随着人工智能和机器学习将我们带入第四次工业革命，工程师们正在重新审视如何通过电子系统实现数据传输同步。更多的数据正以更快的速度通过更复杂的系统传输。精确、低抖动和稳定的定时信号对于同步数据流至关重要。为了满足新兴技术的需求，并使系统像时钟一样运行，现在是重新考虑定时装置的时候了。在这两部分的精密时序系列中，您将了解到为什么在新的电子设计时代，微机电系统（MEMS）硅定时装置比石英定时装置更具优势。

石英与 MEMS 材料的区别以及您为何应该关注它们

硅是 MEMS 计时设备的核心材料。它由超纯单晶硅或单晶硅制成。单晶硅具有清晰的晶体结构，性能稳定可靠。事实上，SiTime 硅 MEMS 器件的质量和可靠性比同类石英晶体器件高 50 倍，缺陷率低于百万分之一 (DPPM)，而石英器件的缺陷率为 50 DPPM 或更高。

石英晶体也可以是一种纯净材料，但它天然含有畸变--单晶硅中不会出现的缺陷。此外，石英晶体需要金属电极，并用环氧树脂胶水连接。这些材料的可重复性和可控性都不如单晶硅。 

另一个差异点在于尺寸和机械弹性：同类产品的石英谐振器比其 MEMS 硅谐振器要大。事实上，频率为 32 kHz 的 SiTime 硅 MEMS 谐振器要比同类石英谐振器轻 1000 倍、小 1000 倍。由于石英器件尺寸较大，机械重力的影响要大得多，因此石英器件对冲击和振动更加敏感。材料强度（质量和结构）的差异使得石英定时器件在冲击下比 MEMS 硅器件更容易破裂或断裂。 

SiTime MEMS 定时器采用标准半导体工艺，有利于实现微型化，更容易集成到电子系统中。硅 MEMS 材料可以提高质量，简化制造过程，并促进石英材料以前无法实现的规模经济。 

复原力： 承受最恶劣的条件

MEMS 谐振器具有卓越的弹性。其固态性质和结构设计使其具有很强的抗环境压力能力，如振动、冲击、温度变化、高压和潮湿。

MEMS 振荡器对温度变化的适应能力更强。由于谐振器由硅制成，因此可直接安装在振荡器集成电路上，或与温度传感器配对安装在同一基板上，从而消除了元件之间的距离，使温度补偿更加有效。这种耐用性确保了基于 MEMS 的定时解决方案在石英振荡器性能下降的条件下仍能保持精度和可靠性，为关键应用提供了更强大的解决方案。

Epi-Seal 工艺： 制造奇迹

SiTime MEMS 器件制造的一个突出特点是Epi-Seal® 工艺，这是一种专有的制造方法，可将 MEMS 谐振器封装在纯硅、洁净的真空环境中。这种创新的密封方法可保护谐振器免受环境污染，并显著提高器件的长期可靠性和性能。与传统的石英晶体谐振器制造工艺不同，这种在晶圆级制造密封真空密封的方法是在封装级对谐振器进行封装，从而可能产生变异、杂质、污染和缺陷。

谐振器腔内的杂质会对振荡器的频率稳定性产生重大影响，特别是随着时间的推移而产生的长期频率偏差，即所谓的频率老化或漂移。与同类解决方案相比，Epi-Seal 工艺提高了 SiTime MEMS 器件的可靠性和使用寿命，防止了频率老化。

SiT5501 MEMS Super-TCXO（红色）与微型石英 OCXO（蓝色）的长期频率偏差。

扩展与集成： 硅的供应链协同效应

硅晶圆厂（制造设施）采用标准化工艺，而石英振荡器所需的制造工艺则更为专业，灵活性较低。因此，硅 MEMS 振荡器可以帮助您简化电子系统的供应链，提供比石英器件制造商更可预测和更短的交货时间。这就为采购经理带来了供应链灵活性的提高，从而实现了新产品的可扩展性和更快的上市时间。

石英振荡器使用独特的石英谐振器和振荡器芯片，它们一起封装在陶瓷或金属封装中。基于 MEMS 的振荡器结合了硅 MEMS 芯片和振荡器芯片。但由于 MEMS 谐振器密封在硅中，而且两个芯片都是硅，因此它们可以一起封装在塑料四扁平无引线（QFN）等标准半导体封装中，或使用晶圆级芯片级封装（WL-CSP）等更先进的半导体封装技术，以进一步减少占地面积。因此，MEMS 定时芯片更容易集成到更大的系统中，并能减少电路板空间，从而提高功率、性能和面积 (PPA) 的设计效率。

WL-CSP 硅 MEMS 振荡器的 SEM 图像，显示了直接安装在振荡器集成电路上的硅 MEMS 谐振器

SiTime MEMS 谐振器横截面的 SEM 图像

制造定时的未来

Epi-Seal 工艺体现了 SiTime 在 MEMS 精密时序领域的领先地位。通过在纯硅洁净真空环境中封装 MEMS 谐振器，SiTime 可确保其器件具有卓越的可靠性、稳定性和使用寿命，其性能优于传统的石英解决方案。此外，将硅基 MEMS 振荡器集成到标准化晶圆制造工艺中，在供应链效率和可扩展性方面具有显著优势。随着对先进电子系统的需求不断增长，SiTime 的创新技术提供了一个引人注目的解决方案，既满足了现代技术的需求，又为未来的进步铺平了道路。

欲了解更多信息，请参阅本系列文章的第二部分：《为什么精密定时比石英定时更胜一筹（第二部分，可编程性）》