MEMS时钟器件优势显著，在高超音速系统中替代传统石英时钟器件
2023-02-18 16:20:16   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

数十年来，基于石英的时钟器件一直为航空航天和国防应用提供参考时钟。尽管，多年来基于石英的振荡器不断增强以改进其缺点，但其固有不足使其成为下一代防御系统（如高超音速武器系统）设计中的薄弱环节。

现在，该行业正在向基于微机电系统（MEMS）技术的时钟器件过渡，以克服其固有缺陷。基于MEMS的时钟器件在许多关键指标上优于石英基同类产品。MEMS时钟器件体积更小、更可靠、坚固耐用，并且在时间、温度、加速度和振动方面都非常稳定，这使得它们更适合极端运行环境，包括高超音速系统。

高超音速武器包括超高速、低空飞行、灵活机动的导弹和滑翔飞行器等，它们的设计速度在3000~15000 mph之间。它们能够改变自己的轨迹，以避开探测和防御系统。其运行环境的高温和高温瞬变为时钟器件、传感器以及其它电子元件（包括天线罩和天线）带来了挑战。此外，高超音速系统中的时钟器件面临着独特挑战，因为它们需要同步任务计算、飞行控制、实时信号处理和通信，同时还面临着许多环境挑战，例如极端的温度、压力、振动、冲击和极高的g值等。

MEMS时钟技术

2006年，基于MEMS的振荡器首次引入，随后其时钟技术应用不断改进，例如温度补偿和锁相环（PLL）技术等，以提供更高的频率稳定性，更低的抖动和相位噪声。

MEMS时钟器件设计不存在寄生模式穿过基本谐振模式，也没有谐振器引入的活动下降。MEMS器件采用纯硅单一机械结构，抗拉强度为7 GPa，比钛（330~500 MPa）高约14倍。

MEMS振荡器的可靠性明显优于石英振荡器，后者的故障率高得多。下图展示了MEMS振荡器的可靠性，与石英振荡器相比，MEMS振荡器的平均无故障时间（MTBF）超过20亿小时，大约是石英振荡器的50倍。

SiTime开发的MEMS振荡器的平均无故障时间（MTBF）相比典型石英振荡器具有显著优势

MEMS振荡器的污染物被控制在超低的ppb水平，同时，在1100°C的工艺步骤中对晶圆上的硅晶体进行逐步退火。这一过程在极纯的高真空中完成，由此获得的清洁谐振器腔有效地消除了谐振器老化机制。下图展示了MEMS振荡器的典型10年老化率。

SiTime开发的MEMS振荡器与石英振荡器的老化率对比

基于石英的振荡器通常封装在开腔陶瓷封装中，IC和谐振器用不同类型的粘合剂粘结到封装基板上。此外，通过在石英谐振器上烧蚀或金属沉积，单独调整石英器件以获得期望的输出频率。粘合剂和金属可能成为污染源，这些质量负载使石英谐振器老化并降低可靠性。

相比之下，MEMS谐振器的质量比石英谐振器低约1000至3000倍，因此更耐冲击和振动。由冲击或振动施加在MEMS结构上的加速度相比石英器件更低，从而使MEMS谐振器的频率偏移更小。

振动灵敏度的另一个衡量指标是施加正弦加速度产生的每g频移。最常用的测量单位是每g加速度的十亿分之一（ppb）频移，即ppb/g。下图展示了30个MEMS单元在15 Hz ~ 2 kHz振动频率范围的总加速度灵敏度伽马矢量（三个轴上）。观察到的最大值仅为0.0058 ppb/g，为可达到的最佳性能。

15 Hz ~ 2 kHz振动频率范围MEMS单元的加速度灵敏度

抗冲击是高超音速系统的另一个关键参数，也是MEMS技术优于石英技术的指标之一。例如，SiTime Endura系列MEMS振荡器通过了高达30000 g的冲击测试，显著高于大多数石英产品所能达到的水平。

振荡器技术

MEMS技术的发展还带来了额外优势，例如对快速温度变化和低相位噪声的适应能力。通过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频率温度特性。另一个谐振器为下游PLL提供参考时钟，设计为具有相对平坦的频率-温度斜率。得益于在同一芯片基板上仅间隔100 µm，两个谐振器紧密热耦合，消除了谐振器之间的热梯度。

相比之下，基于石英的温控晶体振荡器（TCXO）中的温度传感器，集成在陶瓷封装基板上石英谐振器下方的集成电路中。温度传感器和谐振器之间的空间分离在两个元件之间产生了较大的热梯度，当受到快速热瞬变时，会引入显著的频率误差。

MEMS温度补偿架构中的关键要素之一是温度-数字转换器。其电路模块产生的输出频率与两个谐振器产生的频率之比成正比。它具有30 µK温度分辨率和高达350 Hz的带宽，可以实现卓越的近端相位噪声性能和艾伦方差（ADEV）性能。

典型温度-数字转换器

ADEV是频率稳定性的时域度量。ADEV相对于标准方差的主要优点是它对大多数噪声类型都收敛，可用于表征精密振荡器的频率稳定性。良好的ADEV性能对于高超音速武器、卫星通信和各种精密全球导航卫星系统（GNSS）等应用至关重要。

快速热瞬变的频率响应

下图展示了DualMEMS架构在快速热瞬变中的优势。该示例展示了一支热风枪同时应用于两个器件的结果：一颗SiTime DualMEMS Super TCXO，一颗+/-50 ppb石英基TCXO。对于热风枪的刺激响应，石英基TCXO与标称温度的峰间偏差高达650 ppb，超过其规格表高达9倍。而DualMEMS Super TCXO的频率变化很小，约为3 ppb或更低，远低于其100 ppb的参数限制。

快速升温条件下，+/-50 ppb石英基TCXO与MEMS Super TCXO的响应截图

气流是高超音速武器中的另一个系统压力源，它会导致振荡器热流波动引起的芯片温度变化。快速的湍流气流会对从振荡器到环境的热流有更显著的影响，并且在极端情况下，会引起振动效应。

电源噪声抑制（PSNR）

除了外部压力，高超音速武器系统还受到内部系统的影响，例如电源噪声，会导致数据错误。对于振荡器来说，在电源噪声情况下保持低相位噪声和抖动以保持最佳系统性能至关重要。

电源噪声抑制是振荡器对电源噪声适应能力的度量。PSNR是输出抖动与电源引脚上注入的正弦抖动振幅的比率。MEMS器件的低抖动通过使用多个片上低压差调节器来实现，这些调节器隔离了VCO和MEMS振荡器等关键元件。下图对比显示了MEMS振荡器与六家不同供应商的石英振荡器，MEMS振荡器展示了优异的峰间抖动和PSNR。

MEMS DE-XO对比6款典型石英振荡器的电源噪声抑制

高超音速系统具有极高的机动性和速度，将成为最有效的防御系统之一。高超音速系统需要承受恶劣的条件，例如极高的温度、快速的温度变化以及极端的冲击和振动水平。MEMS振荡器的性能超越了传统基于石英的时钟方案，能够满足高超音速技术苛刻的性能和可靠性要求。