微机电系统（MEMS）技术为电子行业的变革性转变奠定了基础。在计时组件方面，与传统石英振荡器相比，MEMS 技术在关键领域实现了更优越的性能，例如稳定性更强、抗冲击和抗振动能力高得多、可靠性更高以及尺寸更小。

而且该技术已得到验证：率先将 MEMS 技术应用于计时组件的 SiTime 公司，已经出货超过 30 亿个基于 MEMS 的振荡器。MEMS 计时组件的特性对于安装在工业环境中的设备特别有价值，例如：

• 机器人技术和工厂自动化 

• 伺服驱动器 

• 计算机数控 

• 自动地面车辆（AGV）

这份白皮书详细描述了：

• 影响传统石英定时组件运行的工业环境特征 

• 定时在工业自动化设备中的作用 

• SiTime MEMS 定时组件在工业应用中的三个优势：可靠性、更易符合 EMC 标准以及可编程性

工业领域应用的特征 

精密定时组件在工业设备中发挥着重要作用，提供稳定的定时信号——电子电路的心跳。然而，在许多代产品中，电子系统设计师别无选择，只能忍受传统石英振荡器（XOs）带来的妥协和实现问题。这些 XOs 极易受到干扰其运行或导致过早失效的环境现象影响。但在没有其他选择的情况下，石英 XO 是定时的事实上的标准技术。然而，工业设备制造商有特别强烈的动机考虑替代定时技术，以消除与使用石英 XOs 相关的变通方法和妥协。这是因为干扰石英 XO 运行的因素——暴露于高温、冲击和振动以及高水平的电噪声——在工业和制造环境中特别普遍。

与定时组件相关的运行条件包括： 

冲击和振动——强大的电机能够产生振动，一种连续的高频运动。工程师越来越多地选择在本地控制电机，以更快地响应位置测量，从而实现更高的扭矩和更平稳的运行。安装在电机驱动器和编码器（位置传感器）附近的时钟紧邻电机轴及其负载，无法与它们产生的振动隔离。冲击是一种单一的、强大的运动事件，可能由模具冲压机或材料处理设备等设备引起。冲击和振动很容易机械地传递到 XO 的晶体上。这会增加其相位噪声或抖动，并可能导致频率偏移，扰乱定时信号。在极端情况下，冲击可能会损坏晶体。

基于 MEMS 的 XOs 几乎不受冲击和振动的影响。 

极端温度——强大的机械会产生废热作为副产品，局部提高工业设备中电子系统所暴露的环境温度。在石化炼油厂、钢厂或食品制造设施等加工厂中，高温是工业操作的必要特征。 

电源噪声和 EMI——为制造设备供电的配电母线通常在非常高的电压下运行。此外，在诸如 DC-DC 电源转换器和电机等设备中，高频和高压开关操作很普遍。这种工厂设备会产生大量电噪声，以及电磁干扰（EMI）的传导和辐射发射。

石英晶振在受到哪怕是轻微的冲击或振动、温度波动以及电噪声时，其频率输出都会表现出较大的偏差（低稳定性）。这种频率不稳定性会暂时扰乱电子系统的运行。其症状可能包括： 

• 网络系统中的位错误以及数据丢失或损坏 

• 诸如微处理器、微控制器、FPGA 或存储设备等关键组件运行缓慢或故障

 使用 MEMS 定时技术为设备设计师提供了独特的优势：

 • 可靠性比石英振荡器高多达 50 倍：平均故障间隔时间（MTBF）为 22 亿小时 

• 抗冲击能力强多达 20 倍 

• 抗振动能力强 4 倍——典型值为 0.1 ppb/g——这是由于与晶体相比，MEMS 谐振器的尺寸更小（0.4mm x 0.4mm）且质量更低（见图 1） 

• 对气流和热冲击的抵抗力强——1 ppb/°C 

• 具有扩频能力以减轻 EMI 的影响 

• 无活动骤降或冷启动问题

图 1：振动显著损害石英 TCXO 的相位噪声性能，而 SiTime Elite 产品的输出不受影响

工业设备中定时的作用 常见类型的工业设备

工业设备制造商及其客户越来越多地采用一种被称为“工业 4.0”的全系统控制方法。这意味着：

 • 工厂内部和到云端的高度连接性 

• 先进的边缘智能和智能工业设备的使用 

• 复杂的人机界面，使操作员的交互更可靠，减少人为错误并提高安全性 

• 越来越多地使用机器人来替代人工操作员，以及使用协作机器人来增强操作员的能力 

设备制造商正在加强嵌入在工业 4.0 系统中的技术，以支持这种新的操作模式。嵌入式处理器和微控制器以更高的速度运行，板内和板间的数据传输速度更快。这种变化反映在高速接口的使用上，包括用于工厂网络的工业以太网和 TSN 以及用于显示系统的 MIPI（见图 2）。 人机界面（HMI）的 MEMS 定时解决方案

图 2：一个典型的工业 HMI 应用电路展示了由强大的定时设备支持的高频接口的激增

同样，精密电机控制系统的规格正在收紧，以支持机器人、协作机器人和自动地面车辆（AGV）中毫米级精确制导的需求，以保护附近人工操作员的安全。这就需要更先进的高速处理器，并增加位置传感器和激光雷达扫描仪之间以及控制它们的数字设备之间的数据流（见图 3）。 

