利用 MEMS 精密定时克服 Quartz 的工业自动化限制

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随着工业 4.0 的兴起，精确定时是协调从电机到工业自动化中使用的传感器等一切的核心。时序同步对于电子系统至关重要，包括机器人技术、精确的传感器测量、功能安全机制、解决工厂车间的问题等等。事实上，计时设备的任何故障都可能导致延迟、错误、设备故障和停机。精确计时可确保工业应用高效、安全、可靠地运行。

从历史上看，石英计时器件是工业应用中用于定时电子电路的标准技术。虽然石英振荡器 （XO）一直是事实上的计时解决方案，但众所周知，石英材料容易受到温度变化、冲击、振动和电气噪声等环境压力因素的影响，从而导致故障甚至失效。自动化复杂性的进步推动了对更高精度的需求，并显著增加了工厂环境中需要传输的数据量。
如今，硅微机电系统（MEMS）时序解决方案克服了传统 quartz 器件的局限性，为工业自动化提供了更好的替代方案。请继续阅读，了解为什么成功的工业自动化是一个时间问题。

一、MEMS 精密定时开启工业自动化新时代

工业 4.0 正在开启工业自动化技术的新时代，其标志是将物联网（IoT）、人工智能（AI）、大数据、机器人和云计算等先进技术集成到制造和工业流程中。它强调使用智能系统、互联机器和实时数据分析来创建更高效、更灵活和自动化的生产环境。这种技术转变可以增强决策能力、提高运营效率和更好地定制产品。工业 4.0 还促进了工厂与数字世界之间的连接，实现了远程监控、预测性维护和优化的供应链管理。通过利用这些创新，您可以实现更高的生产力，减少停机时间，并满足对更敏捷和可持续的制造流程日益增长的需求，从而对所有类型的工业自动化应用产生深远影响。

工业自动化转型的主要特征包括：

1、增强工厂内部和与云的连接。

2、更智能的设备和先进的边缘智能。

3、改进的人机界面，可增强操作、减少错误并提高安全性。

4、更多地使用机器人和协作机器人（cobots）来协助人类操作员。

随着制造商采用工业 4.0 技术，他们正在集成更快的嵌入式处理器和微控制器，以及更快的电路板间数据传输。这种转变推动了高速接口的采用，例如用于工厂网络的工业以太网和时间敏感网络（TSN），以及用于显示系统的移动行业处理器接口（MIPI）。
随着电机控制系统（尤其是机器人、协作机器人和自主地面车辆（AGV））对毫米级精度的需求，人们对先进的高速处理器越来越重视。这些系统处理来自位置传感器、LiDAR 扫描仪和控制设备的大量数据。在这种环境中，快速数据传输是必不可少的，时序误差的余量很小。将 clock frequency 加倍会使允许的 jitter （timing pulse fluctuation）减半，而过度的 jitter 会导致系统速度变慢。因此，具有低抖动的稳定时序信号至关重要。

不幸的是，石英振荡器通常难以在不同条件下保持稳定性。温度变化、冲击、振动和电气噪声会导致频率输出不稳定，对一致和可靠的定时构成挑战。

二、当环境环境对电子系统构成挑战时
工业电子元件面临多项环境挑战。强大的电机会产生高频振动，使位于电机附近的定时时钟容易受到这些振动和冲击的影响。冲压机等设备可能会产生影响石英振荡器的突然冲击，导致相位噪声或抖动增加，并可能破坏石英晶体。相比之下，MEMS振荡器的设计可以更好地承受冲击和振动，从而提供更高的耐用性。
极端温度也带来了挑战。机械和工业过程（例如石化炼油厂或钢厂的机械和工业过程）产生的高温会对电子元件产生负面影响。石英振荡器在这种高温环境中可能会变得不稳定，而 MEMS 振荡器的设计可以更有效地承受这些条件。
电磁干扰（EMI）使问题进一步复杂化。高压配电和高频开关会产生显著的 EMI，这会破坏 quartz 时序组件的稳定性，从而导致频率偏移和性能问题。然而，MEMS 振荡器提供更好的抗 EMI 能力，并且通常包括扩频功能等功能，以减轻 EMI 影响并确保稳定的性能。

三、SiTime MEMS 时序解决方案在工业应用中的优势

与传统的石英振荡器相比，切换到 SiTime MEMS 计时技术具有许多优势：

1、可靠性和使用寿命：MEMS 时序解决方案（如 SiTime 的解决方案）使用硅和标准半导体工艺，使其比石英更可靠。它们的缺陷率低于百万分之 0.1，平均无故障时间（MTBF）为 22 亿小时。

2、耐用性：SiTime 的 MEMS 谐振器由硅制成，非常坚固，比钛强 15 倍。1100°C 的制造过程确保了高质量和抗外部损坏能力。

3、质量：MEMS 振荡器受益于 SiTime 的 MEMS First® 和 EpiSeal® 工艺，因此比石英振荡器具有更高的质量和可靠性。

4、灵活的频率：SiTime MEMS 振荡器可以高精度编程为任何所需的频率，从而允许在工业自动化中进行定制。

5、简化库存：可编程 MEMS 振荡器允许使用单个产品满足各种时序需求，从而简化库存管理。SiTime 的产品可以编程为特定频率并快速发货，从而促进高效的库存管理。

6、更容易符合电磁兼容性（EMC）标准：许多 SiTime MEMS 产品具有可调节的上升和下降时间以及扩频功能，有助于更轻松地满足噪声发射标准。SiT9025 可以针对扩频调制和驱动强度进行编程，从而简化合规性并加速市场进入。

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四、工业数字化转型依靠 MEMS 时钟器件提供可靠、精确的性能——即使在压力下也是如此
现代工业设备对精度和速度的要求暴露了传统石英振荡器的局限性。MEMS 时序解决方案提供了一种卓越的替代方案，可提供更好的环境压力阻力、更高的温度稳定性以及增强的电源和 EMI 噪声抑制。SiTime 的 MEMS 产品在具有挑战性的条件下提供可靠的性能，使其成为工业 4.0 时代工业自动化的宝贵选择。它们的可编程性、耐用性和质量确保制造商满足严格的时间要求，同时更有效地管理库存和合规性。