坚固耐用的平台常常在最恶劣的环境中运行。航空航天和国防系统可能会遭受极端温度、巨大幅度的冲击和振动事件的考验。在这样的恶劣条件下，可靠的运行至关重要，在某些情况下，它甚至决定了任务的成功与否。尖端的MEMS定时技术已经日趋成熟。基于MEMS的硅晶振如今在多个性能类别中超越了传统石英晶振的表现，因此MEMS振荡器非常适合应对航空航天和国防领域的挑战。

基于石英晶振在需要频率精度的电子行业中已经服务了70多年。然而，由于石英晶振技术存在一些固有的弱点，再加上与硅制造基础设施相关的规模经济效应，全硅MEMS定时解决方案正在广泛的新兴应用领域中逐渐取代石英晶振。

2006年，首款基于MEMS的振荡器问世，其在抗冲击、抗振动，以及在特定温度下无频率骤变（活性降低和微小跳跃）等方面展现出卓越的性能。自MEMS振荡器首次发布以来，该技术已取得了数量级的飞跃，通过改进温度补偿和相位锁定环（PLL）的性能，显著降低了抖动和相位噪声（性能更优）。

如今的 MEMS 振荡器，例如 SiTime Endura™ 产品，是多年技术创新和改进的成果。最新的 MEMS 定时技术可提供低噪声/低抖动时钟，对环境压力（包括冲击、振动、气流和快速温度瞬变）具有无与伦比的适应能力。这使得在一系列航空航天和国防应用中能够实现更高可靠性和更高性能的产品。

MEMS 可靠性

在 MEM 谐振器设计中，设计师可以控制谐振器的横向形状，从而控制谐振模式。MEMS 从一开始就被设计为避免与基本模式出现杂散模式交叉，因此不存在由谐振器引起的活性骤降。MEMS 结构由纯单晶硅的单一机械结构组成。其抗拉强度为 7GPa，约为 330 至 500 MPa 的钛的 14 倍。

图 1. MEMS 谐振器的扫描电子显微镜（SEM）视图

可靠性对于任何设计都是一个重要的考虑因素，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 横截面视图。在 MEMS 制造过程中，采用 EpiSeal™工艺来清洁谐振器，并将其密封在真空中。这种消除老化机制的工艺是 MEMS 振荡器具有极高质量和可靠性的基础。SiTime 的 MEMS 振荡器的质量<1 DPPM，明显优于典型的石英振荡器故障率。图 2 展示了 MEMS 振荡器的可靠性，以平均故障间隔时间（MTBF）衡量，并与石英晶振进行了比较。SiTime 振荡器的 MTBF 率为 11.4 亿小时，比石英供应商高出约 30 倍。

图 2. SiTime MEMS 振荡器的平均故障间隔时间与石英供应商的对比

MEMS 老化

超低的老化率是在超净晶圆厂中使用密封的 EpiSeal 工艺构建 MEMS 的另一个优势。污染物被控制在极低的十亿分之一水平，1100°C 的工艺步骤对硅晶体进行退火，并作为应力松弛过程。外延密封在晶圆层面应用，在高真空环境下密封外壳，基本上杂质含量极低甚至没有。由此产生的超净谐振腔和应力松弛实际上消除了谐振器的老化机制。任何老化机制都与随时间推移的封装相关老化效应或 CMOS IC 老化有关，其老化速度非常低。

相比之下，石英振荡器通常封装在开放式腔体的陶瓷封装中，IC 和石英谐振器分别通过不同类型的粘合剂与封装基板连接。此外，每个石英器件通常通过在石英谐振器上进行金属烧蚀或沉积来单独微调输出频率以达到期望的规格。粘合剂和金属微调可能是污染源，会通过质量负载使石英老化并降低长期可靠性。图 3 展示了典型石英振荡器的结构。

图 3. 典型石英振荡器结构 低老化是 MEMS 振荡器结构的最终结果

MEMS 振荡器的构造带来了更低的老化率。如图 5 所示，Endura 超温补晶振通常的 20 年老化规格为±540 ppb，而石英晶振的则为±3,000 ppb（±3 ppm）。

图 4. Endura MEMS 超温补晶振（92 个器件）老化与典型石英晶振老化规格

振动性能

基于 MEMS 的振荡器对冲击和振动的抵抗力要强得多，部分原因是 MEMS 谐振器的质量约比石英谐振器低 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，产生的力要比同等的石英器件小得多，因此引起的频率偏移也会小得多。图 5 展示了 MEMS 谐振器与石英谐振器的结构和尺寸对比。

