SiTime硅晶振温度传感技术

SiTime 的 Elite Platform™ 振荡器和 Super-TCXO™ 系列基于一种新颖的架构，由 DualMEMS™ 芯片和混合信号 CMOS IC 组成，具有专有的温度补偿方案和低噪声频率合成器。这种架构可实现出色的动态性能、超低抖动、宽频率范围和可编程性。凭借 DualMEMS 技术，SiTime 利用公司丰富的 MEMS 设计和制造专业知识以及对硅作为热、机械和电气材料的理解来生产世界上最准确的温度传感器，从而以更低的成本获得类似 OCXO 的性能，低功耗 TCXO 实现。从根本上说，独特的 DualMEMS 芯片结构和 TurboCompensation™ 温度补偿可在温度范围内实现卓越的频率稳定性和对动态热干扰的稳健性。基于石英晶体的 TCXO 无法与 DualMEMS Super-TCXO 器件的稳定性和弹性相匹配。

图 1:  Elite  Platform  架构

DualMEMS 技术独特地允许在单个管芯内共同制造两个硅 MEMS 谐振器。一个谐振器采用 SiTime 的 TempFlat™ MEMS 技术设计，可在温度范围内实现平坦的频率响应。在没有补偿电路的情况下，TempFlat MEMS 单独在 -40°C 至 +85°C 的温度范围内将硅 MEMS 振荡器的未补偿频率稳定性显着提高到小于 ±60 ppm。 TempFlat-MEMS 增强的温度频率稳定性比石英晶体好两倍，在某些应用中无需温度传感器和外部补偿电路。对于需要更好频率稳定性的云服务器和电信基站等应用，TempFlat MEMS 大大简化了所需的补偿电路，并降低了整体系统尺寸、功耗和成本。 DualMEMS 芯片中的第二个谐振器设计用作极其精确的温度传感器。它的频率对温度变化很敏感，线性斜率为≈±7 ppm/°C。这两个谐振器之间的频率比以 30 µK 的分辨率和以 100 秒的频率运行的带宽提供了极其快速和准确的谐振器温度读数。温度读数用作混合信号 CMOS IC 中采用的温度补偿算法的输入。最终，Elite Platform Super-TCXO 的温度补偿频移在 -40°C 和 +85°C 之间降低到小于 ±1 ppm。这种温度传感方案称为 TurboCompensation。

图 2：TurboCompensation 温度传感和无噪声温度补偿，分辨率 <30 μK

在 DualMEMS 结构中，TempFlat MEMS 谐振器和温度传感器几乎完美地热耦合，因为它们在物理上尽可能靠近，两个元件之间的距离仅为 100 µm。此外，定时谐振器和温度传感器谐振器通过硅进行热分流，硅是一种极好的热导体。这种设计大大减少了 TempFlat™ 谐振器和温度传感器之间的热传递时间常数。硅 MEMS 微制造使 TempFlat™ 谐振器和温度传感器谐振器具有相同的结构，具有相同（非常小）的质量和等效的环境热路径，因此它们可以一起升高和降低温度，几乎没有滞后。确实发生的任何温度滞后（例如，由于应用了一些不对称的热通量）将很快达到其稳态条件。

观察 Elite Platform Super-TCXO 与 50-ppb 石英 TCXO 在气流、温度斜坡、抽头测试和 VDD 波动下的动态性能。

Quartz TCXO 性能从根本上受到分立温度传感器的使用的阻碍。 石英晶体谐振器和单独的温度传感器之间缺乏热耦合，因此无法设计快速温度补偿回路并消除热梯度而不引起回路稳定性问题和性能问题。 因此，基于石英的 TCXO 通常具有 5 到 10 Hz 的补偿带宽，太慢而无法跟踪快速的温度变化，当石英 TCXO 受到气流和/或温度扰动时会导致频率突然跳跃。

相比之下，石英 TCXO 架构使用带有温度传感器（例如 BJT 带隙温度传感器或热敏电阻）和补偿电路的外部 CMOS IC，该电路安装在距离石英晶体很远的陶瓷封装中。因此，石英 TCXO 会受到谐振器和温度传感器之间弱热耦合的影响。因此，当部件受到快速变化的热扰动时，晶体和温度传感器之间存在温度滞后。晶体和温度传感器之间的大温度偏移导致在温度补偿方案中应用错误系数，这会导致输出时钟频率偏离所需频率。此外，由热事件引起的频率偏移将持续很长时间，因为晶体和传感器分别稳定到它们的稳态温度值。事实上，当石英 TCXO 受到热干扰（例如打开风扇进行对流冷却或为耗散大量热量的相邻系统组件供电）时，通常会在系统中观察到输出频率的波动。

