SiTime灵活性MEMS振荡器使用场景

SiTime灵活性MEMS振荡器使用场景，SiTime可编程通常在最恶劣的环境中运行。航空航天和国防系统可能暴露在极端温度或大规模冲击和振动事件中。在如此恶劣的条件下进行可靠的操作是非常重要的，在某些情况下，这将决定任务的成败。最先进的MEMS时序技术已经成熟。由于基于MEMS的定时产品在许多性能类别上都超过了传统石英晶体振荡器，因此非常适合应对航空航天和国防领域的挑战。

基于石英的振荡器在需要频率精度的应用中为电子行业服务了70多年。但由于石英振荡器技术的某些固有弱点，再加上与硅制造基础设施相关的规模经济性，全硅MEMS时序解决方案正在广泛的新兴应用中取代石英振荡器。

2006年，第一个基于MEMS的振荡器发布，它在冲击、振动和在特定温度下没有突然频率跳跃（活动下降和微跳跃）等领域表现出优异的性能。自MEMS石英水晶振荡器首次发布以来，该技术已经进步了几个数量级，改善了温度补偿和锁相环（PLL）的性能，从而显著降低（更好）抖动和相位噪声。

Device	Datasheet	Buy Now	Frequency	Stability(ppm)	Output Type	Supply Voltage(V)	Temp. Range(°C)	Package Size(mm)
SiT5801			10 to 60 MHz	±0.003 (±3 ppb)±0.005 (±5 ppb)	Regulated LVCMOSClipped Sinewave	2.52.83.3	-20 to 70-40 to 85-40 to 95	9.0 x 7.0
SiT5802			60 to 220 MHz	±0.003 (±3 ppb)±0.005 (±5 ppb)	Regulated LVCMOS	2.52.83.3	-20 to 70-40 to 85-40 to 95	9.0 x 7.0
SiT5811			10 to 60 MHz	±0.001 (±1 ppb)	Regulated LVCMOSClipped Sinewave	2.52.83.3	-20 to 70-40 to 85-40 to 95	9.0 x 7.0
SiT5812			60 to 220 MHz	±0.001 (±1 ppb)	Regulated LVCMOS	2.52.83.3	-20 to 70-40 to 85-40 to 95	9.0 x 7.0

当今的MEMS振荡器，如SiTime Endura™ 产品，是多年技术创新和改进的结果。最新的MEMS计时技术提供了低噪声/低抖动时钟，对环境应力（包括冲击、振动、气流和快速温度瞬态）具有无与伦比的弹性。这使得产品在一系列航空航天和国防应用中具有更高的可靠性和更高的性能。

在MEMS谐振器设计中，设计者可以控制谐振器的横向形状，从而控制谐振模式。MEMS被从头开始设计为没有与基本模式的寄生模式交叉，因此没有谐振器引起的活动下降。MEMS结构由纯单晶硅的单个机械结构组成。抗拉强度为7GPa，在330至500MPa下比钛高约14倍。

可靠性是任何设计的重要考虑因素，对于必须在恶劣环境条件下可靠运行的设备来说尤其重要。图1显示了MEMS谐振器的SEM横截面图。在MEMS制造过程中，EpiSeal™ 该工艺用于清洁谐振器并将其密封在真空中。该工艺消除了老化机制，是MEMS振荡器非常高质量和可靠性的基础。

SiTime的MEMS振荡器的质量＜1 DPPM，明显优于贴片有源晶振的典型故障率。图2显示了MEMS振荡器的可靠性，以平均无故障时间（MTBF）测量，与石英相比。SiTime振荡器的MTBF为11.4亿小时，比石英供应商高出约30倍。SiTime灵活性MEMS振荡器使用场景.

低老化率是在使用密封EpiSeal工艺的超清洁晶圆厂中构建MEMS的另一个好处。污染物被控制在非常低的十亿分之一水平，1100°C工艺步骤对硅晶体进行退火，并作为应力松弛工艺。外延密封应用于晶片水平，其在高真空中密封外壳，基本上具有非常低或没有杂质。由此产生的超清洁谐振器腔和应力松弛实际上消除了谐振器老化机制。任何老化机制都与随时间推移的封装相关老化效应或以非常低的速率老化的CMOS IC老化有关。

