介紹

所有電子產(chǎn)品在其使用壽命期間都會(huì)受到?jīng)_擊和振動(dòng)。力量的范圍可以從攜帶在口袋或背包中的移動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品所經(jīng)歷的運(yùn)動(dòng)到工業(yè)設(shè)備或航空航天應(yīng)用的高振動(dòng)水平。即使建筑物中的固定產(chǎn)品也可能會(huì)受到附近風(fēng)扇或其他設(shè)備的振動(dòng)。因此，重要的是要考慮晶振等電子元件在存在沖擊和振動(dòng)時(shí)的性能。表1顯示了各種環(huán)境中的典型加速度水平。

沖擊和振動(dòng)會(huì)對(duì)元件和外殼造成物理?yè)p壞，導(dǎo)致PCB組件中的焊點(diǎn)失效，并降低電子元件的性能。時(shí)鐘振蕩器容易受到幾種不利影響：諧振器損壞，相位噪聲和振動(dòng)引起的抖動(dòng)，以及來(lái)自沖擊的頻率尖峰。

石英振蕩器中的晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu)，對(duì)振動(dòng)造成的損壞特別敏感。由于兩個(gè)原因，ILSI MMD MEMS諧振器基本上更加穩(wěn)健。首先，它們具有比石英諧振器小得多的質(zhì)量，這減小了由振動(dòng)引起的加速度施加到諧振器的力。其次，ILSI MMD MEMS振蕩器的專有設(shè)計(jì)包括非常硬的諧振器結(jié)構(gòu)，其以體模式在平面內(nèi)振動(dòng)，具有固有的抗振動(dòng)幾何結(jié)構(gòu)，以及振蕩器電路設(shè)計(jì)，其最小化振動(dòng)下的頻率偏移。

測(cè)試條件

由于外力可以在方向，持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度上變化，因此在各種測(cè)試條件下測(cè)量振蕩器的電響應(yīng)非常重要，以充分了解它們對(duì)沖擊和振動(dòng)的敏感性。ILSI MMD評(píng)估了石英晶體振蕩器對(duì)三種不同振動(dòng)或沖擊模式的響應(yīng)：（1）正弦振動(dòng)，（2）隨機(jī)振動(dòng)和（3）脈沖沖擊沖擊。經(jīng)過(guò)測(cè)試的設(shè)備都是商用產(chǎn)品，包括來(lái)自ILSI MMD和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的基于MEMS的振蕩器，以及來(lái)自幾家制造商的基于石英的振蕩器。我們包括具有表面聲波（SAW）晶體諧振器的石英振蕩器，已知在高工作頻率下具有低抖動(dòng)。

正弦振動(dòng)

第一次測(cè)試測(cè)量了頻率范圍為15 Hz至2 kHz的正弦振動(dòng)響應(yīng)。正弦振動(dòng)的周期性質(zhì)產(chǎn)生頻率調(diào)制，其在由振動(dòng)頻率抵消的頻率處引起相位噪聲頻譜中的雜散。為了表征振蕩器對(duì)振動(dòng)的敏感性，以dBc為單位的振動(dòng)引起的相位噪聲雜波被轉(zhuǎn)換為十億分之一（ppb）的等效頻移，然后通過(guò)正弦振動(dòng)的峰值加速度進(jìn)行歸一化，并以ppb/g表示。

振動(dòng)測(cè)試裝置由控制器，功率放大器和振動(dòng)器組成，如圖1和圖2所示。每個(gè)正弦振動(dòng)頻率（15,30,60,100,300,600,1000和2000Hz）的峰值加速度為4-g ）。每次掃描振動(dòng)頻率大約需要15到20分鐘，每個(gè)頻率點(diǎn)的停留時(shí)間約為1分鐘。振蕩器對(duì)外力的響應(yīng)是各向異性的，即它取決于振動(dòng)的方向。因此，在x，y和z方向上重復(fù)測(cè)試，參考封裝上的器件引腳1標(biāo)記和圖1所示的方向。這些圖顯示了每個(gè)振蕩器的最壞情況方向的數(shù)據(jù)。

隨機(jī)振動(dòng)

振蕩器在使用期間可能經(jīng)歷隨機(jī)振動(dòng)，其頻率范圍從幾Hz到幾kHz。這些振動(dòng)會(huì)增加寬帶相位噪聲。有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了隨機(jī)振動(dòng)曲線的測(cè)試條件，這些曲線隨預(yù)期的操作環(huán)境或測(cè)試的電子設(shè)備類型而變化。未找到參考源..我們根據(jù)MIL-STD-883H [2]，方法2026進(jìn)行了測(cè)試，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)最適用于電子元件。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了振動(dòng)曲線，并允許各種強(qiáng)度等級(jí)（見(jiàn)圖3）。條件B，復(fù)合功率水平為7.5-g rms，適用于高振動(dòng)的移動(dòng)環(huán)境。圖1測(cè)試裝置中的控制器使用數(shù)字信號(hào)處理來(lái)合成指定頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)，

隨機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致與振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的偏移處的相位噪聲增加。我們使用和不使用隨機(jī)振動(dòng)測(cè)量每個(gè)振蕩器的相位噪聲，并計(jì)算從15Hz到10kHz的積分相位抖動(dòng)值。然后可以從兩個(gè)值之間的均方根差導(dǎo)出誘導(dǎo)的抖動(dòng)。

