随着汽车行业不断添加复杂的电子系统，对可靠且强大的汽车级计时解决方案的需求也在增加。很快，汽车将需要多达 70 个计时设备。几十年来，计时组件一直基于石英晶体技术——此前这是唯一可行的选择，能够提供高稳定性和高性能。然而，精密 MEMS（微机电系统）计时解决方案正迅速成为首选技术，因为它们提供了最高的性能和可靠性。此外，这些 MEMS 计时解决方案具有独特的功能，能够解决长期存在的计时问题——随着行业朝着具有完全连接性和安全性的自动驾驶发展，这些功能是新兴汽车应用所必需的。

如今，最可靠的计时设备基于 MEMS 技术。汽车级MEMS硅晶振的关键特性：

   • 符合 AEC-Q100（1 至 4 级）标准，工作温度范围从-40°C 扩展至+125°C

   • 频率范围宽，从 1Hz 至 725MHz 

  • 在整个温度范围和老化过程中，振荡器频率稳定性出色，为±20ppm，温补晶振（TCXO）稳定性为±0.1ppm 

  • 低振动敏感度（g 敏感度）为 0.1ppb/g，比石英振荡器好 50 倍 

  • 最坚固，抗 30,000g 冲击和 70g 振动，比石英振荡器好 50 倍以上

  • 可靠性最佳，平均故障间隔时间（MTBF）超过 22 亿小时（<0.5 FIT），比石英振荡器好 50 倍 

  • 质量最佳，<0.1 DPPM

  • 尺寸小，采用 1.2×1.1mm 封装，采用 SOT23-5 封装时具有最佳的板级可靠性 

  • 通过可编程驱动强度和扩频实现独特的 EMI 降低 

  • 保证在-40°C 下冷启动 

  • 无活动骤降或微跳 

  • 抗冲击、抗振动和抗热梯度

MEMS硅晶振在汽车应用中的验证

诸如加速度计和陀螺仪之类的 MEMS 传感器作为主动安全装置已在汽车应用中使用多年。加速度计可检测速度的突然变化，从而使安全气囊充气并挽救生命。陀螺仪持续监测汽车行驶的方向，并使稳定控制系统能够自动校正，在无形之中改善操控性和安全性。汽车 MEMS 传感器不能出现故障，在数百万辆汽车行驶数十亿英里之后，这些设备已证明能够按设计运行。

同样，MEMS 谐振器也极其可靠。MEMS 定时解决方案完全采用硅制造，使用标准的半导体制造工艺。这产生了比图 1 所示的石英高得多的半导体级质量。SiTime 建立了 6 西格玛设计和开发理念，在出货数十亿个单元后，没有 MEMS 现场故障退货，并保持低于 0.1 DPPM（见图 1）。如图 2 所示，SiTime 部件的平均故障间隔时间（MTBF）超过 22 亿小时（换算为 FIT<0.5），比典型的石英器件好高达 50 倍。

                           图 1：每百万缺陷部件的振荡器质量比较           图 2：平均故障间隔时间（以百万小时为单位的 MTBF）的振荡器可靠性比较

硅 MEMS 制造工艺

SiTime MEMS 谐振器由单晶硅制成，这是一种无缺陷的材料，强度是钛的 15 倍[1]。SiTime 谐振器采用获得专利的 MEMS First®和 EpiSeal®制造工艺，在 1100°C 对谐振器进行退火。因此，汽车环境中存在的极端温度对 MEMS 谐振器没有显著影响[2]。这种高温工艺生产出高质量的谐振器，其密封严密，没有可能导致谐振器质量加载并引起频率漂移的污染物。谐振器完全封装在硅芯片内，使其对外部来源的损坏具有极强的抵抗力。MEMS 谐振器可以像标准的 CMOS 芯片一样处理，并使用标准的 IC 封装工艺进行封装。通过使用 MEMS First 工艺、IATF 16949 认证的半导体供应链和标准封装工艺，MEMS 振荡器具有更高的质量和可靠性，以及几乎无限的产能。

相比之下，石英振荡器制造商使用专门的供应链。石英晶体在专用的反应器中生长，提供一种与硅不同的、具有显著缺陷的材料。晶体必须仔细切割以避免微观缺陷区域，但这个过程并不完美。石英振荡器的故障率为 0.1 DPPM 至 1 DPPM，比 IC 可接受的故障率高出一个数量级。此外，与石英晶振一起使用的专门封装工艺和材料（即金属和环氧树脂）会带来更多的可靠性问题。

