SiTime硅晶振溫度傳感技術(shù)

關(guān)于作者--SiTime樣品中心

為了加速SiTime MEMS硅晶振產(chǎn)品的應(yīng)用普及，讓中國(guó)電子工程師能快速體驗(yàn)MEMS硅晶振的高穩(wěn)定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動(dòng)等更多優(yōu)勢(shì)，SiTime公司聯(lián)合本土半導(dǎo)體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費(fèi)樣品申請(qǐng)，小批量試產(chǎn)、現(xiàn)貨應(yīng)急、特價(jià)申請(qǐng)、技術(shù)支持等便捷服務(wù)，更多信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.sitimechina.com，客戶服務(wù)熱線400-888-2483。

SiTime 的 Elite Platform? 振蕩器和 Super-TCXO? 系列基于一種新穎的架構(gòu)，由 DualMEMS? 芯片和混合信號(hào) CMOS IC 組成，具有專有的溫度補(bǔ)償方案和低噪聲頻率合成器。這種架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)出色的動(dòng)態(tài)性能、超低抖動(dòng)、寬頻率范圍和可編程性。憑借 DualMEMS 技術(shù)，SiTime 利用公司豐富的 MEMS 設(shè)計(jì)和制造專業(yè)知識(shí)以及對(duì)硅作為熱、機(jī)械和電氣材料的理解來(lái)生產(chǎn)世界上最準(zhǔn)確的溫度傳感器，從而以更低的成本獲得類似 OCXO 的性能，低功耗 TCXO 實(shí)現(xiàn)。從根本上說(shuō)，獨(dú)特的 DualMEMS 芯片結(jié)構(gòu)和 TurboCompensation? 溫度補(bǔ)償可在溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)卓越的頻率穩(wěn)定性和對(duì)動(dòng)態(tài)熱干擾的穩(wěn)健性?；谑⒕w的 TCXO 無(wú)法與 DualMEMS Super-TCXO 器件的穩(wěn)定性和彈性相匹配。

圖 1: Elite Platform 架構(gòu)

DualMEMS 技術(shù)獨(dú)特地允許在單個(gè)管芯內(nèi)共同制造兩個(gè)硅 MEMS 諧振器。一個(gè)諧振器采用 SiTime 的 TempFlat? MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)，可在溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平坦的頻率響應(yīng)。在沒(méi)有補(bǔ)償電路的情況下，TempFlat MEMS 單獨(dú)在 -40°C 至 +85°C 的溫度范圍內(nèi)將硅 MEMS 振蕩器的未補(bǔ)償頻率穩(wěn)定性顯著提高到小于 ±60 ppm。 TempFlat-MEMS 增強(qiáng)的溫度頻率穩(wěn)定性比石英晶體好兩倍，在某些應(yīng)用中無(wú)需溫度傳感器和外部補(bǔ)償電路。對(duì)于需要更好頻率穩(wěn)定性的云服務(wù)器和電信基站等應(yīng)用，TempFlat MEMS 大大簡(jiǎn)化了所需的補(bǔ)償電路，并降低了整體系統(tǒng)尺寸、功耗和成本。 DualMEMS 芯片中的第二個(gè)諧振器設(shè)計(jì)用作極其精確的溫度傳感器。它的頻率對(duì)溫度變化很敏感，線性斜率為≈±7 ppm/°C。這兩個(gè)諧振器之間的頻率比以 30 μK 的分辨率和以 100 秒的頻率運(yùn)行的帶寬提供了極其快速和準(zhǔn)確的諧振器溫度讀數(shù)。溫度讀數(shù)用作混合信號(hào) CMOS IC 中采用的溫度補(bǔ)償算法的輸入。最終，Elite Platform Super-TCXO 的溫度補(bǔ)償頻移在 -40°C 和 +85°C 之間降低到小于 ±1 ppm。這種溫度傳感方案稱為 TurboCompensation。

圖 2：TurboCompensation 溫度傳感和無(wú)噪聲溫度補(bǔ)償，分辨率 <30 μK

在 DualMEMS 結(jié)構(gòu)中，TempFlat MEMS 諧振器和溫度傳感器幾乎完美地?zé)?a href="http://ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合，因?yàn)樗鼈冊(cè)谖锢砩媳M可能靠近，兩個(gè)元件之間的距離僅為 100 μm。此外，定時(shí)諧振器和溫度傳感器諧振器通過(guò)硅進(jìn)行熱分流，硅是一種極好的熱導(dǎo)體。這種設(shè)計(jì)大大減少了 TempFlat? 諧振器和溫度傳感器之間的熱傳遞時(shí)間常數(shù)。硅 MEMS 微制造使 TempFlat? 諧振器和溫度傳感器諧振器具有相同的結(jié)構(gòu)，具有相同（非常小）的質(zhì)量和等效的環(huán)境熱路徑，因此它們可以一起升高和降低溫度，幾乎沒(méi)有滯后。確實(shí)發(fā)生的任何溫度滯后（例如，由于應(yīng)用了一些不對(duì)稱的熱通量）將很快達(dá)到其穩(wěn)態(tài)條件。

