感測器、運算裝置與通訊技術的進步，帶動了物聯網(IoT)的崛起。物聯網起初將焦點放在消費性、行動與穿戴式應用上，但工業與汽車未來將變成聯網裝置成長幅度最大的部門。隨著物聯網概念開始應用於汽車工業，車聯網(Internet of Vehicles; IoV)這種以汽車為對象的整合式大型通訊系統及網路也將崛起，提供全新的資訊服務同時提升運輸效率及安全性。
2025年聯網裝置數量將達到680億個，較2016年的170億個成長四倍。工業與汽車部門將是這股成長趨勢的主要來源/動力，2016年到2025年期間相關聯網裝置數量將從32億增至283億，相當於成長九倍。
隨著IT及汽車工業開始匯流，以近一步發展智慧型運輸系統(ITS)並打造車聯網，就必須解決兩種產業之間的基礎差異。
所有的電子系統都需要時脈訊號才能順利運作。在網路化的系統裡，準確的計時參考能讓數位裝置之間的訊號交換同步化，裝置才能相互溝通。雖然有些與生俱來的缺點，但過去75年來石英振盪器(Crystal Oscillator)一直是時脈來源，以百萬分之一(PPM)的精確度提供正確頻率。
然而，近年來微機電系統(MEMS)計時裝置技術開始取代石英振盪器，尤其是那些對品質與可靠度要求較高，或在嚴苛環境下運轉的系統。計時的精確度，對許多應用來說都很重要。不過，對於攸關人命的車用系統來說，在所有行車狀況下都能維持精確度(長期穩定性)與穩健的可靠度，才是絕對必要的。未來，車用系統及零件需要的將不再只有可靠度；實際操作時，無論遇到什麼樣的行車狀況都必須有穩健效能，而這對業者來說絕對是一項更為艱鉅的任務。
汽車安全系統日受重視 MEMS技術趁勢崛起
汽車安全系統所使用的感測器，例如能偵測加速過程中突發性變化的加速計(Accelerometer)，還有能持續監測行進方向的陀螺儀(Gyroscope)，都是MEMS晶片技術最早出現的商業應用。
由於矽(Si)本身原有的優勢，近來MEMS技術應用在時脈的案例日益增加。第一款MEMS振盪器是在2006年問世，因為在可靠度與品質、防撞與防震方面效能卓越，加上沒有頻率擾動(Activity Dip)和微型跳動(特定溫度下頻率突然跳動)的問題，很快就被各界採用。
使用壽命測試結果顯示，MEMS振盪器的平均故障間隔(MTBF)時間超過10億小時，等於失效率(FIT Rate)小於1，優於石英振盪器相約三十倍，經證明MEMS時脈技術確實能提供更佳計時品質(圖1)。
MEMS振盪器推出至今，效能已大幅提升，尤其是用來減少抖動及相位噪音的溫度補償與鎖相迴路(PLL)，兩者都是連結網路的關鍵規格。
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| 圖1 比較MEMS振盪器與一級、二級石英供應商的每百萬中不良 品數量(DPPM)。 |
車用電子應用擴張 MEMS車用時脈卡位
邁入車聯網時代，車用電子的應用將持續快速擴張，市場對穩健時脈技術的需求也將進一步增長。MEMS時脈技術的最新進展是以新型的DuelMEM時脈架構為基礎，其設計重點在於各種動態狀況下都能維持可靠效能，以因應次世代交通工具與相關聯網/通訊子系統對穩健性的更高需求。
要達到這樣的穩健性就必須透過動態效能，也就是元件要能夠在艱困的行車環境下維持可靠運作，這時的壓力源包括快速的溫度變化，或是必須在極端氣溫、撞擊、振動、氣流、電源供應噪音、電磁干擾等狀況下運作。
車聯網將涵蓋不同層次網路裡面的多重系統，包括車對車(V2V)與汽車對基礎架構(V2X)、車內通訊(Intra-vehicle)與汽車行動網路。圖2呈現的是目前採用MEMS振盪器的幾種聯網系統，還有它們提供的優點。接下來，看看動態效能是如何應用於現在和未來的車聯網車用系統上。
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| 圖2 MEMS振盪器應用於現有的聯網汽車，以提升穩健性、可靠 度及效能。 |
自動駕駛發展趨勢 推升精確GNSS模組發展
雖然車聯網屬於新興概念，現在已有一些技術開始萌芽。最早的實例之一，就是由自駕汽車所帶動的先進車用定位功能。精確的全球導航衛星系統，是自駕汽車感測器套組當中極為重要的一種感測器，能提供公分精度等級的定位功能、絕對時間與速度。
