26.03.2014 15:13 | Silizium erschließt erweiterte Optionen für die Systemuhr

MEMS-Technologien für die Takterzeugung

Fachartikel von Craig Bakke

Wenn es bis vor Kurzem um die Entscheidung ging, was für die Taktquelle in einem elektronischen Projekt verwendet werden soll, gab es nur eine Meinung: Als einzige realistische Option für eine Anwendung sogar mit nur mittlerer Genauigkeit kommt nur ein Oszillator auf Quarzbasis infrage.

Bild 1: Typischer quarzbasierender Oszillator im Keramikgehäuse. (Bild: Digi-Key)

Der Markt wurde jahrzehntelang vom Quarz dominiert, aber dessen Beschränkungen eröffnen jetzt Möglichkeiten für neue Technologien. Quarzoszillatoren basieren auf den piezoelektrischen Eigenschaften des Materials (Bild 1). Der Quarzkristall verformt sich, sobald an ihn ein elektrischer Impuls angelegt wird. Und andererseits führt seine Verformung zur Erzeugung eines elektrischen Signals. Diese beiden Aspekte des piezoelektrischen Effekts werden in Oszillatoren genutzt, um eine Resonanz zu bewirken, sodass die Kristalle innerhalb eines schmalen Frequenzbereichs schwingen. Der Schlüssel zur Kontrolle der Frequenz und des Frequenzbereichs liegt in der Größe und Form des Kristalls. Je höher die angestrebte Frequenz, desto kleiner der Quarzkristall. Aber je kleiner die Kristalle werden, desto empfindlicher werden sie auch und desto schwieriger ist es, ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Auf einen Blick

Durch die Fortschritte bei den Silizium-Bearbeitungstechnologien stellt der Quarz längst nicht mehr die einzige Option dar, wenn Konstrukteure nach Taktgeberlösungen im Hochleistungssektor suchen. Mit MEMS, Hybrid-MEMS oder voll elektronischer Steuerung der Taktgeber steht Konstrukteuren jetzt eine immer größere Palette an Bausteinen zur Verfügung, mit denen sich die Vorgaben in Bezug auf Kosten, Schwingung und Zuverlässigkeit erreichen lassen.

Zur Erzielung einer genauen Frequenzkontrolle ist eine große Anzahl externer Komponenten erforderlich. Deshalb gibt es oft präzise Vorgaben, wie die Bauteile auf einer Leiterplatte platziert werden müssen und wie nahe sie zu anderen Teilen des Systems angeordnet sein dürfen.

Um ein stabiles Taktsignal zu erzielen, muss die Oszillatorschaltung vor Onboard-Störungen geschützt werden. Hochfrequenz-Datenbusse können die Einführung von Schaltrauschen in die Oszillator-Rückkopplungsschleife bewirken, wodurch das relativ schwache Signal gestört wird, das von dem Quarzkristall erzeugt wird. Ganz allgemein gilt: Der einfachste Weg, den Oszillator zu schützen, besteht darin, die meisten Signalspuren und Komponenten außerhalb einer „Ausschlusszone“ von einigen Quadratzentimetern auf der Leiterplatte zu halten.

Ein Problem bei Quarztaktgebern besteht in der Frequenzverschiebung, die durch die hohen Temperaturen beim Lötvorgang verursacht wird. Bei quarzbasierten Produkten, die dem Reflow-Lötverfahren ausgesetzt werden, bei dem für Zehntelsekunden Temperaturspitzen von mehr als 200 °C erreicht werden, können Frequenzverschiebungen von bis zu ±5 ppm auftreten.

Quarzbausteine sind auch aufgrund der Art und Weise, wie der Quarzkristall in dem Gehäuse festgehalten werden muss, empfindlich gegenüber Erschütterungen und Vibrationen. Daher führen der Trend zur Miniaturisierung in der Elektronik und die Nachfrage nach immer robusteren Geräten zu einem Bedarf an anderen Optionen.

MEMS-Technologie als Alternative

Bild 2: Eine typische rechteckige Resonator-MEMS-Struktur mit Aluminiumnitrid als beweglicher Masse. (Bild: Digi-Key)

Die Silizium-Halbleitertechnologie hat mittlerweile ein solches Entwicklungsstadium erreicht, dass sie eine effektive Alternative bieten kann. Die MEMS-Technologie (Mikroelektromechanisches System) bietet eine Möglichkeit, halbleitertaugliches Silizium für die Takterzeugung einzusetzen. Auf dem Markt werden zunehmend mehr Produkte angeboten, die auf diesem Ansatz basieren.

