【晶振】物聯網MEMS時鐘晶振的重要性
發布日期:2019-12-27
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幾乎所有的電子產品系統都需要時鐘,時鐘器件的重要性,有如電子產品的“心跳”。石英晶體作為時鐘器件的基礎已有60年之久,但是在電子產品體積微型化和系統設計復雜化等趨勢的影響下,石英受制于自身的物理特性和高成本,已難以滿足電子產品日趨嚴苛的性能和成本要求。尤其是在物聯網時代,時鐘器件必須往微型化、低功耗、高集成度的方向發展。
隨著MEMS技術的日趨成熟,10年前MEMS時鐘“應運而生”。MEMS時鐘是基于微機電系統而制造的一種可編程硅振蕩器。相較于石英晶振,MEMS時鐘產品采用標準的硅制程,可依循半導體技術和工藝的演進將尺寸越做越小、性能越做越高、成本越做越低。另外,MEMS時鐘在功耗、抗干擾和供貨周期上與石英晶體相比也都具有明顯的優勢。那么MEMS時鐘能否全面取代石英晶振?在物聯網時代,可穿戴設備需要什么樣的MEMS時鐘器件?
時鐘產業未來將由可穿戴、物聯網和移動市場帶動
“如同集成電路取代分立器件、數字存儲取代磁盤和膠卷,MEMS時鐘器件也終將取代石英。”MEMS與模擬半導體公司SiTime的行銷執行副總裁PiyushSevilla在日前于深圳舉行的新品發布會上態度堅定地表示。
SiTime公司營銷執行副總裁PiyushSevalia
SiTime公司是MegaChips的全資子公司,專注于MEMS時鐘產品設計,擁有包括MEMS、模擬和系統在內的100項專利技術。目前SiTime的MEMS時鐘產品已經廣泛應用于基站、服務器、交換機、路由器、車載、安防、數碼以及手機、平板和可穿戴等消費電子領域,總出貨量超過四億顆,市占率高達九成。
PiyushSevalia表示,整個時鐘市場的規??蛇_60億美元。主要分為三大領域:頻率控制器件、半導體時鐘器件以及時鐘系統。其中,頻率控制器件(傳統石英)需要投入大量資金建制工廠,所需的陶瓷封裝技術也只有愛普生、京瓷等少數日企掌握。而SiTime的產品可以用成本低廉且廣泛應用于標準半導體元器件的塑料封裝,由博世和TowerJazz提供MEMS和晶圓,臺積電代工。相比時鐘市場年均5%的復合增長率,2012年至2017年,MEMS振蕩器增長的年復合增長率將超過65%。
整個時鐘市場分為三大領域:頻率控制器件(左)、半導體時鐘器件(中)和時鐘系統(右)
基礎設施、工業、汽車和手機等消費電子是MEMS時鐘不斷增長的市場。SiTime未來將瞄準哪些市場?“物聯網和可穿戴設備不斷成長,對于時鐘小型化與低功耗的需求日益增強,SiTim會將重心放在可穿戴設備、物聯網以及手機等移動設備,而這也是公司未來營收的三大成長動力。”PiyushSevalia對OFweek可穿戴設備網編輯表示,過去三年間,SiTime已經針對這些市場,每年發表創新的MEMS時鐘解決方案,獲得各界熱烈回響,目前出貨量突破6,000萬組,且成長速度越來越快。
可穿戴設備對MEMS時鐘的要求:體積小、精度高、續航長
根據市調機構Gartner的統計數據,可穿戴設備2015-2020年復合成長率將達到15%,其市場前景可期。但是可穿戴設備的高速發展對硬件技術提出了新的挑戰。對于可穿戴設備而言,平均每臺設備會用到3-7顆時鐘器件。因此,在時鐘器件的尺寸、功耗、性能等方面需要全面保障。
SiTime日前針對可穿戴和物聯網領域特別推出了32kHzSuper-TCXOs的SiT156x/7x系列產品。這套時鐘解決方案與眾不同,尺寸僅1.2mm2,較石英產品縮小了85%。此外,Super-TCXOs運用SiTime顛覆過往的TempFlatMEMS技術,準確性可達±5ppm,不僅可精密計時亦可延長電池續航力。*重要的是,SiT1568具備創新、內建自動校準功能,方便客戶排除在系統組裝、回流、底填、成模時的時脈誤差。“有了SiT156x/7x32kHzSuper-TCXOs,客戶能設計出具備*小尺寸、*精準、超長電池續航力等可翻轉市場的電子產品,證明了SiTime的MEMS時鐘解決方案一再為時鐘產業創造新局。”PiyushSevalia表示。