用于汽车制造的 MEMS 封装特性         

MEMS 振荡器采用堆叠芯片配置进行组装。MEMS 谐振器安装在驱动和校准谐振器的振荡器 IC 上。使用塑料注塑成型，芯片封装在 MSL-1 级封装中。MEMS 振荡器有双扁平无引线（DFN）/四扁平无引线（QFN）封装，小至 1.2 x 1.1 mm。与石英晶振封装相比，MEMS 封装的外形更低，但它们适合常见的石英振荡器 PCB 焊盘布局，并且引脚与石英器件兼容，便于直接替换。

为了提高电路板级的可靠性，SiTime 提供 SOT23-5 封装。由于此封装有引线，它具有最高的焊点可靠性，并且在需要时更易于返工。这在发动机控制单元（ECU）和动力总成应用中已被证明特别有益。此外，SOT23-5 封装允许自动视觉检查（AVI），这是一种仅光学的焊点检查方法，与 X 射线或电气测试相比成本更低。

MEMS 振荡器降低不必要的噪声

在当今互联汽车中部署的高性能数据传输和无线系统数量不断增加，这要求设计人员特别关注这些子系统敏感频率下存在的电磁能量。电磁干扰（EMI）在依赖高速大量数据传输的 AI 服务器/ECU 或 ADAS 摄像头模块中可能会成为问题。时钟可能是噪声的最大来源，而且这种 EMI 通常在资格认证的最后阶段才会被观察到。这可能会导致设计周期后期的返工，造成计划外的延误和成本。

图 3：MEMS 振荡器为摄像头模块等应用提供 EMI 降低功能

MEMS 振荡器降低不必要的噪声  在当今互联汽车中部署的高性能数据传输和无线系统数量不断增加，这要求设计人员特别关注这些子系统敏感频率下存在的电磁能量。电磁干扰（EMI）在依赖高速大量数据传输的 AI 服务器/ECU 或 ADAS 摄像头模块中可能会成为问题。时钟可能是噪声的最大来源，而且这种 EMI 通常在资格认证的最后阶段才会被观察到。这可能会导致设计周期后期的返工，造成计划外的延误和成本。  图 3：MEMS 振荡器为摄像头模块等应用提供 EMI 降低功能  为了解决这个问题，SiTime 提供了 SiT9025 SSXO，这是第一款符合 AEC-Q100 标准的扩频振荡器。该器件具有高达 4％的宽频谱范围，分辨率为 0.25％，并采用小巧的 2016 封装。SiT9025 通过两种技术降低 EMI：扩频时钟和 FlexEdge™可编程驱动强度，允许调整上升/下降时间以降低转换速率。通过使用这些 EMI 降低功能，SiT9025 可以将噪声降低多达 30 dB。

SiT9025 SSXO 以及 SiT8924/25 和 SiT2024/25 振荡器具有可编程的 FlexEdge™，并得到 SiTime 的 Time Machine II 编程器[3]的支持。设计人员可以在自己的实验室中使用此工具对 EMI 降低振荡器进行编程，并在不同级别尝试不同技术，以实现降噪和系统性能的最佳平衡。由于 SiTime QFN 器件可直接替代石英振荡器，因此它们可用于通过合规性测试，无需任何电路板更改或使用昂贵的组件或屏蔽。

硅 MEMS 更坚固

车辆会受到恶劣环境的影响，例如高水平的机械冲击和振动力，这可能会降低石英振荡器的性能并导致其失效。在这些条件下运行时，振荡器必须符合其规格。如果振荡器不可靠，则有可能导致灾难性故障。晶体谐振器是悬臂结构，对机械力非常敏感，会导致频率尖峰、增加的相位噪声和抖动，甚至损坏谐振器。

相比之下，MEMS 谐振器由于其质量比石英谐振器小 1000 至 3000 倍，因此不太容易受到振动的影响。这减少了振动引起的加速度对谐振器施加的力。SiTime MEMS 谐振器是刚性结构，以体模式在平面内振动，这种几何结构本质上抗振动。这导致 MEMS 谐振器的 g 灵敏度评级较低，以 ppb/g 表示，代表由加速力引起的频率变化。SiTime 汽车级振荡器在小至 1.2 毫米 x 1.1 毫米的封装中提供 0.1 ppb/g 的性能。石英器件必须使用大型专用封装才能实现低 g 灵敏度性能。

