SiTime振荡器老化原因

频率稳定性是振荡器最基本的性能指标。它代表输出频率的偏差，通常用百万分率(ppm)或十亿分率(ppb)表示。较小的稳定性数值意味着更好的性能。温度变化、电源电压变化、输出负载变化和频率老化等多种情况都可能导致频率变化。在这篇博客中，我们关注老化，即振荡器频率在一定时间内的变化。

为什么低老化很重要？

老化是一个重要的参数，在许多应用中，在系统设计期间必须加以考虑。在需要非常稳定的频率基准的系统中，这一点尤其重要，这些系统使用精密振荡器，如TCXOs(温度补偿晶振)和OCXOs(恒温控制振荡器)。

例如，精密振荡器通常用于网络基础设施和高精度测量设备，以提供稳定的备用频率源。在这些应用中，OCXO(在某些情况下是TCXO)在失去外部源(如GPS)的情况下充当本地时钟。保持模式是指系统暂时失去与外部基准信号的连接，转而使用本地信号源的工作模式。在这种情况下，本地振荡器，OCXO或TCXO，必须从几个小时到几天保持极度稳定，使得老化成为一个关键因素。

振荡器老化的原因是什么？

老化是由振荡器内部变化引起的。衰老的原因主要有两个。一个原因是质量负荷，另一个原因是应力释放。石英振荡器老化的根本原因主要是由于制造工艺、结构设计和器件中各种材料的使用。在石英谐振器的制造过程中，残余应力条件表现为例如表面裂纹、加工过程中的抛光磨损以及石英和电极膜之间的结合力。材料的不同热膨胀系数会在界面上产生应力。此外，石英振荡器中使用的硅胶在受热时会分解，导致质量堆积。

图像

石英振荡器使用的材料由于结构中的污染和应力释放而容易老化。

相比之下，MEMS谐振器使用稳定的硅材料，没有除气特性。SiTime晶振MEMS谐振器的制造工艺不会引入诸如在切割锯或抛光石英谐振器期间引入的污染物。SiTime的专有附加过程形成超净MEMS谐振器，在超过1000℃的高温下封装在晶圆级硅/多晶硅中。内部残余应力由通过晶格迁移的原子释放。这创造了一个清洁的真空环境，不会被污染物侵入。净效应是谐振器具有极低的老化。

图像

SiTime MEMS谐振器的横截面，其制造工艺和材料可在长期运行中保持清洁和稳定。

MEMS和石英老化性能

MEMS和石英晶体振荡器之间的老化差异如下图所示。该图显示了基于MEMS的超级TCXO(Elite X sit 5501)和基于石英的小型化OCXO(两者均为3E层振荡器)的30天老化测量数据(归一化至第一天)。石英OCXO和SiT5501在通电时都有正老化现象。然而，随着时间的推移，大多数石英OCXO dut的负老化因子变得大于正老化因子，呈现逐渐下降的负斜率。

相反，SiT5501石英晶振很快变得稳定，在30天的操作下，偏移小于20 ppb。此外，由于石英加工工艺的限制，石英OCXOs组之间的老化率可变性明显大于SiT5501，成为潜在故障的另一个因素。通常，老化率规格将在运行30天后确定。

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衰老是一个不可避免且不可逆转的过程。然而，可以通过利用硅MEMS制造工艺的优势来降低频率老化偏差，这种硅MEMS制造工艺生产出不会受到损害的封装硅谐振器。