Seismische sensorbasierte Systeme sind ein wesentliches Werkzeug in verschiedenen industriellen Anwendungen, einschließlich der Erkennung von Infrastrukturfehlern, der Erdbebenerkennung und der geologischen Erkundung. Diese Instrumente werden in unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt, oft unter rauen Bedingungen. Sensoren können an Strukturen angebracht, unter der Erde platziert oder unter Wasser eingesetzt werden, wo sie Bewegungen, Stößen, sich schnell ändernden Temperaturen und Luftströmungen ausgesetzt sein können. Diese seismischen Sensoren können auch an abgelegenen Orten eingesetzt werden, an denen die Satellitenreferenz unzuverlässig ist, genaue zeitgestempelte Daten jedoch von entscheidender Bedeutung sind. Aus diesem Grund ist die Verwendung einer robusten Zeitreferenz innerhalb des Systems unerlässlich, um eine zuverlässige und präzise Zeitstempelung für längere Betriebsperioden sicherzustellen.
Abbildung 1. Seismische Erfassung an verschiedenen Orten und in rauen dynamischen Umgebungen
Präzisionsoszillatoren wie TCXOs (temperaturkompensierte Oszillatoren) und OCXOs (ofengesteuerte Oszillatoren), die für eine noch höhere Genauigkeit ausgelegt sind, sind häufig die Timing-Referenz der Wahl für seismische Sensoranwendungen. Beide Arten von Oszillatoren können eine Stabilität im ppb-Bereich (Teile pro Milliarde) bieten, die durch Temperaturkompensationsschaltungen erreicht wird. Bei OCXOs wird ein zusätzliches Heizelement verwendet, um die Konstanz der Umgebungstemperatur im Inneren des Geräts zu erhöhen. All dies ist darauf ausgelegt, ein hohes Maß an Stabilität bei schnellen Temperaturschwankungen aufrechtzuerhalten.
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MEMS Super-TCXO optimiert für seismische Sensoranwendungen
Die neue MEMS-Technologie hat eine neue Generation von Super-TCXOs ermöglicht, die eine Leistung auf OCXO-Niveau mit einer Temperaturstabilität von nur 50 ppb, einem extrem niedrigen Temperaturanstieg und Betriebstemperaturen von bis zu 105 °C bieten, die alle für die seismische Erfassung optimiert sind . Diese Präzisions-Super-TCXOs basieren auf einer neuartigen Architektur, die aus einem DualMEMS™-Chip und einem Mixed-Signal-CMOS-IC mit einem proprietären Temperaturkompensationsschema und einem rauscharmen Frequenzsynthesizer besteht.
Entwickelt, um Verzögerungen zu beseitigen
Die beiden Silizium-MEMS-Resonatoren, aus denen das DualMEMS besteht, werden gemeinsam auf einem einzigen Chip hergestellt. Ein Resonator wurde mit der TempFlat™ MEMS-Technologie von SiTime entwickelt, um einen flachen Frequenzgang über die Temperatur zu erzielen. Der zweite Resonator dient als äußerst genauer Temperatursensor. Diese beiden MEMS sind thermisch gekoppelt, da sie maximal 100 µm voneinander entfernt sind und so nah wie möglich beieinander liegen. Im Gegensatz zu TCXOs auf Quarzbasis gibt es praktisch keine Verzögerung zwischen dem MEMS-Resonator und den Temperatursensor- und Kompensationsschaltungen. Die DualMEMS-Architektur ermöglicht eine sofortige Reaktion auf Temperaturschwankungen, was zu einem extrem flachen Frequenz-Temperatur-Anstieg führt, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2. Elite Platform™ Super-TCXO mit ±1 ppb/°C (dF/dT) bis zu 105 °C für genaue Zeitstempelung
Stoß- und vibrationsbeständige Super-TCXOs
MEMS-basierte Super-TCXOs bieten außerdem branchenführende Stoß- und Vibrationsfestigkeit für extreme Umweltrobustheit – ein entscheidender Faktor für seismische Sensoren, die in extremen und unkontrollierten Umgebungen eingesetzt werden können. Stoß- und Vibrationskräfte können die Leistung beeinträchtigen und zum Ausfall herkömmlicher Quarzkristalloszillatoren führen. Kristallresonatoren sind freitragende Strukturen, die sehr empfindlich auf mechanische Kräfte reagieren können. Sie sind anfällig für erhöhtes Phasenrauschen und Jitter durch Vibrationen sowie Frequenzspitzen durch Stöße. Im Gegensatz dazu unterliegen MEMS-Resonatoren weniger Vibrationen, da ihre Masse 1000 bis 3000 geringer ist als die von Quarzresonatoren. Dies reduziert die Kraft, die durch vibrationsinduzierte Beschleunigung auf den Resonator ausgeübt wird. SiTime-MEMS-Resonatoren sind steife Strukturen, die im Bulk-Modus in der Ebene schwingen, eine Geometrie, die von Natur aus vibrationsbeständig ist.
