频率稳定性是振荡器最根本的性能指标，它描述的是输出频率的偏差程度，通常以百万分率（ppm）或十亿分率（ppb）表示。该数值越小，说明振荡器的性能越好。频率变化可能由多种因素引起，例如温度波动、供电电压变化、输出负载变动以及频率老化等。本文将重点关注老化问题，即振荡器频率随时间推移而发生的变化。

一、为何低老化率至关重要？

老化是振荡器的一项重要参数，在多数应用系统的设计中都必须予以考虑。对于那些需要极高稳定频率参考的系统——例如采用温补振荡器（TCXO）或恒温振荡器（OCXO）等高精度振荡器的设备——老化性能显得尤为关键。

以网络基础设施和高精度测量设备为例，它们常使用精密振荡器来提供稳定的备用频率源。在这类应用中，当外部信号源（如 GPS）失效时，OCXO（或在某些情况下为 TCXO）便会作为本地时钟继续工作。这种在失去外部参考信号后切换至本地时钟的运行模式，称为“保持模式”。此时，本地振荡器（OCXO 或 TCXO）必须在数小时甚至数天内保持极高的频率稳定性，因此老化率就成为决定系统性能的核心因素。

本文首先深入探讨影响石英振荡器与MEMS振荡器老化性能的关键因素，随后运用数学老化模型，将MEMS与石英振荡器的长期老化预测性能与实际测量结果进行对比。通过该数学模型的外推，我们对长期性能做出预测，并提出后续研究方向建议，同时给出一种可改善老化特性的补偿算法。

二、振荡器老化由何引起？

老化源于振荡器内部的物理变化，主要有两大原因：一是质量负载，二是应力释放。

对于石英振荡器而言，老化的根源主要来自制造工艺、结构设计以及器件中使用的多种材料。在石英谐振器的制造过程中，会产生如表面裂纹、加工时的抛光磨损、石英与电极膜之间的结合力等残余应力状态。不同材料的热膨胀系数差异也会在界面处引发应力。此外，石英振荡器中使用的硅胶在受热时会发生分解，导致质量积聚，进而影响频率稳定性。

石英振荡器因其使用的材料特性，容易因结构污染和应力释放而产生老化问题

相比之下，MEMS谐振器采用稳定的硅材料，具备无释气特性。SiTime硅MEMS谐振器的制造过程不会引入类似石英谐振器在切割或抛光工序中产生的污染物。SiTime专有的EpiSeal®工艺在超过1000°C的高温下，形成了晶圆级硅/多晶硅封装的高洁净度MEMS谐振器。内部残余应力通过原子在晶格中的迁移得以释放，从而创造出洁净的真空环境，完全隔绝污染物侵入。最终实现的是具有极低老化特性的谐振器。

采用可长期保持洁净稳定的工艺与材料制成的SiTime MEMS谐振器横截面图

三、MEMS与石英振荡器的老化性能对比

下图展示了MEMS与石英振荡器在老化表现上的差异。图中对比了基于MEMS的Super-TCXO®（Elite X™ SiT5501）与一款石英小型化OCXO的30天老化测量数据（数据已归一化至第一天）。两者均为Stratum 3E级别振荡器。

石英OCXO与SiT5501在通电初期均呈现正老化趋势。然而，随时间推移，大多数石英OCXO样品的负老化因素逐渐超过正老化因素，老化曲线转为负斜率并持续下降。

相反，SiT5501迅速趋于稳定，在30天运行期间频率偏移小于20 ppb。此外，由于石英加工工艺的局限性，石英OCXO组间的老化率差异显著大于SiT5501，这进一步增加了潜在故障的风险。通常，老化率指标会在运行30天后确定。

基于MEMS的SiT5501 Elite X Super-TCXO（红色）与小型化石英OCXO（蓝色）的频率偏差对比图

老化是一个不可避免且不可逆的过程。然而，通过利用硅MEMS制造工艺的优势——该工艺可生产出密封且不受外界影响的硅谐振器——频率老化偏差得以显著降低。