微型省電催動精準計時　MEMS時脈敲出物聯網心跳

許多業界領袖及分析師都預測，未來10年內連結雲端的物聯網裝置數量將逼近1兆個(圖1)。這股成長趨勢的背後，將有一大部分都是來自於工業及消費性市場，也就是利用物聯網裝置來監測並控制各種住宅與商用大樓系統，以及橋樑、鐵路等公共基礎建設。

圖1 2025年聯網裝置數量

先從家庭自動化這種目前已廣受採用的物聯網應用開始談起。準確的時脈是家庭控制系統正確運轉的必要條件。由感測器所蒐集的資料，只有在時基(Time Base)同步的狀況下才算有效，而且事件的順序必須依照正確的時脈順序加以記錄，系統才能發揮效用。舉個簡單的例子，若想啟動裝在門上的感測器來打開走廊燈光，如果感測器或燈光開關的時脈紀錄差了幾分之幾秒，運算法就無法取得所需事件的正確時脈，而燈光也就無法在正確的時間開啟。

在現今的聯網世界裡，即時時脈(RTC)的精確度變得越來越重要，而且它的意義將會隨著越來越多物件納入物聯網而日益提升。一個早期的案例就是專為提供更多資訊與功能、提升能源使用效率所設計的智慧型電表。在這個案例中，如果電表的時脈跑得太快，或者是收費的時間間隔有誤，所有省下的成本或其他好處都可能因此被抹殺。

部署感測器網路來監測建築或橋樑的結構，是另一個足以證明分析測量資料時必須要有精確時脈戳記的實例。這些系統，還有它們所提供預測性資料之準確性，與各個節點的時間同步精確度成正比。現有的解決方案，都是利用昂貴又耗電的GPS接收器或射頻(RF)網路來保持準時。未來系統則將採用精確度高，但耗電更低、體積更小且花費不高的全新時脈技術。這些系統將使用超低耗電、高精確度的微機電式溫度補償振盪器(MEMS TCXO)，耗電量僅0.5-1.0μA。對於使用例如IEEE 1588或負載循環GPS收發器等週期性時脈同步技術、並以三角測量飛行時間為基礎的室內導航來說，時脈精確度必須在10ns到1μs以內。

精確時脈計算顯威　降低耗電事半功倍

對休眠模式喚醒計時器來說，維持精確計時也同樣十分重要。靠電池驅動的自主運作節點，必須趁運算與資料傳送之間的空檔斷電，藉此節省耗電。每個節點都有預先定義的時段，時間到了就會與主機進行溝通，維持連線並傳送資料。如果能透過更準確的時脈功能，更有效、更準確地執行喚醒與通訊功能，系統耗電就會大幅降低。

因此設計者再也不必為了能源效率而犧牲精確度—相反地，可以藉由精確計時，來延長休眠模式時間，從而降低系統層級能耗。根據圖2顯示，用可編程5-ppm MEMS TXCO替換200-ppm石英晶體振盪器，就能省下25%耗電。

圖2 在藍牙低功耗系統中使用準確度32kHz喚醒計時器所省下的耗電

目前4G LTE系統所利用的非連續接收(DRX)週期，必須精確達到1.5μs休眠時間以保持行動電話與網路連線。在溫度快速變化的環境下，頻率穩定度必須維持在1-2秒內1.5ppm以上的精確度。連線失敗將會導致極大的射頻流量負擔，要重新連結基地台也必須額外進行運算。由於未來資料會在無所不在的智慧裝置之間無縫傳輸，且資料量將遠超過今日水準，聯網功能就變得極度重要。

要達到1.5μs的計時精確度，對舊式的石英零組件是一大挑戰。每秒超過攝氏10度以上變化差異，常見於今日一些電子設備。未經過溫度補償的200ppm石英晶體，通常會出現攝氏每度3ppm的溫度梯度，進而導致1秒內有30ppm以上的頻率誤差。部分影響可藉由電子式溫度補償得以減輕，但石英振盪器因受限於石英晶體諧振器與電子溫度補償之間較慢的熱耦合傳導，使得石英溫度補償振盪器無法有效地回應快速的溫度差變化。相反地，MEMS溫度補償振盪器在快速溫度變化下仍能維持頻率精確度，是應付快速溫度差的一種簡單解決方案。

