Stabilizzazione in temperatura di real-time clock basati su MEMS in polisilicio epitassiale : studio di fattibilità

The dramatic increase in the use, even unconscious, of sensors and transducers in everyday life, drives the development of smaller and smaller devices, running at low power budget and without loss of performance. This is particularly challenging for what concerns Real-Time Clock oscillators (RTCs), historically manufactured using quartz resonators: a well-established technology that guarantees high stability and low power dissipation, but unable to keep up with the miniaturization requests imposed by the market. Thanks to the increased ability to integrate mixed-signal electronic circuits and MEMS transducers, the semiconductor industry is now able to implement a MEMS-based RTC in a single System in Package, exploiting the well promising trend of size reduction shown by MEMS resonator. Hence the idea to study the feasibility of RTC based oscillators based on MEMS resonator in standard epitaxial technology. This technology represents the cheapest solution for the fabrication of MEMS transducer, but requires careful analysis of the temperature stability characteristics in order to conceive and optimize electronic compensation methods compatible with the above mentioned dissipation requirements. This Master Thesis carried out at the Department of Electronic Information and Bioengineering of the Politecnico di Milano concerns the development of a discrete component oscillator and subsequently an extensive characterization of MEMS resonators. The objective is to evaluate the possibility of compensating for the variation of the frequency resonance in temperature, which stands around -30ppm°C, accomplished by purely electronic techniques. By processing the measurement data, the parameters of interest of the resonators are extracted, a statistic is obtained and a family compensation is simulated, which would reduce the calibration costs. The conclusions drawn show the feasibility of such a compensation, reaching stability values around ±20ppm on the temperature range of interest.

Il vertiginoso aumento dell’uso, anche inconscio, di sensori e trasduttori nella vita di tutti i giorni, spinge allo sviluppo di dispositivi di dimensioni e costo sempre minori, a basso consumo di potenza senza compromettere le prestazioni. Questa sfida risulta particolarmente impegnativa in materia di oscillatori per Real-Time Clock (RTC), storicamente fabbricati tramite risonatori al quarzo: una tecnologia ben consolidata, che garantisce elevate prestazioni di stabilità e consumo, incapace tuttavia di tenere il passo con le richieste di miniaturizzazione imposte dal mercato. Grazie all’aumentata capacità di integrare circuiti elettronici mixed-signal e trasduttori MEMS, è oggi pensabile la realizzazione di un unico System in Package che implementi un RTC, dove il risonatore MEMS offre inarrivabili possibilità di miniaturizzazione, sia allo stato dell’arte che in previsione futura. Da qui nasce l’idea di studiare la fattibilità di oscillatori per RTC basati su risonatori MEMS in tecnologia epitassiale standard. Tale tecnologia rappresenta la soluzione a costo minimo per la realizzazione del trasduttore MEMS, ma necessita attente analisi delle caratteristiche di stabilità in temperatura al fine di concepire e ottimizzare metodi di compensazione elettronica compatibili con i requisiti di dissipazione sopra citati. Questo elaborato di Tesi, svolto presso il Dipartimento di Elettronica Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, riguarda lo sviluppo di un oscillatore a componenti discreti e successivamente un’estensiva caratterizzazione di risonatori MEMS. L'obiettivo è valutare la possibilità di compensare la variazione della risonanza in temperatura, che si attesta intorno a -30ppm/°C, mediante tecniche puramente elettroniche. Elaborando i dati di misura, si estraggono i parametri di interesse dei risonatori, si ricava una statistica e si simula una compensazione di famiglia, che permetterebbe di abbattere i costi di calibrazione. Le conclusioni tratte evidenziano la fattibilità di un tale tipo di compensazione, raggiungendo una stabilità di circa ±20ppm sull’intervallo di temperatura di interesse.