DualMEMS 和 TurboCompensation 温度传感技术

SiTime 的 Elite Platform? 振荡器和 Super-TCXO? 该系列基于一种新颖的结构 DualMEMS? 芯片和混合信号 CMOS IC 具有独特的温度补偿方案和低噪声频率合成器。该架构具有优异的动态性能、超低抖动、宽频范围和可编程性。凭借 DualMEMS 技术，SiTime 利用公司的公司 MEMS 设计制造专业知识，了解硅作为热、机械、电气材料，生产世界上最准确的温度传感器，以更低的成本获得类似的 OCXO 性能，功耗低 TCXO 实现。从根本上说，独特 DualMEMS 芯片结构和 TurboCompensation? 温度补偿可以在温度范围内实现对动态热干扰的优异频率稳定性和稳定性。以石英晶体为基础 TCXO 无法与 DualMEMS Super-TCXO 匹配装置的稳定性和弹性。

图 1: Elite Platform 架构

DualMEMS 独特的技术允许在单个管芯中共同制造两个硅 MEMS 谐振器。使用谐振器 SiTime 的 TempFlat? MEMS 在温度范围内，技术设计可以实现平稳的频率响应。在没有补偿电路的情况下，TempFlat MEMS 单独在 -40°C 至 85°C 硅在温度范围内 MEMS 振荡器未补偿频率的稳定性显著提高到小于 ±60 ppm。 TempFlat-MEMS 温度频率稳定性是石英晶体的两倍，在某些应用中不需要温度传感器和外部补偿电路。云服务器和电信基站等应用程序需要更好的频率稳定性，TempFlat MEMS 大大简化了所需的补偿电路，降低了整个系统的尺寸、功耗和成本。 DualMEMS 芯片中的第二个谐振器被设计成极其精确的温度传感器。其频率对温度变化非常敏感，线性斜率为≈±7 ppm/°C。两个谐振器之间的频率比 30 μK 分辨率和以 100 二次频率运行的带宽提供了极快、准确的谐振器温度读数。温度读数用作混合信号 CMOS IC 输入中使用的温度补偿算法。最终，Elite Platform Super-TCXO 温度补偿频移 -40°C 和 85°C 减少到小于 ±1 ppm。这种温度传感方案称为 TurboCompensation。

图 2：TurboCompensation 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接近，两个元件之间的距离只是 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。这种设计大大降低了 TempFlat? 谐振器与温度传感器之间的传热时间常数。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、相同的（非常小）质量和相同的环境热路径，可以一起升降温度，几乎没有滞后。任何温度滞后(例如，由于应用了一些不对称的热通量)都会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、抽头试验和 VDD 波动下的动态性能。

Quartz TCXO 分立温度传感器的使用阻碍了性能。 石英晶体谐振器与单个温度传感器之间缺乏热耦合，因此无法设计快速温度补偿电路，消除热梯度而不造成电路稳定性和性能问题。 所以，基于石英的 TCXO 通常具有 5 到 10 Hz 当石英时，补偿带宽太慢，无法跟踪快速的温度变化 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 有温度传感器的架构(例如) BJT 带间隙温度传感器或热敏电阻)和补偿电路的外部 CMOS IC，该电路安装在远离石英晶体的陶瓷封装中。因此，石英 TCXO 会受到谐振器与温度传感器之间弱热耦合的影响。因此，当零件受到快速变化的热干扰时，晶体与温度传感器之间存在温度滞后。晶体与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，导致输出时钟频率偏离所需频率。由于晶体和传感器分别稳定到其稳态温度值，热事件引起的频率偏移将持续很长时间。事实上，当石英 TCXO 输出频率的波动通常在系统中观察到，当受到热干扰量热量的相邻系统组件供电）时，输出频率的波动通常在系统中观察到。

图 3：TempFlat 定时谐振器和谐振器 DualMEMS 温度传感器谐振器之间的温差用于芯片结构，对流热通量射入一侧。 仅观察到 52 mK 温度偏移，系统在不到 10 ms 该值在时间内稳定。