觀察 Elite Platform Super-TCXO 與 50-ppb 石英 TCXO 在氣流、溫度斜坡、抽頭測(cè)試和 VDD 波動(dòng)下的動(dòng)態(tài)性能。

Quartz TCXO 性能從根本上受到分立溫度傳感器的使用的阻礙。 石英晶體諧振器和單獨(dú)的溫度傳感器之間缺乏熱耦合，因此無(wú)法設(shè)計(jì)快速溫度補(bǔ)償回路并消除熱梯度而不引起回路穩(wěn)定性問(wèn)題和性能問(wèn)題。 因此，基于石英的 TCXO 通常具有 5 到 10 Hz 的補(bǔ)償帶寬，太慢而無(wú)法跟蹤快速的溫度變化，當(dāng)石英 TCXO 受到氣流和/或溫度擾動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致頻率突然跳躍。

相比之下，石英 TCXO 架構(gòu)使用帶有溫度傳感器（例如 BJT 帶隙溫度傳感器或熱敏電阻）和補(bǔ)償電路的外部 CMOS IC，該電路安裝在距離石英晶體很遠(yuǎn)的陶瓷封裝中。因此，石英 TCXO 會(huì)受到諧振器和溫度傳感器之間弱熱耦合的影響。因此，當(dāng)部件受到快速變化的熱擾動(dòng)時(shí)，晶體和溫度傳感器之間存在溫度滯后。晶體和溫度傳感器之間的大溫度偏移導(dǎo)致在溫度補(bǔ)償方案中應(yīng)用錯(cuò)誤系數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致輸出時(shí)鐘頻率偏離所需頻率。此外，由熱事件引起的頻率偏移將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)榫w和傳感器分別穩(wěn)定到它們的穩(wěn)態(tài)溫度值。事實(shí)上，當(dāng)石英 TCXO 受到熱干擾（例如打開風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)流冷卻或?yàn)楹纳⒋罅繜崃康南噜徬到y(tǒng)組件供電）時(shí)，通常會(huì)在系統(tǒng)中觀察到輸出頻率的波動(dòng)。

圖 3：TempFlat 定時(shí)諧振器和 DualMEMS 芯片結(jié)構(gòu)中采用的溫度傳感器諧振器之間的溫差，對(duì)流熱通量入射在一側(cè)。 僅觀察到 52 mK 的溫度偏移，系統(tǒng)在不到 10 ms 的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定到該值。

圖 4：石英晶體諧振器和帶有溫度傳感器的 CMOS 芯片之間的溫差，對(duì)流熱通量入射在石英晶體頂部。 觀察到接近 3.5K 的溫度偏移，系統(tǒng)需要將近整整一秒才能穩(wěn)定到該值。

在 Comsol Multiphysics? 中執(zhí)行的熱模擬驗(yàn)證了 DualMEMS 芯片結(jié)構(gòu)的固有優(yōu)勢(shì)。圖 3 顯示了在應(yīng)用對(duì)流熱通量入射到 DualMEMS 芯片一側(cè)期間 TempFlat 諧振器和溫度傳感器之間的溫度偏移。這種高度不對(duì)稱的熱通量為基于 DualMEMS 的設(shè)備帶來(lái)了最壞的情況，因?yàn)槭┘拥臒嵩锤拷渲幸粋€(gè)諧振器，因此在 TempFlat 諧振器和溫度傳感器諧振器之間會(huì)產(chǎn)生熱梯度（盡管很?。Ｔ趯?shí)際場(chǎng)景中，熱通量會(huì)在所有側(cè)面入射，以便對(duì)稱加熱兩個(gè)諧振器。盡管如此，DualMEMS 結(jié)構(gòu)仍顯示出對(duì)熱擾動(dòng)的極強(qiáng)彈性。在此示例中，如圖 3 所示，熱通量?jī)H在 TempFlat 和溫度傳感器諧振器之間產(chǎn)生 52 mK 的溫度偏差，并且溫度在不到 10 毫秒后穩(wěn)定到其穩(wěn)態(tài)值。然而，當(dāng)受到入射在石英晶體頂部的相同熱通量時(shí)，基于石英的振蕩器并不那么堅(jiān)固。圖 4 表明石英晶體和帶有溫度傳感器的 CMOS IC 之間的溫度偏移要大得多，接近 3.5K，并且需要近 1s 才能穩(wěn)定到該值。顯然，結(jié)果表明 Elite Platform DualMEMS 架構(gòu)的熱性能比典型的石英 TCXO 好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖 5a：Allin 封裝交叉——一個(gè)石英振蕩器部分（去蓋）

