計時的故事：從擺鍾到 MEMS 振蕩器

想象一下 17 世紀之交的伽利略·伽利萊坐在教堂裏，他的眼睛盯著一盞搖擺的枝形吊燈。伽利略·伽利萊注意到：無論弧線有多寬或多窄，吊燈完成每次擺動所需的時間都一緻。這個簡單的啟示將改變計時曆史的進程。

在這裏，我們超越了古代計時方法的世界和早期機械鍾的曙光，從擺鍾到現代 MEMS 振蕩器，討論了基於等時現象的計時。

01 第一批振蕩器——擺鍾

受到吊燈振蕩和等時性原理（即時間相等）的啟發，伽利略構思了第一個擺鍾。這一理論後來被修改，並於 1657 年被克裏斯蒂安·惠更斯用於製造第一個成功的擺鍾。

惠更斯的時鍾將計時精度提高了兩個數量級，從每天的幾分鍾提高到幾秒鍾。時鍾終於獲得了擁有秒針的權利，並且變得比太陽的每日返回更一緻，由於時間等式，太陽每天的變化多達半分鍾。這一進步標誌著時間的征服，因為計時設備變得比觀察自然現象更準確，也比 13 世紀點綴歐洲景觀的早期機械鍾更精準。

克裏斯蒂安·惠更斯根據公元 1673 年出版的 Horologium Oscillatorium 對等時擺鍾的渲染

02 穿越時空——擺輪與遊條

對便攜式計時的需求促進了擺輪和螺旋遊絲的發明，這是克裏斯蒂安·惠更斯的另一項計時進步。這些設備可以裝進口袋，帶到更遠的地方。由遊絲控製來回擺動的擺輪允許計時裝置在任何方向運行，標誌著計時的新時代。

惠更斯的發明為新的發現鋪平了道路——他的時鍾成為天文台測量和追求精確時間測量的基礎。在發明擺鍾之後，惠更斯試圖開發一種使用擺輪和遊絲的航海天文鍾，但最終他的早期版本在海上並不精確。

惠更斯的擺輪遊絲發明於公元 1675 年，至今仍用於所有機械腕表

1714 年，英國議會為在海上準確確定經度頒發了經度獎。確定船隻在海上的位置對於當時的航海國家來說極為重要。

這一優勢要求在計時準確性和彈性方面取得進步。經度可以使用精確的時間測量結合天文觀測來計算。因此，打造一款能夠承受海洋劇烈運動的精密計時器至關重要。大約 50 年後，約翰·哈裏森最終用他的H4 天文台表解決了這一挑戰，該表要求每天的精度在兩秒以內，對於純機械計時器來說，這是一項了不起的成就。

03 20世紀——現代計時的出現

快進到 1900 年代初，Shortt 擺鍾發明。這個時鍾每年精確到 1 秒以內，用兩個擺錘保持時間。主擺在真空罐中運行，不受外部幹擾。第二個鍾擺連接到 clock 機構，並通過機電方式與 primary clock 同步。這種設計強調了保持許多計時系統準確性的關鍵要求——需要盡可能少地幹擾振蕩器時基——突出了精度和彈性之間的權衡。

Shortt Synchronome Clock 由 William Hamilton Shortt 於 1921 年發明，直到 1940 年代一直被用作精確的時間參考

另一個計時新玩家在 1900 年代登上舞台——石英晶體諧振器。1927 年石英鍾的發明是計時員穩定性的飛躍，最終使擺鍾作為時間參考過時。石英計時的起源是 1880 年皮埃爾和雅克·居裏兄弟發現的壓電性。他們觀察到，石英晶體在被機械力變形時會產生電荷。此外，電荷會導緻物理變形，並使石英晶體以穩定的頻率振動。

04 矽 MEMS 振蕩器——現代計時的微奇跡

石英振蕩器對工作環境的敏感性存在局限性，溫度變化、振動和雜質積累都會影響其穩定性。這限製了它們與電子設備的集成，導緻采用基於微機電系統 (MEMS) 的振蕩器等替代方案。隨著矽 MEMS 結構的共振特性被開發，在 21 世紀初，矽 MEMS 振蕩器商業化，現在是當今最具彈性的振蕩器的基礎，用於為許多現代電子系統提供心跳。

SiTime 是計時市場的先驅，開發的產品與傳統石英振蕩器相比具有多項優勢。這些改進是通過 MEMS 技術、振蕩器 IC 中模擬電路的進步和計時系統專業知識實現的。

由於尺寸小、機械結構、材料特性和製造工藝，SiTime MEMS 諧振器克服了石英晶體的局限性。值得注意的是，較小的質量和結構使它們對機械衝擊和振動的抵抗力要小得多。矽材料的使用允許新穎的設計和封裝技術，使振蕩器對溫度變化的免疫力大大降低。此外，用於製造 SiTime MEMS 的半導體製造工藝可消除雜質並生產超潔淨諧振器，這些諧振器可抵抗老化等對穩定性產生負面影響的因素。SiTime 在精確計時方面的開創性工作帶來了極其準確和彈性的解決方案，為穩定性、可靠性和穩健性設定了新標準。

基於 MEMS 的 SiT1811 超低功耗、低抖動振蕩器

05 AI 革命及未來——解決數據同步挑戰

隨著我們進入 AI 時代，數據同步成為一項關鍵挑戰。AI 系統對數據(速度、帶寬和技術複雜性)有著強烈的需求，需要精確的計時來同步數據傳輸。在這方面，MEMS 振蕩器大放異彩，提供了新的架構選項，提高了數據處理的效率。通過確保精確同步，MEMS 技術在 AI 系統、邊緣計算和大規模數據中心的無縫運行中發揮著關鍵作用。

隨著我們不斷突破可能性的界限，提高計時精度、準確性和可靠性，MEMS 在 AI 應用中的作用變得越來越重要。