随着对资源（通常是能源、天然气或石油）的监测迅速扩大，支持信息收集和传输的新技术变得更加关键。数据必须可靠且安全地捕获和传输，考虑到已安装计量硬件周围的不同位置和环境条件，这可能具有挑战性。例如，测量、收集和分析能源使用情况的智能电表，或测量地震信息的仪表提供了关键数据——并且这些仪表必须在很长一段时间内提供可靠的信息。

硅 MEMS（微机电系统）定时是提高计量设备可靠性和性能的创新技术之一。该设备需要具有稳定频率的强大定时组件，以提供准确的计时并与时钟源同步。由于基于 MEMS 的组件固有的鲁棒性和弹性，这项技术正在迅速取代传统的石英晶振。除了更高的可靠性外，MEMS 定时还提供了灵活和专门的功能，提高了系统性能，同时交货期非常短。MEMS 振荡器具有更高的可靠性、弹性和更多功能。

MEMS 振荡器具有更高的可靠性、弹性和更多功能

仪表用于各种应用和环境中，并且经常在高温和/或高水平的噪声、振动或冲击的恶劣条件下运行。为了多年可靠运行，定时组件必须具有极强的弹性。与石英谐振器相比，由于其设计、较小的质量和超净制造工艺，MEMS 本质上更坚固。与石英晶振供应商不同，SiTime 拥有内部专业知识来开发先进的 MEMS 谐振器和振荡器 IC，采用技术来提高弹性和性能。这些能力导致振荡器具有极高的可靠性。SiTime 是唯一一家对所有生产产品提供终身保修的定时公司。SiTime MEMS 振荡器具有以下特点。 

- 高工作温度——MHz 振荡器高达 125°C，kHz 振荡器高达 105°C 

- 出色的频率稳定性——在整个温度范围内 

- 定制频率——从 1Hz 到 725MHz，精度达到 6 位小数 

- 可靠性更高，故障率小于 1 FIT（平均故障间隔时间 10 亿小时）——比石英振荡器好 30 倍

- 抗振动（70g 振动）——比石英振荡器好 30 倍 

- 抗冲击（50,000g 冲击）——比石英振荡器好 25 倍 

- 低电磁敏感性（EMS）——比石英振荡器好 50 倍 

- 对电源噪声敏感度低（PSNS）——比石英振荡器好 10 倍 

- 低功耗特性——非常适合电池供电的仪表/控制器

MEMS 振荡器更能抵抗冲击和振动 

仪表通常部署在恶劣和/或偏远的位置。它们可能会暴露在诸如冲击和振动力等危险中，这可能会降低石英振荡器的性能并导致其失效。石英晶体谐振器是悬臂结构，对机械力非常敏感，容易因振动而增加相位噪声和抖动，以及因冲击而产生频率尖峰。相比之下，MEMS 谐振器的振动较小，因为其质量比石英谐振器低 1000 至 3000 倍。这减少了由振动引起的加速度施加到谐振器上的力。SiTime MEMS 谐振器是刚性结构，以体模式在平面内振动，这种几何形状本质上就具有抗振性。振动灵敏度或 g 灵敏度，以 ppb/g 表示，代表由加速力引起的频率变化。图 1 以 ppb/g 为单位绘制了正弦振动引起的噪声杂散，以展示与基于石英的振荡器相比，SiTime MEMS 振荡器在不同频率下的低振动灵敏度。

图 1：振荡器对正弦振动的灵敏度 

此外，SiTime 振荡器在微小的 1.5×0.8 毫米封装（千赫兹振荡器）以及小尺寸的 2.0×1.6 QFN 和 SOT23-5 封装（兆赫兹振荡器）中实现了 0.1ppb/g 的性能。石英晶振必须使用大型专用封装才能实现低 g 敏感度。为了模拟器件在实际条件下的性能，SiTime 在包括正弦振动（如上所示）、随机振动和冲击影响在内的各种条件下，对具有类似规格的 MEMS振荡器和石英振荡器进行了测试。

MEMS 振荡器对电磁能和电源噪声具有高度免疫力

电磁敏感性（EMS）在测量应用中是一个重要的考虑因素，因为电磁（EM）能量会显著影响振荡器的性能。与石英振荡器相比，设计良好的模拟电路的 MEMS 振荡器对电磁噪声不太敏感。石英振荡器封装上的金属盖并不能保证免受电磁力的影响。EMS 性能更多地取决于振荡器的固有谐振器阻抗和耦合机制以及模拟电路设计。基于标准的测试表明，SiTime 振荡器的性能优于其他时钟器件，如图 2 所示。

图 2：各种振荡器上的平均电磁感应相位噪声杂散

系统中的电源可能是噪声的主要来源，这对系统性能有害，并且当电源接通和关闭时，这种噪声会被放大。这种噪声的大部分可以通过无源滤波器和去耦电容器滤除。然而，仍有一些噪声存在，诸如接地反弹等电路板问题会对时钟抖动产生负面影响。电源噪声敏感度（PSNS）是模拟电路设计中使用的一个参数，它表明电路对来自电源的噪声的鲁棒性。测试结果表明，SiTime 振荡器的 PSNS 远优于石英晶振，包括旨在满足高频、低抖动要求的石英晶振表面声波（SAW）振荡器。

