MEMS時鐘是時鐘市場的新勢力。近日，SiTime在京舉辦新聞發佈會，SiTime負責市場營銷的執行副總裁Piyush Sevalia先生介紹了MEMS時鐘狀況，及該公司最新產品——面向5G基礎設施推出MEMS時序方案Emerald 平臺。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201811/394013.htm

時鐘市場及成長率

時鐘產業大概60億美元規模，每年的產值成長率大概5%~10%。

MEMS時鐘市場目前小於5%的份額，但每年的成長率高達約70%到80%，可見它的速度增長得非常快，慢慢去滲透進整個時鐘市場。

從半導體歷史進程看，半導體的特點是集成度越來越高，所以可以提供越來越多的功能，而且半導體的量產效率較高，一致性也比較高，所以半導體在很多應用場合取代了舊的技術，例如數字存儲芯片取代膠捲和磁帶，晶體管、電子管取代了真空管。“對於時鐘產品的技術，隨着應用對環境因素要求越來越高，相信傳統石英的技術沒辦法跟上，半導體會慢慢的取代。”Piyush稱。

5G應用的時鐘的挑戰

新興領域爲MEMS時鐘方案帶來機會。例如5G市場。

隨着進入5G時代，移動運營商的無線設備需要更嚴格的時間同步，因此必須使用 OCXO(恆溫振盪器)。而在5G 之前，這種OCXO 部署在控制良好的環境中。但是現在和即將到來的5G時代，計算、核心網絡和無線拆分成系統，部署在不受控制的環境中，如信號塔、屋頂和燈柱。在這些環境下，OCXO 將受到振動和極端溫度的影響。

所以部署架構的這種變化需要新的思考，相比於其他應用，需要有更低的頻率穩定性、相位抖動、短穩(阿倫方差)和小尺寸(如下圖)。

這時，相比於傳統的石英定時技術，MEMS解決方案脫穎而出。

MEMS相比石英方案的優勢

據Yole Development統計，在MEMS時鐘市場，SiTime佔有90%的份額。近日， SiTime宣佈推出了面向 5G 基礎設施的MEMS 時序解決方案--Emerald 平臺，不僅可將 5G 設備部署到任何環境中的任何地點，包括在惡劣環境下部署 5G 設備，而且體積更小、性能更高，具有可編程性。

據悉，SiTime 的 Emerald 平臺是業界首款 MEMS 恆溫振盪器 (OCXO)。OCXO 在時序中提供頂級性能，是所有通信網絡可靠運行的關鍵。

然而，基於石英的 OCXO 對諸如振動、溫度變化和衝擊等環境壓力因素極爲敏感，客戶必須採取大量預防措施以確保可靠運行。一大難題是 OCXO 的電路板佈局。OCXO 在佈局時需要遠離壓力因素，例如熱量和氣流誘發的熱衝擊。這樣會導致佈線複雜性增加和潛在的信號完整性問題。此外，設計人員也嘗試使用專門的塑封型 OCXO 蓋進行熱隔離，但這會增加製造步驟和生產複雜性。Emerald MEMS OCXO 消除了所有這些問題：它們簡化設計(體積更小)、縮短開發時間、加速營收，同時提升系統性能。具體地，Emerald 平臺例如是唯一可以達到3E時鐘標準的OCXO，外形尺寸僅爲9mm x 7mm(如下圖)，OCXO頻率穩定性達到±5 ppb。

照片 MEMS OCXO比石英方案體積更小

另外，SiTime還提供可編程性。而傳統石英 OCXO 是從頭定製的產品。它們在特性的可用性方面存在嚴重限制，例如頻率、輸出類型、工作溫度和系統內控制。“SiTime 的 Emerald 平臺 MEMS OCXO 則沒有這些限制。”SiTime負責市場營銷的執行副總裁Piyush Sevalia先生稱，通過使用可編程模擬架構，Emerald OCXO 可提供1~220MHz 範圍內任意頻率，確保客戶能爲自己的應用選擇最佳頻率。此外，該器件還提供 LVCMOS 和限幅正弦波兩種輸出類型，以實現最佳板性能。在不久的將來，Emerald OCXO 將提供更廣闊的工作溫度範圍(-40 到 +95°C，-40 到 +105°C)和用於系統內編程的 I2C 串行接口。

Emerald爲何可以做得很小?

原來的石英諧振子在上圖的鐵殼裏，SiTime的諧振子在哪裏?

