在MEMS谐振器设计中，设计人员可以控制谐振器的侧面形状，从而可以控制谐振模式。 MEMS从零开始就设计成没有与基本模式的寄生模式交叉，因此没有谐振器引起的活动骤降。 MEMS结构由纯单晶硅的单一机械结构组成。 抗拉强度为7 GPa，在330至500 MPa时是钛的约14倍。

图1. MEMS谐振器的扫描电子显微镜（SEM）视图

可靠性是任何设计的重要考虑因素，对于必须在恶劣环境条件下可靠运行的设备尤其重要。 图1示出了MEMS谐振器的SEM截面图。 在MEMS制造过程中，采用EpiSeal™工艺清洁谐振器并将其真空密封。 消除老化机制的这一过程是MEMS振荡器非常高质量和可靠性的基础。

SiTime的MEMS振荡器的质量小于1 DPPM，明显优于石英振荡器的典型故障率。 图2说明了与石英相比，MEMS振荡器的可靠性，以平均故障间隔时间（MTBF）衡量。 SiTime振荡器的MTBF速率为11.4亿小时，比石英供应商高30倍。

图2. SiTime MEMS振荡器MTBF与石英供应商的比较

MEMS老化

低老化率是使用密封EpiSeal工艺在超干净晶圆厂中构建MEMS的另一个好处。污染物被控制在非常低的十亿分之几的水平，并且1100°C的处理步骤使硅晶体退火并用作应力松弛处理。外延密封是在晶片水平上施加的，这在高真空下用很小的杂质或几乎没有杂质密封了外壳。由此产生的超净谐振腔和应力松弛实际上消除了谐振器的老化机制。任何老化机制都与封装相关的老化效果或CMOS IC老化有关，后者的老化速率非常低。

相比之下，通常将石英振荡器封装在开腔陶瓷封装中，并且将IC和石英谐振器分别通过不同类型的粘合剂粘结到封装基板上。而且，每个石英器件都可以通过在石英谐振器上进行金属沉积的烧蚀来分别修整，以将输出频率修整到所需规格。胶粘剂和金属修整物可能是污染的源头，可通过大量加载使石英老化，并降低长期可靠性。图3显示了典型的石英振荡器的结构。

较低的老化是MEMS振荡器结构的最终结果。 如图5所示，Endura Super-TCXO的典型20年老化规格为±540 ppb，而石英为±3,000 ppb（±3 ppm）。

图4. Endura MEMS Super-TCXO（92个器件）老化与典型石英老化规格

震动表现

基于MEMS的振荡器具有更好的抗冲击和抗振动能力，部分原因是MEMS谐振器的质量比石英谐振器低约1,000至3,000倍。 这意味着施加给MEMS结构的加速度（例如来自震动或振动）的加速度将比其石英等效值低得多，因此会产生低得多的频移。 图5显示了与石英谐振器相比的MEMS谐振器的结构和尺寸。

MEMS结构的优势如图6所示，图中绿色曲线显示了SiTime Endura MEMS Super-TCXO与石英TCXO相比的相位噪声。 在10 Hz至2 kHz的频带上，随机振动幅度为7.5 g均方根（rms）。 在该振动频带中，MEMS Super-TXCO的相位噪声降低了约20 dB。 在从10 Hz到2 kHz的振动频带上积分相位噪声表明，MEMS振荡器的积分相位抖动（IPJ）增加了1.2倍，而石英TCXO将IPJ增加了多达10倍。 在存在振动应力的情况下保持良好的相位噪声性能对于诸如移动车辆，飞机以及在振动机械附近部署的任何系统之类的系统非常重要。

图6.存在随机振动时的相位噪声，输出频率为20 MHz

振动灵敏度的另一种度量是所施加的每克正弦加速度的频率偏移。 最常见的度量单位是每g加速度的十亿分之一（ppb）频移，或ppb / g。 图7显示了在15 Hz至2 kHz的振动频率下30台Endura Super-TCXO SiT5346单元的总加速度灵敏度伽马矢量（在3个轴上）。 最大观测值仅为5.77 ppb / g，是业内最低（最佳）的振动敏感性。

图7. ppb / g振动灵敏度Gamma，15 Hz至2 kHz振动频率

弹药等某些应用的另一个重要参数是抗震性，这也是MEMS技术优于石英技术的另一个领域。 SiTime Endura产品经过了高达30,000g的冲击测试，远远高于大多数石英产品。 下图显示了典型石英设备和SiTime Endura MEMS振荡器的鉴定报告摘录。石英振荡器的额定质量为1500g，SiTime Endura MEMS振荡器的质量为30,000g。 为了更好地理解这种抗冲击性，在9毫秒的脉冲持续时间内，155毫米的炮弹经历了15500克的典型峰值后退加速度1。 典型的所需系统设计裕度是1.5倍，这意味着155毫米的炮弹组件应通过认证，最大重量为23,250克。 Endura振荡器30,000g合格品超出了此范围。