工程设计总是在于利弊的（de）权衡，但自动驾驶汽车提出的严苛（kē）要求，正（zhèng）在将其推向极限。

- 自动驾驶车（chē）辆将生成海量的数（shù）据（jù），源自各种形（xíng）式的视觉传感器，以及（jí）探（tàn）测温度（dù）、压（yā）力和其它关键参数（shù）的环境传（chuán）感器。

- 通信是不变的需（xū）求，车辆内部使用汽车（chē）以（yǐ）太网，外（wài）部通信未来将（jiāng）会采用5G技术与世界连接。

- 它们在持（chí）续振动和（hé）冲击的严苛环境（jìng）中运行。面对外部天气和（hé）内部（bù）引擎高（gāo）温的双重影响，温度环境可能很极端。并且，由（yóu）于车辆外部快速的天气变（biàn）化，以及车辆内部引擎释放的热量，温度的变化会很快。此外，由于下（xià）雨或在潮湿的路面上行驶（shǐ），水分可能随时存（cún）在（zài）。

- 汽车在发生危险时会危及乘（chéng）员生命，因此汽车的各个（gè）部（bù）件应该始终能（néng）够正常运行，如果出现问题（tí），它必（bì）须能够在进（jìn）入安全状态时表（biǎo）现良好。

- 汽（qì）车是一种消费品，制造商在（zài）要求汽车电（diàn）子器件具有高性能（néng）的同时，也非（fēi）常注重成本（běn）。芯片占位面积必须尽可能（néng）小，以节（jiē）省空（kōng）间，而且芯片必须（xū）以（yǐ）高良（liáng）率（lǜ）制造，以保持合理的成本。

在（zài）所有这些（xiē）要求中有一个共同的（de）因素贯（guàn）穿（chuān）始终，而（ér）这也是我们通常认为理所（suǒ）当然（rán）的，那就是（shì）：时间。为了使一切都能同步运行，即使（shǐ）某（mǒu）些部件出现问题，这些时钟信号（hào）也必（bì）须正常运行（háng）。时钟（zhōng）现（xiàn）在比以往任（rèn）何时候都更（gèng）加（jiā）关键，因此对时钟源提出（chū）了极高（gāo）的（de）要求。

石英已经成为时钟器（qì）件的过去时态，现在和将（jiāng）来（lái），MEMS时钟（zhōng）器件（jiàn）提供（gòng）的独一无二的（de）稳定（dìng）性和可靠性，足以满足（zú）自（zì）动（dòng）驾驶需求。

应对（duì）严苛环境

我们的智能手机可能已经很（hěn）复杂了，但与自动驾驶（shǐ）汽车相比，不值（zhí）一提（tí）。智（zhì）能手（shǒu）机通（tōng）常会被我们放在口（kǒu）袋（dài）或（huò）小包（bāo）里随身携带，如果不（bú）小心（xīn）摔（shuāi）地（dì）上遭受严重（chóng）的震动，手机有可能就无法工作了。

汽车可（kě）就没那么幸福了。外部行驶糟糕的道路，各种减速带，以及与其他车（chē）辆（liàng）或障碍物的意（yì）外碰（pèng）撞，有可能会损（sǔn）伤车（chē）辆内部（bù）设备（bèi），而（ér）这些（xiē）内部构件都需要继续运行。如上所述，车辆内部（bù）的温度（dù）和温度变化可能（néng）也很极端。此外，电磁（cí）干扰（EMI）如（rú）果处理（lǐ）不当（dāng），也可能会影响通信的可靠性。

如（rú）果在（zài）这些恶劣（liè）条件下出现（xiàn）任何故（gù）障，那么车（chē）辆必（bì）须进（jìn）入（rù）一种安全状态。但是，如果协调这一（yī）切的时钟（zhōng）器件因环境压力而失效（xiào），安全（quán）状态就无从谈起了（le）。这（zhè）是MEMS时（shí）钟器件的一（yī）个重（chóng）要（yào）优势：MEMS时钟器件比石英器件更加稳健（图1）。例如，某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的稳定（dìng）性（与石英的0.5 ppb/g相比（bǐ））。它们可（kě）以应对50 kg的（de）冲击和70 g的振动。它们的运（yùn）行（háng）温（wēn）度（dù）在-55 ~ 125°C（比石英器件的范围更广）。而（ér）且，凭（píng）借可编程边缘速率（±0.25 ~ 40 ns）和高达4%（±0.25%）的（de）扩频（pín）能力（石英不具（jù）备的功能），MEMS时钟器（qì）件可将EMI降低11%。

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图1：MEMS与石（shí）英时（shí）钟（zhōng）器件在热（rè）气流和振动下的卫星（xīng）跟踪对（duì）比，石英多次丢失信号，而MEMS表现非常稳定