 图 3：AGV 的典型应用电路表明，诸如 MCU 之类的高速设备由强大的振荡器支持

在这些需要高速数据传输的工业应用中，定时系统的误差余量急剧减少。时钟频率每翻一番，允许的抖动（定时脉冲时间位置的波动）就会减半。当时钟的抖动超过其指定阈值时，会导致随机位错误，使工业控制应用变得缓慢和滞后。因此，工业设备设计人员需要生成具有低抖动并且在所有操作条件下保持稳定的定时信号。

石英 XO 在暴露于温度波动、冲击和振动以及噪声时的频率不稳定性，不利于设计人员实现低抖动、干净的定时信号和可靠的系统运行（见图 4）。  

图 4：与典型的石英 XO 相比，SiTime XO 在暴露于噪声时要稳定得多

MEMS硅晶振在工业应用中的三个优势 

石英振荡器在工业环境中运行时的不稳定性是石英材料的物理属性以及石英 XO 的结构和封装所导致的固有结果。SiTime MEMS 计时产品的物理结构从根本上有所不同，并为工业应用带来了三个优势：可靠性、可编程性和更易于符合 EMC 标准。

高可靠性和长使用寿命

SiTime 计时解决方案完全由硅制造，采用标准的半导体制造工艺。这产生了远高于石英的半导体级质量。SiTime 按照六西格玛的设计和开发理念运作，缺陷率低于 0.1 DPPM（见图 5）。

SiTime MEMS 谐振器由单晶硅制成，这种无缺陷材料的强度是钛的 15 倍。SiTime 谐振器采用获得专利的 MEMS First®和 EpiSeal®制造工艺，在 1100°C 下对谐振器进行退火处理。这些工艺生产出高质量的谐振器，完全封装在硅芯片内，使其不受污染物影响，并对外部来源的损害具有极强的抵抗力。MEMS 谐振器可以像标准的 CMOS 芯片一样处理，并采用标准的 IC 封装工艺进行封装。MEMS First 工艺、IATF 16949 认证的半导体供应链和标准封装工艺确保了 MEMS 振荡器比石英晶振具有更高的质量和可靠性。

图 5：SiTime 振荡器生产单元的缺陷率与广泛使用的石英 XO 的比较

这些特性是 SiTime MEMS 振荡器在工业应用中比石英计时产品可靠性高得多的原因（见图 6）。  

图 6：SiTime 振荡器与广泛使用的石英 XO 的平均故障间隔时间（MTBF）可靠性比较  

但 SiTime 所采用的 MEMS 技术的其他特性为工业自动化设备制造商提供了额外的好处。  

多种可编程功能  

SiTime MEMS 振荡器的输出频率在工厂可编程。大多数 SiTime 产品可以编程在宽范围内提供任何频率，精确到小数点后六位。虽然某些市场领域的频率在很大程度上由法规或标准控制，但在工业领域，专有系统设计导致对独特频率的需求。SiTime 产品的可编程性轻松满足了这一需求。

图 7：与石英 XO 不同，SiTime MEMS XO 提供了广泛的配置选项，使设计人员能够满足确切的应用需求

SiTime MEMS 定时产品的可编程性还有另一个好处：单个产品可以满足多种定时要求，每个单元都经过编程以产生所需的频率。这简化了库存管理。它还降低了与元件认证相关的成本和时间，并有助于加快产品上市时间。

元件认证是测试电子零件以确保它们在集成到更大的系统或产品之前满足特定要求的过程。这是电子产品开发中的重要一步，因为不符合必要标准的零件可能会损害整个系统的安全性、可靠性和功能性。

由于 MEMS 定时产品的可编程性，对一个 SiTime 部件进行认证与对数千或数百万个 SiTime 部件进行认证具有相同的效果。如图 7 所示，SiTime 振荡器可以配置为众多规格组合，因此每个产品可以生成数千甚至数百万个零件编号。通过消除对多个认证过程的需求而节省的成本可能高达数万美元。通过提供按订单编程并可在 48 小时内发货的 SiTime 产品，提高了开发速度和生产灵活性。

更容易符合 EMC 标准

许多 SiTime 产品的另一个可用功能是时钟信号的可编程上升和下降时间。此外，SiT9025 等 MEMS 振荡器中还具有扩频功能。这些降低 EMI 的技术使符合噪声排放标准变得更容易实现（见图 8）。

图 8：SiT9025 扩频振荡器将时钟系统的 EMI 降低了 17dB。

SiT9025 由 SiTime 的 Time Machine II 编程器支持，使设计人员能够即时编程扩频调制和/或驱动强度。SiT9025 提供三种行业标准封装，以便客户在无需更改其电路板设计的情况下替换石英产品。这种组合通过确保以最小的工程努力符合排放要求，加快了盈利时间。

MEMS 振荡器 

下表列出了 SiTime 针对工业的 MEMS 振荡器系列[1]。

MEMS 硅晶振在工业设备中的优势 

最新一代的工业设备要求更高的精度，并以更高的速度运行，具有更快的数据传输速度。这对定时操作提出了更严格的要求，暴露了传统石英晶体振荡器技术的弱点。采用 MEMS 定时解决方案的工业设备制造商避免了与使用传统石英 XO 相关的妥协和变通方法，可以制造出更可靠和更高性能的产品。

在工业自动化市场中，SiTime 产品的用户可以放心，知道定时解决方案在炎热、嘈杂、恶劣的条件下可靠运行，不存在不可预测或异常的定时信号干扰系统运行的风险。与传统的石英 XO 定时产品相比，SiTime MEMS 振荡器具有： 

• 更高的抗冲击和抗振动能力 

• 更好的温度频率稳定性 

• 更好的电源和 EMI 噪声抑制能力 

此外，SiTime 可编程产品支持简化的供应链和快速提供定制频率。