Takterzeugung Sind MEMS- oder Quarz-Oszillatoren besser?

Ohne stabile Zeitreferenz läuft in moderner Elektronik gar nichts. Doch welche Basiskomponente in der Zukunft das Rennen macht, ob Quarz- oder MEMS-Resonatoren, darüber streiten sich die Experten. Denn die rasante Entwicklung im MEMS-Bereich macht diese Lösung immer öfter mehr als ebenbürtig.

von Axel Gensler, Produktmanager bei Endrich Bauelemente.

Vor fast genau hundert Jahren, 1918, führte Alexander M. Nicholson mit natürlich gewachsenen Kristallen aus Seignettesalz erste systematische und wissenschaftlich dokumentierte Versuche mit elektromechanischen Resonanzschwingungen durch. Bereits ein Jahr später ersetzte Walter Guyton Cady den Seignettesalzkristall durch einen Quarzkristall.

Nach weiteren fünf Jahren veröffentlichte der Harvard-Professor G. W. Pierce eine Quarzschaltung mit nur einem Elektrodenpaar, und die Bell Telephone Laboratories wie auch andere Forschungseinrichtungen trieben die Entwicklung von praxistauglichen Schwingquarzen zur Frequenzstabilisierung in der Funktechnik voran. 1928 konnte Bell die erste quarzgesteuerte Uhr vorstellen.

Seitdem ist der Quarz als bestimmendes Element zum Erzeugen von Schwingungen kaum noch wegzudenken und wichtiger Bestandteil als Taktgeber für Prozessoren, Mikrocontroller, Funkgeräte usw. Dabei bestimmt sich die Frequenz maßgeblich durch Größe, Dicke und Form des Quarzkristallblättchens, auch Blank genannt. Mit sinkender Frequenz steigen die Größe und Dicke des Quarzes, bei hohen Frequenzen wird der Quarz sehr klein und damit empfindlich. Problematisch sind die Frequenzverschiebung durch den Lötvorgang, die bis zu 5 ppm betragen kann, sowie die mechanische Befestigung des Blanks im Gehäuse, die ihn für Erschütterungen anfällig macht. Außerdem bereiten Reinigungsverfahren wie Ultraschallbad oder Lötverfahren wie zum Beispiel das Dampfphasenlöten den Quarzprodukten Probleme.

Die Herstellung von Quarzoszillatoren ist in der Regel zweigeteilt. Einen Teil übernehmen die Halbleiterunternehmen für die CMOS-Dies, den anderen die spezialisierten Hersteller der Quarzkristalle. Zudem bedarf es Fachwissen, um die beiden Komponenten später in ein Gehäuse zu integrieren. Der Quarz muss hermetisch dicht in ein Keramikgehäuse gekapselt werden, um die Güte des Resonators zu garantieren (Bild 1, rechts). Die nötige Masse und Größe der Quarz-Blanks nimmt dabei viel Platz ein, was die Möglichkeiten zur Miniaturisierung einschränkt. Die relativ hohen Produktionskosten zur Bearbeitung der Quarzrohlinge und Bestückung in teuren Keramikgehäusen stellen einen weiteren Nachteil der Quarzoszillatoren dar.

Vorteile von MEMS-Resonatoren

MEMS-Taktgeber (Micro Electro-Mechanical Systems) verwenden anstelle des Quarzes einen Resonator aus monokristallinem Halbleiter- 
silizium. Im Gegensatz zu den im Anwendungsbereich vergleichbaren Quarzoszillatoren wird der MEMS-Resonator mit Halbleiterprozessen hergestellt, die den Prozessen elektronischer Schaltkreise ähneln. Nachdem die Strukturen des MEMS-Taktgebers aus reinem Silizium herausgearbeitet sind, wird der Chip mit dem analogen Schaltkreis kombiniert und in einem Standard-Halbleitergehäuse aus Plastik verpackt (Bild 1, links).