SiT1566、SiT1568和SiT1576三款Super-TCXO產品的特性。
在尺寸微型化方面,SiTimeMEMS在體積上遠遠超過石英,在kHz和MHz上,體積分別可比石英縮小65%和40%。另外,SiTime的SiT156x/7x能驅動多重載入,不只元件本身所占的體積變小,從元件的數量方面做*大優化,降低物料清單空間與成本。
SiTimeMEMS在體積上遠遠超過石英
在精準度方面,SiT156x/7xSuper-TCXO在-40-80℃的工業溫度下達±5ppm準確度,為石英晶體振諧器30-40倍。值得注意的是,在非常小的設備中,設備內的溫度可能會發生急劇變化,當智能手表或其他可穿戴設備藍牙開關瞬間溫度會飆升,其頻率的精準度也會跟著改變;SiTime的溫度補償晶體振蕩器(TCXO)可以使得在溫度驟升的變化過程中維持±5ppm穩定度,幾乎不受影響。
SiT156x/7x的精度和溫度補償
對于可穿戴設備而言,電池續航一直是亟待解決的難題。目前可穿戴設備大多無法獨立使用,需要通過藍牙與手機相連。但是它們不是始終相連,否則會消耗大量電能,因此會不斷接通和斷開。由此可以看出,精度高的時鐘器件會減少設備間連接的次數,從而減少電量的消耗。SiT156x/7xSuper-TCXO的精準計時會將啟動所需時間減少65%,相比石英可以讓藍牙的功耗做到更低。
SiT156x/7xSuper-TCXO提供藍牙低功耗盛典功能。
值得一提的是,可穿戴設備和物聯網帶動小型化模組的需求,當模組化或系統封裝(SiP)的過程中都有可能射出成型或具有涂層,因此在模組本身會產生壓力,導致所有的頻率器件會產生頻率誤差。有鑒于此,SiT156x/7xSuper-TCXO希望利用本身內建自動校準功能,將封裝前后的精準度維持在5ppm之內,提供客戶做小型化模組的過程中,不影響芯片的準確度。
SiT156x/7xSuper-TCXO自動校準將封裝前后的精度維持在5ppm之內
總體來看,SiTime的MEMS時鐘新品在尺寸、精度、功耗和自動校準等方面具備明顯優勢。品佳集團旗下凱悌股份有限公司總經理吳永昌對此表示,過去七年間,我們與SiTime在亞洲攜手合作,親身感受到SiTime的MEMS時鐘解決方案徹底改造業界,提供更多功能、更高效能、更小尺寸、更低功耗、更加穩定。*新SiT156x/7x系列的32kHzSuper-TCXOs為效能及尺寸樹立新標竿,令傳統石英產業望塵莫及,我們很榮幸成為SiTime的重要伙伴。
物聯網和可穿戴時代,SiTime仗劍MEMS和模擬技術大舉挺進時鐘市場,看來是要革了石英晶振的“命”。而傳統的石英廠商已開始“倒戈”,有販售SiTimeMEMS產品的石英供應商多達25家。就像PiyushSevalia所言:“如同集成電路取代分立器件、數字存儲取代磁盤和膠卷,MEMS時鐘器件也終將取代石英。”
深圳市晶友嘉電子有限公司在頻率器件行業已發展超過14年, 具備國際標準體系ISO9001、ISO14001等認證, 在深圳建有生產基地,能快速化響應市場需求,供應性能穩定和高性價比的貼片和插件晶振;
貼片晶振產品廣泛的應用在電源管理、儀器儀表、PC及周邊小家電、通訊產品、邏輯電路、應用于DVB (數字機頂盒)、GPS(衛星定位)、DVD及數碼相框、高性能MODEM、路由器、VPN接入服務器、無線路由器、網絡存儲設備(NAS)、VOIP網關、數字硬盤錄像機(Digital video recorder, DVR)、DSLAMs、高端打印機、教學演示網絡設備、交換機、機頂盒、稅控機、液晶顯示驅動、鼠標、鍵盤、藍牙音響、車載MP3、LCD控制板。
應用領域:新能源汽車電子、智能機器人、無人機、醫療電子、2.4G無線通訊、微波通信、光網絡通訊、藍牙、移動終端、物聯網、工業控制、及安防行業都取得一定的市場占有率。
晶友嘉是SiTime晶振代理商,歡迎來廠蒞臨指導,電話:0755-32840201。
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