MEMS足以滿足自動駕駛的需求 應(yīng)對嚴(yán)苛環(huán)境

工程設(shè)計(jì)總是在于利弊的權(quán)衡，但自動駕駛汽車提出的嚴(yán)苛要求，正在將其推向極限。

- 自動駕駛車輛將生成海量的數(shù)據(jù)，源自各種形式的視覺傳感器，以及探測溫度、壓力和其它關(guān)鍵參數(shù)的環(huán)境傳感器。

- 通信是不變的需求，車輛內(nèi)部使用汽車以太網(wǎng)，外部通信未來將會采用5G技術(shù)與世界連接。

- 它們在持續(xù)振動和沖擊的嚴(yán)苛環(huán)境中運(yùn)行。面對外部天氣和內(nèi)部引擎高溫的雙重影響，溫度環(huán)境可能很極端。并且，由于車輛外部快速的天氣變化，以及車輛內(nèi)部引擎釋放的熱量，溫度的變化會很快。此外，由于下雨或在潮濕的路面上行駛，水分可能隨時存在。

- 汽車在發(fā)生危險時會危及乘員生命，因此汽車的各個部件應(yīng)該始終能夠正常運(yùn)行，如果出現(xiàn)問題，它必須能夠在進(jìn)入安全狀態(tài)時表現(xiàn)良好。

- 汽車是一種消費(fèi)品，制造商在要求汽車電子器件具有高性能的同時，也非常注重成本。芯片占位面積必須盡可能小，以節(jié)省空間，而且芯片必須以高良率制造，以保持合理的成本。

在所有這些要求中有一個共同的因素貫穿始終，而這也是我們通常認(rèn)為理所當(dāng)然的，那就是：時間。為了使一切都能同步運(yùn)行，即使某些部件出現(xiàn)問題，這些時鐘信號也必須正常運(yùn)行。時鐘現(xiàn)在比以往任何時候都更加關(guān)鍵，因此對時鐘源提出了極高的要求。

石英已經(jīng)成為時鐘器件的過去時態(tài)，現(xiàn)在和將來，MEMS時鐘器件提供的獨(dú)一無二的穩(wěn)定性和可靠性，足以滿足自動駕駛需求。

應(yīng)對嚴(yán)苛環(huán)境

我們的智能手機(jī)可能已經(jīng)很復(fù)雜了，但與自動駕駛汽車相比，不值一提。智能手機(jī)通常會被我們放在口袋或小包里隨身攜帶，如果不小心摔地上遭受嚴(yán)重的震動，手機(jī)有可能就無法工作了。

汽車可就沒那么幸福了。外部行駛糟糕的道路，各種減速帶，以及與其他車輛或障礙物的意外碰撞，有可能會損傷車輛內(nèi)部設(shè)備，而這些內(nèi)部構(gòu)件都需要繼續(xù)運(yùn)行。如上所述，車輛內(nèi)部的溫度和溫度變化可能也很極端。此外，電磁干擾（EMI）如果處理不當(dāng)，也可能會影響通信的可靠性。

如果在這些惡劣條件下出現(xiàn)任何故障，那么車輛必須進(jìn)入一種安全狀態(tài)。但是，如果協(xié)調(diào)這一切的時鐘器件因環(huán)境壓力而失效，安全狀態(tài)就無從談起了。這是MEMS時鐘器件的一個重要優(yōu)勢：MEMS時鐘器件比石英器件更加穩(wěn)健（圖1）。例如，某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的穩(wěn)定性（與石英的0.5 ppb/g相比）。它們可以應(yīng)對50 kg的沖擊和70 g的振動。它們的運(yùn)行溫度在-55 ~ 125°C（比石英器件的范圍更廣）。而且，憑借可編程邊緣速率（±0.25 ~ 40 ns）和高達(dá)4%（±0.25%）的擴(kuò)頻能力（石英不具備的功能），MEMS時鐘器件可將EMI降低11%。

