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(fèi)產(chǎn)品所經(jīng)歷的運(yùn)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(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(jī)振動，基于振動曲線中定義的功率密度水平。

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隨機(jī)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(jī)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(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(jī)振動

隨機(jī)振動會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）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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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(jī)械沖擊和振動的抵抗力是 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)計的結(jié)果。

來源：楊興科技   作者：SiTimechina