一种双输出MEMS振荡器的制作方法

一种双输出mems振荡器
技术领域
1.本发明涉及集成电路设计与应用技术领域，特别是涉及一种双输出mems振荡器。


背景技术：

2.振荡器作为电子系统的重要单元之一，其应用范围非常广泛。现代电路系统中通常需要使用2个及以上的时钟，其中一个为khz级别的时钟，典型如32.768khz的标准时钟信号为该电路系统提供基础运作时钟，其他时钟的频率一般为mhz，为该电路系统的高性能信号处理提供高速时钟。
3.在现有技术中，当产生mhz时钟和khz时钟时，需要使用两个不同且独立设置的振荡器，一个用于输出高性能mhz频率信号，一个用于输出低功率khz频率信号，然而使用两个单独的振荡器需要占据大量的空间。
4.另外，温度变化导致的测量差异是振荡器面临的重大挑战之一。现有的降低温度对mems振荡器的影响的方式可以分为两大类，分别为无源补偿或有源补偿；而无源补偿往往借助于重掺工艺，掺杂浓度需要达到1e20以上才有较平坦的温度曲线，这往往导致mems工艺复杂度明显提高；有源补偿是通过测量当前温度以对mems振荡器的谐振频率进行补偿，而在需要多个时钟的电路系统中，需要为每个mems振荡器设置独立的补偿电路来匹配各个mems振荡器，这往往占据大量的空间并会产生较大的功耗。
5.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双输出mems振荡器，用于解决现有技术中时钟信号的数量需要与mems振荡器的数量相对应，且因多个独立振荡器导致工艺复杂度或功耗增加的问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种双输出mems振荡器，其特征在于，所述双输出mems振荡器至少包括：mems组件及专用集成电路组件，其中，所述专用集成电路组件与所述mems组件电耦合，所述mems组件包括第一谐振器与第二谐振器，所述专用集成电路组件包括：第一控制单元、第二控制单元、温度单元、第一时钟生成单元及第二时钟生成单元，其中，所述第一控制单元与所述第一谐振器连接，用于驱动所述第一谐振器产生具有第一频率的第一信号；所述第二控制单元与所述第二谐振器连接，用于驱动所述第二谐振器产生具有第二频率的第二信号；所述温度单元用于感测所述mems组件的环境温度并基于所述环境温度确定补偿值；所述第一时钟生成单元的输入端与所述第一谐振器及所述温度单元连接，基于所述第一信号和所述补偿值生成mhz级的第一时钟信号；所述第二时钟生成单元的输入端与所述第二谐振器及所述温度单元连接，基于所述第二信号和所述补偿值生成khz级的第二时钟信号。
8.可选地，所述mems组件与所述专用集成电路组件的设置形式包括堆叠设置、并列设置及交错设置；所述mems组件与所述专用集成电路组件进行电耦合的方式包括引线键合、倒装焊接。
9.可选地，所述第一谐振器与所述第一谐振器设置在同一衬底上。
10.可选地，所述第一谐振器与所述第二谐振器的材料相同。
11.可选地，所述第一谐振器与所述第二谐振器的温度系数的差值小于等于10ppm/℃。
12.可选地，所述第一频率的范围介于1mhz到200mhz之间；所述第二频率的范围介于100khz到1000khz之间。
13.可选地，所述温度单元包括温度采集子单元及温度补偿子单元，其中，所述温度采集子单元采集所述mems组件的环境温度；所述温度补偿子单元与所述温度采集子单元信号连接，基于所述mems组件的环境温度确定补偿值。
14.可选地，所述温度采集子单元包括热敏电阻或热敏电容。
15.可选地，所述温度采集子单元设置在所述mems组件内部，或所述温度采集子单元与所述mems组件紧密贴合。
16.可选地，所述温度补偿子单元的设置形式包括多项式拟合电路，基于多项式拟合获得环境温度对应的补偿值；或者，所述温度补偿子单元包括存储器，所述存储器中存储有补偿值与环境温度的对应关系，所述温度补偿子单元基于所述环境温度从对应关系中获得该环境温度对应的补偿值。
17.可选地，所述第二时钟信号的频率为32.768khz。
18.如上所述，本发明的一种双输出mems振荡器，具有以下有益效果：
