MEMS-basierte Timing-ICs

Der technische Fortschritt in der Automobilelektronik schreitet schnell voran. Die zumeist mechanischen Verbesserungen des ersten halben Jahrhunderts, wie Automatikgetriebe, Servolenkung, automatische Scheibenwischer und Tempomat, sind für Fahrer heute selbstverständlich. Völlig neue Innovationen sind nun durch die Halbleitertechnologie, Funkkommunikation und die Anbindung an das Internet möglich. Diese Konvergenz von Telekommunikation und Informationsverarbeitung im Fahrzeug, auch Telematik genannt, zielt in erster Linie auf mehr Sicherheit im Straßenverkehr und den Komfort ab. Diese sich weiterentwickelnden Funktionen werden durch die Anbindung an die Kommunikationsinfrastruktur erheblich verbessert. Zu den wichtigsten Neuerungen zählen:

Sicherheit und Komfort

Fahrerassistenzsysteme (ADAS; Advanced Driver Assistance Systems) warnen den Fahrer vor möglicherweise gefährlichen Situationen und steuern in einigen Fällen das Fahrzeug automatisch. Sie nutzen Radar- und Rundum-/Surround-Kameras sowie intelligente Bildverarbeitung, um nahegelegene Objekte und Straßenmerkmale zu erkennen, ihren Standort zu bestimmen und die Bewegungsgeschwindigkeit zu bestimmen. So kann ein ADAS über das Lenkrad eine taktile Rückmeldung an den Fahrer bereitstellen, wenn das Fahrzeug aus seiner Spur abweicht. Das System kann auch die Bremsen automatisch betätigen, wenn es erkennt, dass das vorausfahrende Auto zu nahe ist. Andere Sicherheitsaspekte werden durch Datenanbindung bereitgestellt. Dazu zählen unter anderem ein automatisches Notrufsystem (eCall) und die Bereitstellung von Navigationsdiensten, um Gefahren auf der Straße in Echtzeit zu erkennen.

Bild 1: Elektronische Subsysteme in einem modernen Fahrzeug. Microchip

In-Vehicle Infotainment (IVI) bereitet Dienste im Fahrzeuginneren auf, wie zum Beispiel Unterhaltung, GPS-Navigation, Smartphone-/App-Integration in den Fahrzeug-Touchscreen, Freisprecheinrichtung und Sprachsteuerung.

Weitere Dienste

Fahrzeug-Management-Dienste ermöglichen es dem Nutzer, das Fahrzeug zu verfolgen, wenn es zum Beispiel gestohlen wird; stellen auch Empfehlungen für die Fahrzeugwartung bereit und aktualisieren die Funktionalität durch Software-Downloads. Die Autohersteller stehen vor drei großen Herausforderungen bei der Umsetzung dieser intelligenten, vernetzten Technologie:

• Die neue Technologie muss zuverlässig sein – die Sicherheit von Passagieren und Fußgängern hängt davon ab.
• Systeme müssen unter extremen Temperaturen arbeiten. Abhängig von ihrer Platzierung innerhalb des Fahrzeugs, den Witterungseinflüssen und Fahrbedingungen können elektronische Schaltungen in einem Fahrzeug Temperaturen von -40 bis +150 °C ausgesetzt sein. Während herkömmliche industrielle elektronische Bauteile für -40 bis +85 °C ausgelegt sind, verlangen Automotive-Anwendungen eine Zuverlässigkeit bis 105 °C (Grad 2) und 125 °C (Grad 1) außerhalb des Motorraums sowie 150 °C (Grad 0) oder höher innerhalb Motor- und Getriebeanwendungen.
• Größe und Gewicht sind wichtige Aspekte, da fahrzeuginterne Elektroniksysteme zahlreich und komplex sind.

Bild 2: SEM-Aufnahme eines MEMS-Resonators vor dem Einbau in das Gehäuse. Microchip

Für viele dieser neuen Anwendungen sind die MEMS-basierten (Micro Electro Mechanical System) Oszillatoren und Takt-ICs von Microchip die ideale Lösung, um die Herausforderungen im Automotive-Bereich zu meistern.