為維持這樣的精確度，Swift Navigation等業者正在開發任何行車狀況都能維持高度穩健性的新型高精確度全球導航衛星系統(GNSS)模組。這是一項特別具有挑戰性的任務，因為當GNSS模組從位於有空調且受到控制之環境的內部導航系統，移到大量暴露於熱瞬態(Heat Transient)的屋頂上，採用MEMS技術的Super-TCXO(溫度補償晶體振盪器)就能提供GNSS模組所需要的準確與穩健時脈，在極度嚴苛的狀況下，仍可以最快速度進行衛星鎖定並維持連線穩定(圖3)。
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| 圖3 MEMS振盪器應用於GNSS模組，是因為它們能在環境壓力源下展現最佳動態效能，如PiksiMulti GNSS Receiver。 |
智慧型感測器系統進駐車聯網
從網路的觀點來看，車聯網裡的汽車將採用一種由眾多智慧型感測器組成的客戶系統。以先進駕駛輔助系統(ADAS)這種在車用電子當中成長最快的領域之一為例，未來將使用雷達、光學雷達(LiDar)、超音波、紅外線與光學相機來感應周圍資訊。
目前MEMS時脈技術已應用在環繞式攝影機，為處理器提供時脈功能。這些時脈元件必須具備超高穩健性，以確保即時影像拼接(Image Stitching)與畫素資料的保真度。
由於感測器數量、資料傳輸量的需求，還有環境挑戰都不斷增加，加上資料本身即具有重要性，使用MEMS時脈元件就是因為它們的外觀尺寸(Footprint)超小而且耐震，溫度起伏大時也能維持緊致的穩定性(如圖4所示)。
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| 圖4 MEMS振盪器應用於環繞式攝影機，是因為體積小、穩定度高且效能穩健。 |
車內通訊資訊量激增 乙太網路匯流排出線
車聯網的概念要能實現，必須先有能力處理數量不斷增加且越來越複雜的各種系統中數量龐大的資料。然而，隨著新的功能、服務及系統導入車內，由於這些系統(例如以攝影機為主的先進駕駛輔助系統)比傳統的控制應用需要更多頻寬，頻寬需求將呈現倍數增長。
舊有的匯流排標準將不足以應付次世代車內通訊網路架構，而利用乙太網路這種常見的通訊匯流排，將因為成本較低、速度更快且彈性更大而成為實際上的標準。與控制器區域網路匯流排(CAN Bus)一樣，乙太網路是一種雙向式的封包系統，能在系統的節點之間傳送資料。MEMS振盪器將可滿足對穩健、精確、輕巧時脈解決方案的需求(圖5)。
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| 圖5 MEMS振盪器應用於高速乙太網路應用，是因為體積小、穩定度高且效能穩健。 |
智慧型終端機/車內螢幕成長動力驚人
直到最近，資訊娛樂(Infotainment)與車載資通訊(Telematics)已成為帶動車內螢幕成長的主要動力。不過據估計到2020年，全球將有75%的汽車連結網際網路。由於能存取並監測更多的資料，再加上自動駕駛科技出現進展，透過車內螢幕進行人機互動介面(HMI)將更為普及。
同樣地，MEMS時脈技術也將在這方面扮演重要角色。MEMS振盪器因為可靠度與穩健性高，加上它還具備抑制電磁干擾等獨特功能，因此已被應用在車內監視器裡語音/視覺處理器的計時功能(圖6)。
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| 圖6 MHz MEMS振盪器用於語音/視覺處理器計時功能，32kHz MEMS振盪器則用在車用顯示及觸控螢幕的即時時脈功能。 |
低頻率(32kHz)MEMS振盪器已開始應用於即時時脈(RTC)，因為它有緊致的穩定性且外觀尺寸較低，也由於封裝尺寸較小，且無須支援負載電容器，所以物料成本(BOM)較低。除此之外，MEMS振盪器不像石英裝置那樣常有冷起動(Cold Startup)的問題。
電子控制單元日增 MEMS振盪器順勢切入
目前汽車裡最多會有八十個嵌入式電子控制單元(ECU)，且數目每年都在增加當中。有這麼多的模組來控制重要的電子系統，ECU時脈零件就必須極度可靠。正因如此，MEMS振盪器已被導入引擎控制模組、傳輸控制單元等控制應用，以確保系統穩健運作並解決石英晶體的冷起動故障問題(圖7)。