19.本发明的双输出mems振荡器，基于单个mems组件实现mhz级的第一时钟信号与khz级的第二时钟信号的并行输出，并可在不借助于重掺杂工艺的基础上实现使用一温度单元对两个谐振器的温度补偿，极大限度地降低了mems工艺的复杂度，有效降低温度补偿所需的功耗。
附图说明
20.图1显示为本发明的双输出mems振荡器的示意图。
21.附图标记说明
22.1双输出mems振荡器
23.10mems组件
24.11第一谐振器
25.12第二谐振器
26.20专用集成电路组件
27.21第一控制单元
28.22第二控制单元
29.23温度单元
30.231温度采集子单元
31.232温度补偿子单元
32.24第一时钟生成单元
33.25第二时钟生成单元
具体实施方式
34.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
35.请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
36.如图1所示，本实施例提供了一种双输出mems振荡器1，所述双输出mems振荡器1包括：mems组件10及专用集成电路组件20，其中：
37.如图1所示，专用集成电路组件20与mems组件10电耦合。具体地，作为示例，mems组件10与专用集成电路组件20的设置形式包括堆叠设置、并列设置及交错设置；mems组件10与专用集成电路组件20进行电耦合的方式包括引线键合、倒装焊接。需要说明的是，mems组件10与专用集成电路组件20的设置形式包括堆叠设置、并列设置及交错设置，需要说明的是，在进行设置形式选择时，通常需要使专用集成电路组件20与mems组件10免受周围环境的影响(包括物理环境以及化学环境)，即保证专用集成电路组件20及mems组件10与外界完全隔离，同时又保证专用集成电路组件20与mems组件的气密性，且维持正常的电气特性，因此，需要在电气特性、模块的保护、应力缓和及尺寸调整配合四个方面对封装形式进行选择，尽最大限度地保证专用集成电路组件20与mems组件10兼顾尺寸小、散热性能良好、可靠性高及稳定性良好等因素。
38.引线键合是将专用集成电路组件20与mems组件10的焊盘与对应的封装体上的焊盘用细金属丝连接起来，每次连接一根，是一种芯片电学互连方式。倒装焊接是指将专用集成电路组件20及mems组件10的有源面朝下与载体或基板进行互连，互连是通过专用集成电路组件20及mems组件10上的凸点结构和基板或载体的键合材料实现，倒装焊接可以同时实现机械互连和电学互连，同时为了提高互连的可靠性，可以在专用集成电路组件20及mems组件10与基板或载体之间填充缓冲材料，缓冲材料的属性在这里就不一一赘述。需要进一步说明的是，mems组件10与专用集成电路组件20进行电耦合的方式包括但不限于引线键合、倒装焊接，还可以采用载带自动焊的方式，载带自动焊是一种将专用集成电路组件20及mems组件10安装和互连到柔性金属化聚合物载带上的组装技术，具体地，载带内的引线键合到专用集成电路组件20及mems组件10上，外引线键合到基板或载体上，按照电气连接方式属于无线键合方法。因此，电耦合的方式应根据使用场景进行设置，基于具体的需求进行选择，并不以本实施例为限。
39.如图1所示，mems组件10包括第一谐振器11与第二谐振器12。具体地，作为示例，第一谐振器11与第一谐振器12设置在同一衬底上。另外，第一谐振器11与第二谐振器12的材料可以相同，如，第一谐振器11与第二谐振器12的材料可以包括单晶硅、锗、砷化镓中的一
种或多种。由于第一谐振器11与第一谐振器12的材料相同，从而使第一谐振器11与第二谐振器12的温度系数大致相同，这里的温度系数大致相同可以是指温度系数完全相等或相近，其中，相近可以是指第一谐振器11与第二谐振器12的温度系数的差值小于等于10ppm/℃，作为示例，可以将第一谐振器11与第二谐振器12的温度系数的差值设置为不超过1ppm/℃。