MEMS-Oszillatoren und Takt-ICs

Seit langer Zeit sorgen Quarzresonatoren für die frequenzbestimmenden Elemente in Oszillatoren und Takt-ICs, und sie funktionieren in vielen Anwendungen gut. Die MEMS-Technologie macht es jedoch möglich, Quarzkristalle durch winzige MEMS-Resonatoren zu ersetzen. Zu den Vorteilen MEMS-basierter Oszillatoren zählen hohe Zuverlässigkeit (einschließlich AEC-Q100-Zertifizierung), Stoßfestigkeit, stabiler Frequenzausgang über einen weiten Betriebstemperaturbereich, geringe Größe und geringer Stromverbrauch. Im Folgenden findet sich eine Übersicht, wie diese Vorteile erzielt werden.

Auf der nächsten Seite: Saubere MEMS-Halbleitergehäuse und ein stabiler Frequenzausgang.

Äußerst saubere MEMS-Halbleitergehäuse

Quarzkristalle sind millimetergroße Splitter aus reinem Quarz (Siliziumdioxid), die auf jeder Seite versilbert, durch leitfähiges Epoxid mit Kontakten verbunden und in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse (entweder aus Keramik oder Metall) untergebracht sind, das mit trockenem Stickstoff gefüllt ist. Jeder Resonator wird vor der Montage auf die gewünschte Frequenz geschliffen. MEMS-Resonatoren werden aus reinen Siliziumwafern gefertigt und in einer Foundry unter Verwendung der gleichen lithographischen Verfahren wie Halbleiter-ICs hergestellt. Der Resonator besteht aus einem winzigen Polysilizium-Strahl (30 μm × 50 μm), der an Siliziumträgern über einer Polysilizium-Basis aufgehängt ist (Bild 2). Der Strahl biegt sich, wenn er von elektrostatischen – im Gegensatz zu piezoelektrischen – Kräften zur Basis hingezogen wird (Bild 3).

Bild 3: Biegung eines Resonators bei elektrischer Erregung. Microchip

Ungefähr 100.000 Resonatoren lassen sich auf jedem Silizium-Wafer unter Verwendung herkömmlicher Halbleiter-Lithographie und einigen MEMS-spezifischen Ätzschritten für die 3D-Struktur herstellen. Ein „Cap Wafer“ wird ebenfalls mit Vertiefungen hergestellt und geätzt, die jeder der Resonatorstrukturen auf dem Bauteil-Wafer entsprechen. Diese beiden Wafer werden genau ausgerichtet, im Vakuum zusammengepresst und in einem Hochtemperaturofen geglüht. Die Schmelzverbindung zwischen den beiden Wafern ist extrem stark (Bild 4). Die gebondeten Wafer werden dann gesägt, wodurch sich MEMS-ICs ergeben, deren Resonator in einem hermetisch abgedichteten Hohlraum eingeschlossen ist, der durch die Vertiefungen des Cap Wafers gebildet wird (Bild 5).

Der Vakuum- und Wärmeprozess verdrängt jegliche Verunreinigungen, was zu einem äußerst reinen Hohlraum führt, der für die hohe Zuverlässigkeit des MEMS-Resonators verantwortlich ist. Verbindungen zum Resonator im Hohlraum erfolgen über TSVs, die den Hohlraum bewahren. Im Gegensatz dazu ist ein Keramik- oder Metallgehäuse, das einen Quarzkristall und einen ASIC-Oszillatorchip enthält, größer und kann dieses Reinheitsniveau nicht erreichen. Auch das Ausgasen des Epoxids kann eine gewisse Frequenzdrift verursachen.

