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地震センサーアプリケーションにおける堅牢かつ正確なタイミングの重要性

地震センサーベースのシステムは、インフラストラクチャーの障害検出、地震検出、地質調査などのさまざまな産業用途に不可欠なツールです。これらの機器は、さまざまな環境で、多くの場合過酷な条件下で動作します。センサーは、動き、衝撃、急激に変化する温度、気流などの影響を受ける可能性がある構造物に取り付けたり、地下に設置したり、水中で使用したりできます。これらの地震センサーは、衛星基準が信頼できないものの、正確なタイムスタンプ付きデータが重要である遠隔地にも配備できます。このため、長期間の動作において信頼性の高い正確なタイムスタンプを保証するには、システム内で堅牢なタイミング基準を使用することが不可欠です。

図 1. 多様な場所および過酷な動的環境における地震センシング

TCXO (温度補償発振器) やOCXO (オーブン制御発振器) などの高精度発振器は、より高い精度を提供するように設計されており、地震センサー アプリケーションのタイミング基準としてよく選ばれます。どちらのタイプの発振器も、温度補償回路によって実現される ppb レベル (10 億分の 1) レベルの安定性を実現できます。 OCXO の場合、デバイス内の周囲温度の一貫性を高めるために追加の発熱体が使用されます。これらすべては、急激な温度過渡下でも高レベルの安定性を維持するように設計されています。

ビデオを見る: 地震センサー用の MEMS タイミング ソリューション

地震センサー用途に最適化されたMEMS Super TCXO

新しい MEMS テクノロジーにより、最低 50 ppb の温度安定性、超低温度勾配、最大 105°C の動作温度を備えた OCXO レベルのパフォーマンスを提供する新世代のSuper-TCXOが可能になり、これらすべてが地震検知用に最適化されています。 。これらの高精度 Super-TCXO は、DualMEMS™ ダイと、独自の温度補償スキームおよび低ノイズ周波数シンセサイザーを備えた混合信号 CMOS IC で構成される新しいアーキテクチャに基づいています。

遅延を解消する設計

DualMEMS を構成する 2 つのシリコン MEMS 共振器は、単一のダイ上に一緒に製造されます。 1 つの共振器は、SiTime の TempFlat™ MEMS テクノロジーを使用して設計されており、温度全体にわたって平坦な周波数応答を実現します。 2 番目の共振器は、非常に正確な温度センサーとして機能するように設計されています。これら 2 つの MEMS は、物理的に可能な限り互いに100 µm以内に配置されているため、熱的に結合されています。水晶ベースの TCXO とは異なり、MEMS 共振器と温度センサーおよび補償回路の間に遅延は事実上ありません。 DualMEMS アーキテクチャにより、温度変化に対する瞬時の応答が可能になり、図 2 に示すように周波数と温度の傾きが非常に平坦になります。

図 2. 正確なタイムスタンプを実現する最大 105 °C まで ±1 ppb/°C (dF/dT) を備えた Elite Platform™ Super-TCXO

耐衝撃性と耐振動性を備えた Super-TCXO

MEMS ベースの Super-TCXO は、業界をリードする耐衝撃性と耐振動性も備えており、極限環境での堅牢性を実現します。これは、極限の制御されていない環境に設置できる地震センサーにとって重要な要素です。 衝撃や振動によって性能が低下し、従来の水晶発振器が故障する可能性があります。水晶共振器は片持ち構造であり、機械的な力に非常に敏感です。振動による位相ノイズとジッター、衝撃による周波数スパイクが増加する傾向があります。対照的に、MEMS 共振器は質量が水晶共振器よりも 1000 ～ 3000 低いため、振動が少なくなります。これにより、振動による加速度によって共振器にかかる力が軽減されます。 SiTime MEMS 共振器は、バルク モードで面内で振動する硬い構造であり、本質的に耐振動性のある形状です。

GNSS 衛星基準に依存しない正確なタイミング

地震センサーのアプリケーションでは、一定のタイミング精度を維持することが重要です。 GNSS 衛星基準が利用できない場合、デジタル制御された Super-TCXO が動作に必要なタイミング精度を維持します。 I2C デジタル制御と 5 ppt (兆分の 1) の周波数ステアリング分解能を備えた TCXO は、図 3 に示すように、出力周波数を最後に受信した GNSS パルスに同期させるタイミング ループを作成します。タイムスタンプ センサー データは 1 ～ 2 秒以内の精度です。 2マイクロ秒。さらに、タイミング ループでI ² Cデジタル制御を使用すると、電圧制御に関連するノイズが排除されます。

図 3. Elite Platform™ Super-TCXO I ² C 周波数ステアリングによる周波数制御ループ

さらに、衛星時刻基準が一貫していない遠隔地に配備されることが多い地震センサーにとって、発振器の経年劣化が少ないことは非常に重要です。 Elite Platform の高精度 TCXO はわずか 300 ppb で劣化します 稼働初年度および 500 ppb  これは水晶発振器の劣化速度の 8 倍です。これにより、地震センサーは長期間の導入期間にわたって高精度と強力なデータ整合性を維持できます。

図 4. MEMS スーパー TCXO と比較した水晶 TCXO の発振器の経年劣化

地震センサーは、さまざまな過酷な環境や困難な条件において確実に動作する必要があります。 MEMS テクノロジーは本質的に信頼性があります。 SiTime TCXO の MTBF (平均故障間隔) は 19 億 6,000 万時間で、これは石英デバイスの約 50 倍です。これは、1 万件当たりの故障が 50 分の 1 に減少することに相当します。  水晶発振器よりも単位が短いです。

図 5. SiTime MEMS と水晶発振器の平均故障間隔 (MTBF)

地震センサー システムを設計する場合は、MEMS Super-TCXO を検討してください。これらの TCXO は、温度勾配に対する重要な安定性を提供し、正確なタイムスタンプを実現するとともに、超低経年劣化を実現して、システム内のタイミングが数十年にわたって正確に維持されることを保証します。最高の信頼性を提供し、最も過酷な環境下でも動作するタイミング ソリューションを選択することが重要です。

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関連リソース:

DualMEMS および TurboCompensation 温度検知テクノロジー

産業用アプリケーション向けのタイミング ソリューション

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