連結1兆個聯網裝置

現在的物聯網裝置只是一個開端。未來將有上兆個聯網裝置，需要各種技術才能連上網路。隨著自主運作節點的數量快速成長，將有更多裝置搶占射頻頻譜，進而造成頻寬方面的問題。為了讓頻寬以及射頻頻道的動態範圍達到最大化，就必須有精確的低相位噪音噪頻率訊號做為參考。像是車輛間通訊(Car-to-car Communications)等許多應用，都將需要非常精確的頻率與計時參考，藉由極度準確、同步蜂巢式網路細胞，避免干擾、來維持可靠連線並進行無縫訊號交遞。

除了提高頻譜效率，網路的密化(Densification)是另一個可增加容量進而應付暴增流量的方法。高密度區將策略性地增加更多行動通訊基地台(Cell Site)。但隨著小型基地台的密集部署，這些袖珍型的低耗電基地台必須放置在屋頂、地下室、路邊與電線桿等不受控環境。這些地方的壓力源更多，例如快速且幅度更大的溫度變化、熱衝擊、無法預測的氣流，還有震動—這都足以影響零組件的效能，尤其是舊式石英計時裝置的穩定度。

要打造堅韌強固的系統，MEMS計時解決方案將會變得十分重要，因為它能在擁擠、動態的環境下提高效能。舉例來說，像SiTime的DualMEMS這類新型MEMS架構，就結合了新的感測技術以提供必要的動態效能(圖3)。

圖3 採用MEMS的Elite Super-TCXO，在不同溫度下呈現<±100ppb的頻率穩定度。

在振盪器的各種特性當中，相位噪音及其對應時域的抖動參數，通常被認為重要性僅次於頻率穩定度。這些參數會影響系統效能與服務品質，因為它們能直接影響資料連結/聯網與資料傳輸的速度。根據圖4顯示，遭遇振動時，採用MEMS的Elite Super-TCXO，其相位噪音表現優於石英TXCO達20倍。

圖4 遭遇振動時，採用MEMS的Elite Super-TCXO，其相位噪音表現優於石英TXCO達20倍。

物聯網裝置朝低功耗/小型化趨勢邁進

除了更高的精確度及動態效能，超低耗電技術對物聯網的發展來說也至關重要。對於用在由電池驅動之自主運作系統的即時時脈來說，正因為它們永不斷電，低耗電因而更顯重要。提供相關支援的MEMS與互補式金屬氧化物半導體(CMOS)，在此再度扮演要角。現今的可編程MEMS kHz時脈，除了消耗電量不到24μW，還具備多種能進一步降低系統耗電的特色。可編程NanoDrive輸出電壓就是其中之一。如圖5所示，透過編程振盪器參數，讓振盪器輸出電壓擺動下降到符合下級晶片電壓輸入的電位，就能大幅節省耗電。另外，利用編程MEMS時脈，低至1Hz的頻率，做為真實秒脈波計時，較固定式32.768kHz石英晶體更大幅降低系統能耗，是MEMS振盪器的另一特色。

圖5 SiT15xx NanoDrive輸出能減少負載電容所損失的電力

物聯網要能夠崛起並嵌入到環境當中，裝置的體積必須縮小。微型與奈米技術將有助於滿足微型化需求。MEMS諧振器每一邊都不到500μm，高度也低於200μm(如圖6所示)，比受限於物理條件而無法進一步縮小尺寸的石英諧振器小了90%。

圖6 比較石英諧振器與MEMS諧振器的尺寸

晶片廠商已著手將高精確MEMS諧振器整合到產品當中，以提供整合度更高的多晶片模組(MCM)。如果將MEMS諧振器堆疊在晶片上，就不會占去目標系統裡任何主機板空間。除了體積縮小，整合還有許多好處。藉由整合時脈，不只裝置的外部腳位減少，耗電也更低，效能與精確度則可提升，而且更加可靠、更能抵抗破壞。

隨著物聯網逐漸實現，四周環境裡無所不在的數位化物件數量將會大幅上揚。這些裝置必須透過微型化與整合，達到隱形的效果而不致引人注意。MEMS技術將在這個前進的過程中扮演重要角色，讓系統不但體積更小、整合度更高，也更為可靠且減少耗電。更重要的是，MEMS時脈能讓智慧裝置更聰明，讓它們更準確且效能更高。物聯網的演化也包含各種技術的結合與合作，而先進的時脈解決方案，正是這些系統的心臟所在。

(本文作者為SiTime創辦人暨執行副總裁)