MEMS和石英振荡器的冲击和振动性能比较

1 简介

所有电子产品在其使用寿命期间都会受到冲击和振动。 力的范围可以从口袋或背包中携带的移动消费产品所经历的运动到工业设备或航空航天应用的高振动水平。 即使是建筑物中的固定产品也可能会受到附近风扇或其他设备的振动。 因此，重要的是要考虑电子元件在存在冲击和振动的情况下的性能。 表 1 显示了各种环境中的典型加速度水平。

表 1. 各种现场应用中的振动

冲击和振动会对元件和外壳造成物理损坏，导致 PCB 组件中的焊点失效，并降低电子元件的性能。 时钟振荡器容易受到多种不利影响：谐振器损坏、振动引起的相位噪声和抖动增加以及冲击引起的频率尖峰。

石英振荡器中的晶体谐振器是悬臂结构，对振动损坏特别敏感。 由于两个原因，SiTime MEMS 谐振器从根本上来说更加稳健。 首先，它们的质量比石英谐振器小得多，这减少了振动引起的加速度施加到谐振器上的力。 其次，SiTime MEMS 振荡器的专有设计包括以体模式在面内振动的非常坚硬的谐振器结构、固有抗振的几何结构以及最大限度地减少振动频率偏移的振荡器电路设计。

2 测试条件

由于外力的方向、持续时间和强度可能会有所不同，因此在各种测试条件下测量振荡器的电响应以充分了解其对冲击和振动的敏感性非常重要。 SiTime 评估了振荡器对三种不同振动或冲击模式的响应：

(1) 正弦振动

(2) 随机振动和

(3) 脉冲冲击冲击

测试的设备都是市售产品，包括来自 SiTime 和竞争对手的基于 MEMS 的振荡器，以及来自多家制造商的基于石英的振荡器。 我们包括了带有表面声波 (SAW) 晶体谐振器的石英振荡器，众所周知，它在高工作频率下具有低抖动。

表 2. 被测振荡器器件； 单端部件（蓝色阴影）在 26 MHz 下运行，差分部件（绿色阴影）在 156.25 MHz 下运行

2.1 正弦振动

第一个测试测量了对 15 Hz 至 2 kHz 频率范围内的正弦振动的响应。 正弦振动的周期性特性会产生频率调制，这会在相位噪声频谱中以被振动频率偏移的频率引起杂散。 为了表征振荡器对振动的敏感性，以 dBc 为单位的振动引起的相位噪声杂散被转换为以十亿分之一 (ppb) 为单位的等效频移，然后通过正弦振动的峰值加速度进行归一化，并以 ppb/g 表示。

振动测试装置由控制器、功率放大器和振动器组成，如图 1 和图 2 所示。 每个正弦振动频率（15、30、60、100、300、600、1000 和 2000 Hz）的峰值加速度为 4-g ）。 振动频率的每次扫描大约需要15到20分钟，每个频率点的停留时间大约为1分钟。 振荡器对外力的响应是各向异性的，即它取决于振动的方向。 因此，参考封装上的器件引脚 1 标记和图 1 中所示的方向，在 x、y 和 z 方向上重复测试。图中显示了每个振荡器最坏情况方向的数据。

图 1. 正弦和随机振动测试装置

图 2. 振动测试设备照片：(a) 振动台，(b) 设备安装块，(c) 相位噪声分析仪

2.2 随机振动

振荡器在使用过程中可能会经历频率范围从几赫兹到几赫兹的随机振动。 这些振动会增加宽带相位噪声。 一些标准规定了随机振动曲线的测试条件，这些曲线随预期的操作环境或测试的电子设备类型而变化 [1]。 我们根据 MILSTD-883H [2] 方法 2026 进行测试，因为该标准最适用于电子元件。 该标准规定了振动曲线并允许各种强度水平（见图 3）。 条件 B 的复合功率水平为 7.5-g rms，适用于高振动的移动环境。 图 1 测试设置中的控制器使用数字信号处理来合成指定频率范围内的随机振动，基于振动曲线中定义的功率密度水平。

图 3. MIL-STD-883H 随机振动测试规范

随机振动会导致与振动频率相对应的偏移处的相位噪声增加。 我们测量了每个振荡器有无随机振动的相位噪声，并计算了 15 Hz 至 10 kHz 的综合相位抖动值。 然后可以从两个值之间的均方根差中导出诱发抖动。

2.3 冲击

第三个测试测量了操作期间响应冲击冲击的瞬态频率偏差。 该测试遵循 MIL-STD-883H [2] 方法 2002 的规范，我们监测了对 500g 加速度的 1 ms 半正弦波冲击脉冲的瞬态频率响应。

MIL-STD-883H , Method 2002 标准被广泛用于测试石英晶体振荡器在非操作模式下机械冲击下的生存能力。 大多数市售石英晶体振荡器在环境鉴定测试中都指定为 100-g 至 1500-g 的级别，而 SiTime MEMS 振荡器已在 10,000-g 至 50,000-g 的机械冲击下获得环境鉴定。