圖 5b：陶瓷封裝中的去蓋石英 TCXO，晶體安裝在頂部

圖 5 c : 拆下石英晶體后，CMOS IC 在下面露出

使用硅 MEMS 技術(shù)可以在同一芯片上制造定時(shí)諧振器和溫度傳感器。使用傳統(tǒng)的石英晶體組裝工藝不可能共同制造諧振器和溫度傳感器。石英 TCXO 的封裝、材料和性能限制需要晶體和溫度傳感器之間的大位移。石英換能器需要對(duì)石英毛坯進(jìn)行細(xì)致的加工、拋光和修整，以實(shí)現(xiàn)所需的溫度頻率穩(wěn)定性，而 CMOS IC 上的振蕩器電路、溫度傳感器和補(bǔ)償電路則是使用傳統(tǒng)的硅微加工技術(shù)制造的。集成這兩個(gè)基于兩種不同材料系統(tǒng)的組件會(huì)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)。石英換能器通常使用導(dǎo)電粘合劑安裝在陶瓷封裝中，使其懸浮在封裝腔內(nèi)，周圍有氮?dú)?。晶體通過(guò)鎢通孔和金線鍵合與安裝在封裝底部的 CMOS IC 電連接。圖 5 顯示了 a) 一體式石英振蕩器陶瓷封裝的橫截面示意圖，b) 上層安裝有石英晶體的去蓋部分和 c) 與石英晶體相同的部分移除，露出 CMOS IC，溫度傳感器、振蕩器和補(bǔ)償電路安裝在封裝底部的晶體下方。

圖 6：SiTime QFN 封裝示意圖，MEMS 芯片直接安裝在 CMOS IC 頂部

Elite Platform DualMEMS 沒(méi)有這種權(quán)衡。 溫度傳感器和定時(shí)諧振器位于同一個(gè)芯片上，該芯片直接安裝在 CMOS IC 芯片上，如圖 6 所示。 MEMS 芯片與 CMOS 芯片的接近度和溫度補(bǔ)償電路也確保了這些元件之間的緊密熱耦合。

總之，在需要精確和穩(wěn)定時(shí)序參考的應(yīng)用中，Elite Platform Super-TCXO 為基于石英的 TCXO 提供了更高性能、更穩(wěn)定和更可靠的替代方案。憑借 DualMEMS 架構(gòu)和 TurboCompensation 溫度傳感技術(shù)，Elite Platform 設(shè)備可以比基于石英的 TCXO 更快地檢測(cè)和補(bǔ)償溫度瞬變。 DualMEMS 架構(gòu)由 TempFlat MEMS 諧振器和溫度感應(yīng)諧振器組成，它們熱耦合并結(jié)合 TurboCompensation 技術(shù)、專有溫度補(bǔ)償方案和低噪聲頻率合成器，以實(shí)現(xiàn)比石英 TCXO 快 40 倍的溫度跟蹤。這些元件共同提供了出色的動(dòng)態(tài)性能，能夠在環(huán)境壓力因素（如快速溫度變化和氣流）下保持 <1 ppm 的頻率穩(wěn)定性。這些元件還有助于使設(shè)備免受沖擊、振動(dòng)和電源噪聲的影響，并提供可靠的性能，具有出色的艾倫偏差、低抖動(dòng)和低相位噪聲。

關(guān)于SiTime公司

SiTime是一家專注于全硅MEMS時(shí)鐘解決方案的Fabless半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司。公司成立于2005年，于2019年在美國(guó)納斯達(dá)克上市。截至2021年底，全球累積出貨量已超過(guò)20億片，占據(jù)全球MEMS硅晶振市場(chǎng)90%以上份額。

SiTime采用MEMS技術(shù)與CMOS半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，依托先進(jìn)的堆疊封裝工藝制作而成。無(wú)需更改PCB設(shè)計(jì),即可P2P完全替代所有傳統(tǒng)石英振蕩器產(chǎn)品。大尺度頻率覆蓋范圍、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)封裝、靈活的產(chǎn)品組合，快捷的可編程交付方式。所有產(chǎn)品可在24小時(shí)內(nèi)提供32KHz--725MHz任一頻率樣品供應(yīng),實(shí)現(xiàn)更高性能時(shí)鐘樣品的快速交付。SiTime硅晶振以穩(wěn)定的性能和超高的性價(jià)比成為了大多數(shù)高性能主控芯片的理想時(shí)鐘選擇和強(qiáng)健的心臟。不僅可以縮短研發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)調(diào)試成本，而能降低未來(lái)產(chǎn)品返修風(fēng)險(xiǎn)，快給你的電路換上一顆SiTime硅晶振吧。

關(guān)于SiTime樣品中心

SiTime樣品中心成立于2014年，由SiTime公司聯(lián)合北京晶圓電子有限公司共同創(chuàng)立，并由晶圓電子全權(quán)負(fù)責(zé)全面運(yùn)營(yíng)、客戶服務(wù)以及國(guó)內(nèi)的交付任務(wù)。SiTime樣品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市場(chǎng)在大中華地區(qū)的應(yīng)用普及,助力中國(guó)客戶產(chǎn)品時(shí)鐘解決方案升級(jí)換代。提供售前售后技術(shù)服務(wù)、24小時(shí)快速供樣、以及國(guó)內(nèi)中小批量現(xiàn)貨支持和重要客戶的全方位策略服務(wù)。更多資訊可訪問(wèn)SiTime樣品中心官網(wǎng)(www.sitimechina.com)。