MEMS時鐘讓手機設計占位更小功耗更低

幾乎所有的數碼產品都會用到時鐘器件。系統越復雜，所采用的時鐘器件越多。在智能手機和平板電腦等新興應用中，所需要的器件在尺寸和功耗上都和傳統產品有所區別。

回顧過去，晶體管被集成電路取代，照片膠卷被閃存卡代替，機械硬盤變更為固態硬盤。無論在哪個領域，產品做到更好的可靠性、更小的尺寸、更低的成本，新技術就必然取代舊技術。時鐘器件也不例外，半導體制程也正在逐步取代傳統的石英制程。

日前，在SiTime公司和艾睿電子公司聯合舉辦的新產品發布會上，SiTime市場營銷副總裁PiyushSevalia介紹說，時鐘器件涉及到IC設計公司和石英封裝工廠。過去這兩個市場的供應商在技術上完全不相關，而SiTime公司同時具備這兩種技術。

SiTime公司的硅MEMS時鐘目前已經成功進入市場。其消費類應用包括數碼相機、平板電腦、攝像機、電視和電子書等；設備類應用包括交換機、路由器、基站、云存儲、服務器、固態硬盤等。今年該公司將會把MEMS技術引入智能手機及手表的應用中。

在設備類領域，廠商注重的是產品的效率和可靠性。很多云端和交換機設備廠商和SiTime合作，是因為MEMS時鐘提供了更好的效率、可靠性以及功耗。在消費類領域，相對石英產品，MEMS技術在成本上具有足夠優勢，并且能夠滿足消費類電子對小型化的要求。另外，由于MEMS時鐘可以任意編程，40個料號可以涵蓋傳統石英超過20萬個料號。

在EMI方面，電磁干擾會影響時鐘頻率，硅MEMS時鐘相對石英晶體的抗干擾能力要強50倍。所有電路板上的器件都具有一定噪聲，會影響時鐘信號的品質。用相位噪聲測量時鐘的品質，硅MEMS時鐘比石英晶體品質好10倍。在振動情況下，石英器件會因此而影響精度。基站若架設在高鐵旁邊，振動會使時鐘器件發生很大頻偏。MEMS時鐘在抗振動方面好于石英30倍。用平均無故障時間(MTBF)衡量，MEMS時鐘的可靠性比石英晶體好15倍。

在手機和平板等移動設備上，TCXO、32.768kHz時鐘及MHz諧振器這三種器件都會用到。TCXO會在手機的GPS和射頻部分用到。所有的手機和平板電腦上都會采用一到兩顆32.768kHz時鐘進行計時。MHz諧振器則會根據智能手機和平板電腦的不同應用(應用處理器、Wi-Fi、NFC及USB等)，采用2顆~4顆提供參考時鐘。

石英晶振由于體積限制，無法做出1Hz的產品，而MEMS時鐘則可以在1Hz~32.768kHz之間任意編程。這樣，采用較低頻率的時鐘便可以降低功耗。對于鋰電池的直接輸出和電源轉換后得到的穩壓輸出，MEMS時鐘提供兩個不同的系列，為不同要求提供選擇。

SiTime的32.768kHz時鐘器件內部含有兩顆芯片—MEMS芯片和模擬IC芯片。MEMS芯片內部含有一個諧振器(兩個音叉組合在一起，通過振動改變音叉間的電容)。模擬(起振)IC內部則具有復雜的電路(電荷泵、分頻器和存儲器等)。兩顆芯片采用塑封方式封裝在一起。

MEMS時鐘生產良率可達99%，尺寸可做到0.4mm×0.4mm。該產品的功耗僅為0.75μA，精度可達20ppm。通過PLL分頻電路，MEMS時鐘可以在32.768kHz~1Hz之間編程。石英晶振需要用到金屬外殼和陶瓷基座，而MEMS時鐘采用IC標準的塑料封裝制作，不會面臨年度缺貨的風險。并且，其尺寸可以做到1.5mm×0.8mm，厚度僅0.55mm。

石英晶體起振需要在器件外部額外搭配兩個電容，而使用SiTime的MEMS時鐘，在器件外部無需增加其他器件。這樣在PCB布局時。MEMS時鐘較石英器件可以減少85%的面積。MEMS時鐘在功耗上只有石英晶振的一半。在頻率的穩定性上，MEMS時鐘與石英晶振在室溫下頻偏均為20ppm，但在整個工業級溫度范圍內，石英晶振頻偏為160ppm，MEMS時鐘頻偏為100ppm。隨著器件老化，MEMS時鐘精度誤差僅為±3ppm(石英為±5ppm)。石英尺寸越小越易破碎，而MEMS時鐘則非常強壯，可以承受50kg的沖擊和70g的振動。

另外，石英產業存在交貨上的問題，而SiTime是Fabless公司，只要投片，就能快速增加產能。石英花了60年才做出小型化產品，SiTime僅用了6、7年，就做出了比最小石英產品更小的產品；快速的創新能力在未來幾年還將做出更小的產品。