MEMS定时正在颠覆传统石英技术

今天人们已经能够看到未来汽车的雏形。从高级驾驶辅助系统(ADAS)到一系列电动汽车(EV)功能，再到半自动驾驶汽车，新一代技术正在改变汽车市场。无钥匙进入和启动、远程信息处理、智能手机集成、语音识别、备用摄像头和智能后视镜等，都已成为许多现代汽车的标配。随着汽车稳步向全自动驾驶的发展，一些最新车型已经开始配置自动平行泊车、车道保持辅助技术以及其他自动驾驶功能。

因此，汽车设计重新定义了人们对智能互联汽车所期望的安全性、便利性和信息娱乐功能。汽车电子是增长最快的半导体细分市场之一，成就这一增长的诸多关键驱动因素中，包括了用于ADAS和电动汽车各种应用的电子元器件。根据美国国际贸易委员会(USITC)的数据，每辆燃油动力汽车中包含价值330美元的半导体器件，而每辆混合动力电动汽车中的半导体器件价值则高达1000至3500美元，单辆电动小汽车大约会消耗1400颗半导体器件，它们控制着从安全系统到动力传动系统的一切。

除了传感、通信和处理芯片外，还有一项技术对汽车系统的安全、可靠运行来说至关重要，那就是“精确定时“。

图1：定时是许多汽车设计的关键部分，涵盖范围从ADAS到远程信息处理以及智能后视镜。资料来源：SiTime

对于大多数车主来说，“汽车定时”意味着皮带、凸轮轴或正时点火能够同步，这样才能保证发动机运行平顺且效率高。而对于汽车系统开发人员来说，定时则意味着各种定时器件，包括集成式时钟、缓冲器、以及振荡器和谐振器。每种不同类型的定时器件，都用来执行不同的基本定时功能，以确保各类数字化部件的精确、稳定和可靠的频率控制。对于需要生成、传输和处理大量数据的ADAS等复杂汽车系统来说，精确定时尤为重要。

石英定时的缺点

为了保持汽车系统的平稳运行，目前单辆汽车最多会使用到70颗定时器件。随着越来越多的汽车在新车型中部署更加智能的技术，这一数字还在不断增长。时钟发生器和振荡器为汽车设计中的各种数字系统提供精确、可靠的定时基准。在ADAS、车载网络、信息娱乐和其他子系统的电子控制单元(ECU)中，它们都将提供关键的定时功能。

定时器件有助于同步从各种传感器到ADAS计算机的快速、连续的数据传输。它们在车载通信(V2X)和5G通信中也至关重要。其次，定时也是全球导航卫星系统(GNSS)的建立基础，包括作为远程信息处理核心的全球定位系统(GPS)技术。

然而，尽管汽车创新的步伐不断加快，但有一个关键的电子元器件仍然被困在慢车道上：即石英定时器件。之前，所有行业和应用中最常用的时钟源都是晶体振荡器(XO)。这项有着70年历史的技术，已经成熟到了一个进步非常式微的地步。此外，石英晶体具有固有的局限性，如易碎性以及对机械和环境应力的敏感性。

随着汽车系统复杂性的增加，石英定时器件因其固有的缺陷，而日益成为可靠性和安全性的瓶颈。这些限制推动了成本和复杂性的上升，并限制了系统的可靠性。此外，汽车电子产品经常工作在恶劣的环境中，会受到机械冲击和振动、温度波动和电磁干扰。崎岖不平的道路和运动部件产生的持续振动，还可能会对石英定时器件等敏感电子元器件造成破坏性影响。

其次，汽车应用必须支持从−40℃到+125℃的超宽温度范围，且未来对在高达+150℃高温条件下正常工作的需求越来越大。除了发动机或电池组产生的热量外，不断变化的气候条件也会导致极端温度，进而降低基于石英的元器件精度。石英定时对环境压力源的敏感性，也将对从ADAS到电池管理的汽车系统性能和可靠性产生负面影响。

图2：晶体或谐振器(左)是一种移动或谐振型无源器件，连接着芯片中的外部振荡电路。MEMS振荡器(右)则是一种有源器件，内部集成了谐振器和振荡器IC，其中的谐振器基于硅MEMS。资料来源：SiTime

