數(shù)十年來，基于石英的時鐘器件一直為航空航天和國防應用提供參考時鐘。盡管，多年來基于石英的振蕩器不斷增強以改進其缺點，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)）設計中的薄弱環(huán)節(jié)。

現(xiàn)在，該行業(yè)正在向基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的時鐘器件過渡，以克服其固有缺陷。基于MEMS的時鐘器件在許多關鍵指標上優(yōu)于石英基同類產品。MEMS時鐘器件體積更小、更可靠、堅固耐用，并且在時間、溫度、加速度和振動方面都非常穩(wěn)定，這使得它們更適合極端運行環(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、靈活機動的導彈和滑翔飛行器等，它們的設計速度在3000~15000 mph之間。它們能夠改變自己的軌跡，以避開探測和防御系統(tǒng)。其運行環(huán)境的高溫和高溫瞬變?yōu)闀r鐘器件、傳感器以及其它電子元件（包括天線罩和天線）帶來了挑戰(zhàn)。此外，高超音速系統(tǒng)中的時鐘器件面臨著獨特挑戰(zhàn)，因為它們需要同步任務計算、飛行控制、實時信號處理和通信，同時還面臨著許多環(huán)境挑戰(zhàn)，例如極端的溫度、壓力、振動、沖擊和極高的g值等。

MEMS時鐘技術

2006年，基于MEMS的振蕩器首次引入，隨后其時鐘技術應用不斷改進，例如溫度補償和鎖相環(huán)（PLL）技術等，以提供更高的頻率穩(wěn)定性，更低的抖動和相位噪聲。

MEMS時鐘器件設計不存在寄生模式穿過基本諧振模式，也沒有諧振器引入的活動下降。MEMS器件采用純硅單一機械結構，抗拉強度為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振蕩器的平均無故障時間（MTBF）超過20億小時，大約是石英振蕩器的50倍。

SiTime開發(fā)的MEMS振蕩器的平均無故障時間（MTBF）相比典型石英振蕩器具有顯著優(yōu)勢

MEMS振蕩器的污染物被控制在超低的ppb水平，同時，在1100°C的工藝步驟中對晶圓上的硅晶體進行逐步退火。這一過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制。下圖展示了MEMS振蕩器的典型10年老化率。

SiTime開發(fā)的MEMS振蕩器與石英振蕩器的老化率對比

基于石英的振蕩器通常封裝在開腔陶瓷封裝中，IC和諧振器用不同類型的粘合劑粘結到封裝基板上。此外，通過在石英諧振器上燒蝕或金屬沉積，單獨調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，這些質量負載使石英諧振器老化并降低可靠性。

相比之下，MEMS諧振器的質量比石英諧振器低約1000至3000倍，因此更耐沖擊和振動。由沖擊或振動施加在MEMS結構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。

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

15 Hz ~ 2 kHz振動頻率范圍MEMS單元的加速度靈敏度

抗沖擊是高超音速系統(tǒng)的另一個關鍵參數(shù)，也是MEMS技術優(yōu)于石英技術的指標之一。例如，SiTime Endura系列MEMS振蕩器通過了高達30000 g的沖擊測試，顯著高于大多數(shù)石英產品所能達到的水平。

振蕩器技術

MEMS技術的發(fā)展還帶來了額外優(yōu)勢，例如對快速溫度變化和低相位噪聲的適應能力。通過一個諧振器用作溫度傳感器，利用其相對陡峭但線性的-7 ppm/°C頻率溫度特性。另一個諧振器為下游PLL提供參考時鐘，設計為具有相對平坦的頻率-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元件之間產生了較大的熱梯度，當受到快速熱瞬變時，會引入顯著的頻率誤差。

MEMS溫度補償架構中的關鍵要素之一是溫度-數(shù)字轉換器。其電路模塊產生的輸出頻率與兩個諧振器產生的頻率之比成正比。它具有30 μK溫度分辨率和高達350 Hz的帶寬，可以實現(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)字轉換器

ADEV是頻率穩(wěn)定性的時域度量。ADEV相對于標準方差的主要優(yōu)點是它對大多數(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性能對于高超音速武器、衛(wèi)星通信和各種精密全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）等應用至關重要。

快速熱瞬變的頻率響應

下圖展示了DualMEMS架構在快速熱瞬變中的優(yōu)勢。該示例展示了一支熱風槍同時應用于兩個器件的結果：一顆SiTime DualMEMS Super TCXO，一顆+/-50 ppb石英基TCXO。對于熱風槍的刺激響應，石英基TCXO與標稱溫度的峰間偏差高達650 ppb，超過其規(guī)格表高達9倍。而DualMEMS Super TCXO的頻率變化很小，約為3 ppb或更低，遠低于其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的響應截圖

氣流是高超音速武器中的另一個系統(tǒng)壓力源，它會導致振蕩器熱流波動引起的芯片溫度變化。快速的湍流氣流會對從振蕩器到環(huán)境的熱流有更顯著的影響，并且在極端情況下，會引起振動效應。

電源噪聲抑制（PSNR）

除了外部壓力，高超音速武器系統(tǒng)還受到內部系統(tǒng)的影響，例如電源噪聲，會導致數(shù)據(jù)錯誤。對于振蕩器來說，在電源噪聲情況下保持低相位噪聲和抖動以保持最佳系統(tǒng)性能至關重要。

電源噪聲抑制是振蕩器對電源噪聲適應能力的度量。PSNR是輸出抖動與電源引腳上注入的正弦抖動振幅的比率。MEMS器件的低抖動通過使用多個片上低壓差調節(jié)器來實現(xiàn)，這些調節(jié)器隔離了VCO和MEMS振蕩器等關鍵元件。下圖對比顯示了MEMS振蕩器與六家不同供應商的石英振蕩器，MEMS振蕩器展示了優(yōu)異的峰間抖動和PSNR。

MEMS DE-XO對比6款典型石英振蕩器的電源噪聲抑制

高超音速系統(tǒng)具有極高的機動性和速度，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水平。MEMS振蕩器的性能超越了傳統(tǒng)基于石英的時鐘方案，能夠滿足高超音速技術苛刻的性能和可靠性要求。

審核編輯：陳陳