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物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

http://www.ec.hc360.com2016年06月20日09:55T|T

    几乎所有的电子产品系统都需要时钟,时钟器件的重要性,有如电子产品的“心跳”。石英晶体作为时钟器件的基础已有60年之久,但是在电子产品体积微型化和系统设计复杂化等趋势的影响下,石英受制于自身的物理特性和高成本,已难以满足电子产品日趋严苛的性能和成本要求。尤其是在物联网时代,时钟器件必须往微型化、低功耗、高集成度的方向发展。

    随着MEMS技术的日趋成熟,10年前MEMS时钟“应运而生”。MEMS时钟是基于微机电系统而制造的一种可编程硅振荡器。相较于石英晶振,MEMS时钟产品采用标准的硅制程,可依循半导体技术和工艺的演进将尺寸越做越小、性能越做越高、成本越做越低。另外,MEMS时钟在功耗、抗干扰和供货周期上与石英晶体相比也都具有明显的优势。那么MEMS时钟能否全面取代石英晶振?在物联网时代,可穿戴设备需要什么样的MEMS时钟器件?

    时钟产业未来将由可穿戴、物联网和移动市场带动

    “如同集成电路取代分立器件、数字存储取代磁盘和胶卷,MEMS时钟器件也终将取代石英。”MEMS与模拟半导体公司SiTime的行销执行副总裁PiyushSevilla在日前于深圳举行的新品发布会上态度坚定地表示。

    

物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

    SiTime公司营销执行副总裁PiyushSevalia

    SiTime公司是MegaChips的全资子公司,专注于MEMS时钟产品设计,拥有包括MEMS、模拟和系统在内的100项专利技术。目前SiTime的MEMS时钟产品已经广泛应用于基站、服务器、交换机、路由器、车载、安防、数码以及手机、平板和可穿戴等消费电子领域,总出货量超过四亿颗,市占率高达九成。

    PiyushSevalia表示,整个时钟市场的规模可达60亿美元。主要分为三大领域:频率控制器件、半导体时钟器件以及时钟系统。其中,频率控制器件(传统石英)需要投入大量资金建制工厂,所需的陶瓷封装技术也只有爱普生、京瓷等少数日企掌握。而SiTime的产品可以用成本低廉且广泛应用于标准半导体元器件的塑料封装,由博世和TowerJazz提供MEMS和晶圆,台积电代工。相比时钟市场年均5%的复合增长率,2012年至2017年,MEMS振荡器增长的年复合增长率将超过65%。

    物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

    整个时钟市场分为三大领域:频率控制器件(左)、半导体时钟器件(中)和时钟系统(右)。

    基础设施、工业、汽车和手机等消费电子是MEMS时钟不断增长的市场。SiTime未来将瞄准哪些市场?“物联网和可穿戴设备不断成长,对于时钟小型化与低功耗的需求日益增强,SiTim会将重心放在可穿戴设备、物联网以及手机等移动设备,而这也是公司未来营收的三大成长动力。”PiyushSevalia对OFweek可穿戴设备网编辑表示,过去三年间,SiTime已经针对这些市场,每年发表创新的MEMS时钟解决方案,获得各界热烈回响,目前出货量突破6,000万组,且成长速度越来越快。

    

    可穿戴设备对MEMS时钟的要求:体积小、精度高、续航长

    根据市调机构Gartner的统计数据,可穿戴设备2015-2020年复合成长率将达到15%,其市场前景可期。但是可穿戴设备的高速发展对硬件技术提出了新的挑战。对于可穿戴设备而言,平均每台设备会用到3-7颗时钟器件。因此,在时钟器件的尺寸、功耗、性能等方面需要全面保障。

    SiTime日前针对可穿戴和物联网领域特别推出了32kHzSuper-TCXOs的SiT156x/7x系列产品。这套时钟解决方案与众不同,尺寸仅1.2mm2,较石英产品缩小了85%。此外,Super-TCXOs运用SiTime颠覆过往的TempFlatMEMS技术,准确性可达±5ppm,不仅可精密计时亦可延长电池续航力。最重要的是,SiT1568具备创新、内建自动校准功能,方便客户排除在系统组装、回流、底填、成模时的时脉误差。“有了SiT156x/7x32kHzSuper-TCXOs,客户能设计出具备最小尺寸、最精准、超长电池续航力等可翻转市场的电子产品,证明了SiTime的MEMS时钟解决方案一再为时钟产业创造新局。”PiyushSevalia表示。

    

物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

    SiT1566、SiT1568和SiT1576三款Super-TCXO产品的特性。

    在尺寸微型化方面,SiTimeMEMS在体积上远远超过石英,在kHz和MHz上,体积分别可比石英缩小65%和40%。另外,SiTime的SiT156x/7x能驱动多重载入,不只元件本身所占的体积变小,从元件的数量方面做最大优化,降低物料清单空间与成本。

    物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

    SiTimeMEMS在体积上远远超过石英

    在精准度方面,SiT156x/7xSuper-TCXO在-40-80℃的工业温度下达±5ppm准确度,为石英晶体振谐器30-40倍。值得注意的是,在非常小的设备中,设备内的温度可能会发生急剧变化,当智能手表或其他可穿戴设备蓝牙开关瞬间温度会飙升,其频率的精准度也会跟着改变;SiTime的温度补偿晶体振荡器(TCXO)可以使得在温度骤升的变化过程中维持±5ppm稳定度,几乎不受影响。

    物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

    SiT156x/7x的精度和温度补偿

    对于可穿戴设备而言,电池续航一直是亟待解决的难题。目前可穿戴设备大多无法独立使用,需要通过蓝牙与手机相连。但是它们不是始终相连,否则会消耗大量电能,因此会不断接通和断开。由此可以看出,精度高的时钟器件会减少设备间连接的次数,从而减少电量的消耗。SiT156x/7xSuper-TCXO的精准计时会将启动所需时间减少65%,相比石英可以让蓝牙的功耗做到更低。

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    SiT156x/7xSuper-TCXO提供蓝牙低功耗盛典功能。

    值得一提的是,可穿戴设备和物联网带动小型化模组的需求,当模组化或系统封装(SiP)的过程中都有可能射出成型或具有涂层,因此在模组本身会产生压力,导致所有的频率器件会产生频率误差。有鉴于此,SiT156x/7xSuper-TCXO希望利用本身内建自动校准功能,将封装前后的精准度维持在5ppm之内,提供客户做小型化模组的过程中,不影响芯片的准确度。

    物联网和可穿戴时代 MEMS时钟要革石英晶振的“命”

    SiT156x/7xSuper-TCXO自动校准将封装前后的精度维持在5ppm之内

    总体来看,SiTime的MEMS时钟新品在尺寸、精度、功耗和自动校准等方面具备明显优势。品佳集团旗下凯悌股份有限公司总经理吴永昌对此表示,过去七年间,我们与SiTime在亚洲携手合作,亲身感受到SiTime的MEMS时钟解决方案彻底改造业界,提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加稳定。最新SiT156x/7x系列的32kHzSuper-TCXOs为效能及尺寸树立新标竿,令传统石英产业望尘莫及,我们很荣幸成为SiTime的重要伙伴。

    物联网和可穿戴时代,SiTime仗剑MEMS和模拟技术大举挺进时钟市场,看来是要革了石英晶振的“命”。而传统的石英厂商已开始“倒戈”,有贩售SiTimeMEMS产品的石英供应商多达25家。就像PiyushSevalia所言:“如同集成电路取代分立器件、数字存储取代磁盘和胶卷,MEMS时钟器件也终将取代石英。”

责任编辑:王慧霞

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