然而，集成振荡器在谐振器和振荡器IC之间没有暴露的PCB连接，连接MEMS谐振器和IC的键合线或球非常短。这使得MEMS振荡器对电磁干扰不太敏感。如下表和图所示，SiTime硅晶振比晶体谐振器低11.3dBm(线性尺度上的134倍)。

4、MEMS振荡器占用板空间少

MEMS振荡器是一个完全集成的解决方案，不需要外部组件，如电源去耦盖。SiTime的1.5毫米x0.8毫米(1508)足迹小于最小的石英晶体足迹1.6毫米x1.2毫米。当考虑到32kHz石英晶体所需的负载电容时，总板面积或Xtal溶液的体积是原来的3倍以上。

5、振动敏感度更低，抗冲更强

SiTimeMEMS振荡器与类似的石英晶振器件相比，电路设计的振动敏感度更低，抗冲击能力更强。一些需要非常稳定频率的系统，如无线基站和小小区，可能会因振动而发生系统故障和服务中断。SiTimeMEMS振荡器具有抗振动能力，因为MEMS谐振器的质量比石英谐振器的质量低大约1,000到3,000倍。这意味着在MEMS结构上施加一定的加速度，例如冲击或振动，将导致比其石英等效力低得多的力，从而导致更低的频移。

图5显示，SiTimeMEMS振荡器的振动灵敏度比石英振荡器低10倍以上。请注意，这个数字是基于测量石英振荡器，而不是被动晶体谐振器，但类似的结果是预期的石英晶体谐振器。

6、MEMS硅振荡器任何频率都易获得

与晶体谐振器相比，MEMS谐振器是基于标准谐振器结构的。MEMS振荡器的输出频率是通过对不同乘法值的锁相环编程产生的。这使得频率范围非常宽，精度达到六位数。此外，MEMS硅振荡器是用标准半导体工艺和封装。由于MEMS振荡器厂商利用非常大的半导体工业基础设施，容量实际上是无限的。

MEMS振荡器样品可以编程并在一天内获得，甚至对非标准频率也是如此。通过使用SiTime的低成本时间机器II程序员和现场可编程振荡器，设计者可以在他们的实验室中立即编程振荡器，以创造一个设备的任何频率，任何供电电压和任何稳定的设备在设备的操作范围内。

二、MEMS硅晶振场景应用

2.1、汽车MEMS计时解决方案

 

针对汽车计时系统的应用，SiTime公司凭借突破性技术和快速创新，其MEMS振荡器业务已经覆盖了汽车摄像头、ADAS计算机、以太网、雷达与激光雷达、高精度全球导航卫星系统、信息娱乐系统、引擎与动力系统、无线充电器等。其汽车MEMS振荡器产品的鲁棒性提高了30倍，并AEC-Q100兼容，是为符合ASIL（汽车安全完整性等级）的汽车应用而设计，如先进的驱动辅助系统(ADAS)、车载以太网、动力总成和电子控制单元(ECU)。

其次，根据SiTime的数据显示，每台车有20-70个振荡器机会，每台车MEMS成本为3到10美元，而在这些极端温度和振动恶劣环境中的MEMS振荡器的优势具有：1、最佳稳定性±20ppm，延长温度从-55oC到125o耐冲击，振动和噪音比石英振荡器好50倍；2、最佳可制造性。SOT23最佳焊点可靠性和易于视觉检测；EMI控制，无需PCB更改，可配置上升/下降时间控制。

简而言之，SiTime拥有强大的SiT2024、SIT8925和SiT8924、SIT8925等振荡器，它们是汽车应用的最佳解决方案，因为它们符合高级驾驶辅助系统（ADAS）的ASIL（汽车安全完整性）车辆以太网，动力总成和电子控制单元（ECU）。

2.2、MEMS硅晶振5G应用

在5G/通信领域，SiTime与英特尔等行业领先企业合作，推动5G的计时创新。

据SiTime首席执行官RajeshVashist表示，“由于多种原因，5G技术将给定时解决方案带来的压力远远超过过去。5G无线电使用毫米波技术，覆盖范围为几百米，而不是4G的千米距离。因此，5G网络将更加密集。更密集的网络使设备更贴近客户，进入更严苛，更少控制的环境，例如在交通信号灯，路灯，建筑物，屋顶和停车场上部署。

这些位置具有许多环境压力因素，例如振动，冲击，高温和快速温度变化。这些压力因素导致石英器件失效，我们认为这可能是5G中单个最大的失效点。祖母绿产品对这些环境压力因素的免疫力提高20倍，并确保网络以及在网络上运行的关键任务服务运行良好。

