Sub-uA polysilicon MEMS real-time clock with deterministic jitter compensation

Real-Time Clocks have been object of intense studies for about a century, with innovations both on the resonator side and in the related electronics. Recent advancements have seen the introduction of MEMS devices as the fundamental resonant element, fabricated with tailored, dedicated and expensive processes. This Thesis proposes an exploration of the advantages - and limits - of relying on MEMS resonators built with a standard, large-scale and cheap epitaxial polysilicon process, regardless of their intrinsic 20-fold poorer thermal stability, that is ±2000 ppm versus ±100 ppm over the temperature range. The ambitious proposal is based on the hypothesis - verified over the course of the project - that polysilicon devices are characterized by a thermal frequency instability that is more repeatable than their custom-made counterparts, thereby achieving a great reduction of long calibration procedures in an industrial, large-scale application. The implications of worse thermal properties at system-level are then investigated in detail and the overall feasibility of the integrated system, based on a ΣΔ-modulated digital divider, is assessed, both in theory and on silicon, under the constraint of a power budget of 1 μA. Additionally, the spurious phase noise due to the ΣΔ operation is suppressed with an alternative, low-power approach that, to the author's knowledge, had never been implemented at hundreds of nW. The designed integrated circuit is tested to prove the implemented concepts.

I real-time clock sono stati oggetto di intensi studi da un secolo a questa parte, con innovazioni sia nel risonatore che nella corrispondente elettronica. Recenti avanzamenti hanno portato all’introduzione di dispositivi MEMS come elemento risonante, fabbricato con processi tecnologici su misura, dedicati e costosi. Questa Tesi propone l’esplorazione dei vantaggi – e dei limiti – insiti nell’affidarsi a risonatori MEMS fatti con un processo tecnologico standard in polisilicio epitassiale, già utilizzato su larga scala ed economico, nonostante la sua stabilità in temperatura sia peggiore di un fattore 20, cioè ±2000 ppm contro ±100 ppm sull’intervallo di temperatura. La proposta ambiziosa si basa sull’ipotesi – verificata nel corso del progetto – che i dispositivi in polisilicio siano caratterizzati da una deriva termica della frequenza più ripetibile delle loro controparti che sfruttano un processo ad hoc, che quindi possono raggiungere una grande riduzione delle lunghe procedure di calibrazione in un’applicazione industriale su larga scala. Le implicazioni di queste peggiori proprietà termiche a livello sistema sono quindi investigate nel dettaglio e la fattibilità del sistema integrato, basato su un divisore digitale a modulazione ΣΔ, è valutata, sia a livello teorico che su silicio, sotto il requisito di un consumo di corrente inferiore a 1 μA. Inoltre, il rumore di fase insito nella modulazione ΣΔ è soppresso con un approccio alternativo e a basso consumo di potenza che, per la conoscenza dell’autore, non era mai stato implementato a livelli di consumo di centinaia di nW. Il circuito integrato progettato viene testato per provare i concetti implementati.