40.需要说明的是，温度系数(即temperature coefficient of frequency，tcf)属于温度漂移或者零点漂移的度量单位，一般是指环境温度变化引起半导体参数的变化，这样会造成静态工作点的不稳定，使电路动态参数不稳定，甚至使电路无法正常工作，温度系数是材料的物理属性随着温度变化而变化的速率，常用单位是ppm/℃，ppm(part per million)表示百万分之一。本技术的温度系数可以用于衡量单位温度引起的谐振器之谐振频率的变化量。温度系数的数值越小，谐振器输出的谐振频率越稳定，受温度影响越小。
41.如图1所示，专用集成电路组件20包括：第一控制单元21、第二控制单元22、第一时钟生成单元24及第二时钟生成单元25。其中：第一控制单元21与第一谐振器11连接，用于驱动第一谐振器11产生具有第一频率的第一信号。第二控制单元22与第二谐振器12连接，用于驱动第二谐振器12产生具有第二频率的第二信号。第一时钟生成单元24的输入端与第一谐振器11连接，基于第一信号生成mhz级的第一时钟信号。第二时钟生成单元25的输入端与第二谐振器12连接，基于第二信号生成khz级的第二时钟信号。在本实施例中，第一时钟生成单元24和第二时钟生成单元25可以分别对相应的第一信号和第二信号进行分频等处理以获取符合期望的第一时钟信号和第二时钟信号。
42.具体地，第一频率的范围介于1mhz到200mhz之间；第二频率的范围介于100khz到1000khz之间，作为示例，第一频率可以选择为48mhz，第二频率可以选择为500khz。再例如，第二时钟信号的频率可以为32.768khz。
43.如图1所示，第一谐振器11、第二构谐振器12构成了双输出mems振荡器1的振荡源。第一谐振器11在第一控制单元21的驱动下，产生mhz级别的第一频率的第一信号。第一时钟生成单元24基于第一信号生成mhz级的第一时钟信号。第一时钟信号作为电子系统中的参考时钟信号，其作用如同心脏对于人体的作用，丝毫的差异都将导致系统功能的紊乱，之所以定义为参考，是因为电子系统能否正常工作完全依赖于时钟的精确度，均需要一个稳定且质量良好的周期信号。
44.第二谐振器12在第二控制单元22的驱动下，产生khz级别的第二频率的第二信号。第二时钟生成单元25基于第二信号生成khz级的第二时钟信号。优选地，第二时钟信号的频率为32.768khz。需要说明的是，32.768khz是一个标准的频率，通常用于时间基准，在时钟系统中，秒是一个重要的时间单位，1秒等于1hz，如果要提高时间的精度，那么这个1hz必须要准确，数字世界里的二进制，只有0和1两种可能，2
15
＝32768＝32.768k，如果要把32.768k的时钟信号的频率经过15次分频的话，得到的频率正好是1hz，正好就是1秒钟时间，这样可以用于计时，因此，32.768khz是一个标准的频率，比较容易分频以便于产生1秒的时间频率。进一步地，第一时钟生成单元24与第二时钟生成单元25还包括分频功能，具体的分频操作在这里就不一一赘述。
45.在本技术的实施例中，第一谐振器11和第二谐振器12的振荡频率会随环境温度的变化而变化，从而影响输出的第一信号和第二信号的频率。故，如图1所示，本技术提供的专
用集成电路组件20还可以包括温度单元23，温度单元23可以用于感测环境温度并基于该环境温度确定补偿值。后续电路可以根据该补偿值对第一信号和第二信号进行温度补偿。温度单元23可以分别与第一时钟生成单元24及第二时钟生成单元信号25连接，第一时钟生成单元24和第二时钟生成单元信号25均接收补偿值，第一时钟生成单元24根据补偿值和第一信号生成mhz级的第一时钟信号，第二时钟生成单元信号25根据补偿值和第二信号生成khz级的第二时钟信号，由此能够实现温度补偿，以获取稳定的第一时钟信号和第二时钟信号。
46.在本实施例中，温度单元23可以包括温度采集子单元231及温度补偿子单元232。其中，温度采集子单元231采集mems组件10的环境温度。温度补偿子单元232与温度采集子单元231信号连接，基于该环境温度确定补偿值。
