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DualMEMS温度传感技术

DualMEMS温度传感技术

 

DualMEMS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,包括DualMEMS™芯片和混合信号CMOS IC,具有专有的温度补偿方案和低噪声频率合成器。该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,生产出世界上最精确的温度传感器,从而以更低的成本实现类似OCXO的性能, 低功耗TCXO实现。 从根本上说,它是独特的DualMEMS芯片结构,可实现出色的温度频率稳定性和对动态热干扰的稳健性。基于石英晶体的TCXO无法匹配DualMEMS Super-TCXO器件的稳定性和弹性。

 

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,可在整个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,单独的TempFlat MEMS可以显着提高硅MEMS振荡器的无补偿频率稳定性,在-40°C至+ 85°C的温度范围内,温漂低于±60 ppm。TempFlat-MEMS增强的温度频率稳定性是石英晶体的两倍,因此无需为某些应用提供温度传感器和外部补偿电路。对于需要更高频率稳定性的云服务器和电信基站等应用,TempFlat MEMS极大地简化了所需的补偿电路,并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设计用作极其精确的温度传感器。其频率对温度变化敏感,线性斜率≈±7 ppm /°C。这两个谐振器之间的频率比率提供极其快速和准确的谐振器温度读数,分辨率为30μK,带宽为100 Hz。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。最后,Elite Platform Super-TCXO的温度补偿频率偏差在-40℃至85℃之间降至±1 ppm以下。

 

DualMEMS结构中,TempFlat MEMS谐振器和温度传感器几乎完全热耦合,因为它们尽可能彼此物理上靠近,两个元件之间只有100μm的距离。另外,定时谐振器和温度传感器谐振器通过硅热分流,硅是一种优良的热导体。这种设计大大减少了TempFlat™谐振器和温度传感器之间传热的时间常数。硅MEMS微加工使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(例如由于施加一些不对称的热通量)将非常快地稳定到其稳态条件。

 

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

 

使用离散温度传感器从根本上阻碍了石英TCXO的性能。 石英晶体谐振器和单独的温度传感器之间缺乏热耦合使得不可能设计快速温度补偿回路并消除热梯度而不会引起环路稳定性问题和性能问题。因此,基于石英的TCXO通常具有5至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突然的频率跳变。相比之下,石英TCXO架构使用带有温度传感器的外部CMOS IC(例如BJT带隙温度传感器或热敏电阻)和安装在距离石英晶体很远的陶瓷封装中的补偿电路。结果,石英TCXO遭受谐振器和温度传感器之间的弱热耦合。因此,当部件受到快速变化的热干扰时,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的温度偏移导致在温度补偿方案中应用错误的系数,这产生输出时钟的频移远离期望的频率。此外,由于热事件引起的频率偏移将长时间停留,因为晶体和传感器分别稳定在其稳态温度值。实际上,当石英TCXO受到热干扰时,例如打开风扇进行对流冷却或者为相邻的系统组件供电,消耗大量的热量时,通常会在系统中观察到输出频率的波动。

 

 

 

ComsolMultiphysics®中进行的热模拟验证了DualMEMS芯片结构的固有优势。图3显示了在应用入射在DualMEMS芯片一侧的对流热通量期间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的设备提供了最糟糕的情况,因为施加的热源更接近谐振器之一,因此在TempFlat谐振器和温度传感器谐振器之间强制出现热梯度(尽管很小)。在实际情况中,热通量将入射到所有侧面,使得两个谐振器对称地加热。尽管如此,DualMEMS结构仍显示出对热干扰非常有弹性。在该示例中,如图3所示,热通量在TempFlat和温度传感器谐振器之间仅产生52mK的温度偏差,并且在小于10ms之后温度稳定到其稳态值。然而,当受到入射在石英晶体顶部的相同热通量时,基于石英的振荡器不那么坚固。图4表明石英晶体和CMOS IC与温度传感器之间的温度偏差要大得多,几乎为3.5K,并且需要将近1s才能达到此值。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。

 

 

 

 

利用硅MEMS技术可以在同一管芯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振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。石英传感器需要对石英坯料进行细致的加工,抛光和修整,以在整个温度范围内实现所需的频率稳定性,而CMOS IC上的振荡器电路,温度传感器和补偿电路使用传统的硅微加工技术制造。将这两个基于两种不同材料系统的组件集成在一起会带来许多挑战。石英传感器通常使用a安装在陶瓷封装中导电粘合剂使其与周围的氮气悬浮在封装腔中。晶体通过钨通孔和金线键合电连接到安装在封装底部的CMOS IC。图5显示了a)一体化石英振荡器陶瓷的横截面示意图封装,b)在顶层安装石英晶体的去盖部分和c)去除石英晶体的同一部分,显示CMOS IC,温度传感器,振荡器和安装在晶体下方的补偿电路包的基础。

 

 

Elite Platform DualMEMS没有这种权衡。 温度传感器和定时谐振器共同位于一个芯片上,芯片直接安装在CMOS IC芯片上,如图6所示.MEMS芯片与CMOS芯片和温度补偿电路的接近也确保了这些元件之间的紧密热耦合。

总之,Elite Platform Super-TCXO在需要精确和稳定定时参考的应用中提供了更高性能,更稳定,更可靠的石英TCXO替代方案。借助DualMEMS架构和温度传感技术,Elite Platform设备可以感知和比基于石英的TCXO更快地补偿温度瞬变。 DualMEMS架构由TempFlat MEMS谐振器和温度感应谐振器组成,它们采用热耦合并与专有温度补偿方案和低噪声频率合成器相结合,使温度跟踪速度比石英TCXO快40倍。这些元件共同提供卓越的性能动态性能,能够在环境压力下保持<1 ppm的频率稳定性,例如快速的温度变化和气流。这些元件还有助于使器件免受冲击,振动和噪声电源的影响,从而实现可靠的性能,具有出色的Allan偏差,低抖动和低相位噪声。

 

 

 

 

 


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