图 5. MEMS 和石英振荡器结构对比

MEMS 结构的一个优点如图 6 所示，其中绿色曲线显示了 SiTime Endura MEMS Super-TCXO 的相位噪声，并与石英 TCXO 进行了比较。在 10 Hz 至 2 kHz 的频带上，随机振动幅度为均方根（rms）7.5g。在这个振动频段中，MEMS Super-TXCO 的相位噪声约低 20dB。在从 10 Hz 到 2 kHz 的振动频段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 的 IPJ 增加了多达 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诸如移动车辆、飞机以及部署在振动机械附近的任何系统而言都非常重要。

图 6. 存在随机振动时的相位噪声，20 MHz 输出频率 

振动灵敏度的另一种度量是施加每 g 正弦加速度的频率偏移。最常用的度量单位是每 g 加速度的十亿分之一（ppb）频率偏移，即 ppb/g。图 7 显示了 30 个 Endura Super-TCXO SiT5346 单元在 15 Hz 至 2 kHz 振动频率上的总加速度灵敏度伽马向量（超过 3 个轴）。仅 5.77 万亿分之一/g 的最大观测值是业内最低（最好）的振动灵敏度。

图 7. ppb/g 振动灵敏度伽马，15 Hz至 2 Kz振动频率

对于某些应用（如弹药），另一个重要参数是抗冲击性，这也是 MEMS 技术优于石英技术的另一个领域。SiTime Endura 产品的抗冲击测试高达 30,000g，显著高于大多数石英产品。以下图表显示了典型石英器件和 SiTime Endura MEMS 振荡器的合格报告摘录。石英振荡器的合格标准高达 1500g，而 SiTime Endura MEMS 振荡器的合格标准为 30,000g。为了更好地理解这种抗冲击水平，155 mm炮弹在 9 毫秒的脉冲持续时间内经历典型的峰值后座加速度为 15,500g。典型的理想系统设计裕度是 1.5 倍，这意味着 155 mm炮弹组件应通过高达 23,250g 的认证。Endura 振荡器 30,000g 的认证超过了这个裕度。

双 MEMS 振荡器技术

自早期几代 MEMS 振荡器开发以来，抗振性和可靠性一直是 MEMS 振荡器的固有优势。技术的最新进展，特别是 SiTime2 的 Endura MEMS 振荡器系列中采用的新型基于双 MEMS 的架构，带来了额外的优势，例如对快速温度斜坡的适应能力和低相位噪声。在量化这些优势之前，简要概述双 MEMS™技术和架构以解释这些优势是如何实现的，将具有指导意义。 图 8 显示了双 MEMS 振荡器架构的框图。从框图的左侧开始是构成两个 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。这个谐振器是 TempSense（TS）谐振器。另一个向下游锁相环（PLL）提供参考时钟的谐振器设计为具有相对平坦的频率与温度斜率，即 TempFlat™（TF）谐振器。TF 和 TS 谐振器之间的频率比能够以 30µK 的分辨率极其精确地读取谐振器温度。另一个关键特性是 TF 和 TS 谐振器之间紧密的热耦合，这是由于它们之间 100 微米的小间距以及在同一芯片衬底上制造。这种结构导致 TF 和 TS 谐振器之间实际上不存在热梯度。模拟显示，在热通量下，TF 和 TS 谐振器之间只有 52 毫开尔文（m°K）的温度偏移。

图 8. Endura 双 MEMS 框图和优势

相比之下，石英 TCXO 中的温度传感器集成在位于陶瓷封装基板上石英谐振器下方的 IC 中，如下图 9 所示。石英振荡器结构中温度传感器与谐振器之间的空间分离导致这两个元件之间存在较大的热梯度，并在受到快速热瞬变时引入显著的频率误差。石英和 MEMS 对快速热瞬变的响应将在本文后面进行量化。

图 9. 双 MEMS 振荡器与石英振荡器结构（横截面）

温度补偿架构的一个关键元件是温度数字转换器（TDC）。如图 10 所示，该电路模块生成的输出频率与 TF 谐振器和 TS 谐振器产生的频率之比成正比。TDC 的温度分辨率为 30 微开尔文（µ°K），带宽高达 350 赫兹。这些特性能够实现出色的近载波相位噪声性能和艾伦偏差（ADEV）性能。TDC 的高带宽以及 TF 和 TS 谐振器之间紧密的热耦合，使得当 TCXO 经受快速温度瞬变时，频率误差最小。 

