汽车级MEMS振荡器或将带来革命性突破

MEMS与晶体振荡器之间的差异以及在汽车应用中的优势

作者Song Li

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

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。

相比之下，MEMS振荡器因配备有源温度补偿电路而显得更为出色。该电路可以通过温度检测与调节功能实时校正温度变化（每秒多达30次），从而保持恒定的输出频率。这为高温应用带来了非常精确（误差低至±20 ppm）的温度稳定性，并且与高稳定性晶振相比成本更低。

随着图形（GPU）和计算（CPU）IC及其相关电源管理IC的性能和处理能力不断提高，现有晶振势必将因相关方面的局限性而面临越来越多的挑战。 

MEMS振荡器技术                                           

MEMS振荡器的核心基础是MEMS谐振器。这是一种由硅蚀刻而成的结构，可产生非常精确的机械振动，从而提供精确的频率。自由梁短支架（FFS）谐振器设计如图1所示。谐振梁与基板上的四个锚定位置接触，它位于基板之上并留有狭小的间隙，以便谐振器能够自由移动。

图1：该图所示为使用扫描电子显微镜（SEM）观察到的微机械加工FFS谐振梁
（仅为30 × 50 μm）。

FFS谐振梁下方的电极形成了静电换能器。当谐振梁和电极处于不同电压下时，它们之间会产生一个力。换能器间隙的作用相当于时变电容，偏置时以谐振频率产生输出电流。 

为了实现高品质因数，MEMS谐振器将通过封盖和密封工艺（采用熔接技术）密封在真空环境中。由此实现的晶圆级封装可广泛用于各种注塑IC封装。图2显示了密封MEMS芯片内的谐振器如何堆叠到CMOS应用特定的集成电路（ASIC）上。MEMS器件通过接合线连接到ASIC芯片。

图2：此处给出了完整MEMS振荡器结构的分解图。

在ASIC中，片上可一次性编程（OTP）存储器和纵横开关实现了产品灵活性。设置输出频率的PLL和分频器值以及温度校准设置、输出协议选择、上升/下降时间控制、使能引脚上拉/下拉值等均存储在该存储器中。

实际上，MEMS ASIC中可以添加许多功能。例如可以添加多个输出，这样有助于减少所需空间以及实现石英晶振上无法添加的功能。或者也可以添加扩频功能，从而减少或避免电磁干扰（EMI）问题。EMI也可能受时钟输出的上升和下降时间影响。我们当时利用了MEMS振荡器中ASIC的可编程性来更改时钟的上升和下降时间，非常及时地解决了这一问题并最终完成了设计。

汽车级MEMS时序解决方案                                           

最近推出的DSA11x1和DSA11x5均为汽车级MEMS振荡器和时钟发生器，它们符合AEC-Q100标准，在-40°C至+125°C的温度范围内具备出色的频率稳定性（低至±20 ppm），专门用于AEC 1级、2级和3级应用。

这些MEMS振荡器的相位抖动均低于1 ps（典型值），工作频率范围为2.3 MHz至170 MHz，并且有2.5 mm x 2.0 mm、3.2 mm x 2.5 mm和5.0 mm x 3.2 mm三种符合行业标准的小巧尺寸可供选择，厚度均为0.85 mm。DSA1105/25在功能上与DSA1101/21相当，但上升和下降时间相对更长，因此可降低EMI。图3显示了这些MEMS振荡器中集成的模块。

图3：MEMS振荡器中的各个模块完美结合，在整个温度范围内实现了稳定的时钟频率。

MEMS振荡器中的温度传感器与其他电路搭配给出芯片温度的数字表示，随后传送到PLL以校正谐振器绝对频率的自然扩散以及温度系数。图4所示为利用该项技术实现温度稳定性的示例。

图4：与晶振相比，MEMS振荡器的频率稳定性显著提高，特别是在高达125°C的温度下。

多输出MEMS振荡器

在这些全新推出的符合AEC-Q100的 1级MEMS振荡器中，有一款振荡器是业界首款双输出MEMS振荡器，即DSA2311。这款振荡器采用2.5 x 2.0 mm封装（图5），可替代电路板上的两个晶振或其他振荡器（见图6）。该器件的两个同步CMOS输出的范围均为2.3 MHz至170 MHz。这不但能够节省PCB空间，而且还能降低采购、库存和安装成本，并最终提高产品集成度。

图5——Microchip DSA2311 MEMS振荡器的封装尺寸为2.5 x 2.0 mm。

图6——此处给出了Microchip DSA2311 MEMS振荡器的内部框图。

使用双输出MEMS振荡器，可以用单个器件替代两个晶振，从而降低物料清单（BOM）成本。信息娱乐系统通常包含一个主板和多个处理器，而其中每个部分均需要采用单独的参考频率。在这种情况下，可以采用双输出MEMS振荡器来替代多个时钟。由于PCB空间通常比较有限，因此MEMS振荡器堪称理想之选，可解决不少问题。图7显示了如何在汽车电路中将DSA2311和其他Microchip器件搭配布局。

图7——该应用图显示了DSA2311双输出MEMS振荡器如何同时为两个元件提供时钟。

表2：此表列出了Microchip符合汽车标准的1级MEMS振荡器及其特性。

Microchip长久以来都非常注重产品的生命周期，而且始终秉承着“客户驱动的淘汰”原则，即根据客户的需求来决定产品的停产时间。因此，我们能够保证为汽车制造商及其供应商源源不断地供应MEMS振荡器，而且供应时间远远超过其他半导体供应商。

时间就是金钱                                           

对于任何设计变更而言，设计支持至关重要。利用Microchip的在线ClockWorks®配置器工具，设计人员可根据频率、封装尺寸和温度范围轻松选择和定制适合其应用的MEMS振荡器，而且还可订购免费样片。此外，使用Clockworks配置器甚至还可以自定义DSA2311双输出时钟发生器的两个输出频率。

虽然客户使用配置器需要2至5天才能收到样片，但收到样片后，设计人员可以使用TimeFlash 2现场编程工具包，几秒钟即可将空白的现场可编程振荡器编程为自定义频率并执行设计验证。将工具包插入PC的USB端口即可在用户电脑桌面上进行闪存编程。该工具包还能够测量标准振荡器的频率精度和功耗，以及测量电流和稳定性。

拥抱改变，成就卓越                                                                                       

在过去的20年里，可靠性已逐渐成为汽车制造商倍加关注的焦点。在PCB上，IC的可靠性最高。但包括晶振在内的其他元件均尚未达到这一基准水平。相比之下，MEMS振荡器已将振荡器的可靠性提升至IC水平，这对汽车客户来说大有裨益。自动驾驶等应用通常需要达到最高级别的可靠性，因此MEMS振荡器解决方案成为了汽车供应商的最佳选择。如果您仍在犹豫是否要使用MEMS振荡器来取代晶振，不妨再看看MEMS振荡器所具备的诸多优势：更高的频率稳定性、节省空间、支持更高的温度以及出色的抗冲击和振动能力等等。目前，已有越来越多的汽车制造商因看重这些优势而转为采用全新的MEMS振荡器技术。