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| 圖7 MEMS振盪器應用於ECU，是因為它們可以減少晶體冷起動的問題且更為可靠，還具備獨特功能。 |
MEMS振盪器也提供SOT-23封裝規格，能增加電路板等級(Board-level)的可靠度。這類封裝因為鷗翼型(Gullwing)引腳可用肉眼檢視無須進行X光測試，在可製造性(Manufacturability)與測試方面都有更多優點。此外，MEMS振盪器能編輯上升/下降時間(Rise/Fall Time)，無需其他零件，就可減少電磁干擾問題。
隨著車用電子系統越來越多，越來越複雜且更為密集，電磁能量產生破壞的可能性也升高。電磁干擾可能導致不同系統相互干擾，甚至造成故障。為了減輕時脈來源所造成的內部電磁干擾問題，包括SiTime產品在內的一些MEMS振盪器，都會提供各式各樣的可編程驅動強度(Drive Strength)選項。
降低電磁干擾 方能提高穩定性
車用系統的設計人員可針對特定應用選擇最適
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| 圖8 減緩時脈上升/下降時間，MEMS振盪器就能降低電磁干擾並增加系統級穩健性。 |
合的驅動強度輸出與上升/下降時間，以降低電磁干擾。由於大部分MEMS振盪器的封裝尺寸都和石英振盪器針腳相容(Pin-compatible)，MEMS振盪器還能輕鬆取代石英振盪器，無須更改印刷電路板(PCB)就能減少電磁干擾。
圖8所顯示的是如何透過改變接近方形的時脈波型，同時將時脈跳動(Clock Edge)的迴轉率，從標準的LVCMOS上升/下降時間(如圖左上箭頭所示)放慢為SoftEdge輸出(如圖左下箭頭所示)，來降低諧波功率並藉此減少電磁干擾的發射。
兼具可靠度/穩健性 MEMS優勢凸顯
矽在設計、材質與製造等方面具有許多優勢，讓MEMS振盪器天生就比石英振盪器更為可靠。接著，將探討其中幾種優勢、MEMS振盪器的設計方法，以及採用之後所帶來的好處，尤其是在車用系統常會遭遇的動態狀況下。
MEMS諧振器的設計，主要是為了避免寄生模式(Spurious Mode)穿過主要模式(Fundamental Mode)，這樣諧振器才不會造成頻率擾動。MEMS的結構裡包含一個純矽的單一機械結構。抗拉強度為7 GPa，是鈦(330～500MPs)的十四倍。振動時，振諧器在兩個側邊之間移動，幅度不到間隙長度的1%。需要1百萬g以上的加速度才能讓振諧器觸碰到側邊，這裡的1g=9.8公尺/平方秒，也就是海平面上的重力加速度。
如圖9所示，製造過程中使用Epi-Seal製程可以清潔振諧器，同時將其完全密封在真空中，藉此消除老化機制。這種製程是MEMS振盪器之所以可以達成極高可靠度的基礎。截至今日，MEMS振盪器累積出貨量已超過6億個，因為MEMS振諧器所造成的實際行車故障率(Field Failure)卻等於零。
避免振動效能
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| 圖9 顯微鏡下的矽材質MEMS振諧器橫切面 |
MEMS振盪器因為振諧器的質量比石英振諧器大約低了一千到三千倍，因此更能抵抗各種環境中的機械壓力源。這意味著當MEMS結構承受衝擊或振動等各種不同程度的加速度時，所造成力道會遠低於同等級石英裝置，所產生的頻率位移也會更低。圖10比較了MEMS振諧器與石英振諧器的結構與尺寸。
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| 圖10 比較石英與MEMS振盪器的結構 |
MEMS振諧器的低質量與結構設計，讓它能夠達到極低的振動敏感度，當承受7.5g的隨機振動，振動頻率範圍為15Hz到2KHz，大約能比同等級最佳石英振盪器低二十倍。這種振動免疫的特性能提升聯網系統的效能與可靠度，對常會遇到這類機械壓力源的車用系統來說更是有效。
另一個測量振動敏感度的單位，就是外加每單位g正弦波加速度時所產生的頻率位移。最常用的單位是每單位g加速度所產生的十億分之一(ppb)頻率位移，也就是ppb/g。圖11比較了MEMS振盪器與四種不同石英溫度補償晶體振盪器的正弦波振動敏感度(石英TCXO 2/3/4幾乎重合)。MEMS溫度補償晶體振盪器的振動敏感度低了十五到一百五十倍，隨振動頻率而有所不同。
