關于作者--SiTime樣品中心

為了加速SiTime MEMS硅晶振產品的應用普及，讓中國電子工程師能快速體驗MEMS硅晶振的高穩定性、高可靠性、超小封裝、超低功耗、超低抖動等更多優勢，SiTime公司聯合本土半導體分銷商北京晶圓電子有限公司共同建立SiTime樣品中心，為用戶提供免費樣品申請，小批量試產、現貨應急、特價申請、技術支持等便捷服務，更多信息請訪問www.sitimechina.com，客戶服務熱線400-888-2483。

SiTime 的 Elite Platform? 振蕩器和 Super-TCXO? 系列基于一種新穎的架構，由 DualMEMS? 芯片和混合信號 CMOS IC 組成，具有專有的溫度補償方案和低噪聲頻率合成器。這種架構可實現出色的動態性能、超低抖動、寬頻率范圍和可編程性。憑借 DualMEMS 技術，SiTime 利用公司豐富的 MEMS 設計和制造專業知識以及對硅作為熱、機械和電氣材料的理解來生產世界上最準確的溫度傳感器，從而以更低的成本獲得類似 OCXO 的性能，低功耗 TCXO 實現。從根本上說，獨特的 DualMEMS 芯片結構和 TurboCompensation? 溫度補償可在溫度范圍內實現卓越的頻率穩定性和對動態熱干擾的穩健性。基于石英晶體的 TCXO 無法與 DualMEMS Super-TCXO 器件的穩定性和彈性相匹配。

圖 1: Elite Platform 架構

DualMEMS 技術獨特地允許在單個管芯內共同制造兩個硅 MEMS 諧振器。一個諧振器采用 SiTime 的 TempFlat? MEMS 技術設計，可在溫度范圍內實現平坦的頻率響應。在沒有補償電路的情況下，TempFlat MEMS 單獨在 -40°C 至 +85°C 的溫度范圍內將硅 MEMS 振蕩器的未補償頻率穩定性顯著提高到小于 ±60 ppm。 TempFlat-MEMS 增強的溫度頻率穩定性比石英晶體好兩倍，在某些應用中無需溫度傳感器和外部補償電路。對于需要更好頻率穩定性的云服務器和電信基站等應用，TempFlat MEMS 大大簡化了所需的補償電路，并降低了整體系統尺寸、功耗和成本。 DualMEMS 芯片中的第二個諧振器設計用作極其精確的溫度傳感器。它的頻率對溫度變化很敏感，線性斜率為≈±7 ppm/°C。這兩個諧振器之間的頻率比以 30 μK 的分辨率和以 100 秒的頻率運行的帶寬提供了極其快速和準確的諧振器溫度讀數。溫度讀數用作混合信號 CMOS IC 中采用的溫度補償算法的輸入。最終，Elite Platform Super-TCXO 的溫度補償頻移在 -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 溫度傳感和無噪聲溫度補償，分辨率 <30 μK

在 DualMEMS 結構中，TempFlat MEMS 諧振器和溫度傳感器幾乎完美地熱耦合，因為它們在物理上盡可能靠近，兩個元件之間的距離僅為 100 μm。此外，定時諧振器和溫度傳感器諧振器通過硅進行熱分流，硅是一種極好的熱導體。這種設計大大減少了 TempFlat? 諧振器和溫度傳感器之間的熱傳遞時間常數。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構，具有相同（非常小）的質量和等效的環境熱路徑，因此它們可以一起升高和降低溫度，幾乎沒有滯后。確實發生的任何溫度滯后（例如，由于應用了一些不對稱的熱通量）將很快達到其穩態條件。

觀察 Elite Platform Super-TCXO 與 50-ppb 石英 TCXO 在氣流、溫度斜坡、抽頭測試和 VDD 波動下的動態性能。

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的溫度傳感器之間缺乏熱耦合，因此無法設計快速溫度補償回路并消除熱梯度而不引起回路穩定性問題和性能問題。 因此，基于石英的 TCXO 通常具有 5 到 10 Hz 的補償帶寬，太慢而無法跟蹤快速的溫度變化，當石英 TCXO 受到氣流和/或溫度擾動時會導致頻率突然跳躍。

相比之下，石英 TCXO 架構使用帶有溫度傳感器（例如 BJT 帶隙溫度傳感器或熱敏電阻）和補償電路的外部 CMOS IC，該電路安裝在距離石英晶體很遠的陶瓷封裝中。因此，石英 TCXO 會受到諧振器和溫度傳感器之間弱熱耦合的影響。因此，當部件受到快速變化的熱擾動時，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致在溫度補償方案中應用錯誤系數，這會導致輸出時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很長時間，因為晶體和傳感器分別穩定到它們的穩態溫度值。事實上，當石英 TCXO 受到熱干擾（例如打開風扇進行對流冷卻或為耗散大量熱量的相鄰系統組件供電）時，通常會在系統中觀察到輸出頻率的波動。