随着时间的推移，时钟仍必须保持可靠。MEMS时钟器件已经证（zhèng）明了（le）其（qí）超高的（de）可（kě）靠性。事实（shí）上，使用相同的（de）示例（lì），它们从未（wèi）出现过一次失效故障。系统寿命期间（jiān）测量统计（jì）的每百（bǎi）万缺陷数（DPPM）已降至1.6以（yǐ）下，平均故障间（jiān）隔时间（MTBF）超过10亿小时（shí）（即114000年）。而石英器（qì）件的每百万缺陷（xiàn）数约（yuē）为200 ~ 500，平（píng）均故障（zhàng）间（jiān）隔时间不到5000万小时。此外，MEMS没有频率扰动（activity dips）或微跳变问题（tí），也没有冷（lěng）启动的问题，而（ér）这些一直是石英（yīng）器件需要面对的挑战。与仅满足（zú）AIC-Q200要求的石英相比，MEMS时钟器（qì）件还能够满（mǎn）足AEC-Q100测（cè）试要求。

车辆内外（wài）通信（xìn）

据麦姆斯咨询（xún）介绍，汽车行业已经采用以（yǐ）太网的形式（shì）来处（chù）理车（chē）辆内（nèi）部通信。这（zhè）包括各个域内以及之间的（de）功能通信，例如传动系统、底盘（pán）和（hé）中心堆栈等。数据（jù）速（sù）率可以达到（dào）10、40和（hé）/或（huò）100 Gbps。就（jiù）我们熟知的家庭和办公室网（wǎng）络中的（de）以太网，汽车以太网解决了“正常”以太（tài）网带来的几个问题。

- 具有较（jiào）低（dī）的射频（RF）噪声，减少信（xìn）号之间（jiān）的干（gàn）扰。

- 它为（wéi）请求和发送紧（jǐn）急传感器和其他数（shù）据提供微秒延迟。

- 带（dài）宽可以分配给具有特定延迟要求的特定数据流。

- 可以在（zài）组件之间（jiān）同步时钟（zhōng），以实现同时（shí）数据采样等功能（néng）。

与（yǔ）此（cǐ）同时，5G将承担车辆与外部世界的通信，例如与其他车（chē）辆、本地基础设施（shī）和（hé）手机信号塔等。这（zhè）种所谓的“车联网”系统（tǒng）对5G时钟提出了非常高的要求（qiú）：网络端10 ns的延迟，频（pín）率进入两位数千兆赫范围。

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图2：汽（qì）车电子（zǐ）需要通过汽车以（yǐ）太网进行内部通信，并通过5G进行外部通信

这些通（tōng）信将涵盖非常（cháng）关键的应用，如（rú）车（chē）辆间的对话；以及便利性（xìng）应用，如流媒（méi）体音乐（无论实时与（yǔ）否）。所有这些（xiē）都必（bì）须可靠地运（yùn）行，以确保安全舒适的（de）乘坐体验。MEMS时钟器件能够提供确保内部和外（wài）部（bù）网络运行所需的频率和抖动性能（néng），如频率高于700 MHz，稳定（dìng）性为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比之下（xià），石英时钟器（qì）件的（de）的频率选择较少，且全（quán）部采用（yòng）大（dà）型封装。它们在（zài）-40 ~ 125℃范围内的（de）稳（wěn）定（dìng）性仅为±50 ppm。此外，石英（yīng）时（shí）钟器件还有所谓的频率扰动等其他（tā）异常状况（kuàng），使它们（men）在安全关键应用中不太可靠。

时钟器件尺寸不（bú）断缩小

最后，时钟器件所需占用的空间越小越好。也就是（shì）说，您可以（yǐ）根据自己（jǐ）的优（yōu）先级进行选择。对于极致的小（xiǎo）型（xíng）封装需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封装。如果引（yǐn）线检测对于低成（chéng）本（běn）制造至（zhì）关重要，那么可以（yǐ）选择SOT23-5封装（zhuāng）。

MEMS时钟器件（jiàn）还无需负载电（diàn）容，单个驱动器可以驱动多个负载。这两种特性都与石英形成了（le）鲜明（míng）对（duì）比。而且，石英时钟器件从（cóng）自身特性（xìng）来说必须使用更大的封装。

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图3：针对不同汽车应（yīng）用的特（tè）性

汽车设计开始转向MEMS

汽车应用是可以想象的要（yào）求最（zuì）严（yán）苛的（de）应用之（zhī）一。它们通常（cháng）在极（jí）其恶劣的条件下运行，必须保持内（nèi）部和（hé）外部（bù）的可靠通信，并（bìng）且必（bì）须能够收集、处理和分发大量的传感器（qì）数（shù）据，以便（biàn）高效（xiào）和安全地运行（háng）。

控制所有这些相互交织的系统的时（shí）钟器件必须稳健可（kě）靠。它必须提（tí）供高性（xìng）能，同时尽可能小的占（zhàn）位面积（jī）。这些都是MEMS时钟器件的优势。人们对自动驾驶，以及更安全地从（cóng）A点到B点（diǎn）的渴求，推动了时钟（zhōng）器件从石英向MEMS的过（guò）渡（dù）。