图 10. 温度数字转换器（TDC）

对快速热瞬变的频率响应 图 11 是一个视频屏幕截图，展示了在快速热瞬变期间双 MEMS 架构的优势。此屏幕截图是在将热风枪同时应用于两个设备时捕获的：一个双 MEMS 超级 TCXO 和一个来自领先石英供应商的±50 ppb 载波级 TCXO。在热风枪的刺激下，石英 TCXO 与标称温度相比的偏差高达 650 ppb 峰峰值（-450 ppb 至 +200 ppb），超出其数据表规格多达 9 倍。双 MEMS 超级 TCXO 的频率变化几乎不明显，最大约为 3 ppb，远低于其 100 ppb 的规格限制。在快速变化的环境条件下，对快速温度瞬变的适应性对于通信基础设施设备的性能和服务质量非常重要。请注意，Endura 超级 TCXO 基于 SiTime 的 Elite Platform™的双 MEMS 架构，将具有与 Elite 超级 TCXO 相当的性能。观看完整的视频演示，以了解对包括气流、电源电压和小冲击应力在内的其他应力的对比响应。

图11. ±50 ppb 运营商级石英温补晶振（TCXO）与 MEMS 超级温补晶振（Super-TCXO）在快速温度斜坡下的屏幕截图

气流 

气流是另一个可能导致频率变化的系统压力源，是户外设备的潜在压力因素。气流会因振荡器向外的热流变化而导致芯片温度发生变化。快速、湍流的气流对从振荡器到环境的热流可能产生更显著的影响，在极端情况下，甚至可能导致振动效应。 图 12 绘制了在存在气流的情况下，使用从 1 秒到 1000 秒的平均时间的艾伦偏差。如图所示，在 1 秒到 10 秒的平均时间内，MEMS 超级温补晶振的 ADEV 性能比石英温补晶振高出多达 38 倍。

图 12. 存在气流时 MEMS 超级温补晶振和石英温补晶振的艾伦偏差

艾伦偏差是频率稳定性的时域度量。ADEV 相对于标准偏差的主要优势在于，它对于大多数噪声类型都收敛，因此，它被广泛用于表征诸如 TCXO 等精密振荡器的频率稳定性。良好的 ADEV 性能对于卫星通信和精密 GNSS 应用尤为重要，而 Endura SuperTCXO 在这个关键性能指标方面表现出色。

电源噪声抑制

除了振动、环境温度变化和气流变化等外部环境压力外，内部系统压力也经常存在。例如，电源噪声可能由附近数据线的串扰和开关调节器引起。为了保持良好的系统性能，振荡器在电源引脚存在噪声的情况下保持良好的相位噪声和抖动性能非常重要。电源噪声抑制（PSNR）是振荡器对电源噪声的抵抗能力的度量，是输出端观察到的以皮秒为单位的抖动与电源引脚上注入的正弦确定性抖动的幅度（以毫伏为单位）的比值。通常，会在电源引脚上注入幅度为 50 mV 的正弦抖动。图 13 展示了 MEMS SiT9346 差分振荡器（DE-XO）振荡器与来自六个不同供应商的石英振荡器在 20 kHz 至 40 MHz 噪声频率范围内的峰峰值抖动对比。

 图 13. MEMS DE-XO 与石英振荡器的电源噪声抑制

如图所示，MEMS 振荡器在 PSNR 方面表现出色。MEMS 器件中展示的低抖动归因于其多个片上低压差稳压器（LDO），这些稳压器隔离了诸如 VCO、MEMS 振荡器等关键组件。

解决航空航天和国防应用的时间挑战

在过去十年中，MEMS 振荡器技术有了显著改进。改进涵盖了构成高性能振荡器的关键要素：谐振器、温度补偿电路、PLL 以及用于过滤噪声的片上稳压器。基于抗冲击和抗振动的固有优势，最先进的 MEMS 定时技术还提供了同类最佳的动态性能（对系统和环境压力的恢复能力），使其成为解决在恶劣环境中部署设备相关挑战的理想选择。下面的表 1 总结了与石英振荡器相比，最新的 SiTime Endura MEMS 技术。

表 1. Endura MEMS 振荡器与石英振荡器的优点汇总

 在可预见的未来，MEMS 定时技术的额外投资和创新将继续进行，旨在改善相位噪声和频率稳定性，并使基于 MEMS 定时成为未来几十年内事实上的首选解决方案。