介绍

所有电子产品在使用寿命期间都会受到冲击和振动。从可以在口袋或背包中携带的移动消费类产品到工业设备或航空应用的高振动水平产品。甚至静止建筑物内的产品可能会受到附近扇或其他设备的振动。因此，震动是衡量电子元件在电路中的表现如何的重要指标，表1显示了各种环境下典型的加速度水平。

表1.各种现场应用中的振动

冲击和振动会对组件和外壳造成物理损坏，导致焊接PCB组件接头故障，电子部件性能下降。时钟振荡器容易受到几种不利影响：对谐振器的损坏增加震动相位噪声和抖动，震动频率尖峰。

石英振荡器中的晶体谐振器特别是悬臂结构对振动损坏敏感。SiTime MEMS谐振器在本质上更为强大的两个原因：

（1）它们的质量比石英谐振器小得多，这减少了从振动引起的加速度施加到谐振器的力；

（2）专有SiTime MEMS振荡器的设计包括在批量模式下平面内振动的非常硬的谐振器结构，具有固有抗振性的几何形状，以及振荡器电路设计减少振动时的频次。

测试条件

因为外力在方向、持续时间和强度方面都有所不同，所以在各种测试条件下测量振荡器的电路响应对于完全了解对振动和振动敏感很重要。SiTime评估了振荡器对三种不同模式的响应的振动或冲击：    

    （1）正弦振动

    （2）随机振动

    （3）脉冲冲击

测试的器件都是市售的产品，包括MEMS振荡器来自SiTime和竞争对手，以及来自多家制造商的石英振荡器。我们包括具有表面声波（SAW）晶体谐振器的石英振荡器，已知具有在高工作频率下的低抖动。

表2.正在测试的振荡器件单端部分（阴影蓝色）以26 MHz运行差分部分（阴影绿色）工作在156.25 MHz

正弦振动

第一个测试测量的频率范围为15 Hz至2的正弦振动响应千赫。正弦振动的周期性产生频率调制，引起了频率调制在相位噪声频谱中刺激，频率随振动偏移。这表明了振荡器对振动的敏感度，振动引起的相位噪声以dBc为单位被转换为等于十亿分之一（ppb）的频移，然后通过正弦振动的峰值加速度，以ppb / g表示。

振动测试装置由控制器，功率放大器和振荡器组成，如图所示每个正弦振动频率的峰值加速度为4g（15,30,60，100,300,600,1000和2000Hz）。振动频率每次扫描约15〜20次分钟，每个频点的停留时间约为1分钟。振荡器对外力的响应是各向异性的，即取决于振动的方向。因此，参考器件引脚1标记打开，在x，y和z方向上重复测试包装和方向如图1所示。图表显示了最坏情况下的数据每个振荡器的方向。 

正弦和随机振动试验装置

振动筛	装置安装块	相位噪声分析仪

振动试验设备照片

振荡器可能会在使用过程中出现随机振动，频率范围从几Hz到几KHz。这些振动增加了宽带相位噪声。几个标准指定随预期运行而变化的随机振动分布的测试条件测试环境或电子设备类型[1]。我们根据MILSTD-883H进行了测试[2]，方法2026，因为该标准最适用于电子组件。该标准规定了振动分布，并允许各种强度水平（见图3）。条件B，复合功率水平为7.5g rms，适合高振动移动环境。图1的测试设置中的控制器使用数字信号根据功率合成在规定频率范围内的随机振动的处理密度水平在振动分布中定义。

用于随机振动测试的MIL-STD-883H规范

随机振动导致对应于振动的偏移下的相位噪声增加频率。我们测量每个振荡器有和没有随机振动的相位噪声计算出15 Hz至10 kHz的积分相位抖动值。然后可以引起抖动从两个值之间的均方根差中得出。

震动

第三次测试测量了运行期间对休克的瞬态频率偏差影响。该测试遵循MIL-STD-883H [2]，方法2002和我们的规范监测瞬态频率响应为1 ms半正弦波冲击脉冲加速500克。MIL-STD-883H [2]，Method 2002标准被广泛用于石英晶体的测试振荡器在非操作模式下机械冲击下的生存能力。大部分的市售的石英晶体振荡器在环境认证中具体规定测试水平为100 g至1500 g，而SiTime MEMS振荡器已实现环境资格为10000克至50,000公斤的机械冲击。

冲击试验装置如图4和图5所示。类似于振动试验方法，我们将振荡器定位在x，y和z方向上施加冲击，并测量最差案件。每100μs连续进行10秒钟的频率测量数据在冲击冲击之前，之中和之后的频率响应。

机械冲击试验装置

冲击测试仪和	安装块

冲击测试设备的照片

二、实验结果

正弦振动

图6给出了石英晶振，SAW晶体和MEMS振荡器的振动灵敏度结果。SiTime MEMS振荡器优于另一个器件的因子为10到100。另一个基于MEMS的振荡器，具有不同的谐振器设计和平面外振动模式，显示出类似的振动灵敏度石英和SAW晶体。

单端振荡器对正弦振动较不敏感，如数据所示图7，石英与MEMS性能之间的差异并不是很大。然而，SiTime器件在本研究中仍然超过了石英振荡器。

图6.差分振荡器对正弦振动的灵敏度

图7.单端振荡器对正弦振动的灵敏度

随机振动

    随机振动在载波频率偏移较小时会引起相位噪声，如图所示图8中的蓝色（无振动）和红色（有振动）之间的差异。尽管SiTime MEMS振荡器在左图中测试时表现出较高的接近相位噪声安静的环境，增加随机振动不会明显增加相位噪声。在相比之下，基于SAW的器件随机显示相位噪声的显着增加振动。这种降解程度可能对接近阶段敏感的系统有害并说明现实世界中的设备与数据表的不同之处规格。

图8. SAW和SiTime MEMS振荡器随机振动下的相位噪声

8个差分振荡器的感应抖动计算结果如图9所示尽管这些振荡器在实验室设置下进行测试时表现出低相位噪声，重要的是考虑随机振动引起的附加抖动。大多数振荡器测试显示抖动显著增加，从近20到超过100 psrms。相比之下，SiTime MEMS振荡器相对免于随机振动。

图9.差分振荡器中的诱导相位抖动

震动

比较冲击试验响应的最大瞬态频率偏差的总体结果差分振荡器如图10所示。SAW晶体（Quartz 4和Quartz 7）是特别敏感的休克，超过10 ppm的瞬态频率尖峰。其他石英晶振表现出2〜7ppm的峰值频率偏差。唯一的例外是SiTime MEMS硅晶振，其显示小于1ppm的瞬态频率偏差。结果图11中的单端LVCMOS振荡器确认了SiTime MEMS的抗冲击性振荡器。

图12中显示了实验中记录的频率稳定性与时间图所有八个差分器件都经过测试。表示在x，y或z中施加的冲击脉冲的迹线方向叠加在相同的比例上，以显示方向做出对休克的抵抗性。

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9

图12 频率稳定度的查分振荡器在冲击试验

结论

在实验室环境中表现良好的电子部件在存在冲击和振动实际应用中可能不具有相同的性能。SiTime MEMS振荡器在生存性方面获得了非常高的质量和环境可靠性等级震动。现在，关于相位噪声和抖动测量的实验数据冲击和振动测试表明，SiTime MEMS振荡器不仅可以存活，而且可以在这些条件下表现非常好。这种抗机械冲击和振动是MEMS器件技术和SiTime的根本进步的结果用于精密振荡器的MEMS谐振器和模拟电路的专有设计。

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