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MEMS-Oszillatoren

Adäquater Ersatz für Quarzoszillatoren

4. Mai 2011, 14:58 Uhr | Heribert Thammer

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Standarisierte Herstellprozesse für MEMS-Resonatoren

Die von MSC-Gleichmann als Alternative zu klassischen Quarz-basierten Oszillatoren angebotenen Silizium-MEMS-Oszillatoren werden allesamt mit Standardwerkzeugen und -werkstoffen in einer CMOS-Umgebung hergestellt. Daraus leiten sich neben einer gleichbleibend hohen Zuverlässigkeit selbst bei großen Stückzahlen – das Ziel sind 1 ppm – auch weitere ökonomische Vorteile ab, die sich letztlich in einem oftmals bis zu 30 Prozent niedrigeren Preis als bei vergleichbaren Standard-Quarzoszillatoren widerspiegeln.

Programmierbare Architektur von Oszillatoren auf Silizium-MEMS-Basis

Die Geschichte der Quarzoszillatoren reicht in eine Zeit zurück, als Halbleiter extrem kostspielig waren. Damals bestand die beste Lösung darin, die Komplexität weg von der Elektronik in die Resonatoren zu verlagern. Mit nur wenigen Transistoren wurden Oszillatorschaltungen realisiert, die auf die Resonanzfrequenz des Quarzes abgestimmt und betrieben wurden. Am Signalausgang stand dann das Taktsignal für die Leiterplatte zur Verfügung.

Heutzutage ist alles ganz anders: Mithilfe der modernen CMOS-Technologie lassen sich Millionen von Transistoren kostengünstig auf kleinstem Raum unterbringen. SiTime nutzt dies, um den Kunden eine überschaubare Anzahl von Plattformen zur Verfügung zu stellen, die wiederum kundenspezifisch konfigurierbar sind und somit nahezu keinerlei Wünsche offen lassen. Als eines von vielen Beispielen läßt sich hier die Oszillator-Plattform SiT8103 anführen. Dieser Baustein ermöglicht es Kunden aus folgenden Merkmalen zu wählen, ohne dass dafür am Baustein physikalisch Änderungen vorgenommen werden müssen:

• Ausgangsfrequenz: 1 bis 110 MHz

• Spannungsversorgung: 3,3 V, 2,8 V, 2,5 V oder 1,8 V

• Gehäuseformen: 2,5 × 2 mm², 3,2 × 2,5 mm², 5 × 3,2 mm² oder 7 x 5 mm²

• Frequenzstabilität: ±25 ppm, ±30 ppm, ±50 ppm

Dieser variable Ansatz steht natürlich in krassem Gegensatz zum Quarzoszillator, der für jeden einzelnen der angeführten Parameter verändert und optimiert werden muss.

Standardgehäuse mit minimalsten Abmessungen

Nach dem Verdünnen und Vereinzeln der Wafer – in beiden Fällen handelt es sich um Standard-Prozessschritte – werden die MEMS-Resonatoren und die CMOS-Treiber-ICs in standardisierten Kunststoffgehäusen untergebracht. SiTime verwendet hierfür QFN-Kunststoff-Spritzguss-Gehäuse, um eine hohe Zuverlässigkeit, geringe Induktivität der Anschlussleitungen und ein gutes thermisches Betriebsverhalten zu erzielen. Außerdem zeichnen sich diese Gehäuse durch eine flexible Gestaltung der Kontaktflächen sowie durch hohe Zuverlässigkeit und geringe Kosten aus. Alle Oszillatoren sind wahlweise in den vier Standardabmessungen 2,5 × 2 mm² , 3,2 × 2,5 mm², 5 × 3,2 mm² oder 7 × 5 mm² erhältlich und je nach Größe lediglich 0,75 bis 0,9 mm hoch, wobei alle Gehäuse selbstverständlich auf die Anschlüsse normaler Leiterplattenlayouts für Quarzoszillatoren passen.

Aufgrund der sehr geringen Abmaße und der sehr geringen beteiligten Massen überstehen MEMS-Oszillatoren übrigens Belastungen von 50 000 G Schock und 70 000 G Vibration. Ferner zeigen Kundenapplikationstests, dass selbst ein Drucktest mit 600 Bar mit einer Dauer von einer Stunde für diese Bauteile kein Problem darstellen. Diese hohe Robustheit kann von Quarzoszillatoren nicht im entferntesten erreicht werden.

Preisreduktionen dank Mooreschem Gesetz absehbar

MEMS-Resonatoren weisen schon heute ein gegenüber klassischen Quarzoszillatoren deutlich besseres Betriebsverhalten auf, da sie mit feineren Geometrien hergestellt werden. Bei den SiTime-Resonatoren liegen die Elektrodenabstände derzeit im Submikrometerbereich, wobei sich bei zukünftigen Generationen der Elektrodenabstand durch neue CMOS-Technologien und noch feinere Geometrien weiter verringern wird. Dies trägt zu einer Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses sowie zu einem noch geringeren Phasenrauschen der Oszillatoren bei.

Bei Quarzkristallen hingegen verschlechtert jede weitere Verkleinerung das Betriebsverhalten, den Q-Wert, das Phasenrauschen und die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Belastungen. Außerdem treten stärkere Aktivitätseinbrüche auf.

Bleibt noch der Kostenaspekt: Die Unterbringung einer größeren Anzahl von Transistoren auf derselben Siliziumfläche reduziert die Kosten für die Transistoren, weil die Kosten pro Fläche des Silizium-Wafers seit mehreren Generationen nahezu konstant geblieben sind.

Folglich ist mit jeder Verkleinerung der Schaltung mit weiteren Preissenkungen zu rechnen. Und auch die MEMS-Resonatoren selbst werden mit jeder Verkleinerung preiswerter. Ganz anders bei den Quarzkristallen: Beim Schneiden kleinerer Quarzkristalle werden deren Gestaltung und Fertigung schwieriger; außerdem sinkt die Ausbeute, was wiederum die Kosten nach oben treibt. Es gibt also viele Argumente für einen breiteren Einsatz von MEMS-Oszillatoren.