MEMS和石英振蕩器的沖擊和振動(dòng)性能比較

所有電子產(chǎn)品在其使用壽命期間都會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)。 力的范圍可以從口袋或背包中攜帶的移動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)到工業(yè)設(shè)備或航空航天應(yīng)用的高振動(dòng)水平。 即使是建筑物中的固定產(chǎn)品也可能會(huì)受到附近風(fēng)扇或其他設(shè)備的振動(dòng)。 因此，重要的是要考慮電子元件在存在沖擊和振動(dòng)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(dòng)會(huì)對元件和外殼造成物理損壞，導(dǎo)致 PCB 組件中的焊點(diǎn)失效，并降低電子元件的性能。 時(shí)鐘振蕩器容易受到多種不利影響：諧振器損壞、振動(dòng)引起的相位噪聲和抖動(dòng)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(dòng)損壞特別敏感。 由于兩個(gè)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(dòng)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(jì)包括以體模式在面內(nèi)振動(dòng)的非常堅(jiān)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(dòng)頻率偏移的振蕩器電路設(shè)計(jì)。

2 測試條件

由于外力的方向、持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度可能會(huì)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(dòng)的敏感性非常重要。 SiTIme 評估了振蕩器對三種不同振動(dòng)或沖擊模式的響應(yīng)：

(1) 正弦振動(dòng)

(2) 隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)。

2.1 正弦振動(dòng)

第一個(gè)測試測量了對 15 Hz 至 2 kHz 頻率范圍內(nèi)的正弦振動(dòng)的響應(yīng)。 正弦振動(dòng)的周期性特性會(huì)產(chǎn)生頻率調(diào)制，這會(huì)在相位噪聲頻譜中以被振動(dòng)頻率偏移的頻率引起雜散。 為了表征振蕩器對振動(dòng)的敏感性，以 dBc 為單位的振動(dòng)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(dòng)的峰值加速度進(jìn)行歸一化，并以 ppb/g 表示。

振動(dòng)測試裝置由控制器、功率放大器和振動(dòng)器組成，如圖 1 和圖 2 所示。 每個(gè)正弦振動(dòng)頻率（15、30、60、100、300、600、1000 和 2000 Hz）的峰值加速度為 4-g ）。 振動(dòng)頻率的每次掃描大約需要15到20分鐘，每個(gè)頻率點(diǎn)的停留時(shí)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(dòng)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(gè)振蕩器最壞情況方向的數(shù)據(jù)。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)

振蕩器在使用過程中可能會(huì)經(jīng)歷頻率范圍從幾赫茲到幾赫茲的隨機(jī)振動(dòng)。 這些振動(dòng)會(huì)增加寬帶相位噪聲。 一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隨機(jī)振動(dòng)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(jìn)行測試，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)最適用于電子元件。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動(dòng)曲線并允許各種強(qiáng)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(dòng)的移動(dòng)環(huán)境。 圖 1 測試設(shè)置中的控制器使用數(shù)字信號(hào)處理來合成指定頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)，基于振動(dòng)曲線中定義的功率密度水平。

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隨機(jī)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致與振動(dòng)頻率相對應(yīng)的偏移處的相位噪聲增加。 我們測量了每個(gè)振蕩器有無隨機(jī)振動(dòng)的相位噪聲，并計(jì)算了 15 Hz 至 10 kHz 的綜合相位抖動(dòng)值。 然后可以從兩個(gè)值之間的均方根差中導(dǎo)出誘發(fā)抖動(dòng)。

2.3 沖擊

第三個(gè)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(jī)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(jī)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(dòng)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 正弦振動(dòng)

圖 6 顯示了基于石英、SAW 和 MEMS 的差分振蕩器在正弦振動(dòng)下的振動(dòng)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(gè)基于 MEMS 的振蕩器 MEMS 2，具有不同的諧振器設(shè)計(jì)和面外振動(dòng)模式，顯示出與石英和 SAW 設(shè)備。

單端振蕩器對正弦振動(dòng)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(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)會(huì)在載波頻率的低偏移處引起相位噪聲，如圖 8 中藍(lán)色（無振動(dòng)）和紅色（有振動(dòng)）曲線之間的差異所示。 盡管 SiTime MEMS 振蕩器在測試時(shí)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(jī)振動(dòng)不會(huì)顯著增加相位噪聲。 相比之下，兩種基于 SAW 的設(shè)備在隨機(jī)振動(dòng)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(shí)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(gè)差分振蕩器的誘發(fā)抖動(dòng)計(jì)算結(jié)果。盡管在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測試時(shí)，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(jī)振動(dòng)引起的額外抖動(dòng)。 大多數(shù)測試的振蕩器都表現(xiàn)出抖動(dòng)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(jī)振動(dòng)的影響。

3.3 沖擊

圖 10 顯示了比較差分振蕩器沖擊測試時(shí)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(shí)了 SiTime MEMS 振蕩器的抗震性。

實(shí)驗(yàn)中記錄的頻率穩(wěn)定性與時(shí)間關(guān)系圖顯示在圖 12 中，用于測試的所有八個(gè)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)良好的電子元件在存在沖擊和振動(dòng)的實(shí)際條件下可能不會(huì)表現(xiàn)出相同的性能。 SiTime MEMS 振蕩器在沖擊和振動(dòng)的耐受性方面已達(dá)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(dòng)測試中相位噪聲和抖動(dòng)測量的實(shí)驗(yàn)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(jī)械沖擊和振動(dòng)的抵抗力是 MEMS 設(shè)備技術(shù)的根本進(jìn)步以及 SiTime 專有的 MEMS 諧振器和精密振蕩器模擬電路設(shè)計(jì)的結(jié)果。

來源：楊興科技   作者：SiTimechina