Stoßfestigkeit

Bild 4: Bonding-Prozess mehrerer Resonatoren auf einem Wafer. Microchip

Jeder MEMS-IC wird auf einen CMOS-Oszillator-Chip gebondet und mittels Standard-Drahtbonden verbunden (Bild 6). Die gesamte Baugruppe wird anschließend im Standard-Spritzgussverfahren in Kunststoff (Bild 7) vergossen, um das Endprodukt bereitzustellen. Im Gegensatz zum Quarz ist keine abschließende hermetische Versiegelung erforderlich.

Da der MEMS-Resonator eine sehr geringe Masse aufweist – um Größenordnungen kleiner als Quarz-Rohlinge – kann der Resonator theoretisch 1 Mio. g standhalten. In der Praxis ist das Gehäuse der einschränkende Faktor, wodurch ein MEMS-Bauelement in der Lage ist, viele 10.000 g zu widerstehen, während Quarzbauelemente nur 50 bis 100 g standhalten.

Stabiler Frequenzausgang und kleine Baugröße

Der MEMS-Resonator weist eine strikte aber vorhersagbare Temperaturkennlinie auf. Ein CMOS-Oszillator enthält einen hochgenauen Temperatursensor, der zusammen mit einer Fractional-N PLL eine automatische Frequenzkorrektur ermöglicht. Der MEMS-Resonator kann über 200 °C arbeiten. Heutige MEMS-Oszillatoren bieten eine sehr stabile Frequenz von mindestens 125 °C (Bild 8). Der Resonatorchip ist nur 400 mm² groß und immer kleinere CMOS-Technologieknoten sorgen für CMOS-Oszillator-ICs in der Größenordnung von weniger als 1 mm². Der  DSC6000 misst in seinem Gehäuse nur 1,6 mm × 1,2 mm.

Bild 5: Resonator-Chip mit MEMS-Aufbau in einem hermetischen Hohlraum. Through Silicon Vias (TSVs) führen die Resonatoranschlüsse zur Außenseite des Chips. Microchip

MEMS-basierte Timing-ICs für Automotive

Das ADAS-Langstreckenradar ermittelt die Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung (Azimut) und die Höhe verschiedener Autos, Fußgänger und anderer Objekte im komplexen städtischen Straßenverkehr. Einfach ausgedrückt senden Radarsysteme Mikrowellenstrahlen in die Umgebung, und nahegelegene Objekte reflektieren diese Strahlen, was die Objekte „sichtbar“ macht. Bild 9 beschreibt ein ADAS-Langstreckenradar. RF TX und RF RX beziehen sich auf den Funkfrequenzsender und -empfänger mit jeweils einem eigenen Antennensystem. Über die Zeitdifferenz zwischen den gesendeten und empfangenen Signalen und die Doppler-Frequenzverschiebung des letzteren lässt sich die Entfernung als auch die relative Geschwindigkeit des Objekts bestimmen. Diese Messung wird durch die Frequenzmodulation des übertragenen Signals (Chirp) vereinfacht, die über den DSP-Block (digitaler Signalprozessor) erzeugt und durch den Basisbandblock in eine Analogmodulation übertragen wird.

Die empfangenen Reflexionen werden ebenfalls in das Basisband umgewandelt und dann für Entfernungs- und Geschwindigkeitsdaten im DSP digitalisiert. Ein steuerbarer Beam ermöglicht, den Azimut beizubehalten. Der Power Management IC (PMIC) stellt sicher, dass alle Funktionen genau geregelten Gleichstrom von der Autobatterie erhalten. Die Gesamtsteuerung des Systems erfolgt über den Mikrocontroller (MCU). Daten vom System und möglicherweise von Fahrzeugaktionen werden über den CAN-Bus (Controller Area Network) an die Motor- und Fahrzeugsteuerung übertragen. Dies wird dann dem Fahrer und den Systemen im Fahrzeug mitgeteilt. Ein MEMS-basierter Takt-IC, wie der DSC2311, stellt der MCU und dem DSP zwei getrennte CMOS-Ausgänge bei 20 MHz bereit. Es ist stoßfest und zuverlässig, bietet eine sehr stabile Frequenz zwischen -40 und +125 °C und spart Platz, indem er zwei separate gepufferte Ausgänge als 2,5 mm × 2,0 mm Single-Chip bereitstellt.