MEMS定时技术

基于微机电系统(MEMS)技术的定时器件正在颠覆如今的时钟市场。它们作为石英组件的出色替代品，满足ADAS和电动汽车电池管理等系统在面对环境压力时所需的高可靠性应用。

MEMS是一种经过验证的成熟技术，广泛应用于从汽车到智能手机、再到工业和航空航天应用的电子系统。MEMS器件可以用于陀螺仪、加速度计(用于安全气囊部署)、麦克风、扬声器、磁力计和各种类型的传感器。汽车安全系统是最早采用MEMS技术的应用之一，因为它要求在恶劣环境中仍然具有卓越的坚固性和可靠性。硅MEMS器件也适合在主流晶圆厂大规模制造，因而能为要求苛刻的汽车应用提供大批量、高性价比的解决方案。

MEMS定时元器件与石英等同物一样，经过精心设计可满足严格的AEC-Q100汽车认证要求。该认证标准为汽车制造商提供了保证，即通过认证的定时元器件能够提供汽车电子系统所需的坚固性、可靠性和高性能。而传统的石英器件通常只能遵从不太严格的AEC-Q200无源器件规范。

基于硅MEMS技术的精密定时器件，在要求苛刻的汽车应用中有着良好的业绩。基于MEMS的定时器件专为承受环境压力而设计，可确保ADAS计算机、大区/区域控制器、雷达以及激光雷达子系统的可靠运行。

严格的测试表明，在时钟应用方面，硅MEMS技术比石英晶体可靠得多。这种可靠性用每运行109小时中的故障数或失效率(FIT)来衡量。由于109小时的测试时间跨度很长，业内一般使用统计分析和加速模型来确定失效率。MEMS定时器件的失效率为＜0.5FIT，即等同于90%置信水平条件下的MTTF＞20亿小时，该性能比基于石英的定时技术高出50倍。

MEMS的优势

在当今高度集成的汽车系统设计中，部件尺寸也至关重要。MEMS谐振器比石英晶体小得多，因此定时器件的占位面积更小，可降至1.0×1.2mm，这使得MEMS器件可成为相机模块、智能后视镜和雷达/激光雷达传感器等空间敏感的汽车应用之理想选择。在定时器件设计中，当面对机械冲击和振动时，更小的尺寸和更轻的质量也往往使产品具有更大的弹性。

与石英相比，MEMS谐振器对EMI干扰的抵抗能力也提高了100倍。对于受到大电流和电磁场影响较大的电动汽车电池管理系统等应用来说，高干扰抵抗力尤其有益。

图3：MEMS振荡器的输出频率是通过将PLL编程为不同的值来产生的，因此具有非常宽的频率范围。资料来源：SiTime

硅MEMS技术还具有比石英更出色的固有材料属性。例如，SiTime的MHz级振荡器，在-55℃至125℃范围内，能够提供±20ppm的频率稳定性。与石英相比，MEMS的频率稳定性提高了2倍以上、可靠性提高了20倍，而抗冲击和振动性能则提高了30倍。集成温度补偿是MHz级振荡器的一个关键特性，可将频率稳定度提高到±0.1ppm，这在极端温度波动和具有其他环境危害性的恶劣工作条件下，是一个额外的优点。更高的频率稳定性提高了定时精度，能够在极宽的温度范围内实现更高的V2X和5G通信同步性能。

MEMS定时器件在温度范围的底部没有“冷启动问题”，而这个问题则经常困扰基于石英的振荡器系统。另外，硅MEMS谐振器也不受所谓“微跳”的影响。而在使用石英晶体振荡器时，这种常见的随机且不可再生的频率跃变“微跳”，可能会导致GNSS/GPS或V2X/5G通信中的信号丢失。

汽车业的未来

汽车市场的未来，将由当今电子技术的巨大技术创新和快速进步所决定。定时元器件是这一未来的关键部分。

而未来的智能互联汽车和安全关键系统，要求所设计的定时元器件能够提供最高的可靠性、性能和稳定性。通过从传统的石英技术转向基于MEMS的精确定时解决方案，汽车制造商正在对更安全、更可靠的汽车系统设计作出战略性投资。

(参考原文：MEMS timing disrupts quartz in modern automotive）

本文为《电子工程专辑》2023年6月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