MEMS振荡器技术将革新汽车应用领域

由于频率稳定性、节省空间、温度以及震动和振动能力等优点,越来越多的汽车制造商正在采用新的MEMS振荡器技术。

  用更现代的方法替换成熟的技术通常可以提供突破性的功能。对于半导体器件来说,更小、更快、更便宜(或更高的性能、可靠性以及更多)一直是一个很大的诱惑。与过去对微机电系统(MEMS)振荡器的需求相比,当今具有严格定时要求的汽车应用中的数字电路的需求甚至更大。本文将讨论各种汽车应用中的这一新兴需求,解释MEMS振荡器和晶体振荡器之间的区别。

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  MEMS振荡器与晶体振荡器的区别

  当今的汽车需要高级驾驶辅助系统(ADAS)的精确定时,高级辅助驾驶系统包括车载摄像头、超声波感应、LiDAR和雷达、以及信息娱乐、车载网络等。MEMS振荡器已经生产并在汽车应用中使用了十多年,而ADAS在自动驾驶汽车领域的新兴应用要求更高的性能,并且对时间同步设备的要求也更高。

  可靠性是汽车制造商及其电子系统供应商的主要关注点。机械地将晶体振荡器从石英上切下并打磨,以获得正确的频率,然后将其封装在密封的外壳中,晶体的薄结构使其易于受到振动破坏,并将其限制在固定频率。而且,这些设备的制造清洁度水平不高。此外,相对较大的石英装置在较高的冲击和振动条件下不能很好地支撑。

  相反,MEMS振荡器是在集成电路(IC)制造设备中生产的,因此它们的清洁度要比其他IC高得多。实际上,与传统的晶体振荡器相比,MEMS振荡器具有20倍的可靠性,500倍的抗震性和5倍的抗振性。

  而且,MEMS振荡器固有地非常小且坚固。晶体具有有限的尺寸,并且较小的晶体变得越来越昂贵。在空间限制非常严格的第一个汽车应用中,由于晶体尺寸的原因,有必要在车辆上改装一些摄像机。在此应用中,MEMS方法是一种自然的解决方案。许多新的汽车应用,例如ADAS,甚至需要更小的封装,因此MEMS振荡器的尺寸成为替代晶体振荡器的另一个驱动因素。

  MEMS振荡器的另一方面是它们在非常高的温度下保持其频率稳定性的能力。石英器件对温度具有非常非线性的特性,并且在该领域具有更大的难度。如今可用的MEMS振荡器的等级为1级(根据AEC-Q100,-40°C至+ 125°C的环境工作温度范围)。下一代MEMS振荡器将在更高的温度下工作,并满足汽车中某些要求0级(-40°C至150°C)的区域(见表1)。

  由于安装位置的环境温度和/或振荡器在印刷电路板(PCB)上的要求放置,在汽车应用中可能会发生高温。车辆中更高级别的连接性需要更高功率的IC。这些IC的散热会增加附近组件的局部环境温度。为了系统稳定,通常将晶体振荡器放置在靠近它所支持的IC的位置,从历史上看,它已达到3级等级。但是,这种情况正在改变。

  信息娱乐系统中的微处理器会散发大量热量,尽管大多数汽车内饰部件被指定为2级(最高105°C),但实际上需要接近处理器的时钟才能支持1级(最高125°C)。MEMS振荡器是最佳解决方案,因为这些功能强大的处理器可以轻松加热晶体,该晶体会经历足够的温度漂移和频率偏移,从而导致振荡器超出所需的频率范围。允许继续使用晶体振荡器的一种解决方案是将其安装在远离处理器的位置。这会影响PCB上的本地房地产。另一个解决方案是更高稳定性(-50°C至125°C)的晶体振荡器,其成本更高,可能是其三倍或更多倍。

  相反,MEMS振荡器具有有源温度补偿电路。MEMS振荡器的电路可通过感测温度并进行调整以保持恒定的输出频率,从而对温度变化进行实时校正(每秒多达30次)。对于高温应用,这实现了非常准确的温度稳定性(低至±20 ppm),并且与高稳定性晶体振荡器的成本相比,可以降低成本。

  随着图形(GPU)和计算(CPU)IC及其关联的电源管理IC的性能和处理能力的提高,现有的晶体振荡器将面临越来越多的挑战,甚至超越其极限。

  MEMS振荡器技术

  MEMS振荡器的基础是MEMS谐振器。这是一种从硅蚀刻而成的结构,可产生非常精确的机械振动以提供准确的频率。自由-自由束短支撑(FFS)谐振器设计如图1所示。在四个锚定位置接触基板,梁位于其上方并被狭窄的间隙隔开,因此谐振器可以自由移动。

图1:此图像显示了仅30 µm x 50 µm的微加工FFS谐振器束的扫描电子显微镜(SEM)。.png

  图1:此图像显示了仅30 µm x 50 µm的微加工FFS谐振器束的扫描电子显微镜(SEM)。

  FFS谐振器梁下方的电极产生静电换能器。当束和电极保持不同的电压时,在它们之间会产生力。由于换能器间隙在偏置时会发生变化,因此该结构的行为就像时变电容器一样,它以谐振频率产生输出电流。

  为了获得高质量的因素,使用熔合的封盖和密封工艺将MEMS谐振器密封在真空中。最终的晶圆级封装可用于各种注塑IC封装。图2显示了密封的MEMS芯片内部的谐振器如何堆叠到CMOS专用集成电路(ASIC)上。引线键合将MEMS器件连接到ASIC芯片。

图2:此处显示了完整的MEMS振荡器结构的分解图。.png

  图2:此处显示了完整的MEMS振荡器结构的分解图。

  在ASIC中,片上一次性可编程(OTP)存储器和交叉开关提供了产品灵活性。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/下拉以及其他值都存储在此存储器中。

  实际上,可以将许多功能添加到MEMS ASIC中。可以有多个输出,这有助于减少所需的空间和功能,而这些功能和功能无法添加到石英晶体中。另一个示例是扩频功能,可以减少或避免电磁干扰(EMI)问题。EMI也可能受时钟输出上升和下降时间的影响。借助MEMS振荡器中ASIC的可编程性,改变时钟的上升和下降时间可以非常及时地解决该问题,从而完成了设计。

  在过去的20年中,可靠性一直是汽车制造商关注的焦点。在PCB上,这些IC具有最高的可靠性。其他组件,包括晶体振荡器,均低于该基准水平。相比之下,MEMS振荡器将振荡器的可靠性提高到了IC的水平,这对汽车客户来说是一个巨大的好处。对于自动驾驶等应用,要求最高的可靠性,因此MEMS振荡器解决方案成为汽车供应商的首选。

  如果在从晶体振荡器转换为MEMS振荡器时犹豫不决,那么增加的频率稳定性、节省空间、温度以及震动和振动能力将促使人们决定采用MEMS振荡器。由于这些优点,越来越多的汽车制造商正在采用新的MEMS振荡器技术。

作者:宋丽

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