Präzises Timing unabhängig von der GNSS-Satellitenreferenz
Bei seismischen Sensoranwendungen ist es wichtig, eine konstante Zeitgenauigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn die GNSS-Satellitenreferenz nicht verfügbar ist, behält der digital gesteuerte Super-TCXO die für den Betrieb erforderliche Zeitgenauigkeit bei. Mit der digitalen I2C-Steuerung und einer Frequenzsteuerungsauflösung von 5 ppt (parts per trillion) erstellt der TCXO eine Zeitschleife, die die Ausgangsfrequenz mit dem letzten empfangenen GNSS-Impuls synchronisiert, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Zeitstempel-Sensordaten sind innerhalb von 1 to genau 2 Mikrosekunden. Darüber hinaus eliminiert die Verwendung der digitalen I 2 C -Steuerung in der Zeitschleife das mit der Spannungssteuerung verbundene Rauschen.
Abbildung 3. Frequenzregelkreis mit Elite Platform™ Super-TCXO I 2 C-Frequenzsteuerung
Darüber hinaus ist eine geringe Alterung des Oszillators von entscheidender Bedeutung für seismische Sensoren, die häufig an abgelegenen Orten mit inkonsistenter Satellitenzeitreferenz eingesetzt werden. Präzisions-TCXOs der Elite-Plattform altern nur 300 ppb im ersten Betriebsjahr und 500 ppb über zwanzig Jahre, was achtmal besser ist als die Alterungsrate von Quarzoszillatoren. Dadurch können seismische Sensoren über lange Einsatzzeiträume hinweg eine hohe Genauigkeit und starke Datenintegrität aufrechterhalten.
Abbildung 4. Oszillatoralterung von Quarz-TCXOs im Vergleich zu MEMS-Super-TCXOs
Seismische Sensoren müssen in einer Vielzahl rauer Umgebungen und unter schwierigen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Die MEMS-Technologie ist von Natur aus zuverlässig. Die MTBF (mittlere Zeit zwischen Ausfällen) von SiTime TCXOs beträgt 1.960 Millionen Stunden, was etwa 50-mal besser ist als bei Quarzgeräten. Das bedeutet 50-mal weniger Ausfälle pro Zehntausend Einheiten als Quarzoszillatoren.
Abbildung 5. Mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) von SiTime MEMS und Quarzoszillatoren
Ziehen Sie beim Entwurf eines seismischen Sensorsystems MEMS-Super-TCXOs in Betracht. Diese TCXOs bieten eine entscheidende Stabilität über den Temperaturanstieg für eine genaue Zeitstempelung sowie eine äußerst geringe Alterung, um sicherzustellen, dass die Zeitsteuerung innerhalb des Systems über Jahrzehnte hinweg genau bleibt. Es ist wichtig, Timing-Lösungen auszuwählen, die höchste Zuverlässigkeit bieten und auch unter härtesten Umgebungsbedingungen funktionieren.
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Vielen Dank an Robin Ash für ihren Beitrag zu diesem Artikel.