基于MEMS的振蕩器具有哪些優(yōu)勢(shì)

數(shù)十年來(lái)，基于石英的時(shí)鐘器件一直為航空航天和國(guó)防應(yīng)用提供參考時(shí)鐘。盡管，多年來(lái)基于石英的振蕩器不斷增強(qiáng)以改進(jìn)其缺點(diǎn)，但其固有不足使其成為下一代防御系統(tǒng)（如高超音速武器系統(tǒng)）設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。

現(xiàn)在，該行業(yè)正在向基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的時(shí)鐘器件過(guò)渡，以克服其固有缺陷?；贛EMS的時(shí)鐘器件在許多關(guān)鍵指標(biāo)上優(yōu)于石英基同類產(chǎn)品。MEMS時(shí)鐘器件體積更小、更可靠、堅(jiān)固耐用，并且在時(shí)間、溫度、加速度和振動(dòng)方面都非常穩(wěn)定，這使得它們更適合極端運(yùn)行環(huán)境，包括高超音速系統(tǒng)。

高超音速武器包括超高速、低空飛行、靈活機(jī)動(dòng)的導(dǎo)彈和滑翔飛行器等，它們的設(shè)計(jì)速度在3000~15000 mph之間。它們能夠改變自己的軌跡，以避開(kāi)探測(cè)和防御系統(tǒng)。其運(yùn)行環(huán)境的高溫和高溫瞬變?yōu)闀r(shí)鐘器件、傳感器以及其它電子元件（包括天線罩和天線）帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，高超音速系統(tǒng)中的時(shí)鐘器件面臨著獨(dú)特挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冃枰饺蝿?wù)計(jì)算、飛行控制、實(shí)時(shí)信號(hào)處理和通信，同時(shí)還面臨著許多環(huán)境挑戰(zhàn)，例如極端的溫度、壓力、振動(dòng)、沖擊和極高的g值等。

MEMS時(shí)鐘技術(shù)

2006年，基于MEMS的振蕩器首次引入，隨后其時(shí)鐘技術(shù)應(yīng)用不斷改進(jìn)，例如溫度補(bǔ)償和鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)等，以提供更高的頻率穩(wěn)定性，更低的抖動(dòng)和相位噪聲。

MEMS時(shí)鐘器件設(shè)計(jì)不存在寄生模式穿過(guò)基本諧振模式，也沒(méi)有諧振器引入的活動(dòng)下降。MEMS器件采用純硅單一機(jī)械結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度為7 GPa，比鈦（330~500 MPa）高約14倍。

MEMS振蕩器的可靠性明顯優(yōu)于石英振蕩器，后者的故障率高得多。下圖展示了MEMS振蕩器的可靠性，與石英振蕩器相比，MEMS振蕩器的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）超過(guò)20億小時(shí)，大約是石英振蕩器的50倍。

SiTime開(kāi)發(fā)的MEMS振蕩器的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）相比典型石英振蕩器具有顯著優(yōu)勢(shì)

MEMS振蕩器的污染物被控制在超低的ppb水平，同時(shí)，在1100°C的工藝步驟中對(duì)晶圓上的硅晶體進(jìn)行逐步退火。這一過(guò)程在極純的高真空中完成，由此獲得的清潔諧振器腔有效地消除了諧振器老化機(jī)制。下圖展示了MEMS振蕩器的典型10年老化率。

SiTime開(kāi)發(fā)的MEMS振蕩器與石英振蕩器的老化率對(duì)比

基于石英的振蕩器通常封裝在開(kāi)腔陶瓷封裝中，IC和諧振器用不同類型的粘合劑粘結(jié)到封裝基板上。此外，通過(guò)在石英諧振器上燒蝕或金屬沉積，單獨(dú)調(diào)整石英器件以獲得期望的輸出頻率。粘合劑和金屬可能成為污染源，這些質(zhì)量負(fù)載使石英諧振器老化并降低可靠性。

相比之下，MEMS諧振器的質(zhì)量比石英諧振器低約1000至3000倍，因此更耐沖擊和振動(dòng)。由沖擊或振動(dòng)施加在MEMS結(jié)構(gòu)上的加速度相比石英器件更低，從而使MEMS諧振器的頻率偏移更小。

振動(dòng)靈敏度的另一個(gè)衡量指標(biāo)是施加正弦加速度產(chǎn)生的每g頻移。最常用的測(cè)量單位是每g加速度的十億分之一（ppb）頻移，即ppb/g。下圖展示了30個(gè)MEMS單元在15 Hz ~ 2 kHz振動(dòng)頻率范圍的總加速度靈敏度伽馬矢量（三個(gè)軸上）。觀察到的最大值僅為0.0058 ppb/g，為可達(dá)到的最佳性能。