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| 圖11 4g加速度下MEMS與石英振盪器的振動敏感度(ppb/g) (MEMS振盪器=SiT5376) |
觀察溫度敏感度
另一個重要的環境壓力源，就是四周溫度或電路板溫度變化所產生的熱應力。嚴重的熱瞬態會造成石英振盪器超出原本規格。最新的MEMS時脈架構以SiTime的DualMEMS組態為基礎，是專為必須承受快速熱瞬態的系統所設計。
未經補償的MEMS，其頻率相對於溫度曲線相當陡峭但呈現線性狀態。這種特性被應用在DualMEMS Elite Platform，利用一個MEMS振諧器當作溫度感測元件，其斜率約為-7ppm/C。這個MEMS溫度感測器和MEMS振諧器共用同一個晶片基板，因為兩者間隔不到100微米(μm)，能確保振諧器與溫度感測器之間達到最佳耦合。石英振盪器不可能在溫度感測器與振諧器之間達到這樣的耦合程度，原因是石英振諧器與溫度感測器兩者間物理距離較大。
因氣流而造成振動
氣流是行進間車輛常見的另一個系統壓力源，可能會造成頻率的變動。熱氣流出振盪器時所產生的熱流變化，可能導致晶片溫度變化。又快又強的氣流，對於從振盪器流向四周環境的熱流影響甚至更大，在一些比較極端的案例中，甚至可能造成振動效果。
圖12以圖表呈現氣流平均時間為1秒到1,000秒時艾倫偏差(ADEV)的變化，如圖所示，當平均時間在1秒到10秒之間，MEMS振盪器的效能最高可提升三十八倍。
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| 圖12 比較MEMS與石英振盪器遭遇氣流時的艾倫偏差(MEMS振 盪器=SiT5356/57) |
艾倫偏差是測量頻率穩定性的時域單位。相較於標準差(Standard Deviation)，它的主要優點在於能與大部分類型的噪音融合，因此被廣泛利用在振盪器頻率穩定性的特徵化。艾倫偏差是一種二樣本偏差，專門針對持續測量的分頻值。它能把特定時間間隔(稱為平均時間)下平均頻率的改變加以量化(tau)，而且能以圖表的形式呈現，或做成對比於平均時間的線圖。對於應用在網路連線的溫度補償晶體振盪器，優秀的艾倫偏差效能特別重要。
電源供應噪音排除
除了振動、環境溫度變化與氣流改變等外部環境壓力源，電源供應噪音也常造成系統應力。這種噪音可能來自鄰近的資料傳輸線與交換調整器，而且汽車行進中也可能遇到許多干擾源。
對振盪器來說很重要的一件事，就是維持電源接腳效能良好以維持優越的系統效能。電源供應噪音排除(PSNR)是測量振盪器遇到電源供應噪音時回復能力的一種工具，其實就是以皮秒(ps)為單位輸出時所觀察到的抖動，除以電源接腳上注入抖動的振幅(以毫伏特為單位)。圖13比較了MEMS振盪器與六家不同石英廠商所生產的振盪器，在20kHz到40MHz噪音範圍下的電源供應噪音排除表現。
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| 圖13 比較MEMS與石英震盪器的電源供應噪音排除效能(MEMS振盪器=SiT9365) |
正如上一個線圖所示，MEMS振盪器解決方案在電源供應噪音排除上的表現較佳。這樣卓越的電源供應噪音排除效能，是因為MEMS振盪器採用了好幾個整合到晶片上的低壓差線性穩壓器(LDO)，將壓控振盪器(VCO)、MEMS振盪器等重要元件以及其他零件隔離開來。
採用MEMS時脈設計 提供車聯網穩健效能
可靠度的基礎在於零件。然而，次世代車用系統需要的不只是規格說明書裡所寫的可靠度數據。車聯網概念的實現需要有網路，還有用來連結網路的系統，才能在所有的行車狀況下提供穩健效能。
一般來說，車用半導體元件都符合AEC-Q100標準，且專門針對汽車安全完整性等級(ASIL)合格應用進行設計。這一點讓矽材質MEMS振盪器比傳統石英元件多出一大優勢，因為MEMS時脈技術能更深入利用矽材質固有的優點，再搭配新型架構與功能，就能提供車聯網所需要的傑出動態效能。
(本文作者任職於SiTime)