图 4:石英晶体谐振器和温度传感器 CMOS 石英晶体顶部射入芯片之间的温差。 观察到接近 3.5K 系统需要近一秒钟才能稳定温度偏移。

在 Comsol Multiphysics? 热模拟的验证 DualMEMS 芯片结构的固有优势。图 3 显示应用对流热通量的入射 DualMEMS 芯片一侧期间 TempFlat 谐振器与温度传感器之间的温度偏移。基于这种高度不对称的热通量 DualMEMS 由于施加的热源更接近其中一个谐振器，设备带来了最坏的情况 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)。在实际情况下，为了对称加热两个谐振器，所有侧面都会射入热通量。尽管如此，DualMEMS 结构对热扰动仍显示出很强的弹性。如图所示 3 热通量仅为 TempFlat 温度传感器谐振器之间产生 52 mK 温度偏差，温度低于 10 稳态值在毫秒后稳定。然而，当石英晶体顶部的热通量相同时，基于石英的振荡器并不那么坚固。图 4 用温度传感器表示石英晶体和石英晶体 CMOS IC 温度偏移要大得多，接近 3.5K，并且需要近 1s 稳定到这个值。显然，结果显示 Elite Platform DualMEMS 石英架构具有典型的热性能 TCXO 几个数量级。

图 5a：Allin 封装交叉-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 时谐振器和温度传感器可以在同一芯片上制造。谐振器和温度传感器英晶体组装工艺共同制造谐振器和温度传感器。石英 TCXO 晶体与温度传感器之间的大位移需要包装、材料和性能限制。石英换能器需要仔细加工、抛光和修复石英空白，以达到所需的温度频率稳定性 CMOS IC 采用传统路、温度传感器和补偿电路荡器电路、温度传感器和补偿电路。这两个基于两种不同材料系统的组件的集成将带来许多挑战。石英换能器通常在陶瓷封装中安装导电粘合剂，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横截面示意图，b) 上层安装石英晶体的去盖部分和 c) 去除与石英晶体相同的部分并暴露 CMOS IC，安装在封装底部晶体下的温度传感器、振荡器和补偿电路。

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

Elite Platform DualMEMS 没有这样的权衡。 温度传感器和定时谐振器直接安装在同一芯片上 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保证了这些元件之间的紧密热耦合。

总之，在需要准确稳定时序参考的应用中，Elite Platform Super-TCXO 以石英为基础 TCXO 提供更高性能、更稳定、更可靠的替代方案。凭借 DualMEMS 架构和 TurboCompensation 温度传感技术，Elite Platform 基于石英的设备可以与设备进行比较 TCXO 快速检测和补偿温度瞬变。 DualMEMS 架构由 TempFlat MEMS 谐振器由热耦合和温度感应谐振器组成 TurboCompensation 技术、专有温度补偿方案和低噪声频率合成器 TCXO 快 40 双温跟踪。在环境压力因素(如快速温度变化和气流)下，这些元件共同提供了优异的动态性能 <1 ppm 频率稳定性。这些元件还可以帮助设备避免冲击、振动和电源噪声，并具有优异的艾伦偏差、低抖动和低相位噪声。

关于SiTime公司

SiTime是一家专注于全硅的公司MEMS时钟解决方案Fabless半导体设计公司。公司成立于2005年，于2019年在美国纳斯达克上市。截至2021年底，全球累积出货量已超过20亿片，占据全球MEMS硅晶振市场占90%以上。

SiTime采用MEMS技术与CMOS依托先进的堆叠包装工艺，结合半导体技术制成。无需更改PCB设计,即可P2P完全取代所有传统的石英振荡器产品。频率覆盖范围大，国际标准包装，产品组合灵活，可编程交付方式快。所有产品可在24小时内提供32个KHz--725MHz供应任何频率样品，实现更高性能时钟样品的快速交付。SiTime硅晶振动已成为大多数高性能主控芯片的理想时钟选择和强心，性能稳定，性价比高。它不仅可以缩短研发周期，节省开发和调试成本，还可以降低未来产品维修的风险的电路换上一颗SiTime硅晶振吧。

关于SiTime样品中心

SiTime样品中心成立于2014年，由SiTime公司联合北京晶圆电子有限公司共同创立，并由晶圆电子全权负责全面运营、客户服务以及国内的交付任务。SiTime样品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市场在大中华地区的应用普及,助力中国客户产品时钟解决方案升级换代。提供售前售后技术服务、24小时快速供样、以及国内中小批量现货支持和重要客户的全方位策略服务。更多资讯可访问SiTime样品中心官网(www.sitimechina.com)。