圖1：MEMS與石英時鐘器件在熱氣流和振動下的衛(wèi)星跟蹤對比，石英多次丟失信號，而MEMS表現(xiàn)非常穩(wěn)定

隨著時間的推移，時鐘仍必須保持可靠。MEMS時鐘器件已經(jīng)證明了其超高的可靠性。事實(shí)上，使用相同的示例，它們從未出現(xiàn)過一次失效故障。系統(tǒng)壽命期間測量統(tǒng)計(jì)的每百萬缺陷數(shù)（DPPM）已降至1.6以下，平均故障間隔時間（MTBF）超過10億小時（即114000年）。而石英器件的每百萬缺陷數(shù)約為200 ~ 500，平均故障間隔時間不到5000萬小時。此外，MEMS沒有頻率擾動（activity dips）或微跳變問題，也沒有冷啟動的問題，而這些一直是石英器件需要面對的挑戰(zhàn)。與僅滿足AIC-Q200要求的石英相比，MEMS時鐘器件還能夠滿足AEC-Q100測試要求。

車輛內(nèi)外通信

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，汽車行業(yè)已經(jīng)采用以太網(wǎng)的形式來處理車輛內(nèi)部通信。這包括各個域內(nèi)以及之間的功能通信，例如傳動系統(tǒng)、底盤和中心堆棧等。數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到10、40和/或100 Gbps。就我們熟知的家庭和辦公室網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)，汽車以太網(wǎng)解決了“正?！币蕴W(wǎng)帶來的幾個問題。

- 具有較低的射頻（RF）噪聲，減少信號之間的干擾。

- 它為請求和發(fā)送緊急傳感器和其他數(shù)據(jù)提供微秒延遲。

- 帶寬可以分配給具有特定延遲要求的特定數(shù)據(jù)流。

- 可以在組件之間同步時鐘，以實(shí)現(xiàn)同時數(shù)據(jù)采樣等功能。

與此同時，5G將承擔(dān)車輛與外部世界的通信，例如與其他車輛、本地基礎(chǔ)設(shè)施和手機(jī)信號塔等。這種所謂的“車聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)對5G時鐘提出了非常高的要求：網(wǎng)絡(luò)端10 ns的延遲，頻率進(jìn)入兩位數(shù)千兆赫范圍。

圖2：汽車電子需要通過汽車以太網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)部通信，并通過5G進(jìn)行外部通信

這些通信將涵蓋非常關(guān)鍵的應(yīng)用，如車輛間的對話；以及便利性應(yīng)用，如流媒體音樂（無論實(shí)時與否）。所有這些都必須可靠地運(yùn)行，以確保安全舒適的乘坐體驗(yàn)。MEMS時鐘器件能夠提供確保內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的頻率和抖動性能，如頻率高于700 MHz，穩(wěn)定性為±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比之下，石英時鐘器件的的頻率選擇較少，且全部采用大型封裝。它們在-40 ~ 125℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性僅為±50 ppm。此外，石英時鐘器件還有所謂的頻率擾動等其他異常狀況，使它們在安全關(guān)鍵應(yīng)用中不太可靠。

時鐘器件尺寸不斷縮小

最后，時鐘器件所需占用的空間越小越好。也就是說，您可以根據(jù)自己的優(yōu)先級進(jìn)行選擇。對于極致的小型封裝需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封裝。如果引線檢測對于低成本制造至關(guān)重要，那么可以選擇SOT23-5封裝。

MEMS時鐘器件還無需負(fù)載電容，單個驅(qū)動器可以驅(qū)動多個負(fù)載。這兩種特性都與石英形成了鮮明對比。而且，石英時鐘器件從自身特性來說必須使用更大的封裝。

圖3：針對不同汽車應(yīng)用的特性

汽車設(shè)計(jì)開始轉(zhuǎn)向MEMS

汽車應(yīng)用是可以想象的要求最嚴(yán)苛的應(yīng)用之一。它們通常在極其惡劣的條件下運(yùn)行，必須保持內(nèi)部和外部的可靠通信，并且必須能夠收集、處理和分發(fā)大量的傳感器數(shù)據(jù)，以便高效和安全地運(yùn)行。

控制所有這些相互交織的系統(tǒng)的時鐘器件必須穩(wěn)健可靠。它必須提供高性能，同時盡可能小的占位面積。這些都是MEMS時鐘器件的優(yōu)勢。人們對自動駕駛，以及更安全地從A點(diǎn)到B點(diǎn)的渴求，推動了時鐘器件從石英向MEMS的過渡。