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技术文章—汽车级MEMS振荡器或将带来革命性突破


新技术取代成熟技术通常能够带来功能上的突破 。 在过去的50多年里 ， 半导体行业一直都在追求更小的尺寸、更快的速度以及更便宜的价格（和/或更高的性能以及可靠性等） 。 而现如今 ， 汽车应用中的数字电路则对时序要求非常高 ， 相比过去对于微机电系统（MEMS）振荡器呈现出极大的需求 。 本文将讨论各类汽车应用中出现的这一新兴需求 ， 并解释MEMS与晶振之间的差异 。 此外 ， 还将介绍一类全新的汽车级MEMS振荡器 ， 这类振荡器可满足大多数时间关键型应用的需求 ， 并能为所有应用带来更高的可靠性 。
新兴汽车应用的新需求
现如今 ， 汽车通常都会搭载高级驾驶辅助系统（ADAS）（包括车载摄像头、超声波感应、LiDAR和雷达）、信息娱乐系统以及车载网络等等 ， 而这一切都需要依赖精确的时序 。 尽管MEMS振荡器投产并应用于汽车领域的时间已长达十多年之久 ， 但搭载ADAS的自动驾驶汽车需要更为强大的功能 ， 普通的时间同步器件显然已无法胜任 。
汽车领域的需求
可靠性一直以来都是汽车制造商及其电子系统供应商所关注的焦点 。 石英振荡器通常采用对石英晶体进行机械切割和打磨的方式来获得所需频率 ， 并封装在密封的外壳中 。 但由于晶振的结构比较单薄 ， 极易受到振动影响而损坏 ， 因此其频率通常限制为固定频率 。 而且 ， 这类器件的清洁生产等级也不高 。 此外 ， 尺寸相对较大的石英器件在冲击和振动较高的条件下甚至无法很好地保持性能 。
相比之下 ， MEMS振荡器则在集成电路（IC）制造厂中生产 ， 因此与其他IC一样具有非常高的清洁等级 。 确切地说 ， 与传统的晶振相比 ， 抗振动能力提高了5倍 ， MEMS振荡器的可靠性提高了20倍 ， 抗冲击能力更是提高了500倍 。
此外 ， MEMS振荡器还兼具小巧尺寸和坚固耐用的特性 。 相比之下 ， 晶振的尺寸是有限度的 ， 而且尺寸越小 ， 价格越贵 。 在第一批空间很有限的汽车应用中 ， 由于晶振尺寸过大 ， 无法满足极为严格的空间限制要求 ， 才不得已对车内的部分摄像头进行改装 。 因此 ， MEMS技术自然而然地成为了这批汽车应用的理想替代解决方案 。 此外 ， ADAS等许多全新汽车应用均更为青睐较小的封装 ， 因此MEMS振荡器的尺寸成为了取代晶振的另一个驱动因素 。
MEMS振荡器还有一项优势是能够在极高温度下保持其频率稳定性 。 相比之下 ， 石英器件则会随着温度的变化呈现出明显的非线性特性 ， 因此很难保持频率稳定性 。 目前可用的MEMS振荡器为1级（即 ， -40°C至+125°C的环境工作温度范围（根据AEC-Q100标准）） 。 而新一代MEMS振荡器将支持更高的温度 ， 能够满足汽车中部分区域的0级（-40°C至150°C）需求（见表1） 。
表1：以下为AEC-Q100不同等级的工作温度
技术文章—汽车级MEMS振荡器或将带来革命性突破
本文插图

在汽车应用中 ， 往往会由于振荡器安装位置的环境温度较高和/或需要将振荡器放置在印刷电路板（PCB）上的特定位置而出现温度过高的问题 。 而且 ， 汽车中的连接等级越高 ， 所需的IC功率也会越高 。 这些IC散发的热量会导致附近元件的局部环境温度升高 。 此外 ， 为了保持系统稳定性 ， 通常需将晶振放置在依靠它工作的IC附近 ， 历史数据表明此类晶振支持3级 。 但是 ， 这种情况正在发生变化 。
信息娱乐系统中的微处理器往往会消耗大量热量 ， 尽管大多数汽车内部元件被指定为2级（最高105°C） ， 但靠近处理器的时钟需要支持1级（最高125°C） 。 由于这些功能强大的处理器很容易使晶振升温 ， 进而导致其因温度漂移和频率偏移而超出所需的频率范围 ， 因此MEMS振荡器堪称绝佳的替代解决方案 。 如果想要继续使用晶振 ， 其中一种解决方案是将其安装在远离处理器的位置 ， 但这样会影响PCB上的局部布局 。 另一种解决方案是使用稳定性更高（-50°C至125°C）的晶振 ， 但成本也更高——可能是原来的三倍或三倍以上 。


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