如下圖，其中最小的黑點就是SiTime的諧振子，只有0.4mm×0.4mm。因此SiTime的OCXO纔可以做成很小的體積。

那麼，MEMS爲什麼抗振性好?

人們在用傳統石英做OCXO時，可能會遇到一個很重要的問題就是外界的振動怎樣解決?因爲振動會影響壓力。

但是由於SiTime的諧振子非常小，這意味者同樣外界的應力對它造成的變異能力就比較小，所以它受外界頻率等環境的影響較小。因此可見，從體積/本質上就能解決抗振性的問題。

頻率可編程的優勢

Emerald平臺是1~220MHz可編程的，這在5G領域有什麼樣的應用場景?

Piyush分爲兩個部分回答。第一部分，相比固定頻率OCXO，隨着未來5G系統的複雜性要求比較多的時候，系統工程師可能需要的頻率不在目前市場上找得到的固定頻率可以提供的OCXO。因此1~220MHz的可調頻率，可以根據客戶未來的需求，迅速提供不同頻率。

第二部分，由於有了I2C在線編程，解放了工程師原來要靠傳統OCXO供應商給他一個固定水平，現在工程師通過I2C數字接口，在系統內部就可以通過軟件的方式編程OCXO所需要的一個頻率。另外，工程師可以通過I2C接口去讀取OCXO內部的溫度，作爲它系統設計時候的一個參考。第三，還可以讀取現在OCXO內部工作的一個狀態，確定OCXO現在的狀態是不是OK，還是它有一些狀況，還需要做校正。第四可能是現在都沒法實現的，即OCXO有所謂的老化問題，如果5G系統安裝到市場上以後，十年以後OCXO的精度變化，系統設備工程師如果要去校正這個OCXO，現在的方式只能到是現場拆開機器更換板子或更換OCXO。通過在線編程，工程師可以做遠程校正，因此可以節省大量人力做設備更換，這就像手機現在不需要送維修廠，你就可以做軟件更新。

耐溫從85℃提升到105℃的方法

Emerald的溫度將從85℃提升到105℃，是通過什麼方法提高的?Piyush稱，實際上，MEMS諧振器本身可以工作到200℃。達到105℃，還是通過電路設計和產品設計。因爲半導體本身做105℃不是難事，通過溫度補償電路以及測試的方式，可以讓這個產品穩定地工作在105℃。

OCXO有一些比較獨特的設計，包括預熱的電路，包括類似一個恆溫箱的東西，它採用了所謂的雙MEMS結構來做支持，他們內部實際上就是用SiTime高穩的OCXO，再把整個系統架構起來。雙MEMS架構的好處是可以快速地知道溫度的變化，然後進行溫度補償。SiTime的OCXO有一個預熱，預熱是讓整個內部工作溫度可以快速達到所希望的工作溫度範圍。然後再加上溫度補償的電路，讓整個可以達到高穩。

設計與生產

SiTime的核心競爭技術包含四個方面： MEMS諧振器;鎖相環，即混合信號設計的技術;溫度補償技術;封裝技術。相較於傳統的石英業界的廠商，石英廠商的上述技術很多是從外部引進。

SiTime生產是外包，半導體部分(PLL和溫度補償電路)外包給臺積電，製程0.18微米;MEMS用在德國博世晶圓廠。封裝廠採用半導體產業鏈標準的IC封裝廠，像日月光、還有馬來西亞和泰國的工廠。

SiTime公司崛起12年

SiTime是唯一一家專注在時鐘領域的MEMS公司，成立12年。已有超過10億顆產品的出貨。這幾年，SiTime的產品主要專注在通信方面，還有IoT、汽車方面的時鐘產品上。

SiTime目前爲止有超過三四十個產品系列。有超過100項專利，全球有超過1萬家客戶，涵蓋了200多個應用。

2014年SiTime被日本Megachips併購，成爲其子公司，獲得了Megachips財務支持，SiTime可以成長得更快速。2014被併購後，SiTime獲得了5到6倍的成長。

SiTime從2007年第一個純硅的諧振子問世之後，2011年又開發了全球最小的MEMS的諧振子，2013年開發出全球最小的振盪器，比當時在市場上最小的一個振盪器，體積減小80%，精確度提高4倍。2015年時，SiTime推出低功耗的振盪器，2017年推出所謂高穩產品，今年(2018年)開發出精度更高、可靠性更高的產品，例如Emerald平臺。

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