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Piyush Sevilla在日前于深圳举行的新品发布会上态度坚定地表示。
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。
Piyush Sevalia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Tower Jazz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%。
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。”Piyush Sevalia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32 kHz Super-TCXOs的SiT156x/7x系列产品。这套时钟解决方案与众不同，尺寸仅1.2 mm2，较石英产品缩小了85%。此外，Super-TCXOs运用SiTime颠覆过往的TempFlat MEMS技术，准确性可达±5 ppm，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/7x 32 kHz Super-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。”Piyush Sevalia表示。
在尺寸微型化方面，SiTime MEMS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。
在精准度方面，SiT156x/7x Super-TCXO在-40-80℃的工业温度下达±5 ppm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±5 ppm 稳定度，几乎不受影响。
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/7x Super-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。
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/7x Super-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。
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32 kHz Super-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SiTime MEMS产品的石英供应商多达25家。就像Piyush Sevalia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。”
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