MEMS和石英振蕩器的沖擊和振動性能比較

所有電子產(chǎn)品在其使用壽命期間都會受到?jīng)_擊和振動。 力的范圍可以從口袋或背包中攜帶的移動消費產(chǎn)品所經(jīng)歷的運動到工業(yè)設(shè)備或航空航天應(yīng)用的高振動水平。 即使是建筑物中的固定產(chǎn)品也可能會受到附近風(fēng)扇或其他設(shè)備的振動。 因此，重要的是要考慮電子元件在存在沖擊和振動的情況下的性能。 表 1 顯示了各種環(huán)境中的典型加速度水平。

沖擊和振動會對元件和外殼造成物理損壞，導(dǎo)致 PCB 組件中的焊點失效，并降低電子元件的性能。 時鐘振蕩器容易受到多種不利影響：諧振器損壞、振動引起的相位噪聲和抖動增加以及沖擊引起的頻率尖峰。

石英振蕩器中的晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu)，對振動損壞特別敏感。 由于兩個原因，SiTIme MEMS 諧振器從根本上來說更加穩(wěn)健。 首先，它們的質(zhì)量比石英諧振器小得多，這減少了振動引起的加速度施加到諧振器上的力。 其次，SiTIme MEMS 振蕩器的專有設(shè)計包括以體模式在面內(nèi)振動的非常堅硬的諧振器結(jié)構(gòu)、固有抗振的幾何結(jié)構(gòu)以及最大限度地減少振動頻率偏移的振蕩器電路設(shè)計。

2 測試條件

由于外力的方向、持續(xù)時間和強度可能會有所不同，因此在各種測試條件下測量振蕩器的電響應(yīng)以充分了解其對沖擊和振動的敏感性非常重要。 SiTIme 評估了振蕩器對三種不同振動或沖擊模式的響應(yīng)：

(1) 正弦振動

(2) 隨機振動和

(3) 脈沖沖擊沖擊

測試的設(shè)備都是市售產(chǎn)品，包括來自 SiTIme 和競爭對手的基于 MEMS 的振蕩器，以及來自多家制造商的基于石英的振蕩器。 我們包括了帶有表面聲波 (SAW) 晶體諧振器的石英振蕩器，眾所周知，它在高工作頻率下具有低抖動。

2.1 正弦振動

第一個測試測量了對 15 Hz 至 2 kHz 頻率范圍內(nèi)的正弦振動的響應(yīng)。 正弦振動的周期性特性會產(chǎn)生頻率調(diào)制，這會在相位噪聲頻譜中以被振動頻率偏移的頻率引起雜散。 為了表征振蕩器對振動的敏感性，以 dBc 為單位的振動引起的相位噪聲雜散被轉(zhuǎn)換為以十億分之一 (ppb) 為單位的等效頻移，然后通過正弦振動的峰值加速度進行歸一化，并以 ppb/g 表示。

振動測試裝置由控制器、功率放大器和振動器組成，如圖 1 和圖 2 所示。 每個正弦振動頻率（15、30、60、100、300、600、1000 和 2000 Hz）的峰值加速度為 4-g ）。 振動頻率的每次掃描大約需要15到20分鐘，每個頻率點的停留時間大約為1分鐘。 振蕩器對外力的響應(yīng)是各向異性的，即它取決于振動的方向。 因此，參考封裝上的器件引腳 1 標(biāo)記和圖 1 中所示的方向，在 x、y 和 z 方向上重復(fù)測試。圖中顯示了每個振蕩器最壞情況方向的數(shù)據(jù)。

2.2 隨機振動

振蕩器在使用過程中可能會經(jīng)歷頻率范圍從幾赫茲到幾赫茲的隨機振動。 這些振動會增加寬帶相位噪聲。 一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隨機振動曲線的測試條件，這些曲線隨預(yù)期的操作環(huán)境或測試的電子設(shè)備類型而變化 [1]。 我們根據(jù) MILSTD-883H [2] 方法 2026 進行測試，因為該標(biāo)準(zhǔn)最適用于電子元件。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動曲線并允許各種強度水平（見圖 3）。 條件 B 的復(fù)合功率水平為 7.5-g rms，適用于高振動的移動環(huán)境。 圖 1 測試設(shè)置中的控制器使用數(shù)字信號處理來合成指定頻率范圍內(nèi)的隨機振動，基于振動曲線中定義的功率密度水平。

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隨機振動會導(dǎo)致與振動頻率相對應(yīng)的偏移處的相位噪聲增加。 我們測量了每個振蕩器有無隨機振動的相位噪聲，并計算了 15 Hz 至 10 kHz 的綜合相位抖動值。 然后可以從兩個值之間的均方根差中導(dǎo)出誘發(fā)抖動。