Auf der nächsten Seite ist unter anderem In-Vehicle Infotainment Thema.

Bild 6: Resonator-Chip auf einen CMOS-Oszillator-ASIC gebondet. Microchip

In-Vehicle Infotainment

Infotainment-Systeme bieten Fahrinformationen und Unterhaltungsdienste. Bild 10 beschreibt einen speziellen Automotive-Anwendungsprozessor, der an ein Touchpanel angeschlossen ist. Ein Radio (einschließlich GPS, Satellit und terrestrische Dienste) und CD/DVD-Laufwerke bieten Musik, Video und Navigation über das Audiosystem und das Display. Ein Bluetooth- und/oder Wi-Fi-Modul stellt eine Verbindung zu Smartphones her und eine Kamera liefert Surround-View-Bilder, damit der Fahrer das Fahrzeug sicher wenden und manövrieren kann.

Eine MCU übernimmt die Gesamtsteuerung des Systems und kommuniziert über das Fahrzeugnetzwerk (in der Regel ein CAN-Bus) mit Fahrzeugfunktionen wie Temperaturregelung, Türverriegelung oder Reifendrucküberwachung. Ein DSC400-Takt-IC bietet eine jitterarme 100-MHz-HCSL-Taktreferenz für die PCIe-Kommunikation des Endsystems mit Flash-Speicher. Er liefert auch eine 12,288-MHz-Referenz für digitale Audioausgabe. Ein separater DSC6100-Oszillator stellt eine 12-MHz-Taktquelle für die MCU-Funktion innerhalb des Anwendungsprozessors bereit.

Bild 7: Fertig integrierter Oszillator im Gehäuse. Microchip

Datenanbindung

Vernetzte intelligente Fahrzeuge mit GPS, Multimedia, fortschrittlicher Motorsteuerung und Fahrerassistenz benötigen Netzwerkprotokolle, die eine wesentlich höhere Bandbreite als CAN unterstützen. Um die Anforderungen an die In-Vehicle-Datenanbindung zu erfüllen, bietet Microchip seine MOST-Transceiver an (Media Oriented Systems Transport), die Datenübertragungsgeschwindigkeiten bis 150 Mbit/s, USB 3.1 Gen 2 (bis zu 10 Gbit/s) und 100Base-T1 Ethernet (bis 100 Mbit/s) unterstützen.

Microchips INICs (Integrated Network Interface Controller) für MOST-Netzwerke arbeiten mit einem verteilten Netzwerktakt. Dabei wird auch ein Backup-Takt benötigt. Ein winziger 1,6 mm × 1,2 mm DSC6100 mit 18,432 MHz und 24,576 MHz wird derzeit für diesen Zweck evaluiert.

Die hohen Datenraten von USB 3.1 und 100Base-T1 Ethernet benötigen Takte mit reduziertem Jitter (Phasenrauschen). Ein störungsbehafteter Takt führt zu Bitfehlern in den Datenströmen. Bild 11 beschreibt das Blockdiagramm eines Ethernet/USB-Referenzdesigns. Ein DSC2311, der mit 25 MHz läuft, weist einen Jitter von etwa 400 fs_eff über der Offset-Bandbreite von 100 kHz bis 20 MHz auf, wobei die Leistungsfähigkeit deutlich über dem Mindeststandard liegt.

Bild 9: Blockdiagramm des ADAS-Langstreckenradars. Microchip

Bild 10: Blockdiagramm der In-Vehicle-Infotainment-Haupteinheit. Microchip

Bild 11: Blockdiagramm für In-Vehicle Networking. Microchip

Bild 8: Vergleich der Frequenzstabilität zwischen Quarz- und MEMS-Oszillatoren. Microchip

(jj)