相比之下，石英振荡器通常封装在开腔陶瓷封装中，IC和石英谐振器分别用不同类型的粘合剂粘合到封装基板上。此外，使用在石英谐振器上的金属沉积的烧蚀来单独地修整每个石英器件，以将输出频率修整到期望的规格。粘合剂和金属装饰可能是污染源，通过大量负载使石英老化并降低长期可靠性。图3显示了一个典型石英晶体振荡器的结构。

较低的老化是MEMS振荡器结构的最终结果。如图5所示，Endura Super TCXO的典型20年老化规格为±540 ppb，而石英为±3000 ppb（±3 ppm）。

基于MEMS的振荡器更耐冲击和振动，部分原因是MEMS谐振器的质量比石英谐振器低约1000至3000倍。这意味着施加在MEMS结构上的给定加速度，例如来自冲击或振动的加速度，将导致比其石英等效物低得多的力，因此将引起低得多频率偏移。图5显示了MEMS谐振器与石英谐振器相比的结构和尺寸。

MEMS结构的优点如图6所示，图6显示了绿色曲线所示的SiTime-Endura MEMS Super TCXO与石英TCXO相比的相位噪声。在10Hz至2kHz的频带上，随机振动幅度为7.5g均方根（rms）。MEMS Super TXCO在该振动频带中具有低约20dB的相位噪声。在从10Hz到2kHz的振动频带上对相位噪声进行积分表明，MEMS振荡器的积分相位抖动（IPJ）增加了1.2倍，而石英TCXO将IPJ增加了10倍。在存在振动应力的情况下保持良好的相位噪声性能对于移动车辆、飞机和部署在振动机械附近的任何系统等系统来说都非常重要。

振动灵敏度的另一个度量是每g施加的正弦加速度的频移。最常见的测量单位是每g加速度的十亿分之一（ppb）频移，或ppb/g。图7显示了30个Endura Super TCXO SiT5346单元在15 Hz至2 kHz的振动频率下的总加速度灵敏度伽马矢量（在3个轴上）。最大观测值仅为5.77万亿份/g，是行业中最低（最好）的振动灵敏度。

弹药等特定应用的另一个重要参数是抗冲击性，这是MEMS技术优于石英技术的另一领域。SiTime Endura产品经过了30000克的冲击测试，显著高于大多数石英晶振产品。下图显示了典型石英器件和SiTime-Endura MEMS振荡器的鉴定报告摘录。石英振荡器达到1500g，SiTime-Endura MEMS振荡器达到30000g。为了更好地理解这种抗冲击水平，155毫米火炮炮弹在9毫秒的脉冲持续时间内会经历15500克的典型峰值后退加速度1。典型的所需系统设计裕度是1.5倍，这意味着155毫米火炮射弹部件应被认证为23250克。Endura振荡器30000g的合格性超过了这个限度。

自早期开发以来，抗振动性和可靠性一直是MEMS振荡器的固有优势。最近的技术进步，特别是SiTime2的Endura MEMS振荡器系列中采用的新型双MEMS架构，带来了额外的好处，如对快速温度斜坡的弹性和低相位噪声。在量化这些好处之前，简要概述一下DualMEMS将具有指导意义™ 技术和架构来解释这些优势是如何实现的。

图8显示了DualMEMS振荡器架构的框图。从方框图的左侧开始是包括两个MEMS的谐振器和温度传感器。一个谐振器用作温度传感器，利用其相对陡峭但线性的-7 ppm/C°频率与温度斜率。该谐振器是TempSense（TS）谐振器。为下游锁相环（PLL）提供参考时钟的另一个谐振器被设计为具有相对平坦的频率与温度斜率，并且是TempFlat™ （TF）谐振器。TF和TS谐振器之间的频率比提供了一个极其精确的谐振器温度读数，分辨率为30µK。另一个关键特征是TF和TS谐振器之间的紧密热耦合，这是由于它们的100微米小间距和在同一管芯基板上制造。这种结构导致TF和TS谐振器之间几乎没有热梯度。模拟表明，在热通量下，TF和TS谐振器之间的温度偏移仅为52毫开尔文（m°K）。

相比之下，石英TCXO中的温度传感器集成在IC中，该IC位于陶瓷封装基板上石英谐振器下方，如下图9所示。石英振荡器结构中的温度传感器和谐振器之间的空间分离导致两个元件之间的显著热梯度，并且在经历快速热瞬态时引入显著的频率误差。石英和MEMS之间对快速热瞬态的响应将在本文稍后进行量化。