47.具体地，温度采集子单元231可以包括热敏电阻或热敏电容。温度采集子单元231设置在mems组件10内部，或者温度采集子单元231与mems组件10紧密贴合，由此能够更好地感测mems组件10所在位置的温度，降低温度采集子单元231与mems组件10之间的热梯度，便于实现精准地测温和温度补偿。需要说明的是，温度采集单元231是指能够感受温度并转换成可用输出信号的传感器，用于对环境温度进行采集测量，除了实施例中提到的热敏电阻或热敏电容，也可以采用其他器件实现环境测温；而温度采集子单元231与mems组件10的位置关系应考虑环境温度采集的可行性与准确性，以及进行温度补偿的可靠性，只要能准确获取mems组件10环境温度，以便第一时钟信号与第二时钟信号进行温度补偿，任意温度采集子单元231的设置形式均适用，并不以本实施例为限。
48.在一实施例中，温度补偿子单元232的设置形式可以包括多项式拟合电路，基于多项式拟合获得环境温度对应的补偿值。具体地，温度补偿子单元232为多项式拟合电路，温度补偿子单元232接收环境温度信息后可根据多项式拟合计算获得该温度信息对应的温度拟合信号。多项式拟合电路中拟合计算用的相关数值可以预先设置。例如，将该双输出mems振荡器1置于可确定温度的空间并逐步调节温度以获取多个实际输出信号的频率，且记录各频率所对应的温度，通过多组对应的频率和温度来获取温度补偿子单元232拟合计算用的相关数值。在另一实施例中，温度补偿子单元232包括存储器，存储器中存储有补偿值与环境温度的对应关系，温度补偿子单元232基于温度采集子单元231感测的环境温度从对应关系中获得该环境温度对应的补偿值。具体地，温度补偿子单元232包括存储器，存储有补偿值与温度的对应关系，采用查表法，根据事先由经验数据制作的数据表来确定在当前环境温度下的补偿值。例如，将该mems振荡器1置于可确定温度的空间并逐步调节温度以获取多个实际输出信号的频率，且记录各频率所对应的温度，通过多组对应的频率和温度来进行曲线拟合比如获取频率温度曲线，从而获取各个温度对应的补偿值并储存。需要说明的是，温度补偿子单元232也可以将采集到的环境温度数据通过最小二乘拟合的方式得到补偿值，具体的操作过程在这里就不一一赘述。
49.在一些实施例中，第一时钟生成单元24和第二时钟生成单元信号25均接收温度单元23生成的补偿值，该补偿值可以用于调节第一时钟生成单元24和第二时钟生成单元信号25的各自电路中相应器件的分频比，以实现温度补偿。可以理解的是，因第一谐振器11和第二谐振器12具有大致相同的温度系数，第一时钟生成单元24和第二时钟生成单元信号25可以接收同一补偿值，以分别实现对第一信号和第二信号的温度补偿，并相应获取第一时钟信号和第二时钟信号。在这种情况下，第一谐振器11和第二谐振器12可以不采用重掺杂工
艺，使用一温度单元23产生的一补偿值对两个谐振器(第一谐振器11和第二谐振器12)进行温度补偿，能够极大限度地降低了mems工艺的复杂度，有效降低温度补偿所需的功耗。
50.综上所述，本发明的一种双输出mems振荡器1可以包括mems组件10及专用集成电路组件20。专用集成电路组件20与mems组件10电耦合。mems组件10包括第一谐振器11与第二谐振器12。专用集成电路组件20包括第一控制单元21、第二控制单元22、温度单元23、第一时钟生成单元24及第二时钟生成单元25。其中，第一控制单元21与第一谐振器11连接，用于驱动所述第一谐振器11产生第一信号。第二控制单元22与第二谐振器12连接，用于驱动第二谐振器12产生第二信号。温度单元23用于感测mems组件10的环境温度并基于环境温度确定补偿值。第一时钟生成单元24的输入端与第一谐振器11及温度单元23连接，基于第一信号和补偿值生成mhz级的第一时钟信号。第二时钟生成单元25的输入端与第二谐振器12及温度单元23连接，基于第二信号和补偿值生成khz级的第二时钟信号。
51.本发明的双输出mems振荡器1，基于单个mems组件10即可实现mhz级的第一时钟信号与khz级的第二时钟信号的并行输出，并可在不借助于重掺杂工艺的基础上实现使用一温度单元23对两个谐振器的温度补偿，极大限度地降低了mems工艺的复杂度，有效降低温度补偿所需的功耗。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