图 3 显示了在 50 mV 峰峰值电源开关噪声下，集成相位抖动作为电源开关噪声频率的函数，比较了石英振荡器与 SiTime MEMS 振荡器的结果。如图所示，SiTime MEMS 振荡器的抖动在几乎所有噪声频率下都更低。与典型的石英振荡器制造商不同，SiTime 为其 MEMS 振荡器设计模拟电路，使用先进的模拟设计技术，包括 PSNS 电路，以保护振荡器免受电源引起的抖动。

图 3：在存在 50 mV 峰峰值电源噪声的情况下，SiTime MEMS 振荡器（下线）和石英振荡器的相位抖动与电源开关噪声频率的关系

MEMS 振荡器在温度方面表现出更好的频率稳定性

计量设备在各种环境中运行，且通常在较宽的温度范围内。MEMS 振荡器非常适合高温环境，因为它们在温度范围内提供高度稳定的时钟信号。例如，在低功耗仪表应用中使用的基于 SiTime MEMS 的 32 kHz 振荡器采用 TempFlat MEMS™技术，可在整个温度范围内实现出色的频率稳定性。

图 4a：SiT1532 32 kHz 振荡器稳定性         图 4b：SiT1552 32 kHz TCXO ±5 ppm 稳定性

图 4a 显示了基于 SiT1532 MEMS 的 32.768 kHz 振荡器的频率稳定性与温度特性曲线。SiT1532 工业温度的规格限制（< 100 PPM p-p）以蓝色虚线显示。使用基于石英的音叉型 XTAL 的 32.768 kHz 振荡器的典型规格限制以红色曲线显示。图 4b 显示了基于 SiT1552 MEMS 的 TCXO（温度补偿振荡器）的频率稳定性，该振荡器在多个频率点进行工厂校准（修整），以确保在温度范围内具有极其严格的稳定性。

MEMS 振荡器是可编程的

SiTime 定时解决方案采用可编程架构设计。广泛的规格可按订单在工厂进行编程，并在极短的交货期内交付，为设计人员提供了极其广泛的可配置选项。例如，输出频率可以在宽工作范围内指定，精度可达六位小数。SiTime 器件具有诸如可编程驱动强度以控制上升和下降时间等特殊功能。此功能允许设计人员更改输出边沿速率，从而降低系统内的 EMI。此外，系统设计人员可以在自己的实验室中使用现场可编程振荡器和 Time Machine II™振荡器编程器对 SiTime MHz 振荡器进行即时编程。由于 SiTime 振荡器采用行业标准封装，它们可直接替代石英晶振，并在设计人员开发原型时轻松取代石英晶振。

用于低功耗、电池供电仪表的 MEMS 振荡器

燃气表和水表通常由电池供电，并经常采用无线通信子系统。在这些应用中，低功耗至关重要。例如，地下水表设计为在无需维护的情况下运行 20 年或更长时间，因此需要超长的电池寿命。定时组件可能对系统功率和电池寿命产生重大影响。

SiTime 的低频、低功耗振荡器是优化功率的理想选择。这些器件的功耗低至<1 µA，并具有独特的功能，可进一步节省功耗。例如，SiTime kHz 振荡器具有 NanoDrive™，一种降低的摆幅输出电压。此功能允许系统设计人员选择与下游 PMIC 或 MCU 输入匹配的输出电压，并最小化负载电流。此外，定制低频的可用性使仪表设计人员能够选择最佳频率以实现最佳性能和功耗。仪表设计人员不再受限于有限数量的输出频率，并且可以使用定制频率来降低功耗。

MEMS kHz 振荡器的稳定性高达±3 ppm，也延长了电池寿命。稳定性的提高减少了系统功率，减少了网络计时更新的需求。仪表内的子系统可以在睡眠模式下保持更长时间，同时仍与中央集线器保持同步。最后，与石英晶体不同，SiTime MEMS kHz 振荡器可以驱动多个负载。这不仅降低了 BOM（物料清单），还可以降低系统总功率。

用于计量应用的 MEMS 振荡器 

基于 MEMS 的KHz 低功耗振荡器和 TCXO 

MEMS 低功耗 LVCMOS 振荡器

MEMS 振荡器的封装样式和尺寸 

如前一页的表格所示，SiTime 定时产品提供了一系列选项，包括各种封装选项以满足应用需求。

 - 直接替代石英晶振：SiTime 行业标准的 QFN 塑料封装（2012、2016、2520、3225、5032 和 7050）与石英晶振引脚兼容。由于这些封装适合常见的石英振荡器 PCB 焊盘布局，因此 MEMS 振荡器无需更改任何电路板即可轻松替代石英晶振。 

- 最高的板级可靠性：对于需要最高焊点可靠性的应用，SiTime 振荡器采用 SOT23-5 封装。 

- 超小型：32 KHz振荡器采用 2012 QFN 封装和超小型 1508（1.5×0.8×0.6H mm）CSP（芯片级封装）。

总结

仪表通常会受到从极端温度到高水平振动和电源感应噪声等各种操作环境的影响。参考定时器件必须在恶劣条件下和很长时间内符合其规格。硅 MEMS 振荡器比石英振荡器坚固得多。测试数据表明，当受到振动、机械冲击和 EMI 影响时，SiTime MEMS 振荡器的性能优于基于石英的振荡器。此外，SiTime 振荡器具有更多功能和供应链优势。低功耗 MEMS 振荡器具有许多节能特性，从低电源电流到可编程输出电压和输出频率。SiTime 定时产品的可编程性提供了系统性能优化、设计灵活性和快速交货期——这是石英晶振制造商无法提供的组合。SiTime 振荡器是智能电表和电池供电控制器等应用的绝佳选择。