第一部分：硬件

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、低抖动和稳定的时钟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，现在是重新考虑晶振的时候了。在这两部分的高精度MEMS硅晶振系列中，您将了解到为什么在新的电子设计时代，微机电系统（MEMS）硅晶振装置比石英晶振装置更具优势。

石英晶振与 MEMS硅晶振生产工艺的区别以及您为何应该关注它们？

硅是 MEMS硅晶振的核心材料。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 MEMS硅晶振的质量和可靠性比同类石英晶振高 50 倍，缺陷率低于百万分之一(DPPM)，而石英晶振的缺陷率为 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。由于石英晶振尺寸较大，机械重力的影响要大得多，因此石英晶振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硅晶振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 硅晶振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硅晶振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硅晶振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，提供比石英晶振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硅晶振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

MEMS硅晶振的未来

Epi-Seal 工艺体现了 SiTime 在 高精度MEMS振荡器领域的领先地位。通过在纯硅洁净真空环境中封装 MEMS 谐振器，SiTime 可确保其晶振具有卓越的可靠性、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。

第二部分：可编程性

最新的工程创新意味着您现在可以实现前所未有的性能和带宽。在人工智能的推动下，电子系统正在通过更深层次的集成、微型化和互联来处理日益增长的数据量，在数据中心基础设施及其他领域达到了新的成就。

要在这些高带宽、高性能和分布式计算环境中实现数据传输同步，就必须实现精确授时。欢迎阅读精密授时系列的第二部分，您将了解精密授时为何比石英晶体产品更胜一筹，并通过可编程灵活性提升您的晶振技术水平。

可编程性MEMS硅晶振解决方案中的游戏规则改变者

SiTime 基于 MEMS 的可编程架构将灵活性和精度提升到了新的水平，使其有别于传统的晶振市场。事实上，这些特性是更新的精密授时类别定义的重要组成部分。高精度MEMS硅晶振解决方案将 MEMS 谐振器与模拟/混合信号振荡器集成电路结合在一起，并采用先进的系统集成和封装技术。锁相环 (PLL)、分频器、非易失性存储器和其他专有功能实现了这种可编程性。

SiTime 振荡器可针对任何输出频率、输出格式和电源电压在较大范围内进行编程，从而提供无与伦比的设计优化机会。这种可编程架构确保 SiTime 振荡器可以随时提供几乎任何频率，从而大大缩短了生产定制频率的传统石英振荡器所需的时间。SiTime 振荡器是批量生产的，储存在库存中，然后在最终测试时按照客户的精确规格进行工厂编程。

相比之下，基于石英晶振很少提供可编程功能。石英晶体或振荡器的频率由其尺寸和形状决定。这是通过精确切割、塑形和调整石英薄片的大小来实现的，以产生特定的所需输出频率。石英晶体的物理尺寸和厚度必须严格控制，因为它会影响最终的基频共振。一旦切割成型，石英晶体就不能以任何其他基频工作。

可编程性使单个 SiTime 振荡器就能取代多个石英振荡器 SKU，从而简化了设计流程和库存管理。这种多功能性可实现即时调整，以满足各种应用要求。例如，如果设计规格发生变化，需要不同的频率或电压，就可以根据新的规格对 SiTime 振荡器进行编程。这样就无需重新标定，进一步简化了设计、鉴定和制造流程。除了供应链优势外，SiTime 高精度MEMS硅晶振的可编程架构还有助于优化系统的性能和尺寸。

SiTime MEMS振荡器采用可编程架构。

更高性能： 优化系统效率和精度

SiTime 基于 MEMS振荡器具有可编程功能，可提高系统性能。频率定制功能允许设计人员通过选择最佳输出频率对性能进行微调。SiTime 产品组合包括数百种基本产品，可提供数百万个零件编号（SKU）。在该产品组合中，输出频率范围为 1 Hz 至 920 MHz，可进行高精度编程，精确到小数点后六位。频率还可调至百万分之一（ppm），以支持集成到控制回路中。通过系统内可编程（ISP）振荡器进行动态频率控制，可通过超频提升性能，或在低负载条件下降低频率以节省功耗。用于频率编程的数字接口（如 I2C）可消除敏感模拟输入的噪声，从而实现精确控制。

此外，FlexEdge™（一种独特的可编程功能）通过调整时钟波形的上升和下降时间来减少电磁干扰（EMI），从而在不影响短期抖动的情况下将高次谐波功率降至最低。

面积更小： 减小系统尺寸

基于微机电系统（MEMS）硅晶振本身体积较小。可编程晶振平台可减少元件数量，从而进一步缩小占地面积。

改变MEMS硅晶振市场

是时候从传统的硅晶振解决方案转向新一代高精度MEMS硅晶振，以满足人工智能、云计算和其他先进技术的复杂性要求了。MEMS硅晶振具有弹性、精度和可编程性，代表着可编程精度的范式转变。随着电子工业不断达到更高的标准，需要新的性能、集成度和可靠性水平，从而使基于 MEMS硅晶振成为面向未来的电子应用的首选。

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