Die Kernkomponenten des MEMS-Taktgenerators ist ein aus dem Silizium-Wafer herausgeätzter mechanischer Resonator, der auf eine angestrebte Schwingungsfrequenz abgestimmt wird (Bild 2). Massen unterschiedlicher Größen und Formen, darunter Scheiben und Strukturen mit mehreren Streben, wurden genutzt, um den Schwingungseffekt zu erzielen, der im Allgemeinen durch elektrostatische Interaktionen in Gang gesetzt wird. Die Masse dieses Resonators ist extrem gering – oft liegt sie in der Größenordnung von lediglich einem Zehnmilliardstel Gramm. Mit dieser geringen Masse können hohe Frequenzen erzeugt werden, die bei Quarzkristallen schwer ausführbare und teure Schnitte erfordern würden.

Für den Aufbau des MEMS-Resonators können unterschiedliche Materialien auf Siliziumbasis genutzt werden, zum Beispiel einkristallines Silizium, Polysilizium oder Polysilizium-Germanium (Poly-SiGe). Die Resonatoren sind jedoch empfindlich für die Adsorption von Feuchtigkeit. Bereits eine einzige Wasserschicht kann die Betriebsfrequenz um Hunderte ppm (parts per million) drücken, weil dadurch die Masse des Resonators steigt. Um die Adsorption zu verhindern, müssen die MEMS-Taktgeber daher gegen die Umgebung isoliert werden.

Auch Temperaturänderungen führen zu einer erheblichen Drift der Resonatorfrequenzen – die Materialien werden bei steigender Temperatur weicher und führen zu einem Temperaturkoeffizienten von bis zu -40 ppm/°C.

Allerdings sind die MEMS-Produkte üblicherweise weniger empfindlich für Temperaturverschiebungen, die durch das Reflow-Lötverfahren verursacht werden. So zeigen beispielsweise die Echtzeit-Taktgeberprodukte auf MEMS-Basis des Herstellers Maxim Integrated nach dem Reflow eine Verschiebung von weniger als ±1 ppm – fünf Mal geringer als bei vergleichbaren Quarzprodukten. Aufgrund ihrer viel geringeren Größe sind die MEMS-Produkte im Vergleich zu quarzbasierten Bausteinen auch viel immuner gegenüber Erschütterungen und Vibrationen.

Um das Problem der temperaturbedingten Temperaturverschiebungen zu beheben, wird der Ausgang des MEMS-Resonators üblicherweise elektronisch kompensiert. Dazu können die gleichen Verfahren eingesetzt werden wie bei temperaturkompensierten Quarz-Oszillatoren (TXCOs). Ein digitales Verfahren besteht in der Bereitstellung eines elektronischen Referenzoszillators, der auf einem Transimpedanzverstärker basiert und in einen Fractional-N-Synthesizer und eine Phasenregelschleife (PLL) eingespeist wird. Bei der Kalibrierung wird der Ausgang des Referenzoszillators bei Raumtemperatur gemessen und mit der Zielfrequenz verglichen. Dann wird der Ausgang bei einer anderen Temperatur gemessen, und diese Ergebnisse werden im lokalen Speicher gespeichert.

Da die Temperaturverschiebung normalerweise gleichmäßig erfolgt, werden nur wenige Punkte benötigt, um Spannungs-Offsets bereitzustellen, mit denen der Frequenzsynthesizer oder die PLL angesteuert wird, um den erwünschten Frequenzausgang zu erzielen.

pMEMS nutzt piezoelektrische Effekte

Zur Leistungssteigerung der MEMS-Resonatoren werden Aspekte von Quarz und MEMS miteinander kombiniert, wobei anstatt der mechanischen Resonanz piezoelektrische Effekte genutzt werden. So stellt beispielsweise IDT piezoelektrische Oszillatoren auf MEMS-Basis her. Bei diesen Bausteinen ist die herausragende Strebe mit einer dünnen piezoelektrischen Schicht aus Materialien wie Aluminiumnitrid oder Zinkoxid versehen.

Durch die Kombination von Strukturen wird eine starke elektromagnetische Kopplung erzielt, die für geringe Widerstandsbewegung und hohe Qualitätsfaktoren – und damit für eine stabile Resonanz – sorgt. Die Anbieter behaupten, dass durch diese Struktur eine langfristig hohe Frequenzstabilität und geringer Jitter gewährleistet sind. Beispielsweise zeichnen sich die pMEMS-Produkte von IDT bei Betriebsfrequenzen bis zu 20 MHz durch einen Jitter im Sub-Pikosekundenbereich aus.

Um den Einsatz in hochfrequenten Kommunikations-, Netzwerks- und Computerdesigns zu ermöglichen – für die Quellen im Bereich von 150 MHz bis 200 MHz benötigt werden –, gelang es IDT, die winzigen MEMS-Resonatoren und die Signalaufbereitungsschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. So entstanden die pMEMS-Produkte von IDT mit LVDS- (Low-Voltage Differential Signalling) und LVPECL-Ausgängen (Low-Voltage Positive Emitter-Coupled Logic).

