電子發燒友網報道（文/李寧遠）在我們日常能見到的任何電子系統中，都需要一個或多個定時設備，其數量具體取決于系統中的處理器、分區和各種功能。不論是手機、可穿戴設備終端這種小的電子系統還是汽車這種大的電子系統，“精準定時”都是至關重要的。

石英定時，是傳統上電池供電電子系統中應用最多的用以實現時鐘功能的技術路線，不論是32.768 kHz晶振和低功耗MHz石英振蕩器都是絕大多數系統中定時的關鍵電子元器件。但隨著可穿戴設備、物聯網終端以及汽車電子等領域的不斷發展，這一定時元器件，好像也不再那么精準，那么可靠。

精準定時，石英定時到MEMS定時

石英晶體振蕩器利用振蕩電路中的反饋作用，使諧振回路在某一工作頻率下產生自激振蕩。晶體是諧振回路的基礎，它需要具有高品質因數和穩定的諧振頻率。按照工作頻率劃分，有低頻晶振、中頻晶振和高頻晶振。石英晶體振蕩器創建給定頻率的電信號，然后該頻率用于提供穩定的時鐘信號，具體來說就是用于生成所有內部操作同步所需的時鐘脈沖。

電子系統能否同步，是非常關鍵的一項考量。以現在火熱的汽車電子為例，定時器件的穩定同步關系到各類傳感器數據、ECU數據等各子系統的數據傳輸。在汽車電子創新日新月異的發展階段，穩定可靠的時鐘源愈發難得。

隨著汽車電子系統復雜性的增加，石英定時器件固有的缺陷越來越難掩蓋。最大的影響因素來自溫度。溫度的變化會讓敏感的石英晶振的穩定性大打折扣，即便石英本身熱膨脹系數不算高。在不加溫度補償的情況下，固定頻率石英振蕩器的總體頻率穩定度是±20ppm至±50ppm。汽車電子元器件目前較為通用的溫度范圍是?40℃到+125℃，高達+150℃的要求也有不少，同時這些器件還需要面臨嚴重的振動、沖擊，在嚴苛的環境下，石英定時難以保證穩定。

而到了物聯網應用和可穿戴設備中，小尺寸和低功耗則是優先級更高的考量。石英定時器件已經在這些方向上做了不少努力，但進步仍然比較小。很多應用中為了維持頻率穩定性不得不給石英時鐘加上溫補，但代價就是額外的功耗以及更大的PCB空間占用。

正因如此，基于微機電系統MEMS技術的定時正在開始替代傳統的石英定時器件在各類應用的電子系統中發揮出精準可靠、性價比高的定時作用。

MEMS技術的應用最為人熟知的是在傳感器領域，MEMS技術在傳感器領域引領了一波又一波革新。MEMS定時技術同樣是通過微機電系統制出一種可編程的硅振蕩器，屬于有源晶振。MEMS定時器件正在依靠更小的尺寸、更低的功耗、更高的可靠性、可編程的靈活性取代傳統的石英和時鐘芯片。

MEMS定時具體優勢在哪？

MEMS定時技術第一個解決的問題就是空間尺寸，基于晶體設計的局限性在MEMS中不存在，單個MEMS諧振器的體積可以比圓柱形晶體小上一百多倍，運用MEMS定時尺寸上可以大幅縮減。并且隨著MEMS定時技術的發展，溫補這些都能集成到電路內部，既提升了穩定性不需要犧牲額外的空間。

尺寸更小的MEMS定時器件另一個意義在于節省下的寶貴空間可以讓定時期間更靠近需要時鐘支持的器件，能夠獲得更好的信號完整性并降低EMI。

可靠性上，MEMS振蕩器的可靠性也是明顯優于石英振蕩器的。根據SiTime開發的MEMS振蕩器的測試結果，MEMS振蕩器的平均無故障時間（MTBF）超過22億小時，約為石英振蕩器的50倍。可靠性同樣體現在耐沖擊和振動上，技術路線決定二者在抗震動抗沖擊上不在一個水平級別，根據Mircochip測試數據，與傳統的晶振相比，MEMS振蕩器抗振動能力提高了5倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。

至于精準定時，上面已經提到，隨著MEMS定時技術的發展，溫度補償已經集成進器件，高性能模擬溫補技術使全硅MEMS振蕩器具有優秀的全溫頻率穩定性，溫漂問題不再是困擾。更高的頻率穩定性也讓MEMS振蕩器有更大的精調頻率范圍，能夠為各類電子系統的穩定精確同步保駕護航。

從供應的角度來說，MEMS的產業鏈是很成熟的，在導入MEMS定時器件時不用擔心供貨問題，同時MEMS成熟的生產工藝在一致性上也有保障。

MEMS定時器件替代開始

根據QYR的統計及預測，2022年全球MEMS振蕩器市場銷售額達到了32億美元，預計2029年將達到62億美元，年復合增長率為9.7%，MEMS定時器件正在穩步對傳統石英定時器件進行革新。

目前在MEMS定時器件領域，Microchip、SiTime、NXP、Epson、Murata等國外廠商比較領先。2015年Microchip通過收購Micrel獲得了MEMS時序技術，而Micrel在此之前已收購Discera，Discera早在2008年就交付了第一批振蕩器成品。目前在Microchip的MEMS振蕩器在低功耗以及汽車應用上積累深厚。

SiTime作為純MEMS時鐘器件公司，在技術積累上行業領先，旗下產品在性能、穩定性方面，都體現出了傳統石英技術無法比擬的優勢，位于行業前列。

國內賽微電子在MEMS諧振器上也有著深厚的積累，掌握了多項在業內極具競爭力的工藝技術和工藝模塊，目前正在拓展相關MEMS振蕩器產品。

從應用場景來看，目前前景最廣闊的替代最快的應用場景是汽車電子、5G和物聯網設備，相關場景里MEMS定時器間的應用將大幅改進計時相關功能的創新實現并實現更小更低功耗的設計。

物聯網市場自不必多說，MEMS時鐘器件微型化和低功耗的特點已經足夠契合該應用。在汽車計時系統涉及攝像頭、ADAS、以太網、各類傳感器、信息娛樂系統、引擎與動力系統等等，MEMS定時器件的引入，將計時的準確性和可靠性大幅提升，汽車電子系統設計向更安全、更可靠的方向升級。

5G技術的應用也給定時方案帶來了不小壓力，5G更密集的部署配置，更高的帶寬以及關鍵任務服務的部署，相關時間精度規格更加嚴格。MEMS時鐘器件給5G應用帶來了遠比石英時鐘器件更穩定更精準更方便的部署，助力5G網絡時序向更高端邁進。

小結

從長遠來看，越來越多的應用設計對定時器件提出了更高可靠性、更高性能和更穩定頻率特性的需求，MEMS定時器件為這些應用提供了更契合的選擇，同時還能在小型化和低功耗上作出貢獻，最終逐步取代傳統的石英定時器件。