作者:Jim Holbrook, SiTime客户工程总监
航空航天和防御系统可以暴露在极端温度或大量震荡和振动事件中。在这种恶劣条件下可靠的操作不能更重要，在某些情况下，使命取得成功或使命失败之间的差异。
最先进的MEMS计时技术已经成熟。由于基于mems的定时产品现在在许多性能类别中超过了传统石英振荡器的性能，它非常适合迎接航空航天和国防的挑战。
MEMS可靠性
在MEMS谐振器设计中，设计者具有控制谐振器的横向形状，从而控制谐振模式。MEMS由地下设计，不含杂散模式的交叉，因此不含谐振器诱导的活动倾斜。MEMS结构包括纯单晶硅的单个机械结构。拉伸强度为7GPa，比330至500MPa的钛高约14倍。（见图1.）
图1:这是MEMS谐振器的扫描电子显微镜(SEM)视图。
可靠性是对任何设计的重要考虑因素，对于必须在恶劣的环境条件下必须可靠地运营的设备尤其重要。图1显示了MEMS谐振器的SEM横截面视图。在MEMS制造期间，使用拍摄过程来清洁谐振器并将其气密地密封在真空中。消除老化机制的该过程是MEMS振荡器非常高质量和可靠性的基础。
一些MEMS振荡器的质量可以是<1 dppm，这显着优于石英振荡器的典型故障率。图2示出了与石英相比，在故障（MTBF）之间的平均时间测量的MEMS振荡器的可靠性。一些MEMS振荡器的MTBF率为1.14亿小时，比石英供应商更好30倍。
图2:SiTime MEMS振荡器的MTBF大约是石英供应商的30倍。
微机电系统老化
在使用密封EpiSeal工艺的超清洁晶圆厂中构建MEMS的另一个好处是低老化率。污染物被控制在非常低的十亿分之一水平，1100°C的工艺步骤退火硅晶体，并作为应力松弛过程。外延密封应用于晶圆级，密封外壳在高真空中，本质上非常低或没有杂质。由此产生的超干净谐振腔和应力松弛实际上消除了谐振腔老化机制。任何老化机制都与封装相关的老化效应或CMOS IC老化有关，其老化速率非常低。
相比之下，石英振荡器通常封装在一个开腔陶瓷封装中，集成电路和石英谐振器都用不同类型的粘合剂粘到封装衬底上。此外，每一个石英器件都单独地使用烧蚀沉积在石英谐振器上的金属来修剪输出频率到所需的规格。胶粘剂和金属修整可能是污染的来源，通过大量加载，可以使石英老化，降低长期可靠性。图3显示了典型石英振荡器的结构。
图3:这张图显示了典型的石英振荡器结构。
较低的老化是MEMS振荡器结构的净结果。如图4所示，终止超级TCXO的典型20年老化规范为±540 ppb，用于石英的±3,000 ppb（±3 ppm）。
图4：较低的老化是MEMS振荡器结构的净结果。
振动性能
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大约为1,000至3,000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，其力远低于其石英量的力量，因此将引起更低的频移。图5显示了与石英谐振器相比MEMS谐振器的结构和尺寸。
图5：该图显示了与石英谐振器相比MEMS谐振器的结构和大小。
图6中示出了MEMS结构的益处，其示出了与石英TCXO相比由绿色曲线所示的终止Endura MEMS超级TCXO的相位噪声。随机振动幅度在10Hz至2kHz的频带上为7.5g均方（RMS）。MEMS Super-Txco在该振动频带中具有大约20dB的较低相位噪声。将相位噪声从10 Hz到2 kHz集成在振动频带上演示了MEMS振荡器的集成阶段抖动（IPJ）增加了1.2倍的倍数，而石英TCXO将IPJ增加到10倍。
图6:在振动应力存在的情况下保持良好的相位噪声性能对于部署在振动机械附近的系统非常重要。
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，飞机和任何部署在振动机械附近的系统的系统非常重要。
振动灵敏度的另一个测量是每g正弦加速度的频移。最常用的测量单位是十亿分之一(ppb)每g加速度的频移，或ppb/g。图7显示了30个Endura Super-TCXO SiT5346单位在15 Hz至2 kHz振动频率下的总加速度灵敏度伽马向量(超过3轴)。最大观测值只有5.77‰/g，是行业中最低的(最好的)振动灵敏度。