QMEMS-Bausteine

Bild 3: Die inverted Mesa-Struktur für AT-Kristalle und ihr effektiver Frequenzgang. (Bild: Epson-Toyocom/Digi-Key)

Die MEMS-Technologie bietet nicht nur eine Alternative zum Quarz, sondern erschließt auch neue Möglichkeiten für das piezoelektrische Material. Um eine bessere Frequenzsteuerung zu ermöglichen, begann Epson-Toyocom mit der Nutzung von Mikrobearbeitungsverfahren auf Quarz und entwickelte die QMEMS-Bausteingruppe mit völlig neuen Formen wie Inverted Mesa – eine vertiefte Struktur mit steilen Seitenwänden und einem flachen Boden innerhalb eines größeren Quarzkristalls, die in unmittelbarer Nähe zu den Anregungselektroden angeordnet ist (Bild 3). Durch diese Form wird der Betrieb bei höheren Frequenzen möglich, da sie die Dicke des oszillierenden Kristallabschnitts auf wenige Mikrometer reduziert. Der größere Umgebungsbereich wird als Träger beibehalten, um die mechanische Gesamtfestigkeit zu gewährleisten. Durch den Einsatz eines dünneren oszillierenden Abschnitts sinkt auch die Empfindlichkeit des Bausteins gegenüber Frequenzeinbrüchen und Temperaturänderungen.

Ein Versprechen der MEMS-Technologie ist die einfachere Erzielung eines hohen Integrationsgrads. Prinzipiell kann die Resonatorstruktur in dieselbe Matrize integriert werden wie die Kompensations- und sonstige Signalaufbereitungsschaltung. In der Praxis führen Kosten-Nutzen-Überlegungen jedoch dazu, dass viele der im Handel erhältlichen MEMS-Produkte Lösungen mit zwei Matrizen sind.

CMEMS-Oszillatoren

Bild 4: Silicon Laboratories hat in der Si50x-Produktreihe MEMS- und kommerzielle CMOS-Technologie miteinander kombiniert. (Bild: Silicon Labs/Digi-Key)

Die von Silicon Laboratories entwickelte CMEMS-Technologie ermöglicht die Nachbearbeitung von MEMS-Strukturen auf einem Silizium-CMOS-Wafer, wobei Poly-SiGe als strukturelles MEMS-Material verwendet wird (Bild 4). Es kann bei Temperaturen aufgetragen werden, die mit denen vergleichbar sind, welche bei der Herstellung der Metallverdrahtung herkömmlicher CMOS-ICs verwendet werden. Das bedeutet, dass es bei den Verfahren zum Auftragen des Poly-SiGe nicht zum Schmelzen der vorhandenen CMOS-Strukturen und Backend-Materialien kommt, wenn dieses direkt auf einen gängigen CMOS-Wafer aufgetragen wird. Die Ätzmittel, die zum Entfernen von Material unter dem Resonator verwendet werden, damit dieser schwingen kann, sind umweltfreundlicher als die Flusssäure und andere Ätzchemikalien, die oft in dedizierten MEMS-Verfahren zum Einsatz kommen.

Zur Stabilisierung des Frequenzausgangs wird bei den CMEMS-Oszillatoren aus der Si50x-Serie die DSPLL-Technologie genutzt, die auch bei den quarzbasierten Oszillatoren zum Einsatz kommt, um eine Gesamtstabilität von lediglich ±20 ppm über zehn Jahre zu erzielen.

Ein weiterer Schritt ist die Abkehr von mechanischen oder piezoelektrischen Resonatoren zugunsten einer gänzlich elektronischen Lösung. Einige Jahre lang wurden LC-Resonanzschaltkreise mit Spule und Kondensator als Taktquelle mit geringen Qualitätsansprüchen für Mikrocontroller eingesetzt, aber deren Anwendungsmöglichkeiten waren aufgrund ihres Jitters beschränkt, der in der Größenordnung von Zehntausenden ppm liegt. Dank Fortschritten bei der PLL-Technologie, die bei Quarz- und MEMS-Produkten umgesetzt wurden, um die Spezifikation der elektronischen Resonatoren zu präzisieren, sind diese jetzt in einer viel größeren Konstruktionsbandbreite einsetzbar.

Da die Bausteine vollständig elektronisch sind und ihr Ausgang mithilfe von Daten aus einer Lookup-Tabelle gesteuert wird, können sie werkseitig auf jede benötigte Frequenz innerhalb ihres Ausgangsbereichs programmiert werden. So können beispielsweise Produkte wie der Si500 von Silicon Labs jede Frequenz zwischen 900 kHz und 200 MHz bei einer Gesamtstabilität von ±150 ppm unterstützen. Da sie keinerlei bewegliche Teile aufweisen, sind die Bausteine im Prinzip unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Schwingungen und werden auch nicht durch die Temperatur während des Lötvorgangs beeinträchtigt.

(jj)

Über den Autor

Craig Bakke ist Produktmanager für Halbleiter bei Digi-Key.

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