引言

本节概述谐振器的基础知识，并重点介绍基于 MEMS 的 SiTime Titan Platform™ 作为可穿戴和物联网终端设备的关键解决方案。

谐振器通过决定参考振荡器的种子时钟频率，为电子系统建立授时基础。参考振荡器的输出是处理器、无线模块和传感器使用的时钟。尽管石英晶体谐振器广泛应用于许多传统应用中，但它们带来了尺寸、功耗、可靠性和集成度方面的限制，限制了可穿戴设备和物联网设备的设计灵活性。

SiTime Titan 系列 MEMS 谐振器解决了这些限制，将功耗降低 50%，并利用第六代 FujiMEMS™ 技术实现了业界最小的谐振器。0505 芯片级封装（CSP）尺寸为 0.46 × 0.46 mm，与 32 MHz 下最小的 1210 石英封装相比，PCB 面积减少了 7 倍；与更高频率下最小的 1008 石英选项相比，减少了 4 倍。值得注意的是，首批五款 Titan 谐振器支持 BLE/蓝牙、微控制器（MCU）以及广泛的无线系统级芯片（SoC）的关键频率。

Titan 还将鲁棒性和可靠性提升了高达 50 倍的抗冲击和抗振动能力，以及高达 50 倍的平均无故障时间（MTBF）。除了 CSP 封装，Titan 谐振器还提供已知合格裸片（KGD）形式，用于合封在 SoC 和 MCU 内部，从而消除了 PCB 上的分立授时组件。

本篇重点文章阐述了 Titan 在可穿戴和物联网授时架构中的作用。它回顾了应用需求，详细介绍了该平台在尺寸、功耗和集成方面的优势，并概述了其 PCB 贴装和合封实现路径。最后的常见问题部分讨论了与频率选项、环境弹性、长期稳定性以及从石英到 MEMS 谐振器迁移相关的常见设计问题。

第 1 部分：应用需求与设计挑战

本节概述了可穿戴设备、医疗设备和物联网设备的授时需求，回顾了工程师在设计紧凑型电池供电系统时面临的约束。

智能手表、健身手环和智能戒指依赖于紧凑的授时解决方案，以在身体活动和温度变化下保持频率精度。这些设备在严格的空间限制下运行，需要支持稳定无线链路和一致系统性能的授时组件。

医疗设备要求更高的可靠性和能效。助听器、连续血糖监测仪（CGM）和植入式设备通常依靠小型电池长时间运行。这些平台依赖的授时方案必须无缝集成到微型化系统架构中，同时不影响稳定性或长期性能。

物联网终端设备引入了额外的约束。传感器、资产追踪器和智能标签通常在多变或严苛的环境条件下运行，需要精密授时解决方案在最小化功耗的同时保持精度。许多设备依赖纽扣电池或能量收集源，这增加了低振荡器功耗和快速启动特性的重要性。

在这些类别中，工程师必须在授时组件、传感器、无线电、电池和其他支持电路之间分配有限的 PCB 面积。抗冲击和抗振动能力至关重要，因为移动、可穿戴和便携式系统会经历重复的运动和冲击，这可能降低不太坚固的谐振器技术的授时精度。

无线连接增加了另一层设计复杂性。蓝牙/BLE、UWB 和 Wi-Fi 等协议使用特定的参考频率，这些频率因 SoC 供应商而异。每个协议都规定了谐振器所需的频率稳定性，以确保无线互操作性和无线电性能。超出这些规格的谐振器为工程师提供了更大的灵活性，以开发能够在广泛真实条件下运行的产品。

第 2 部分：石英谐振器的局限性与 SiTime Titan Platform™ 的突破

本节基于前一节讨论的需求，回顾谐振器基础知识，并重点介绍 Titan Platform 作为在尺寸、功耗、稳定性、弹性和可靠性方面具有可衡量优势的解决方案。

石英谐振器长期以来一直为振荡器电路提供频率设定元件，但其陶瓷封装和传统制造工艺限制了尺寸缩放并限制了集成灵活性。这些约束增加了功耗，使电路板布局复杂化，并降低了紧凑型电池供电系统的长期可靠性。

Titan Platform 引入了一种基于第六代 FujiMEMS 技术的谐振器设计和集成新方法。Titan 谐振器采用 CSP 封装或裸片形式，尺寸为 0.46 × 0.46 mm，支持传统的 PCB 贴装实现和合封设计。

石英谐振器依赖陶瓷封装来保护石英机械元件并满足其规格。相比之下，Titan 器件在 MEMS 晶圆制造过程中利用气密密封来保持稳定性和长期可靠性。消除单独封装使得 Titan CSP 和裸片尺寸显著更小。

此外，在硅晶圆洁净室中制造 Titan 可防止杂质，与石英谐振器相比实现了更优的老化性能。谐振器也是工厂可编程的，允许设计人员匹配不同 SoC 和 MCU 的负载电容要求，而无需重新设计振荡器环境。