图 3：TempFlat 定时谐振器和 DualMEMS 芯片结构中采用的温度传感器谐振器之间的温差，对流热通量入射在一侧。 仅观察到 52 mK 的温度偏移，系统在不到 10 ms 的时间内稳定到该值。

图 4：石英晶体谐振器和带有温度传感器的 CMOS 芯片之间的温差，对流热通量入射在石英晶体顶部。 观察到接近 3.5K 的温度偏移，系统需要将近整整一秒才能稳定到该值。

在 Comsol Multiphysics® 中执行的热模拟验证了 DualMEMS 芯片结构的固有优势。图 3 显示了在应用对流热通量入射到 DualMEMS 芯片一侧期间 TempFlat 谐振器和温度传感器之间的温度偏移。这种高度不对称的热通量为基于 DualMEMS 的设备带来了最坏的情况，因为施加的热源更靠近其中一个谐振器，因此在 TempFlat 谐振器和温度传感器谐振器之间会产生热梯度（尽管很小）。在实际场景中，热通量会在所有侧面入射，以便对称加热两个谐振器。尽管如此，DualMEMS 结构仍显示出对热扰动的极强弹性。在此示例中，如图 3 所示，热通量仅在 TempFlat 和温度传感器谐振器之间产生 52 mK 的温度偏差，并且温度在不到 10 毫秒后稳定到其稳态值。然而，当受到入射在石英晶体顶部的相同热通量时，基于石英的振荡器并不那么坚固。图 4 表明石英晶体和带有温度传感器的 CMOS IC 之间的温度偏移要大得多，接近 3.5K，并且需要近 1s 才能稳定到该值。显然，结果表明 Elite Platform DualMEMS 架构的热性能比典型的石英 TCXO 好几个数量级。

图 5a：Allin 封装交叉——一个石英振荡器部分（去盖）

图 5b：陶瓷封装中的去盖石英 TCXO，晶体安装在顶部

图 5 c : 拆下石英晶体后，CMOS IC 在下面露出

使用硅 MEMS 技术可以在同一芯片上制造定时谐振器和温度传感器。使用传统的石英晶体组装工艺不可能共同制造谐振器和温度传感器。石英 TCXO 的封装、材料和性能限制需要晶体和温度传感器之间的大位移。石英换能器需要对石英毛坯进行细致的加工、抛光和修整，以实现所需的温度频率稳定性，而 CMOS IC 上的振荡器电路、温度传感器和补偿电路则是使用传统的硅微加工技术制造的。集成这两个基于两种不同材料系统的组件会带来许多挑战。石英换能器通常使用导电粘合剂安装在陶瓷封装中，使其悬浮在封装腔内，周围有氮气。晶体通过钨通孔和金线键合与安装在封装底部的 CMOS IC 电连接。图 5 显示了 a) 一体式石英振荡器陶瓷封装的横截面示意图，b) 上层安装有石英晶体的去盖部分和 c) 与石英晶体相同的部分移除，露出 CMOS IC，温度传感器、振荡器和补偿电路安装在封装底部的晶体下方。

图 6：SiTime QFN 封装示意图，MEMS 芯片直接安装在 CMOS IC 顶部

Elite Platform DualMEMS 没有这种权衡。 温度传感器和定时谐振器位于同一个芯片上，该芯片直接安装在 CMOS IC 芯片上，如图 6 所示。 MEMS 芯片与 CMOS 芯片的接近度和温度补偿电路也确保了这些元件之间的紧密热耦合。

总之，在需要精确和稳定时序参考的应用中，Elite Platform Super-TCXO 为基于石英的 TCXO 提供了更高性能、更稳定和更可靠的替代方案。凭借 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 温度传感技术，Elite Platform 设备可以比基于石英的 TCXO 更快地检测和补偿温度瞬变。 DualMEMS 架构由 TempFlat MEMS 谐振器和温度感应谐振器组成，它们热耦合并结合 TurboCompensation 技术、专有温度补偿方案和低噪声频率合成器，以实现比石英 TCXO 快 40 倍的温度跟踪。这些元件共同提供了出色的动态性能，能够在环境压力因素（如快速温度变化和气流）下保持 <1 ppm 的频率稳定性。这些元件还有助于使设备免受冲击、振动和电源噪声的影响，并提供可靠的性能，具有出色的艾伦偏差、低抖动和低相位噪声。