MEMS 振荡器还能抵御电源噪声，当电源和电路板上的其他设备开启和关闭时，电源噪声会被放大。这会增加输出时钟的抖动，并对系统时序裕量产生负面影响。例如，在 ADAS 系统中，当抖动恶化时，它会影响数据从传感器传输到决策引擎的速度。在车辆周围环境不断变化的道路上，数据传输的延迟可能是毁灭性的。

SiTime SiT9396/97 差分振荡器的均方根相位抖动（随机）小于 150 fs（典型值），电源噪声抑制（PSNR）为 0.02 ps/mV。这些器件是先进驾驶辅助系统（ADAS）、安全关键型车辆自动化以及汽车 10G/40G/100G 以太网应用的理想选择，这些应用需要处理从摄像头、雷达、激光雷达和其他传感器捕获的大量关键数据。

图 4：低抖动 MEMS 振荡器抗冲击、抗振动、抗电源噪声和抗热梯度，使其成为 ADAS 系统中以太网、PCI-Express 和 SerDes/PHY 时钟的理想选择

为了模拟器件在实际条件下的性能，SiTime 使用标准化测试方法在各种条件下对具有类似规格的各种振荡器进行了测试，包括正弦振动和随机振动。如图 5 和图 6 所示，基于 SiTime MEMS 的振荡器表现出卓越的抗振动和抗电路板噪声能力。

图 5：振荡器对正弦振动的灵敏度                               图 6：振荡器对电路板噪声的灵敏度

专为动态性能打造的精度 

除了冲击、振动和电源噪声外，汽车系统还会受到其他环境条件的影响，例如快速的温度变化和气流，这些也会干扰定时信号。如今，汽车在从信息娱乐到倒车摄像头的各种应用中都使用定时设备，而 ADAS 和安全关键型车辆自动化系统则需要更严格的定时规格。精准的 GNSS 接收器和 V2X 通信系统就是一些需要极其精确和稳定的定时、且不会被环境压力因素干扰的应用实例。

最新一代的精密 MEMS 定时解决方案基于 Elite Platform®构建，旨在在各种动态条件下保持非常严格的稳定性。该平台采用 DualMEMS®架构和 TurboCompensation®温度传感技术[4]，在环境压力因素下提供卓越的频率稳定性。SiTime 的 SiT5186/87 和 SiT5386/87 TCXO（温度补偿振荡器）可提供精确至±0.1ppm 的稳定性，并在快速的温度变化、气流、冲击、振动和电源噪声下保持这种稳定性。

图 7：Elite Platform 超级 TCXO 经过精心设计，可在各种恶劣的汽车条件下保持最佳性能，使其成为精密定时应用的理想选择

MEMS 振荡器

下表列出了 SiTime 的汽车级 MEMS 振荡器系列[5]。

SiTime 定时产品具有可编程架构，可缩短交货时间，并允许设计人员从一系列规格中进行选择，包括工作范围内的任何频率，精度高达六位小数。通常在 4 至 6 周内可提供量产数量（任何配置）。样品可在 1 至 2 天内订购并发货。或者，设计人员可以使用 Time Machine II™编程器在自己的实验室中即时编程即时样品。所有 SiTime 组件均无铅，符合 RoHS 和 REACH 标准。SiTime 对所有量产振荡器提供终身保修，保证产品符合规格且无缺陷。

摘要

车载电子系统的使用不断增加，以及所需处理的大量数据，使得对可靠的汽车级定时组件的需求日益增长。当今最高质量的汽车定时解决方案基于 MEMS 定时技术，与石英技术相比，该技术本质上更强大、更可靠。硅 MEMS 定时组件是采用集成电路行业制定的严格控制和标准制造的。这些工艺和标准，结合 SiTime 专有的 MEMS 和模拟 IC 技术，造就了超高质量的产品。由于这些定时器件基于硅，它们符合 AEC-Q100 标准，该标准的资格要求高于 AEC-Q200。

SiTime 精密 MEMS 定时解决方案在任何频率下、更宽的温度范围内都能提供最高的性能和可靠性，具有更严格的频率稳定性、更好的封装选择和可编程 EMI 降低功能。最重要的是，SiTime MEMS 振荡器能够承受恶劣汽车环境中存在的振动、电噪声、快速气流和温度梯度，同时继续可靠运行并符合规格。这种可靠性和性能，以及 SiTime 产品的灵活性，使其成为当今智能、互联汽车系统和未来自动驾驶汽车的理想选择。