環境	加速典型-G級別
靜態建筑	0.02rms
牽引車-拖車(3至80赫茲)	0.2peak
裝甲運兵車	0.5to3rms
船只——平靜的海洋	0.02to0.1peak
鐵路	0.1to1peak
船舶——洶涌的大海	0.8peak
螺旋槳飛機	0.3to5rms
直升飛機	0.1to7rms
噴氣式飛機	0.02to2rms
導彈——助推階段	15peak

沖擊和振動不僅會對零件本體和封裝造成物理上的損傷,還可能會引起PCB組件的焊錫接合不良.而且會降低電子部件自身的性能.振蕩器容易受到振動等外部因素的性能影響.例如振子本身的損傷、相位噪聲的增加、抖動的增加、尖峰噪聲的發生.石英振蕩器,石英振子由懸臂結構(懸臂)支撐,對振動造成的損傷非常敏感.SiTime晶振公司的MEMS諧振器基本上比兩個理由更強的振動.一個是比石英振子的質量要小得多,由振動誘發的加速度向振子施加的力也減輕了.第二,SiTime的MEMS振蕩器的設計是由非常硬的構造(在固體模式下面內振動的設計,本質上具備耐振動性的形狀設計,使振動下的頻移最小化的振蕩電路設計)構成的.
測試條件
由于外部因素可能會改變方向,持續時間和強度,因此在各種測試條件(如沖擊和振動靈敏度)下測量貼片振蕩器的電響應非常重要.因此,SiTime使用如表2所示的市售產品(包括SiTime和晶體振蕩器的MEMS振蕩器),以及“正弦波振動”,“隨機振動”和“脈沖沖擊”的三種不同的振動和沖擊.評估了振蕩器本身的響應精度.其中包括已知在高工作頻率下具有低抖動的SAW晶體.
表2.測試中的振蕩器器件;單端器件(藍色陰影)工作頻率為26MHz,差分器件(綠色陰影)工作頻率為156.25MHz

正弦波振動
最初,響應是在15Hz至2kHz范圍內的正弦振動下測量的.它產生具有正弦振蕩周期的頻率調制,并通過頻率噪聲引起相位調制(通常稱為“雜散”).通過表征石英晶體振蕩器對振動的靈敏度,以dBc為單位的雜散感應相位噪聲雜散可以用十億分之一(ppb)表示,并通過正弦振動的峰值加速度歸一化,得到ppb/它可以以g為單位表示.振動測試由控制器,功率放大器和振動器組成,如圖1和圖2所示,峰值加速度是每個正弦波振動的頻率(15,30,60,100,300,600,1000和2000Hz))每個將是4克.
此外,每個振動頻率的掃描時間約為15至20分鐘.每個頻率點的停留時間約為一分鐘.振蕩器的響應是各向異性的,即取決于振蕩的方向.因此,測試重復相對于圖1中所示的封裝和方向中的器件的1引腳標記的x,y和z方向上的振蕩.然后繪制每個振蕩器的最壞情況方向數據.

圖1.正弦和隨機振動測試設置

圖2.振動測試設備的照片：(a)振動器,(b)設備安裝塊,(c)相位噪聲分析儀

隨機振動
OSC振蕩器在使用過程中可能會出現隨機振動.它的范圍從幾Hz到幾kHz.這些振蕩會增加寬帶相位噪聲.有幾個標準規定了隨機振動變化的測試條件,具體取決于所測試的電子設備類型和預期的操作環境[1].因此我們根據MILSTD-883H(方法2026)[2]進行了測試,最適合電子元件.該標準規定了振動曲線,可以指定不同的強度等級(見圖3).其中,條件B是7.5-GrmsRMS的組合功率水平,適用于易受高振動應力影響的移動環境.
圖1中測試系統中的控制器使用數字信號處理,根據振動曲線中定義的功率密度水平,在指定的頻率范圍內合成隨機振動.

圖3.隨機振動測試的MIL-STD-883H規范[2]

隨機振動導致相應于振動頻率的偏移頻率處的相位噪聲增加.為了計算相位抖動的這種增加,我們在有和沒有隨機振動的兩種條件下測量每個晶振在15Hz到10kHz頻帶內的相位噪聲,并計算兩個值之間的均方根.計算平方根差.
影響
在第三次測試中,響應沖擊影響的運行期間的瞬態頻率偏差由MIL-STD-883H(方法2002)[2]確定.根據規格測量我們測量了半波的瞬態頻率響應,加速度為500g,1ms半幅應用為1ms正弦沖擊脈沖.MIL-STD-883H[2]標準被廣泛用作非工作模式下機械沖擊下晶體振蕩器的存活測試.SiTime的MEMS振蕩器已通過10,000克至50,000克機械沖擊的鑒定測試,但大多數商用晶體振蕩器僅為100克至1500克.
沖擊試驗環境如圖4和圖5所示.它類似于振動測試的方法.我們在x,y和z方向上震動了SPXO振蕩器并進行了最壞的情況測量.每100μs連續測量頻率10秒,并且在撞擊之前,期間和之后獲得頻率響應的數據.

圖4.機械沖擊測試設置

圖5.沖擊測試設備的照片：(a)沖擊測試儀和(b)安裝塊

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Oscillator與MEMS的抗振性和抗沖擊性比較

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