图7：该图显示了30个Endura超级TCXO SIT5346单位的总加速度灵敏度伽马矢量（超过3轴），从15 Hz到2 kHz的振动频率。
某些应用的另一个重要参数，如弹药是抗冲击性，这是MEMS技术擅长石英技术的另一个领域。一些MEMS产品震动最高可达30,000克，显着高于大多数石英产品。例如，图表1显示了典型的石英设备和临时Endura MEMS振荡器的资格报告摘录。石英振荡器符合1500克，距离Endura MEMS振荡器有资格达30,000克。为了更好地理解这种抗冲击性，155毫米的枪口射击体验经验典型的峰值在9-毫秒脉冲持续时间内的加速度为15,500g [1]。典型的所需系统设计边距为1.5倍，意味着155毫米枪射弹组件应认证高达23,250克。endura振荡器30,000G资格超过了这一边际余量。
图表1：此图示显示了典型石英设备和临时Endura MEMS振荡器的资格报告摘录。
DualMEMS振荡器技术
自早期MEMS振荡器问世以来，其抗振性和可靠性一直是MEMS振荡器固有的优点。最近的技术进步，特别是新型双mems架构[2]，带来了额外的好处，如对快速温度斜坡和低相位噪声的弹性。在量化这些优势之前，简要介绍一下DualMEMS技术和架构，解释一下这些优势是如何实现的。
图8：这是Endura Dualmems振荡器架构的框图。
图8显示了DualMEMS振荡器架构的框图。从框图的左边开始是谐振器和温度传感器，它们组成了两个MEMS。其中一个谐振器被用作温度传感器，利用其相对陡峭但线性的- 7ppm /C°频率与温度的斜率。这个谐振器就是TempSense (TS)谐振器。另一个谐振器是TempFlat (TF)谐振器，它为下游锁相环(PLL)提供参考时钟，设计成相对平坦的频率与温度斜率。TF和TS谐振器之间的频率比率提供了非常精确的读数，谐振器温度为30µK分辨率。另一个关键特征是TF和TS谐振器之间的紧密热耦合，这是由于它们很小的100微米的分离和它们在相同的模具衬底上制造。这种结构导致TF和TS谐振器之间几乎没有热梯度。仿真表明，在热流下，TF和TS谐振器之间只有52毫勒文(m°K)的温度偏移。
相比之下，石英TCXO中的温度传感器集成在陶瓷包装基板上的石英谐振器下方的IC中，如下图9所示。在石英振荡器结构中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大量热梯度，并且在经受快速热瞬变时引入显着的频率误差。在本文后面将在Quartz和MEM之间响应Quartz和MEMS之间的快速热瞬变。
图9:石英tcxo温度传感器集成在陶瓷封装衬底上的石英谐振器下方的集成电路中。
温度补偿体系结构的关键是温度数字转换器(TDC)。如图10所示，该电路块产生的输出频率与TF谐振器和TS谐振器产生的频率之比成比例。TDC具有30微开尔文(µ°K)的温度分辨率和高达350 Hz的带宽。这些特性使优良的接近载波相位噪声性能和Allan偏差(ADEV)性能。
图10:温度补偿体系结构的一个关键元素是温度-数字转换器(TDC)。
TDC的高带宽加上TF和TS谐振器之间的紧密热耦合，使得TCXO在快速温度瞬变时的频率误差最小。
快速热瞬变的频率响应
图11是视频屏幕截图，它在快速热瞬变期间展示了Dualmems架构的益处。当热枪同时应用于两种设备时，捕获此屏幕截图：从领先的石英供应商的Dualmems Super-TCXO和±50 PPB运营商级TCXO。响应于热枪刺激，石英TCXO从标称温度偏离高达650ppb的峰 - 峰（-450ppb至+200 ppb），超过其数据表规格达到最多9倍。Dualmems Super-TCXO几乎没有明显，最大约3 PPB，远低于100 PPB的规格限制。在快速改变环境条件下，对通信基础设施设备的性能和服务质量来说，对快速温度瞬变的弹性非常重要。
图11.这是快速温度斜坡下的±50ppb载体级石英TCXO与MEMS超级TCXO的屏幕截图。
锁相环的性能
