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坚固且准确的定时在地震传感器应用中的重要性

基于地震传感器的系统是基础设施故障检测、地震检测和地质勘探等各种工业应用中的重要工具。这些仪器在不同的环境中运行，通常是在恶劣的条件下。传感器可以连接到结构上、放置在地下或在水下使用，它们可能会受到运动、冲击、快速变化的温度和气流的影响。这些地震传感器还可以部署在卫星参考不可靠但准确的时间戳数据至关重要的偏远地区。因此，在系统内使用强大的定时参考对于确保长时间运行时可靠且精确的时间戳至关重要。

图 1. 不同地点和恶劣动态环境中的地震传感

TCXO （温度补偿振荡器）和OCXO （恒温振荡器）等精密振荡器旨在提供更高的精度，通常是地震传感器应用选择的定时参考。两种类型的振荡器均可提供通过温度补偿电路实现的 ppb 级（十亿分之一）稳定性。对于 OCXO，使用附加的加热元件来提高设备内部环境温度的一致性。所有这些都是为了在快速温度瞬变下保持高度稳定性而设计的。

观看视频：用于地震传感器的 MEMS 计时解决方案

MEMS Super-TCXO 针对地震传感器应用进行了优化

新的 MEMS 技术使新一代Super-TCXO成为可能，可提供 OCXO 级性能、低至 50 ppb 的温度稳定性、超低温度斜率和高达 105°C 的工作温度，所有这些都针对地震传感进行了优化。这些精密 Super-TCXO 基于新颖的架构，该架构由 DualMEMS™ 芯片和混合信号 CMOS IC 组成，并具有专有的温度补偿方案和低噪声频率合成器。

旨在消除滞后

构成 DualMEMS 的两个硅 MEMS 谐振器在单个芯片上共同制造。一种谐振器采用 SiTime 的 TempFlat™ MEMS 技术设计，可在整个温度范围内实现平坦的频率响应。第二个谐振器设计用作极其精确的温度传感器。这两个 MEMS 是热耦合的，因为它们彼此之间的距离在 100 µm以内，物理上尽可能靠近。与基于石英的 TCXO 不同，MEMS 谐振器与温度传感器和补偿电路之间几乎不存在滞后。 DualMEMS 架构能够对温度变化做出瞬时响应，从而产生极其平坦的频率-温度斜率，如图 2 所示。

图 2. Elite Platform™ Super-TCXO 在高达 105°C 的温度下具有 ±1 ppb/°C (dF/dT)，可实现准确的时间戳

抗冲击和抗振动超级 TCXO

基于 MEMS 的 Super-TCXO 还提供业界领先的抗冲击和抗振动能力，以实现极端环境的稳健性，这是可部署在极端和不受控制的环境中的地震传感器的关键因素。 冲击和振动力会降低性能并导致传统石英晶体振荡器失效。晶体谐振器是悬臂结构，对机械力非常敏感。它们很容易因振动而增加相位噪声和抖动，以及因冲击而产生频率尖峰。相比之下，MEMS 谐振器的振动较小，因为其质量比石英谐振器低 1000 到 3000。这减少了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。 SiTime MEMS 谐振器是刚性结构，可在体模式下进行平面内振动，这种几何形状本质上是抗振的。

独立于 GNSS 卫星参考的精确授时

在地震传感器应用中保持恒定的定时精度非常重要。当 GNSS 卫星参考不可用时，数控 Super-TCXO 将保持操作所需的授时精度。通过 I2C 数字控制和 5 ppt（万亿分之一）的频率控制分辨率，TCXO 创建一个定时环路，将输出频率与最后接收到的 GNSS 脉冲同步，如图 3 所示。时间戳传感器数据的精确度在 1 到2微秒。此外，在定时环路中使用I ² C数字控制可以消除与电压控制相关的噪声。

图 3.采用 Elite Platform™ Super-TCXO I ² C 频率控制的频率控制环路

此外，低振荡器老化对于地震传感器至关重要，因为地震传感器通常部署在卫星时间参考不一致的偏远地区。 Elite Platform 精密 TCXO 寿命仅为 300 ppb  运行第一年期间和 500 ppb  二十多年，比石英振荡器的老化速度快八倍。这使得地震传感器能够在长期部署期间保持高精度和强大的数据完整性。

图 4. 石英 TCXO 与 MEMS Super-TCXO 的振荡器老化对比

地震传感器需要在各种恶劣环境和困难条件下可靠运行。 MEMS 技术本质上是可靠的。 SiTime TCXO 的 MTBF（平均故障间隔时间）为 19.6 亿小时，比石英器件长约 50 倍。这意味着每万次故障减少 50 倍 单位比石英振荡器。

图 5. SiTime MEMS 和石英振荡器的平均故障间隔时间 (MTBF)

设计地震传感器系统时，请考虑 MEMS Super-TCXO。这些 TCXO 在温度斜率范围内提供关键的稳定性，可实现准确的时间戳以及超低老化，以确保系统内的计时在数十年内保持准确。选择提供最高可靠性并在最恶劣环境下运行的计时解决方案非常重要。

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相关资源：

DualMEMS 和 TurboCompensation 温度传感技术

工业应用的计时解决方案

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感谢 Robin Ash 对本文的贡献。