圖 3：TempFlat 定時諧振器和 DualMEMS 芯片結構中采用的溫度傳感器諧振器之間的溫差，對流熱通量入射在一側。 僅觀察到 52 mK 的溫度偏移，系統在不到 10 ms 的時間內穩定到該值。

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，系統需要將近整整一秒才能穩定到該值。

在 Comsol Multiphysics? 中執行的熱模擬驗證了 DualMEMS 芯片結構的固有優勢。圖 3 顯示了在應用對流熱通量入射到 DualMEMS 芯片一側期間 TempFlat 諧振器和溫度傳感器之間的溫度偏移。這種高度不對稱的熱通量為基于 DualMEMS 的設備帶來了最壞的情況，因為施加的熱源更靠近其中一個諧振器，因此在 TempFlat 諧振器和溫度傳感器諧振器之間會產生熱梯度（盡管很小）。在實際場景中，熱通量會在所有側面入射，以便對稱加熱兩個諧振器。盡管如此，DualMEMS 結構仍顯示出對熱擾動的極強彈性。在此示例中，如圖 3 所示，熱通量僅在 TempFlat 和溫度傳感器諧振器之間產生 52 mK 的溫度偏差，并且溫度在不到 10 毫秒后穩定到其穩態值。然而，當受到入射在石英晶體頂部的相同熱通量時，基于石英的振蕩器并不那么堅固。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 才能穩定到該值。顯然，結果表明 Elite Platform DualMEMS 架構的熱性能比典型的石英 TCXO 好幾個數量級。

圖 5a：Allin 封裝交叉——一個石英振蕩器部分（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 技術可以在同一芯片上制造定時諧振器和溫度傳感器。使用傳統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。石英換能器需要對石英毛坯進行細致的加工、拋光和修整，以實現所需的溫度頻率穩定性，而 CMOS IC 上的振蕩器電路、溫度傳感器和補償電路則是使用傳統的硅微加工技術制造的。集成這兩個基于兩種不同材料系統的組件會帶來許多挑戰。石英換能器通常使用導電粘合劑安裝在陶瓷封裝中，使其懸浮在封裝腔內，周圍有氮氣。晶體通過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 沒有這種權衡。 溫度傳感器和定時諧振器位于同一個芯片上，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，在需要精確和穩定時序參考的應用中，Elite Platform Super-TCXO 為基于石英的 TCXO 提供了更高性能、更穩定和更可靠的替代方案。憑借 DualMEMS 架構和 TurboCompensation 溫度傳感技術，Elite Platform 設備可以比基于石英的 TCXO 更快地檢測和補償溫度瞬變。 DualMEMS 架構由 TempFlat MEMS 諧振器和溫度感應諧振器組成，它們熱耦合并結合 TurboCompensation 技術、專有溫度補償方案和低噪聲頻率合成器，以實現比石英 TCXO 快 40 倍的溫度跟蹤。這些元件共同提供了出色的動態性能，能夠在環境壓力因素（如快速溫度變化和氣流）下保持 <1 ppm 的頻率穩定性。這些元件還有助于使設備免受沖擊、振動和電源噪聲的影響，并提供可靠的性能，具有出色的艾倫偏差、低抖動和低相位噪聲。

關于SiTime公司

SiTime是一家專注于全硅MEMS時鐘解決方案的Fabless半導體設計公司。公司成立于2005年，于2019年在美國納斯達克上市。截至2021年底，全球累積出貨量已超過20億片，占據全球MEMS硅晶振市場90%以上份額。

SiTime采用MEMS技術與CMOS半導體技術相結合，依托先進的堆疊封裝工藝制作而成。無需更改PCB設計,即可P2P完全替代所有傳統石英振蕩器產品。大尺度頻率覆蓋范圍、國際標準封裝、靈活的產品組合，快捷的可編程交付方式。所有產品可在24小時內提供32KHz--725MHz任一頻率樣品供應,實現更高性能時鐘樣品的快速交付。SiTime硅晶振以穩定的性能和超高的性價比成為了大多數高性能主控芯片的理想時鐘選擇和強健的心臟。不僅可以縮短研發周期，節約開發調試成本，而能降低未來產品返修風險，快給你的電路換上一顆SiTime硅晶振吧。

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SiTime樣品中心成立于2014年，由SiTime公司聯合北京晶圓電子有限公司共同創立，并由晶圓電子全權負責全面運營、客戶服務以及國內的交付任務。SiTime樣品中心宗旨是致力于加速SiTime硅晶振市場在大中華地區的應用普及,助力中國客戶產品時鐘解決方案升級換代。提供售前售后技術服務、24小時快速供樣、以及國內中小批量現貨支持和重要客戶的全方位策略服務。更多資訊可訪問SiTime樣品中心官網(www.sitimechina.com)。