（图注：Titan Platform™ MHz MEMS 谐振器与石英的对比）

其他关键特性和优势包括：

  ▪ 紧凑的外形：与 32 MHz 下最小的 1210 石英谐振器相比，PCB 面积减少 7 倍；与更高频率下最小的 1008 石英选项相比，减少 4 倍。节省的 PCB 空间可用于传感器、天线、额外的电池容量或改进的布线。

  ▪ 更低的振荡器电路功耗：支持振荡器功耗降低高达 50%，启动时间加快高达 3 倍，启动能量降低 3 倍，延长便携式和可穿戴设计中的电池寿命。

  ▪ 可靠运行：工作温度范围 –40°C 至 +125°C，在整个工作范围内频率稳定性优于石英。老化性能提升 5 倍，在最高额定温度下连续运行五年（这是对老化最具挑战性的条件）进行规格说明。

  ▪ 抗冲击和抗振动能力：抗冲击和抗振动能力比石英高 50 倍，基于超过 40 亿颗已发货 MEMS 授时器件的现场性能，MTBF 提升高达 50 倍。

  ▪ 兼容性：与当前 SoC 和 MCU 中的现有振荡器电路兼容，支持从基于石英的设计直接迁移。

初始 Titan 产品系列包含五个关键频率。 32 MHz 器件已有量产样品，正在完成认证。38.4、40、48 和 76.8 MHz 变体的初始工程样品也已提供。这些器件支持 32 位 MCU、BLE/蓝牙 SoC 以及更高带宽协议 SoC（如 UWB 和 Wi-Fi）。

下表总结了整个产品系列：

  ▪ SiT11100：32 MHz，提供 0505 CSP / KGD 封装（0.46×0.46 mm），生产样品现已提供。关键应用：BLE/蓝牙、32 位 MCU。与最小 1210 石英相比 PCB 面积节省 7 倍。

  ▪ SiT11101：76.8 MHz，提供 0505 CSP / KGD 封装，工程样品自 2025 年 12 月 15 日起提供。关键应用：UWB、Wi-Fi、无线 SoC。与最小 1008 石英相比 PCB 面积节省 4 倍。

  ▪ SiT11102：38.4 MHz，提供 0505 CSP / KGD 封装，工程样品自 2025 年 12 月 15 日起提供。关键应用：BLE/蓝牙、UWB。与最小 1008 石英相比 PCB 面积节省 4 倍。

  ▪ SiT11103：48 MHz，提供 0505 CSP / KGD 封装，工程样品自 2025 年 12 月 15 日起提供。关键应用：BLE/蓝牙、32 位 MCU。与最小 1008 石英相比 PCB 面积节省 4 倍。

  ▪ SiT11104：40 MHz，提供 0505 CSP / KGD 封装，工程样品自 2025 年 12 月 15 日起提供。关键应用：Wi-Fi、无线 SoC、MCU。与最小 1008 石英相比 PCB 面积节省 4 倍。

第 3 部分：集成策略与实现路径

本节概述了集成 Titan 谐振器的路径——从 PCB 贴装到合封设计——并总结了支持设计、验证和可扩展生产的关键资源。

Titan 谐振器支持多种集成路径，使设计人员能够在现有和下一代架构中采用 MEMS 授时。最简单的方法使用 PCB 贴装组件，直接替代石英谐振器，并遵循标准的表面贴装组装和回流焊工艺。由于 Titan 占位面积远小于石英，布局更改最小且直接。回收的板空间可以容纳额外的组件，或促进更清洁的布线，减少折衷。这种方法保持了原始设计的电气行为，同时改善了尺寸、功耗和可靠性。

0.46 × 0.46 mm 的 CSP 封装占位面积提供了额外的放置灵活性，并减少了无线电、传感器或天线电路周围的拥挤。Titan 还提供 KGD 裸片格式，以支持在半导体组装期间合封在 SoC 和 MCU 封装内部。合封使用引线键合或倒装芯片方法，将谐振器完全从 PCB 上移除。这种方法从 MCU/SoC 封装中释放两个引脚，可重新用作额外的 GPIO，以提供增强的系统功能。

除了物理集成，Titan 器件与当前 SoC 和 MCU 中使用的振荡器电路保持电气兼容性，无需额外组件或电路更改即可运行。其近乎为零的并联电容允许设计人员针对比石英更低的负载电容，从而降低稳态电流消耗。优化的 Q 值进一步改善启动行为，实现比石英快 3 倍的启动时间，并在每个启动周期从电池消耗最多 3 倍更少的能量。这些因素有助于延长电池寿命，这对于纽扣电池供电的可穿戴产品和物联网终端设备尤其重要。

其他关键特性和优势包括：

  ▪ 工厂可编程负载电容（0.5pF 分辨率）：匹配 SoC 和 MCU 要求，简化库存管理，并由于比石英谐振器更短的交付周期而减少设计周期。石英在改变负载电容值时需要完整的制造时间。