休克

第三次測(cè)試測(cè)量了操作期間響應(yīng)沖擊影響的瞬態(tài)頻率偏差。該測(cè)試遵循MIL-STD-883H [2]，方法2002的規(guī)范，我們監(jiān)測(cè)瞬態(tài)頻率響應(yīng)為1毫秒半正弦波沖擊脈沖，加速度為500克。

MIL-STD-883H [2]，方法2002標(biāo)準(zhǔn)被廣泛用于在非工作模式下測(cè)試石英晶體振蕩器在機(jī)械沖擊下的生存能力。大多數(shù)商用石英晶體振蕩器在環(huán)境鑒定試驗(yàn)中規(guī)定為100-g至1500-g，而ILSI MMD MEMS振蕩器已達(dá)到10,000-g至50,000-g機(jī)械沖擊的環(huán)境認(rèn)證。

沖擊測(cè)試設(shè)置如圖4和圖5所示。與振動(dòng)測(cè)試方法類似，我們將振蕩器定向?yàn)樵趚，y和z方向上施加沖擊并測(cè)量最壞情況。連續(xù)每100μs進(jìn)行一次頻率測(cè)量，持續(xù)10秒，提供沖擊影響之前，期間和之后的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

正弦振動(dòng)

圖6顯示了受到正弦振動(dòng)的石英，SAW和MEMS差分振蕩器的振動(dòng)靈敏度結(jié)果。ILSI MMD MEMS振蕩器的性能比其他器件高出10到100倍。其他基于MEMS的振蕩器MEMS 2具有不同的諧振器設(shè)計(jì)和平面外振動(dòng)模式，其振動(dòng)靈敏度與石英相似和SAW濾波器設(shè)備。

單端振蕩器對(duì)正弦振動(dòng)不太敏感，如圖7中的數(shù)據(jù)所示，石英和MEMS性能之間的差異并不那么顯著。然而，在本研究中，ILSI MMD器件仍然優(yōu)于石英振蕩器。

隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)在載波頻率的低偏移處引起相位噪聲，如圖8中藍(lán)色（無(wú)振動(dòng)）和紅色（帶振動(dòng)）曲線之間的差異所示。雖然ILSI MMD MEMS振蕩器在接近相位噪聲時(shí)表現(xiàn)出更高的相位噪聲。在安靜的環(huán)境中測(cè)試，添加隨機(jī)振動(dòng)不會(huì)顯著增加相位噪聲。相比之下，兩種基于SAW的器件在隨機(jī)振動(dòng)下都顯示出相位噪聲的顯著增加。這種降級(jí)水平可能對(duì)對(duì)近距離相位噪聲敏感的系統(tǒng)有害，并顯示實(shí)際條件下的器件可能與數(shù)據(jù)表規(guī)格的不同。

八個(gè)差分振蕩器的誘導(dǎo)抖動(dòng)計(jì)算結(jié)果如圖9所示。盡管在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試時(shí)，許多振蕩器都表現(xiàn)出低相位噪聲，但考慮隨機(jī)振動(dòng)引起的額外抖動(dòng)非常重要。大多數(shù)測(cè)試的振蕩器表現(xiàn)出明顯的抖動(dòng)增加，從近20到超過(guò)100ps rms。相比之下，SiTime MEMS振蕩器相對(duì)不受隨機(jī)振動(dòng)的影響。

休克

比較差分振蕩器沖擊測(cè)試的最大瞬態(tài)頻率偏差的總體結(jié)果如圖10所示.SAW器件（石英4和石英7）對(duì)沖擊特別敏感，瞬態(tài)頻率尖峰超過(guò)10ppm。其他石英器件表現(xiàn)出2至7ppm的峰值頻率偏差。唯一的例外是ILSI MMD設(shè)備，它表明瞬態(tài)頻率偏差小于1ppm。圖11中單端LVCMOS振蕩器的結(jié)果證實(shí)了ILSI MMD MEMS振蕩器的抗沖擊性。

對(duì)于所有測(cè)試的八個(gè)差分晶振，圖12中顯示了實(shí)驗(yàn)中記錄的頻率穩(wěn)定性與時(shí)間的關(guān)系圖。表示在x，y或z方向上施加的沖擊脈沖的跡線疊加在相同的刻度上以顯示方向?qū)箾_擊性的影響。

結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)良好的電子元件在存在沖擊和振動(dòng)的現(xiàn)實(shí)條件下可能不會(huì)表現(xiàn)出相同的性能。ILSI MMD MEMS振蕩器在沖擊和振動(dòng)的可生存性方面實(shí)現(xiàn)了非常高的質(zhì)量和環(huán)境可靠性評(píng)級(jí)。現(xiàn)在，關(guān)于沖擊和振動(dòng)測(cè)試中的相位噪聲和抖動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明ILSI MMD MEMS振蕩器，有源晶振不僅能夠存活，而且在這些條件下表現(xiàn)非常好。這種對(duì)機(jī)械沖擊和振動(dòng)的抵抗是MEMS器件技術(shù)的基本進(jìn)步和ILSI MMD專有的MEMS諧振器設(shè)計(jì)和精密振蕩器模擬電路的結(jié)果。