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Takterzeugung

Sind MEMS- oder Quarz-Oszillatoren besser?

29. Oktober 2014, 11:11 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vorteile von MEMS-Resonatoren

Die Entwicklung der ersten MEMS-Oszillatoren, die seinerzeit noch als Resonistor bezeichnet wurden, geht auf die Arbeiten von Raymond J. Wilfinger bei IBM Ende der 1960er Jahre zurück. Erste Ansätze zu dieser Technologie finden sich in den 1980 Jahren, wurden aber aufgrund fehlender Fertigungsverfahren und Methoden zur Temperaturkompensation der Frequenzdrift nicht weiter ernst genommen. Erst in den letzten zehn bis zwölf Jahren hat die Entwicklung der MEMS-Timing-Produktion Fahrt aufgenommen.

Als einer der Innovationstreiber im Bereich von MEMS für integrierte Zeitreferenz-ICs gilt SiTime (Vertrieb: Endrich). 2005 als Spin-off von Bosch gestartet, profitierte das Unternehmen von den Jahren der Technologieentwicklung des Bosch-Konzerns. Entscheidend war vor allem die von Markus Lutz und Aaron Partridge, zwei der SiTime-Gründer, entwickelte »InChipMEMS«-Technologie, eine Methode, um MEMS-Strukturen in ultrareine, vakuumdichte Wafer-Hohlräume zu integrieren, mit CMOS-Schaltungen zu verbinden und in ein Standard-Plastikgehäuse zu verpacken.

Das Unternehmen entwickelte den »MEMS first«-Fertigungsprozess: Hierbei werden die benötigten MEMS-Kavitäten (Resonatorhohlräume) im Silizium bei extrem hohen Temperaturen versiegelt, bevor die übrigen Strukturen entstehen. Etwaige Feuchtigkeit, Partikel oder Gase, welche die Schwingmasse der Resonatorstrukturen deutlich verändern und so die Schwingfrequenz unvorhersehbar stark verstimmen, können durch diesen Prozess nicht in das hermetisch dichte Gebilde eindringen. Positiver Nebeneffekt: Die hohen Temperaturen sorgen dafür, dass der Resonator durch die temperaturbedingte Voralterung eine hohe Langzeitstabilität erhält.

Theoretisch lassen sich Oszillatorschaltkreis und PLLs auf demselben Siliziumsubstrat kombinieren, da beide mit üblicher Ätztechnik in Silizium gefertigt werden. Derzeit gehen aber die meisten Hersteller den Weg einer Multi-Chip-Lösung, bei welcher der MEMS-Resonator und die Oszillatorschaltung als separate Chips gefertigt und in einem einzigen, kompakten Halbleitergehäuse integriert werden. Auch SiTime fertigt eine Zwei-Chip-Lösung und platziert die in einem 0,18-µm-Prozess hergestellten MEMS-Dies auf die Oberseite einer Standard-0,18-µm-CMOS-Schaltung. Die Verbindung der beiden Dies folgt über Bonddrähte. Abschließend kommt die Schaltung in ein kostengünstiges Standard-Kunststoffgehäuse und wird getestet und kalibriert. Temperaturbedingte Abweichungen im MEMS-Resonator können mithilfe eines Temperatursensors in Verbindung mit der Frequenzsteuerung kompensiert und eine Genauigkeit von bis zu ±10 ppm bei XOs beziehungsweise ±1,5 ppm bei TCXOs über den gesamten Arbeitstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C spezifiziert werden.

Mechanisch unempfindlich

Die Resonatoren weisen nur eine sehr geringe Größe im zweistelligen Mikrometerbereich auf und besitzen folglich extrem wenig Masse (10^-10 g). Die kleine Masse ist es, die diese Lösung unter anderem unempfindlich gegenüber mechanischer Erschütterung macht und laut Hersteller einen bisher nie erreichten Grad an Miniaturisierung ermöglicht. In punkto Zuverlässigkeit übertrifft die MEMS-Lösung den Quarzoszillator um das Zehnfache und ist gar zehn bis zwanzig Mal robuster im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber Schock und Vibration.

Da sowohl der MEMS-Resonator als auch die CMOS-Steuerelektronik in einem Halbleiterprozess gefertigt und in standardisierten Kunststoffgehäusen bestückt werden, ergeben sich zudem Kostenvorteile sowie eine Reduzierung der Beschaffungszeiten auf drei bis vier Wochen. Bei Quarzoszillatoren beträgt die Lieferzeit im Schnitt acht bis 16 Wochen.