如何对比MEMS振荡器和石英晶振的抗冲击和抗振性

2024-01-19 13:23:42 14 0 0

1 简介

 在电子产品的一生中,冲击与振动是无法避免的伴侣。它们的影响力之广,从我们日常携带的移动消费产品所经历的微小运动,到工业设备或航空航天应用中遭遇的高强度振动,无一不在其列。即使是安坐于建筑物中的固定电子产品,也难以完全抵挡来自附近风扇或其他设备的振动传递。因此,为了确保电子元件的性能稳定,我们必须深入思考其在冲击与振动环境下的应对能力。表1为大家提供了各种环境中的典型加速度水平,以便更好地理解和评估这一现象。


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。 晶振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。

  石英晶振中的晶体谐振器,如同悬于一线,对振动伤害异常敏感。然而,SiTime的MEMS振荡器却展现出更为卓越的稳健特性,源于其内在优势。首先,较之石英晶振,MEMS振荡器的质量轻盈,有效减轻了振动产生的加速度对其谐振器的作用力。其次,MEMS振荡器的独特设计,包括在面内振动的坚固谐振器结构、抗振动的几何结构,以及振荡器电路设计,最大限度地降低了振动频率的偏移。这使得SiTime的MEMS振荡器在面对振动时更为稳健。


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

  • (3) 脉冲冲击


我们测试的设备均源自市面上的知名产品,其中包括来自SiTime以及竞品厂商的MEMS振荡器,同时也囊括了来自各家制造商的石英晶振。此外,我们还特别纳入了带有表面声波(SAW)晶体谐振器的石英晶振,以其低抖动特性而广为人知,尤其在高频工作状态下。


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


  MEMS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MEMS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振在非操作模式下机械冲击下的生存能力。 大多数市售石英晶振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,MEMS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 显示了基于石英晶振、SAW 和 MEMS差分振荡器在正弦振动下的振动灵敏度结果。MEMS振荡器的性能比其他器件高 10 到 100 倍。另一个基于 MEMS振荡器 MEMS 2,具有不同的谐振器设计和面外振动模式,显示出与石英晶振和 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,石英晶振和 MEMS振荡器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晶振。


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MEMS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。 其他石英晶振的峰值频率偏差为 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振荡器设备。 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。 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,MEMS振荡器不仅可以在这些条件下存活下来,而且性能非常好。MEMS设备技术取得这一根本性的进步,要归功于其对机械冲击和振动的卓越抵抗力。这一优势主要得益于SiTime独特的MEMS振荡器与精密振荡器模拟电路设计。



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