52.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种双输出mems振荡器，其特征在于，所述双输出mems振荡器至少包括：mems组件及专用集成电路组件，其中：所述专用集成电路组件与所述mems组件电耦合，所述mems组件包括第一谐振器与第二谐振器，所述专用集成电路组件包括：第一控制单元、第二控制单元、温度单元、第一时钟生成单元及第二时钟生成单元，其中：所述第一控制单元与所述第一谐振器连接，用于驱动所述第一谐振器产生具有第一频率的第一信号；所述第二控制单元与所述第二谐振器连接，用于驱动所述第二谐振器产生具有第二频率的第二信号；所述温度单元用于感测所述mems组件的环境温度并基于所述环境温度确定补偿值；所述第一时钟生成单元的输入端与所述第一谐振器及所述温度单元连接，基于所述第一信号和所述补偿值生成mhz级的第一时钟信号；所述第二时钟生成单元的输入端与所述第二谐振器及所述温度单元连接，基于所述第二信号和所述补偿值生成khz级的第二时钟信号。2.根据权利要求1所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述第一谐振器与所述第二谐振器设置在同一衬底上。3.根据权利要求1所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述第一谐振器与所述第二谐振器的材料相同。4.根据权利要求3所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述第一谐振器与所述第二谐振器的温度系数的差值小于等于10ppm/℃。5.根据权利要求1所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述第一频率的范围介于1mhz到200mhz之间；所述第二频率的范围介于100khz到1000khz之间。6.根据权利要求1所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述温度单元包括温度采集子单元及温度补偿子单元，其中，所述温度采集子单元采集所述mems组件的环境温度；所述温度补偿子单元与所述温度采集子单元信号连接，基于所述mems组件的环境温度确定补偿值。7.根据权利要求6所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述温度采集子单元包括热敏电阻或热敏电容。8.根据权利要求6所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述温度采集子单元设置在所述mems组件内部，或所述温度采集子单元与所述mems组件紧密贴合。9.根据权利要求6所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述温度补偿子单元的设置形式包括多项式拟合电路，基于多项式拟合获得环境温度对应的补偿值；或者，所述温度补偿子单元包括存储器，所述存储器中存储有补偿值与环境温度的对应关系，所述温度补偿子单元基于所述环境温度从对应关系中获得该环境温度对应的补偿值。10.根据权利要求1所述的双输出mems振荡器，其特征在于：所述第二时钟信号的频率为32.768khz。

技术总结
本发明提供一种双输出MEMS振荡器，其包括：电耦合的专用集成电路组件与MEMS组件，MEMS组件包括第一、第二谐振器，专用集成电路组件中第一、第二控制单元分别驱动第一、第二谐振器产生具有第一频率的第一信号具有第二频率的第二信号；温度单元用于感测MEMS组件的环境温度并基于环境温度确定补偿值；第一时钟生成单元基于补偿值和第一信号生成MHz级的第一时钟信号；第二时钟生成单元基于补偿值和第二信号生成KHz级的第二时钟信号。基于单个MEMS组件实现MHz级的第一时钟信号与KHz级的第二时钟信号的并行输出，在不借助于重掺杂工艺的基础上实现了使用单个MEMS组件和温度单元对两个谐振器的温度补偿，极大限度地降低了MEMS工艺的复杂度，有效降低温度补偿的功耗。有效降低温度补偿的功耗。有效降低温度补偿的功耗。


技术研发人员：雷永庆 李明 朱雁青
受保护的技术使用者：麦斯塔微电子（深圳）有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/5