分数-N相位锁环（PLL）是一些MEMS振荡器的另一个关键架构元素。PLL将参考时钟乘以TF谐振器并与输出分频器组合，产生所需的输出频率。PLL以及TDC对振荡器输出的整体相位噪声非常重要。PLL设计有高质量因子（Q）电压控制振荡器（VCO），以最小化相位噪声和片上串扰，可以表现为输出马刺。PLL中的分数反馈分配器使用Sigma-Delta调制技术来提供非常细的频率分辨率以及噪声整形，以最小化频带的频带中的马刺和随机噪声。
图12显示了基于mems的Endura jitter-cleaner vcxo的相位噪声(蓝线和绿线)和用于无线应用的相位噪声规格限制(红线)。如图所示，规范限制有很大的空白。
图12:该图显示了使用SiT3342 VCXO与小单元122.88 MHz参考时钟规范的抖动清洁器相位噪声。
空气流动
气流是另一个系统压力源，可导致频率变化，是户外设备的潜在应力因素。由于振荡器的热流的变化，气流可能导致模具温度变化。快速，湍流的气流可以对来自振荡器到环境的热流具有更明显的影响，并且在极端情况下，可能会导致振动效应。图13使用平均时间从1秒到1,000秒的平均时间绘制气流存在下的亚仑偏差。如图所示，MEMS Super-TCXOS比使用平均时间为1秒和10秒之间的平均时间更好地显示ADEV性能的最高38倍。
图13使用平均时间从1秒到1,000秒的平均时间绘制气流存在下的亚仑偏差。
Allan偏差是频率稳定性的时域测量。ADEV通过标准偏差的主要优点是它为大多数噪声类型收敛，因此，它广泛用于表征精密振荡器的频率稳定性，例如TCXO。良好的ADEV性能对于卫星通信和精密GNSS应用和Endura Super-TCXOS Excel尤为重要，在此关键性能度量标准。
电源噪声抑制
除了外部环境压力，如振动，环境温度变化和气流变化，通常存在内部系统应力。例如，电源噪声可能来自附近的数据线和开关稳压器的串扰导致。振荡器在电源引脚上的噪声存在下保持良好的相位噪声和抖动性能非常重要，以便保持良好的系统性能。电源噪声抑制（PSNR）是振荡器对电源噪声弹性的测量，并且是在PICOSECONDS的输出时观察到的抖动之比除以毫伏供电引脚上的注入正弦确定抖动的幅度。通常，正弦抖动被注入供电销以具有50mV振幅。图14示出了MEMS SIT9346差示振荡器（DE-XO）的峰顶抖动，与来自六种不同供应商的石英振荡器相比，噪声频率范围为20kHz至40MHz。
图14:该图显示了MEMS SiT9346差分振荡器(DE-XO)与6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值-峰值抖动。
如图所示，MEMS振荡器在PSNR方面表现突出。MEMS器件中显示的低抖动是由于它的多个片上低dropout稳压器(LDOs)隔离了关键组件，如VCO、MEMS振荡器等。
解决航空航天和国防应用的时间挑战
MEMS振荡器技术在过去十年中显着提高。改进包括包括高性能振荡器：谐振器，温度补偿电路，PLL和片上电压调节器的关键元件，以过滤噪声。
建立震动和抗震性的内在优点，最先进的MEMS定时技术也为解决与之相关的挑战的理想选择，也为其提供了最佳的动态性能（适应系统和环境压力）。在坚固的环境中部署的设备。
MEMS时序技术的额外投资和创新将继续通过可预见的未来，旨在提高相位噪声和频率稳定性，并制定基于MEMS的定时对未来几十年的首选选择解决方案。
参考：
1Burd, Jeff，炮弹电子学的高g加固方法，导航研究所卫星分部第12届国际技术会议论文集(ION GPS 1999)，田纳西州纳什维尔，1999年9月，第1133-1142页。
2Sitime的Dualmems架构和TurboComponation™技术在Endura Super-TCXO，Endura De-XOS（差分振荡器），endura DCxos（数字控制振荡器）和endura VCxos（电压控制振荡器）中使用。
关于作者
Jim Holbrook是Sentime Corporation的客户工程总监。他于2016年6月加入境内。在此之前，霍尔布鲁克是德克萨斯乐器的信号路径解决方案的产品营销总监。他在U.S Navy担任诺福克，Virg的潜艇培训设施的核工程讲师。，是诺福克的核工程讲师。，并是一名核潜艇。有关更多信息，请转至：www.sitime.com。
提交：航空航天+防御
