汽車級MEMS振蕩器或?qū)砀锩约夹g(shù)突破

（文章來源：EEWORLD）

新技術(shù)取代成熟技術(shù)通常能夠帶來功能上的突破。在過去的50多年里，半導(dǎo)體行業(yè)一直都在追求更小的尺寸、更快的速度以及更便宜的價(jià)格（和/或更高的性能以及可靠性等）。而現(xiàn)如今，汽車應(yīng)用中的數(shù)字電路則對時(shí)序要求非常高，相比過去對于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）振蕩器呈現(xiàn)出極大的需求。

現(xiàn)如今，汽車通常都會搭載高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）（包括車載攝像頭、超聲波感應(yīng)、LiDAR和雷達(dá)）、信息娛樂系統(tǒng)以及車載網(wǎng)絡(luò)等等，而這一切都需要依賴精確的時(shí)序。盡管MEMS振蕩器投產(chǎn)并應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的時(shí)間已長達(dá)十多年之久，但搭載ADAS的自動駕駛汽車需要更為強(qiáng)大的功能，普通的時(shí)間同步器件顯然已無法勝任。

可靠性一直以來都是汽車制造商及其電子系統(tǒng)供應(yīng)商所關(guān)注的焦點(diǎn)。石英振蕩器通常采用對石英晶體進(jìn)行機(jī)械切割和打磨的方式來獲得所需頻率，并封裝在密封的外殼中。但由于晶振的結(jié)構(gòu)比較單薄，極易受到振動影響而損壞，因此其頻率通常限制為固定頻率。而且，這類器件的清潔生產(chǎn)等級也不高。此外，尺寸相對較大的石英器件在沖擊和振動較高的條件下甚至無法很好地保持性能。

相比之下，MEMS振蕩器則在集成電路（IC）制造廠中生產(chǎn)，因此與其他IC一樣具有非常高的清潔等級。確切地說，與傳統(tǒng)的晶振相比，抗振動能力提高了5倍，MEMS振蕩器的可靠性提高了20倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。

此外，MEMS振蕩器還兼具小巧尺寸和堅(jiān)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，價(jià)格越貴。在第一批空間很有限的汽車應(yīng)用中，由于晶振尺寸過大，無法滿足極為嚴(yán)格的空間限制要求，才不得已對車內(nèi)的部分?jǐn)z像頭進(jìn)行改裝。因此，MEMS技術(shù)自然而然地成為了這批汽車應(yīng)用的理想替代解決方案。此外，ADAS等許多全新汽車應(yīng)用均更為青睞較小的封裝，因此MEMS振蕩器的尺寸成為了取代晶振的另一個(gè)驅(qū)動因素。

MEMS振蕩器還有一項(xiàng)優(yōu)勢是能夠在極高溫度下保持其頻率穩(wěn)定性。相比之下，石英器件則會隨著溫度的變化呈現(xiàn)出明顯的非線性特性，因此很難保持頻率穩(wěn)定性。目前可用的MEMS振蕩器為1級（即，-40°C至+125°C的環(huán)境工作溫度范圍（根據(jù)AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)））。而新一代MEMS振蕩器將支持更高的溫度，能夠滿足汽車中部分區(qū)域的0級（-40°C至150°C）需求。

在汽車應(yīng)用中，往往會由于振蕩器安裝位置的環(huán)境溫度較高和/或需要將振蕩器放置在印刷電路板（PCB）上的特定位置而出現(xiàn)溫度過高的問題。而且，汽車中的連接等級越高，所需的IC功率也會越高。這些IC散發(fā)的熱量會導(dǎo)致附近元件的局部環(huán)境溫度升高。此外，為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常需將晶振放置在依靠它工作的IC附近，歷史數(shù)據(jù)表明此類晶振支持3級。但是，這種情況正在發(fā)生變化。

信息娛樂系統(tǒng)中的微處理器往往會消耗大量熱量，盡管大多數(shù)汽車內(nèi)部元件被指定為2級（最高105°C），但靠近處理器的時(shí)鐘需要支持1級（最高125°C）。由于這些功能強(qiáng)大的處理器很容易使晶振升溫，進(jìn)而導(dǎo)致其因溫度漂移和頻率偏移而超出所需的頻率范圍，因此MEMS振蕩器堪稱絕佳的替代解決方案。如果想要繼續(xù)使用晶振，其中一種解決方案是將其安裝在遠(yuǎn)離處理器的位置，但這樣會影響PCB上的局部布局。另一種解決方案是使用穩(wěn)定性更高（-50°C至125°C）的晶振，但成本也更高——可能是原來的三倍或三倍以上。