考虑到5G的更密集的部署配置，更高的带宽以及关键任务服务的部署，标准机构正在使无线电到无线电时间精度规格更加严格10倍。在4G中，它是1.5微秒。在5G中，它是130纳秒（ns）。”为了满足这一严格的规范，SiTime推出了Emerald产品。

这是第一款基于MEMS的恒温晶振（OCXO）。它们旨在解决与夸脱OCXO相关的问题，这些夸脱对高温，热斜坡和振动非常敏感。设计人员通常需要进行3到5次电路板迭代才能正确放置石英OCXO，如果设计仍然显示灵敏度，他们必须使用塑料或金属盖来安装石英OCXO，以将其与周围环境隔离。RajeshVashist表示，EmeraldPlatform消除了这个问题。其强大的OCXO可放置在电路板上的任何位置。客户第一次获得正确的位置，可以更快地推出产品并加快收入时间。

除了解决电路板设计问题外，EmeraldPlatform还在动态稳定性（系统中，存在振动，冲击，温度斜坡）方面设定了新的性能基准，比石英高出20倍-新5G必备基础架构部署Emerald产品是可编程的，始终可提供1至220MHz的任何频率，以及一系列频率稳定性，工作温度，输出类型和封装，包括比类似石英OCXO小75％的解决方案。

对于客户而言，SiTime公司已经为客户消除了一长串令人头疼的问题，并有中国本地代理商提供编程服务，解决工程样品和批量订货的及时交货难题。对于SiTime，EmeraldPlatform使之能够扩展到价值15亿美元的电信和网络时序市场的更高端。

三、MEMS硅晶振替代案例

硅晶振替代石英晶振的场景正在快速提升，特别在缺货潮中，替代将更加迫切。我爱方案网联合硅晶振原厂Sitime推荐通信设备、工业控制、电源和FPGA配套时钟应用案例，帮助方案商和终端设备制造商做好选型替代，并提供免费研发样片。硅晶振的频点有四大优势，不停振、不跑偏、无温漂，不怕摔，能有效提升产品稳定性和可靠性，特别适合温差大，震动大和频率点多的开发项目。

案例一：SIT8008低功耗可编程振荡器

兼容性：无需PCB改动，直接替代石英晶振；

频率精度：1-110MHZ任一频点，精确小数点后6位；

电压范围：1.8V--3.3V全电压范围；

封装规格：7050、5032、3225、2520、2016全封装范围支持；

样片交货：任一频点，24小时样品供应。

应用场景：以太网设备、服务器、SSD、光通讯、音视频、工业控制、电源等行业应用

产品承诺：立即交付，绿色环保，全程品质保证

案例二：SIT9121高性能差分晶振

频率精度：1-220MHZ任一频点，精确小数点后6位；

电压范围：2.5V-3.3V电压范围；

封装规格：7050、5032、3225封装；

输出信号：LVDS\LVPECL信号模式；

应用场景：PCI-E时钟、SONET设备、FPGA时钟和系统时钟，存储设备、数据中心设备

硅晶振比较石英晶振的老化参数

案例三：SIT535X温补晶振（TCXO）

温补范围：±100ppbupto±220ppb全温度范围内高精度稳定（无温漂）；

频率精度：1-220MHZ任一频点，精确小数点后6位；

电压范围：2.5V2.8V3.3V电压；

封装规格：503210-Pin封装；

输出信号：LVCMOS&正弦波输出；

应用场景：小基站、IEEE1588、GPS/GNSS、同步以太网设备、测试仪器、雷达等产品。

总体而言，随着MEMS硅晶振技术的扩展，传统石英晶振将有机会被替代。与石英晶振相比，MEMS硅晶振突破了多重技术限制，为电子设计工程师解决了时钟电路方案的难点和痛点。

四、MEMS硅晶振产品选型

SiTime公司是硅MEMS时钟市场的领导者。SiTime的可编程解决方案提供了丰富的特性，通过帮助客户提高产品的性能、缩小尺寸、降低功耗并提升可靠性来提高产品的市场竞争力。凭借着高市场份额和超过20亿颗MEMS时钟器件的出货量，SiTime正在变革时钟行业。SiTime产品采用标准半导体制造工艺和高量产塑料封装技术的生产流程，提供业界最强的供货能力和最短的交货时间。

为了加速MEMS硅晶振产品的应用普及及对电子工程师的认知和产品选型替代，使得国内电子方案商和设计工程师快速体验MEMS硅晶振产品带来的高稳定度、超小封装、超低功耗、超低抖动带来的产品体验升级。MEMS硅晶振计时市场的领导者SiTime已经联合我爱方案网推出免费送样活动（详情请点击： https://activity.52solution.com/sitime/或点击“阅读原文”进入专题页面申请），并可通过现金券进行产品批量订货。