SiTime振荡器SiT1533AI-H4-D14-32.768S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。它代表输出频率的偏差，通常用百万分之一（ppm）或十亿分之一（ppb）表示。较小的稳定性数值意味着更好的性能。温度变化、电源电压变化、输出负载变化和频率老化等多种情况都可能导致频率变化。在这篇博客中，我们关注老化，即振荡器频率在一定时间内的变化。
为什么低老化很重要？
在许多应用中，老化是一个重要参数，必须在系统设计期间加以考虑。在需要非常稳定的频率基准的系统中，这一点尤为重要。这些系统使用TCXOs（温度补偿振荡器）和OCXOs（恒温控制振荡器）等精密石英晶体振荡器。
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（在某些情况下还有TCXO）在失去GPS等外部源的情况下充当本地时钟。保持模式是系统暂时失去与外部参考信号的连接并切换到本地信号源时的工作模式。在这种情况下，本地振荡器OCXO或TCXO晶振必须在数小时到数天内保持极其稳定的状态，这使得老化成为一个关键因素。
什么导致振荡器老化？
老化是由振荡器内部变化引起的。衰老主要有两个原因。一个原因是质量负荷，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制造工艺、结构设计和器件中各种材料的使用。在石英谐振器的制造过程中，残余应力条件显现，例如表面裂纹、加工过程中的抛光磨损以及石英和电极膜之间的结合力。材料的不同热膨胀系数会在界面上产生应力。此外，石英振荡器中使用的硅胶在受热时会分解并导致质量堆积。

SiTime振荡器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密计时中的重要性

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，没有除气特性。SiTime晶振硅MEMS谐振器的制造过程不会引入污染物，例如在石英谐振器的划片或抛光过程中引入的污染物。SiTime的专利附加过程形成超洁净MEMS谐振器，在超过1000°c的高温下封装在晶圆级硅/多晶硅中。内部残余应力由迁移通过晶格的原子释放。这创造了一个清洁的真空环境，不会被污染物侵入。最终结果是谐振器的老化程度极低。

SiTime振荡器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密计时中的重要性

SiTime MEMS谐振器的横截面，该谐振器采用在长期运行下保持清洁和稳定的工艺和材料制造。

MEMS和石英老化性能
下图展示了MEMS和石英振荡器之间的老化差异。该图显示了基于MEMS的超级TCXO（Elite X sit 5501）和基于石英的小型化OCXO（均为3E层振荡器）的30天老化测量数据（归一化至第一天）。进口晶振石英OCXO和SiT5501在通电时都有正老化现象。然而，随着时间的推移，大多数石英OCXO dut的负老化系数变得大于正老化系数，呈现逐渐下降的负斜率。
相反，SiT5501很快变得稳定，在30天的工作时间内，失调小于20ppb。此外，由于石英加工工艺的限制，石英OCXOs组之间的老化率可变性明显大于SiT5501，成为潜在故障的另一个因素。通常，老化率规格将在运行30天后确定。

SiTime振荡器SiT1533AI-H4-D14-32.768S老化及其在精密计时中的重要性

频率偏差基于MEMS的SiT5501 Elite X超级TCXO(红色)vs小型化石英OCXO（蓝色）