振荡器老化及其在精密计时中的重要性
频率稳定性是振荡器最基本的性能指标。它表示输出频率的偏差，通常以百万分之一（ppm）或十亿分之一（ppb）表示。稳定性数字越小意味着性能越好。频率变化可能是由多种条件引起的，例如温度变化、电源电压变化、输出负载变化和频率老化。在本博客中，我们重点关注老化，即振荡器频率在一定时间内的变化。
为什么低老化很重要？
老化是一个重要参数，在许多应用的系统设计过程中必须予以考虑。对于需要非常稳定的频率参考的系统（使用 TCXO（温度补偿振荡器）和 OCXO（恒温振荡器）等精密振荡器的系统）来说，这一点尤其重要。
例如，精密振荡器通常用于网络基础设施和高精度测量设备中，以提供稳定的备用频率源。在这些应用中，OCXO（在某些情况下还包括 TCXO）在 GPS 等外部源丢失时充当本地时钟。保持是系统暂时失去与外部参考信号的连接并切换到本地源时的操作模式。在这种情况下，本地振荡器（OCXO 或 TCXO）必须在几小时到几天内保持极其稳定，这使得老化成为一个关键因素。
请阅读我们的OCXO 和 TCXO 老化白皮书，了解有关频率老化理论的更多信息。讨论首先深入探讨影响石英和 MEMS 振荡器老化的关键因素。然后使用数学老化模型将 MEMS 和石英振荡器的预测长期老化性能与实际老化测量结果进行比较。通过数学老化模型的推断，可以做出长期性能预测。提出了未来工作的建议，并提出了一种改善老化特性的老化补偿算法。
是什么原因导致振荡器老化？
老化是由振荡器内部变化引起的。衰老有两个主要原因。一个原因是质量负载，另一个原因是应力释放。石英振荡器老化的根本原因主要是由于器件的制造工艺、结构设计和各种材料的使用。在石英谐振器的制造过程中，残余应力条件会表现出来，例如表面裂纹、加工过程中的抛光磨损以及石英与电极膜之间的结合力。材料的热膨胀系数不同，导致界面处产生应力。此外，石英振荡器中使用的硅胶在受热下会分解并导致质量积累。
石英振荡器使用的材料由于结构中的污染和应力消除而容易老化。
相比之下，MEMS 谐振器使用稳定的硅材料，无排气特性。 SiTime 硅 MEMS 谐振器的制造过程不会引入污染物，例如在石英谐振器切割或抛光过程中引入的污染物。 SiTime 专有的EpiSeal® 工艺可形成超洁净的 MEMS 谐振器，并在超过 1000 °C 的高温下封装在晶圆级硅/多晶硅中。内部残余应力由穿过晶格的原子释放。这创造了一个干净的真空环境，不会被污染物侵入。最终效果是谐振器的老化率极低。
使用在长期运行下保持清洁和稳定的工艺和材料制造的 SiTime MEMS 谐振器的横截面。
MEMS 和石英老化性能
下图展示了 MEMS 振荡器和石英振荡器之间的老化差异。该图显示了基于 MEMS 的 Super-TCXO® (Elite X™ SiT5501) 和基于石英的小型 OCXO（均为 Stratum 3E 级振荡器）的标准化至第一天的 30 天老化测量数据。石英 OCXO 和 SiT5501 在通电时都有正老化。然而，随着时间的推移，大多数石英 OCXO DUT 的负老化因子变得大于正老化因子，呈现逐渐下降的负斜率。
相反，SiT5501 很快变得稳定，在运行 30 天的情况下偏移量小于 20 ppb。此外，由于石英加工工艺的限制，石英 OCXO 组之间的老化率变异性明显大于 SiT5501，成为潜在故障的另一个因素。一般情况下，老化率规格会在运行30天后确定。
基于 MEMS 的 SiT5501 Elite X Super-TCXO的频率偏差（红色）
与小型石英 OCXO（蓝色）相比
衰老是一个不可避免且不可逆转的过程。然而，可以通过利用硅 MEMS 制造工艺的优势来降低频率老化偏差，这些工艺可以生产出不会受到损害的封装硅谐振器。
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感谢 SiTime 客户工程师 Johnson Hsu 对本文的贡献。
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