相比之下，MEMS振蕩器因配備有源溫度補(bǔ)償電路而顯得更為出色。該電路可以通過溫度檢測與調(diào)節(jié)功能實(shí)時(shí)校正溫度變化（每秒多達(dá)30次），從而保持恒定的輸出頻率。這為高溫應(yīng)用帶來了非常精確（誤差低至±20 ppm）的溫度穩(wěn)定性，并且與高穩(wěn)定性晶振相比成本更低。隨著圖形（GPU）和計(jì)算（CPU）IC及其相關(guān)電源管理IC的性能和處理能力不斷提高，現(xiàn)有晶振勢必將因相關(guān)方面的局限性而面臨越來越多的挑戰(zhàn)。

FFS諧振梁下方的電極形成了靜電換能器。當(dāng)諧振梁和電極處于不同電壓下時(shí)，它們之間會產(chǎn)生一個(gè)力。換能器間隙的作用相當(dāng)于時(shí)變電容，偏置時(shí)以諧振頻率產(chǎn)生輸出電流。為了實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)，MEMS諧振器將通過封蓋和密封工藝（采用熔接技術(shù)）密封在真空環(huán)境中。由此實(shí)現(xiàn)的晶圓級封裝可廣泛用于各種注塑IC封裝。MEMS器件通過接合線連接到ASIC芯片。

在ASIC中，片上可一次性編程（OTP）存儲器和縱橫開關(guān)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品靈活性。設(shè)置輸出頻率的PLL和分頻器值以及溫度校準(zhǔn)設(shè)置、輸出協(xié)議選擇、上升/下降時(shí)間控制、使能引腳上拉/下拉值等均存儲在該存儲器中。

實(shí)際上，MEMS ASIC中可以添加許多功能。例如可以添加多個(gè)輸出，這樣有助于減少所需空間以及實(shí)現(xiàn)石英晶振上無法添加的功能?；蛘咭部梢蕴砑訑U(kuò)頻功能，從而減少或避免電磁干擾（EMI）問題。EMI也可能受時(shí)鐘輸出的上升和下降時(shí)間影響。我們當(dāng)時(shí)利用了MEMS振蕩器中ASIC的可編程性來更改時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，非常及時(shí)地解決了這一問題并最終完成了設(shè)計(jì)。

對于任何設(shè)計(jì)變更而言，設(shè)計(jì)支持至關(guān)重要。利用Microchip的在線ClockWorks?配置器工具，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)頻率、封裝尺寸和溫度范圍輕松選擇和定制適合其應(yīng)用的MEMS振蕩器，而且還可訂購免費(fèi)樣片。此外，使用Clockworks配置器甚至還可以自定義DSA2311雙輸出時(shí)鐘發(fā)生器的兩個(gè)輸出頻率。

雖然客戶使用配置器需要2至5天才能收到樣片，但收到樣片后，設(shè)計(jì)人員可以使用TimeFlash 2現(xiàn)場編程工具包，幾秒鐘即可將空白的現(xiàn)場可編程振蕩器編程為自定義頻率并執(zhí)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。將工具包插入PC的USB端口即可在用戶電腦桌面上進(jìn)行閃存編程。該工具包還能夠測量標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的頻率精度和功耗，以及測量電流和穩(wěn)定性。

在過去的20年里，可靠性已逐漸成為汽車制造商倍加關(guān)注的焦點(diǎn)。在PCB上，IC的可靠性最高。但包括晶振在內(nèi)的其他元件均尚未達(dá)到這一基準(zhǔn)水平。相比之下，MEMS振蕩器已將振蕩器的可靠性提升至IC水平，這對汽車客戶來說大有裨益。自動駕駛等應(yīng)用通常需要達(dá)到最高級別的可靠性，因此MEMS振蕩器解決方案成為了汽車供應(yīng)商的最佳選擇。如果您仍在猶豫是否要使用MEMS振蕩器來取代晶振，不妨再看看MEMS振蕩器所具備的諸多優(yōu)勢：更高的頻率穩(wěn)定性、節(jié)省空間、支持更高的溫度以及出色的抗沖擊和振動能力等等。目前，已有越來越多的汽車制造商因看重這些優(yōu)勢而轉(zhuǎn)為采用全新的MEMS振蕩器技術(shù)。
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