2.3 沖擊

第三個測試測量了操作期間響應(yīng)沖擊沖擊的瞬態(tài)頻率偏差。 該測試遵循 MIL-STD-883H [2] 方法 2002 的規(guī)范，我們監(jiān)測了對 500g 加速度的 1 ms 半正弦波沖擊脈沖的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。

MIL-STD-883H , Method 2002 標(biāo)準(zhǔn)被廣泛用于測試石英晶體振蕩器在非操作模式下機械沖擊下的生存能力。 大多數(shù)市售石英晶體振蕩器在環(huán)境鑒定測試中都指定為 100-g 至 1500-g 的級別，而 SiTime MEMS 振蕩器已在 10,000-g 至 50,000-g 的機械沖擊下獲得環(huán)境鑒定。

沖擊測試設(shè)置如圖 4 和圖 5 所示。與振動測試方法類似，我們將振蕩器定向以在 x、y 和 z 方向施加沖擊并測量最壞情況。 每 100 μs 連續(xù)進行 10 秒的頻率測量提供了沖擊沖擊之前、之中和之后的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。

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3 實驗結(jié)果

3.1 正弦振動

圖 6 顯示了基于石英、SAW 和 MEMS 的差分振蕩器在正弦振動下的振動靈敏度結(jié)果。 SiTime MEMS 振蕩器的性能比其他器件高 10 到 100 倍。另一個基于 MEMS 的振蕩器 MEMS 2，具有不同的諧振器設(shè)計和面外振動模式，顯示出與石英和 SAW 設(shè)備。

單端振蕩器對正弦振動不太敏感，如圖 7 中的數(shù)據(jù)所示，石英和 MEMS 性能之間的差異并不那么顯著。 然而，在本研究中，SiTime 設(shè)備的性能仍然優(yōu)于基于石英的振蕩器。

3.2 隨機振動

隨機振動會在載波頻率的低偏移處引起相位噪聲，如圖 8 中藍色（無振動）和紅色（有振動）曲線之間的差異所示。 盡管 SiTime MEMS 振蕩器在測試時表現(xiàn)出更高的接近相位噪聲 在安靜的環(huán)境中，添加隨機振動不會顯著增加相位噪聲。 相比之下，兩種基于 SAW 的設(shè)備在隨機振動下都顯示出相位噪聲的顯著增加。 這種降級水平可能不利于對接近相位噪聲敏感的系統(tǒng)，并顯示實際條件下的設(shè)備可能與數(shù)據(jù)表規(guī)格不同的性能。

圖 9 顯示了八個差分振蕩器的誘發(fā)抖動計算結(jié)果。盡管在實驗室環(huán)境中測試時，這些振蕩器中的許多都表現(xiàn)出低相位噪聲，但重要的是要考慮隨機振動引起的額外抖動。 大多數(shù)測試的振蕩器都表現(xiàn)出抖動顯著增加，從近 20 ps rms 增加到超過 100 ps rms。 相比之下，SiTime MEMS 振蕩器相對不受隨機振動的影響。

3.3 沖擊

圖 10 顯示了比較差分振蕩器沖擊測試時的最大瞬態(tài)頻率偏差的總體結(jié)果。 SAW 器件（Quartz 4 和 Quartz 7）對沖擊特別敏感，瞬態(tài)頻率尖峰超過 10 ppm。 其他石英器件的峰值頻率偏差為 2 至 7 ppm。 唯一的例外是 SiTime 設(shè)備，它的瞬態(tài)頻率偏差小于 1 ppm。 圖 11 中單端 LVCMOS 振蕩器的結(jié)果證實了 SiTime MEMS 振蕩器的抗震性。

實驗中記錄的頻率穩(wěn)定性與時間關(guān)系圖顯示在圖 12 中，用于測試的所有八個差分設(shè)備。 表示在 x、y 或 z 方向施加的沖擊脈沖的軌跡以相同的比例疊加，以顯示方向?qū)箾_擊性的影響。

4 結(jié)論

在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)良好的電子元件在存在沖擊和振動的實際條件下可能不會表現(xiàn)出相同的性能。 SiTime MEMS 振蕩器在沖擊和振動的耐受性方面已達到非常高的質(zhì)量和環(huán)境可靠性評級。 現(xiàn)在，沖擊和振動測試中相位噪聲和抖動測量的實驗數(shù)據(jù)表明，SiTime MEMS 振蕩器不僅可以在這些條件下存活下來，而且性能非常好。 這種對機械沖擊和振動的抵抗力是 MEMS 設(shè)備技術(shù)的根本進步以及 SiTime 專有的 MEMS 諧振器和精密振蕩器模擬電路設(shè)計的結(jié)果。

來源：楊興科技   作者：SiTimechina