発振器の経年変化と正確なタイミングにおけるその重要性
周波数の安定性は、発振器の最も基本的な性能仕様です。これは出力周波数の偏差を表し、通常は百万分率 (ppm) または十億分率 (ppb) で表されます。安定性の数値が小さいほど、パフォーマンスが優れていることを意味します。周波数の変化は、温度変化、電源電圧の変化、出力負荷の変化、周波数の経年変化などのいくつかの条件によって引き起こされる可能性があります。このブログでは、エージング、つまり一定期間にわたる発振器周波数の変化に焦点を当てます。
低老化はなぜ重要ですか?
経年変化は重要なパラメータであり、多くのアプリケーションでシステム設計時に考慮する必要があります。これは、非常に安定した周波数基準を必要とするシステム、つまり 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を使用するシステムでは特に重要です。
たとえば、高精度発振器は、安定したバックアップ周波数源を提供するために、ネットワーク インフラストラクチャや高精度測定機器でよく使用されます。これらのアプリケーションでは、OCXO (場合によっては TCXO) は、GPS などの外部ソースが失われた場合にローカル クロックとして機能します。ホールドオーバーは、システムが外部基準信号との接続を一時的に失い、ローカル ソースに切り替わるときの動作モードです。この場合、局部発振器である OCXO または TCXO は、数時間から数日間にわたって非常に安定した状態を維持する必要があり、経年変化が重要な要素となります。
周波数エージング理論の詳細については 、OCXO および TCXO におけるエージング ホワイトペーパーをお読みください。この議論は、水晶ベースおよび MEMS ベースの発振器の経年劣化に影響を与える重要な要因を深く掘り下げることから始まります。次に、数学的経年劣化モデルを使用して、MEMS と水晶発振器の間で予測される長期経年劣化性能と実際の経年劣化測定結果を比較します。数学的老化モデルの外挿を通じて、長期的なパフォーマンス予測が行われます。将来の研究に対する推奨事項が提示され、経年劣化特性を改善するための経年劣化補償アルゴリズムが提案されます。
発振器の劣化の原因は何ですか?
経年劣化は、発振器内の内部変化によって引き起こされます。老化の原因は主に2つあります。 1 つの理由は質量負荷であり、もう 1 つは応力の軽減です。水晶発振器の経年劣化の根本的な原因は、主に製造プロセス、構造設計、およびデバイス内のさまざまな材料の使用によるものです。水晶振動子の製造過程では、表面のクラック、加工時の研磨磨耗、水晶と電極膜との結合力などの残留応力状態が現れます。材料の熱膨張係数が異なると、界面に応力が発生します。さらに、水晶振動子に使用されているシリコン接着剤は熱により分解し、質量の蓄積を引き起こします。
水晶ベースの発振器は、汚染や構造内の応力緩和により経年劣化を起こしやすい材料を使用しています。
対照的に、MEMS 共振器は、ガス放出特性のない安定したシリコン材料を使用します。 SiTime シリコン MEMS 共振器の製造プロセスでは、ダイシングソーや水晶共振器の研磨中に混入するような汚染物質が混入しません。 SiTime 独自のEpiSeal® プロセスは、 1000 °C 以上の高温下でウェハスケールのシリコン/ポリシリコンにカプセル化された超クリーンな MEMS 共振器を形成します。内部残留応力は、結晶格子を通って移動する原子によって解放されます。これにより、汚染物質が侵入しないクリーンな真空環境が形成されます。最終的な効果は、共振器の経年劣化が極めて少ないことです。
長期間の動作でもクリーンで安定した状態を保つプロセスと材料を使用して製造された SiTime MEMS 共振器の断面図。
MEMS およびクォーツの経年劣化性能
MEMS 発振器と水晶ベースの発振器の経年変化の違いを以下のプロットに示します。このプロットは、MEMS ベースの Super-TCXO® (Elite X™ SiT5501) と石英ベースの小型 OCXO (どちらも Stratum 3E レベルの発振器) について、初日に正規化された 30 日間のエージング測定データを示しています。クォーツ OCXO と SiT5501 は両方とも、電源投入時に正の経年変化を示します。ただし、時間の経過とともに、ほとんどの水晶 OCXO DUT の負の経年劣化係数は正の経年劣化係数よりも大きくなり、徐々に減少する負の勾配をとります。
逆に、SiT5501 はすぐに安定し、30 日間の動作でもオフセットは 20 ppb 未満です。さらに、石英加工プロセスの制限により、石英 OCXO のグループ間のエージング速度のばらつきが SiT5501 よりも大幅に大きく、潜在的な故障のもう 1 つの要因となります。一般に、エージング率の仕様は 30 日間の動作後に定義されます。
MEMSベースのSiT5501 Elite X Super-TCXOの周波数偏差（赤）
vs 小型石英OCXO（青）
老化は避けられない、不可逆的なプロセスです。ただし、妥協できないカプセル化シリコン共振器を製造するシリコン MEMS 製造プロセスの利点を活用することで、周波数の経年変化を低減することができます。
…………………………………………
この記事への貢献に対し、SiTime のカスタマー エンジニアである Johnson Hsu に感謝します。
関連リソース
製品：
論文:
Timing Essential Learning Hub コース:
メールアドレスを入力して最新情報を入手してください。
メディア連絡先
pr@sitime.com