双MEMS辅助温度传感器的实现

本文提出了一种基于双微机电系统（MEMS）谐振器的温度传感器。在该传感器中，读出电路通过测量由具有不同温度系数的单独石英晶体谐振器产生的两个时钟的频率比来估计温度。该电路采用0.18μmCMOS工艺实现，在100Hz带宽下实现20μK的分辨率，同时功耗为19mW，分辨率FOM为0.04pJK2。它使我们能够实现基于MEMS的可编程3225振荡器，在1s的平均时间内Allan偏差<1e-10，在-45°C至105°C的温度范围内，频率稳定度<±0.1ppm.这种振荡器是电信，数据通信和精密计时应用的关键构建模块。

  索引术语-双微机电系统（MEMS）谐振器温度-数字转换器(TDC),基于MEMS的可编程振荡器，温度补偿MEMS振荡器（TCMO）。

有许多应用要求精密振荡器具有各种级别的抖动要求，温度和热瞬态期间的频率稳定性，功耗等。例如，消费类电子产品，如无线USB，需要<百万分之30（ppm）,商用GPS需要<±2.5ppm，电信应用要求<±0.1ppm频率稳定性。适当的时钟通常由石英或微机电系统（MEMS）谐振器制成。MEMS技术的最新进展使MEMS振荡器取代了几十年来一直占主导地位的石英振荡器。Quartz和MEMS提供类似的谐振器品质因数，这是实现低相噪石英振荡器（PN）所需的关键参数，以及集成的相位抖动。此外，两者都可以表现出低至1ppm/K的温度灵敏度，这是在整个温度范围内实现精确和稳定的时钟频率所需的。MEMS振荡器由于其对石英振荡器的益处而越来越重要。例如，它们利用半导体工艺和封装，从而实现更小的尺寸和更低的成本。MEMS振荡器还具有更高的抗冲击和振动能力，这使得它们成为在恶劣环境中具有低PN要求的应用的合适选择，例如移动设备和工业设备，其中振荡器可能受到大量外部振动。

两种类型的温补晶体振荡器均提供温度补偿和温度无补偿变体。未补偿的版本通常在整个温度下稳定在百万分之几或百分之几。为了达到低于10ppm的稳定性，它们的频率必须在整个温度范围内得到补偿。传统上，未补偿和补偿的石英振荡器分别称为XO和TCXO晶振。时序社区也将MEMS振荡器识别为XO和TCXO，但偶尔使用术语MO和TCMO，尽管后者变得不常见。

如图1所示，基于MEMS的可编程振荡器封装包含三个元件：MEMS管芯，CMOS管芯和引线框架。如图2a所示，MEMS管芯仅承载谐振器，而CMOS管芯包括维持MEMS振荡所必需的电子器件，例如振荡器维持电路，频率合成器和后分压器。谐振器和输出所需频率Fout的时钟，在XO模式下，即没有温度补偿，可以表示为

Fout=Fref×PFM/NPdiv（1）

其中Fref是PLL参考时钟频率，PFM是可编程倍频器，NPdiv是后分频器值。在这种温度未补偿模式中，输出时钟随温度的稳定性由MEMS谐振器的稳定性设定。本文中描述的TCXO采用温度传感器，其输出通过多项式适当缩放，以在每个温度下产生Fref的反向误差，从而调整PFM值以保持输出时钟频率稳定如图2B。因此

Fout=Fref×(1+TDCout)×PFM/NPdiv（2）

其中TDCout是温度-数字转换器（TDC）的缩放输出。然而，该技术引入TDC作为输出时钟PN的另一个贡献者。因此，它应具有足够的分辨率，以将其噪声保持在目标时钟抖动的可接受范围内.