  ▪ 标准半导体制造流程：利用成熟的半导体行业制造基础设施和标准晶圆级 CSP 封装工艺。

  ▪ 大批量可扩展性：通过小裸片尺寸提高每晶圆裸片数量，支持大规模消费、物联网和可穿戴生产量。

  ▪ SiT6400EB 转接板评估板：通过在为 1210 和 1612 石英占位面积设计的现有 PCB 上进行直接性能比较和测试，加速验证。

  ▪ 全面的设计资源：包括数据手册、布局和组装指南、3D STEP 模型、Titan 频率微调计算器工具、行为 SPICE 模型和参考布局。

常见问题

问题 1

问：什么是谐振器？它与振荡器有何不同？

答：谐振器是振荡器电路中的频率设定元件。振荡器是生成时钟信号的完整电路，而谐振器以指定的容差和稳定性（通常以 ppm 衡量）定义该信号的频率。

问题 2

问：Titan 在尺寸上与石英谐振器相比如何？

答：Titan 谐振器比最小的石英替代方案小 4 到 7 倍。0505 CSP 封装（0.46 × 0.46 mm）的 PCB 面积比最小的 32 MHz 选项 1210 石英小 7 倍，比 1008 石英器件（38.4、40、48 和 76.8 MHz 下最小的选项）小 4 倍。

问题 3

问：Titan 提供哪些功耗和启动优势？

答：Titan 将振荡器电路功耗降低高达 50%，启动时间加快高达 3 倍，启动能量降低 3 倍，从而延长可穿戴和物联网应用中的电池寿命。

问题 4

问：什么是老化？它是如何规定的？Titan 的性能与石英谐振器相比如何？

答：老化是谐振器输出频率随时间的逐渐变化。它从器件离开生产线时开始，甚至在库存中存储时也会持续。石英谐振器通常仅规定 25°C 下第一年的老化，而 Titan 规定在器件最高额定温度下连续运行五年期间的老化。由于石英和 MEMS 器件中老化都随温度升高而加速，Titan 在更严苛条件下满足这一规格的能力非常重要。Titan 谐振器的老化比同类石英器件低 5 倍。设计工程师通过利用 Titan 明确且相关的老化规格，而不是为石英谐振器未指定的老化预留额外裕量，将更可靠的产品推向市场。

问题 5

问：Titan 在严苛环境中表现如何？

答：Titan 承受的抗冲击和抗振动能力比石英高 50 倍，并在 –40°C 至 +125°C 的工作范围内保持严格的频率稳定性，符合汽车 Grade 1 要求。

问题 6

问：Titan 提供什么可靠性优势？

答：Titan 提供高达 50 倍的更高 MTBF，得到超过 40 亿颗已发货 MEMS 授时器件的现场数据支持。

问题 7

问：哪些应用最能从 Titan 的小尺寸中受益？

答：Titan 的尺寸优势有利于空间受限的电池供电设备，如智能手表、健身追踪器、智能戒指、医疗可穿戴设备以及物联网终端设备（包括传感器和资产追踪器）。

问题 8

问：Titan Platform 提供哪些频率？

答：Titan 目前提供 32 MHz 的生产样品，38.4、40、48 和 76.8 MHz 的工程样品现已提供。这些频率支持 MCU、BLE/蓝牙、Wi-Fi、UWB 和其他无线 SoC。

问题 9

问：合封集成是如何工作的？

答：Titan 裸片可以在外包半导体组装和测试（OSAT）设施组装期间直接放置在 SoC 和 MCU 封装内部，消除了分立的 PCB 贴装谐振器并释放了两个 GPIO 引脚。由于 Titan 是与 SoC 或 MCU 裸片类似的硅裸片，它支持主流的、大批量合封方法，如引线键合或倒装芯片。石英谐振器以陶瓷封装形式销售，使其集成到另一个半导体封装中变得困难、更昂贵、尺寸更大且可靠性更低。

问题 10

问：工厂可编程性如何支持系统设计？这与石英有何不同？

答：具有 0.5pF 精细分辨率的可编程负载电容值使 Titan 能够满足不同的 SoC 和 MCU 要求，而无需修改振荡器电路。这简化了组件选择并降低了库存复杂性。这些编程变体的交付周期以周为单位，而石英谐振器通常需要在石英毛坯生产开始时进行更改，导致数月的交付周期。

问题 11

问：现有设计如何从石英迁移到 Titan？

答：Titan 与现有振荡器电路可直接替代兼容。SiT6400EB 评估板支持在为 1210 和 1612 石英占位面积设计的现有 PCB 上进行直接测试。SiTime 还提供一套全面的设计资源，包括用于直接石英到 MEMS 比较测试的双占位面积布局、布局和组装指南（AN30001）、数据手册和用户手册、详细的行为 SPICE 模型、3D STEP 模型以及 Titan 频率微调计算器工具。

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