15 Hz ~ 2 kHz振動(dòng)頻率范圍MEMS單元的加速度靈敏度

抗沖擊是高超音速系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，也是MEMS技術(shù)優(yōu)于石英技術(shù)的指標(biāo)之一。例如，SiTime Endura系列MEMS振蕩器通過(guò)了高達(dá)30000 g的沖擊測(cè)試，顯著高于大多數(shù)石英產(chǎn)品所能達(dá)到的水平。

振蕩器技術(shù)

MEMS技術(shù)的發(fā)展還帶來(lái)了額外優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)快速溫度變化和低相位噪聲的適應(yīng)能力。通過(guò)一個(gè)諧振器用作溫度傳感器，利用其相對(duì)陡峭但線性的-7 ppm/°C頻率溫度特性。另一個(gè)諧振器為下游PLL提供參考時(shí)鐘，設(shè)計(jì)為具有相對(duì)平坦的頻率-溫度斜率。得益于在同一芯片基板上僅間隔100 μm，兩個(gè)諧振器緊密熱耦合，消除了諧振器之間的熱梯度。

相比之下，基于石英的溫控晶體振蕩器（TCXO）中的溫度傳感器，集成在陶瓷封裝基板上石英諧振器下方的集成電路中。溫度傳感器和諧振器之間的空間分離在兩個(gè)元件之間產(chǎn)生了較大的熱梯度，當(dāng)受到快速熱瞬變時(shí)，會(huì)引入顯著的頻率誤差。

MEMS溫度補(bǔ)償架構(gòu)中的關(guān)鍵要素之一是溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其電路模塊產(chǎn)生的輸出頻率與兩個(gè)諧振器產(chǎn)生的頻率之比成正比。它具有30 μK溫度分辨率和高達(dá)350 Hz的帶寬，可以實(shí)現(xiàn)卓越的近端相位噪聲性能和艾倫方差（ADEV）性能。

典型溫度-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

ADEV是頻率穩(wěn)定性的時(shí)域度量。ADEV相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)方差的主要優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)大多數(shù)噪聲類型都收斂，可用于表征精密振蕩器的頻率穩(wěn)定性。良好的ADEV性能對(duì)于高超音速武器、衛(wèi)星通信和各種精密全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）等應(yīng)用至關(guān)重要。

快速熱瞬變的頻率響應(yīng)

下圖展示了DualMEMS架構(gòu)在快速熱瞬變中的優(yōu)勢(shì)。該示例展示了一支熱風(fēng)槍同時(shí)應(yīng)用于兩個(gè)器件的結(jié)果：一顆SiTime DualMEMS Super TCXO，一顆+/-50 ppb石英基TCXO。對(duì)于熱風(fēng)槍的刺激響應(yīng)，石英基TCXO與標(biāo)稱溫度的峰間偏差高達(dá)650 ppb，超過(guò)其規(guī)格表高達(dá)9倍。而DualMEMS Super TCXO的頻率變化很小，約為3 ppb或更低，遠(yuǎn)低于其100 ppb的參數(shù)限制。

快速升溫條件下，+/-50 ppb石英基TCXO與MEMS Super TCXO的響應(yīng)截圖

氣流是高超音速武器中的另一個(gè)系統(tǒng)壓力源，它會(huì)導(dǎo)致振蕩器熱流波動(dòng)引起的芯片溫度變化?？焖俚耐牧鳉饬鲿?huì)對(duì)從振蕩器到環(huán)境的熱流有更顯著的影響，并且在極端情況下，會(huì)引起振動(dòng)效應(yīng)。

電源噪聲抑制（PSNR）

除了外部壓力，高超音速武器系統(tǒng)還受到內(nèi)部系統(tǒng)的影響，例如電源噪聲，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。對(duì)于振蕩器來(lái)說(shuō)，在電源噪聲情況下保持低相位噪聲和抖動(dòng)以保持最佳系統(tǒng)性能至關(guān)重要。

電源噪聲抑制是振蕩器對(duì)電源噪聲適應(yīng)能力的度量。PSNR是輸出抖動(dòng)與電源引腳上注入的正弦抖動(dòng)振幅的比率。MEMS器件的低抖動(dòng)通過(guò)使用多個(gè)片上低壓差調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些調(diào)節(jié)器隔離了VCO和MEMS振蕩器等關(guān)鍵元件。下圖對(duì)比顯示了MEMS振蕩器與六家不同供應(yīng)商的石英振蕩器，MEMS振蕩器展示了優(yōu)異的峰間抖動(dòng)和PSNR。

MEMS DE-XO對(duì)比6款典型石英振蕩器的電源噪聲抑制

高超音速系統(tǒng)具有極高的機(jī)動(dòng)性和速度，將成為最有效的防御系統(tǒng)之一。高超音速系統(tǒng)需要承受惡劣的條件，例如極高的溫度、快速的溫度變化以及極端的沖擊和振動(dòng)水平。MEMS振蕩器的性能超越了傳統(tǒng)基于石英的時(shí)鐘方案，能夠滿足高超音速技術(shù)苛刻的性能和可靠性要求。

審核編輯：陳陳