冲击测试设置如图 4 和图 5 所示。与振动测试方法类似，我们将振荡器定向以在 x、y 和 z 方向施加冲击并测量最坏情况。 每 100 µs 连续进行 10 秒的频率测量提供了冲击冲击之前、之中和之后的频率响应数据。

图 4. 机械冲击测试设置

图 5. 冲击测试设备照片：(a) 冲击测试仪和 (b) 安装块

3 实验结果

3.1 正弦振动

图 6 显示了基于石英、SAW 和 MEMS 的差分振荡器在正弦振动下的振动灵敏度结果。 SiTime MEMS 振荡器的性能比其他器件高 10 到 100 倍。另一个基于 MEMS 的振荡器 MEMS 2，具有不同的谐振器设计和面外振动模式，显示出与石英和 SAW 设备。

单端振荡器对正弦振动不太敏感，如图 7 中的数据所示，石英和 MEMS 性能之间的差异并不那么显着。 然而，在本研究中，SiTime 设备的性能仍然优于基于石英的振荡器。

图 6. 差分振荡器对正弦振动的敏感性

图 7. 单端振荡器对正弦振动的敏感性

3.2 随机振动

随机振动会在载波频率的低偏移处引起相位噪声，如图 8 中蓝色（无振动）和红色（有振动）曲线之间的差异所示。 尽管 SiTime MEMS 振荡器在测试时表现出更高的接近相位噪声 在安静的环境中，添加随机振动不会显着增加相位噪声。 相比之下，两种基于 SAW 的设备在随机振动下都显示出相位噪声的显着增加。 这种降级水平可能不利于对接近相位噪声敏感的系统，并显示实际条件下的设备可能与数据表规格不同的性能。

图 8. SAW 和 SiTime MEMS 振荡器在随机振动下的相位噪声

图 9 显示了八个差分振荡器的诱发抖动计算结果。尽管在实验室环境中测试时，这些振荡器中的许多都表现出低相位噪声，但重要的是要考虑随机振动引起的额外抖动。 大多数测试的振荡器都表现出抖动显着增加，从近 20 ps rms 增加到超过 100 ps rms。 相比之下，SiTime MEMS 振荡器相对不受随机振动的影响。

图 9. 差分振荡器中的感应相位抖动

3.3 冲击

图 10 显示了比较差分振荡器冲击测试时的最大瞬态频率偏差的总体结果。 SAW 器件（Quartz 4 和 Quartz 7）对冲击特别敏感，瞬态频率尖峰超过 10 ppm。 其他石英器件的峰值频率偏差为 2 至 7 ppm。 唯一的例外是 SiTime 设备，它的瞬态频率偏差小于 1 ppm。 图 11 中单端 LVCMOS 振荡器的结果证实了 SiTime MEMS 振荡器的抗震性。

实验中记录的频率稳定性与时间关系图显示在图 12 中，用于测试的所有八个差分设备。 表示在 x、y 或 z 方向施加的冲击脉冲的轨迹以相同的比例叠加，以显示方向对抗冲击性的影响。

图 10. 差分振荡器的冲击测试结果

图 11. 单端振荡器的冲击测试结果

图 12. 差分振荡器冲击测试期间的频率稳定性

4 结论

在实验室环境中表现良好的电子元件在存在冲击和振动的实际条件下可能不会表现出相同的性能。 SiTime MEMS 振荡器在冲击和振动的耐受性方面已达到非常高的质量和环境可靠性评级。 现在，冲击和振动测试中相位噪声和抖动测量的实验数据表明，SiTime MEMS 振荡器不仅可以在这些条件下存活下来，而且性能也非常好。 这种对机械冲击和振动的抵抗力是 MEMS 设备技术的根本进步以及 SiTime 专有的 MEMS 谐振器和精密振荡器模拟电路设计的结果。

关于SiTime公司

SiTime 公司是全球领先的MEMS振荡器品牌，公司成立于2005年。在美国、荷兰、俄罗斯、乌克兰等全球多处设有研发中心，具有自己主知识产权的MEMS 谐振器晶圆在德国BOSCH生产，CMOS晶圆在中国台湾台积电生产。封装及测试有中国台湾日月光、马来西亚Carsem及新加坡UTAC。成立至今，已经开发具有独自专利的65种时钟产品种类，广泛应用于消费、工业、汽车、通信、航天航空等行业。

关于SiTime大中华区样品中心（简称：SiTime样品中心）

SiTime全硅MEMS振荡器已累计出货超过十亿片，越来越多的全球一流电子厂商正受益于SiTime所提供的优越价值，并一致认为SiTime是最优的时钟选择！

为更好的服务与支持越来越多的客户应用，SiTime公司与晶圆电子（Jointech）共同合作成立“SiTime样品中心”，并推出24小时急速样品服务。可提供免费样品、现货直采、替代选型、技术支持等服务！