高可靠性MEMS谐振器为5G、物联网和汽车应用提供时钟解决方案
2021-09-11 16:55:30   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，从5G网络到工业机器人再到自动驾驶汽车，这些新兴应用都需要一种坚固耐用的时钟技术方案，以确保电子系统稳定、可靠的运行。

物联网（IoT）、人工智能和机器学习的兴起以及5G网络和服务的推广正在改变我们在家、工作和旅途中的日常生活。这些融合趋势正在影响个人和企业通讯，并扩展到自动驾驶汽车、工业自动化、可穿戴设备以及航空航天和国防应用等关键任务中的数字系统。所有这些应用都需要可靠且坚固耐用的电子系统，并带有专为快速恢复设计的嵌入式组件。即使在极端温度、波动、冲击、振动、气流和雷击浪涌等恶劣环境压力下，这些器件也必须无中断或无故障地运行。

虽然二极管、集成电路和微处理器等半导体器件受环境压力的影响非常小，但电子系统的其他部分比较脆弱，可能需要屏蔽、绝缘或其他设计功能来进行保护。例如，几乎所有电子系统的核心都是一个由两部分组成的时钟器件：产生频率的机械谐振器和处理系统计时功能的模拟电路。时钟器件产生一致的信号，为系统的数字元件提供参考。实际上，它是系统的“心跳”，就像人类的心脏一样，它绝不能失灵。

直到最近，大多数谐振器都基于石英晶体，这是一种经过验证且值得信赖的时钟材料，已为电子产业服务了70多年。现在，随着智能互联系统在高级驾驶辅助系统（ADAS）、航空电子设备和防御系统等关键应用中需要以低延迟传输数兆字节（TB）数据，设计人员和制造商正在寻求能够承受持续环境压力的时钟解决方案。最佳解决方案是时钟器件必须以非常低的故障率提供不间断运行，并且性能不会降低。时钟器件在运行过程中的任何中断都可能导致整个系统出现故障，并可能带来毁灭性的后果。

新技术变革时钟器件

微机电系统（MEMS）技术通过将机械和电子元件结合在集成器件中，使电子产业的方方面面发生了革命性的变化。从汽车安全气囊中使用的加速度计到对医疗监控系统中至关重要的压力传感器，MEMS技术现在已被广泛应用于汽车、医疗、工业、通信和国防等领域。MEMS谐振器也已成为时钟器件中石英的一种更好的替代品。

硅基MEMS谐振器的质量通常是传统石英谐振器的1/3000。这是一个显著的优势，因为您可能还记得物理课上讲的，惯性力等于质量乘以加速度。因此，与基于石英的解决方案相比，基于MEMS的器件质量更小，产生的作用力也更小。除了能够更好的抵抗机械应力外，MEMS器件通常比石英器件具有更好的平均故障间隔时间（mean time between failure，MTBF）率，这使得MEMS时钟器件成为具有挑战性的工作环境中要求苛刻的应用的更耐用的选择。

在恶劣的环境中持续可靠运行

将近场通信（NFC）、超宽带（UWB）甚至雷达添加到智能手机中现有的4G LTE、Wi-Fi和蓝牙接口，使数据吞吐量增加了10倍或更多。正因为如此，移动应用处理器的性能不得不大幅提高，这意味着它们在运行时的温度会更高。这对我们的物联网可穿戴设备和车辆，以及当今的电信基础设施、自动化工业设备和关键性任务系统来说也是如此。

如今的电子应用运行时的温度更高，温度波动也更加剧烈。而器件占用空间在缩小，留给风扇和散热器冷却温度敏感组件的空间也越来越小。关键性任务航空电子设备、国防和汽车安全系统依靠实时处理性能来处理来自图像、温度和距离传感器阵列的数据。因此，在不影响处理性能的情况下，必须对温度急剧上升的器件的散热进行管理。

最后，全球导航卫星系统（GNSS）接收器和全球定位系统（GPS）在恶劣条件下运行时，依靠时钟器件进行导航和定位服务。航空航天中的GPS系统还必须承受极端的冲击和振动。这些系统能够在发射前、发射中和发射后连续运行和控制，以确保可靠地提供GNSS和GPS服务，这对我们日益互联的世界至关重要。

为产业生产先进器件和设备的企业面临的一个挑战是供应链采购。这对他们的采购部门来说是一个挑战，因为他们的任务通常是需要识别多个供应商。然而，有了适当的预测和足够的交货时间，他们就可以确保供应。

鉴于这些应用日益复杂化，为了能够提供在极端的环境压力下持续可靠运行的产品，开发商和设备制造商正在重新审视他们的时钟解决方案。越来越多的时钟技术被视为系统中的关键的差异化因素和战略资产。通过对他们的设计进行不同的思考，开发人员意识到基于MEMS的时钟技术可以完成更多的工作——无论是在应对日益数字化的世界带来的设计挑战方面，还是在实现新的最终产品方面，这在以前都是不可能实现的。

延伸阅读：

《自动驾驶汽车、机器人出租车及其传感器-2021版》

《5G小基站（Small Cell）技术及市场-2021版》