Taktgeber Die weltweit ersten Single-Die-MEMS-Oszillatoren

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Silicon Labs hat die nach eigenen Angaben am höchsten integrierten MEMS-basierten Oszillatoren vorgestellt. Die neuen Bausteine sollen universelle Quarz-Oszillatoren in kostengünstigen, stromsparenden Anwendungen ersetzen.

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Taktgeber der Baureihe Si50x: die weltweit ersten Single-Die-MEMS-Oszillatoren
Taktgeber der Baureihe Si50x: die weltweit ersten Single-Die-MEMS-Oszillatoren
(Bild: Silicon Labs)

Typische Anwendungsbereiche der MEMS-Oszillatoren mit der Bezeichnung Si50x sehen die Hersteller in der Industrie, in Embedded- und Consumerelektronik-Anwendungen wie Digitalkameras, Storage und Speicher, Geldautomaten, Point-of-Sale-Einrichtungen sowie Multifunktionsdruckern.

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MEMS-Strukturen auf einem Standard-CMOS-Wafer

Explosionszeichnung des Resonators
Explosionszeichnung des Resonators
(Bild: Silicon Labs)
Die Oszillatoren basieren auf der patentierten CMEMS-Technologie von Silicon Labs, die das direkte Aufbringen von MEMS-Strukturen auf einen Standard-CMOS-Wafer in der Massenfertigung erlaubt. Damit ergibt sich ein vollintegrierter, hochzuverlässiger, monolithischer „CMOS+MEMS“-IC. Die CMEMS-Oszillatoren Si50x sind kleiner, zuverlässiger, höher integriert und weisen eine geringere Alterung auf als derzeitige Takt-ICs. Dafür sorgt die monolithische Architektur, die den MEMS-Resonator zusammen mit den CMOS-Oszillatorschaltkreisen auf einem Die vereint.

Die Vorteile der CMOS+MEMS-Integration im Detail:

  • CMEMS-Oszillatoren können in hohen Stückzahlen in CMOS-Fabs mit einheitlichen Foundry-Linien gefertigt werden, die das Wafer Probing ganzer Oszillatorsysteme und somit neueste Qualitäts- und Prozesssteuerungen unterstützen.
  • CMEMS-Technologie ermöglicht garantierte Datenblatt-Performance mit 10 Jahren sicherer Frequenzstabilität und verhindert Abweichungen nach dem Löten (Solder Shift), bei Load Pulling, UDD-Abweichungen, über den Betriebstemperaturbereich und bei Vibrationen und Stößen. Die garantierte Betriebslebensdauer ist 10-mal länger als bei vergleichbaren Quarz- und MEMS-Oszillatoren.
  • In CMEMS-Oszillatoren ist der MEMS-Resonator eng mit CMOS-Temperatursensor- und Kompensationsschaltkreisen gekoppelt. Dies garantiert einen stabilen Frequenzausgang bei Temperaturspitzen und über den gesamten industriellen Temperaturbereich. Damit ergibt sich ein vorhersagbarer, zuverlässiger Frequenzsollwert über der langen Lebensdauer von Industrie- und Embedded-Anwendungen.
  • CMEMS-Resonatoren werden passiv kompensiert – mit Materialien, die das Temperatur-verhalten innerhalb des Designs ausgleichen. Silicon Labs kann hier sein Wissen beim Mixed-Signal-Schaltkreisdesign anwenden, um kleinere, stromsparendere und kostengünstigere Oszillatoren anzubieten, die eine hervorragende Frequenz- und Temperaturstabilität sowie eine geringere Alterung aufweisen.

Oszillatoren für Frequenzen von 32 kHz und 100 MHz

Die CMEMS-Oszillatoren Si50x unterstützen jede Frequenz zwischen 32 kHz und 100 MHz. Zur Auswahl stehen die Frequenzstabilitäten ±20, ±30 oder ±50 ppm über den erweiterten kommerziellen (–20 bis 70 °C) und industriellen (–40 bis 85 °C) Betriebstemperaturbereich. Die CMEMS-Oszillatoren sind im Feld sowie ab Werk programmier- bzw. einstellbar, so z.B. stromsparende und geringphasige Jitter-Modi, einstellbare Anstiegs-/Abfallzeiten und eine polaritätskonfigurierbare Output-Enable-Funktion.

Fertigung bei SMIC in China

Die Oszillatoren werden von der Semiconductor Manufacturing International Corporation (SMIC) gefertigt, einer Halbleiter-Foundry, die in China zu den größten und modernsten Chip-Fertigungsstätten zählt. Diese strategische Foundry-Beziehung verbessert die Fertigungs- und Liefergarantie durch hohen Ausstoß und umfangreiche Qualitätskontrolle. Die integrierten monolithischen ICs werden sie in gängigen 4-Pin-Vergussgehäusen ausgeliefert.

CMEMS ersetzt Quarz

Jeremie Bouchaud: „Die CMEMS-Technologie vereint den MEMS-Resonator sowie die Frequenzregelkreise auf einem einzigen Baustein, der für die Massenfertigung elektronischer Systeme tauglich ist.“
Jeremie Bouchaud: „Die CMEMS-Technologie vereint den MEMS-Resonator sowie die Frequenzregelkreise auf einem einzigen Baustein, der für die Massenfertigung elektronischer Systeme tauglich ist.“
(Bild: MEMS Industry Group)
„Der Markt für Timing-ICs hat einen Wendepunkt erreicht, da die neueste Generation MEMS-basierter Oszillatoren einen zuverlässigen und kostengünstigen Ersatz für herkömmliche Quarz-Oszillatoren bieten“, erklärt Jeremie Bouchaud, Director und Senior Principal Analyst für MEMS und Sensoren beim Marktforschungsinstitut IHS iSuppli. „Silicon Labs’ CMEMS-Technologie stellt die heute am höchsten integrierte Lösung für den Quarz-Ersatz dar und vereint den MEMS-Resonator sowie die Frequenzregelkreise auf einem einzigen Baustein, der für die Massenfertigung elektronischer Systeme tauglich ist.“

Kundenspezifisch anpassbare Oszillatoren

Wie alle Oszillatoren von Silicon Labs lassen sich auch die Si50x-Varianten über das Internet kundenspezifisch anpassen. Muster stehen innerhalb von zwei Wochen zur Verfügung. Optional ist auch eine sofortige Auslieferung möglich. Die Programmierung erfolgt dann im Feld, am Standort des Kunden – und zwar über Silicon Labs’ Vertriebspartner. Die Si50x-Oszillatoren sind Pin- und Footprint-kompatibel zu bestehenden Quarz- oder MEMS-Oszillatoren, was einen schnellen und einfachen Austausch ermöglicht.

Vier Oszillatoren für unterschiedliche Ansprüche

Die Si50x-Reihe umfasst vier Produkte für flexible Timing-Konfigurationen:

  • Die Bausteine Si501, 502 und 503 sind Single-, Dual- bzw. Quad-MEMS-Oszillatoren mit OE und/oder FS-Funktion
    Die Bausteine Si501, 502 und 503 sind Single-, Dual- bzw. Quad-MEMS-Oszillatoren mit OE und/oder FS-Funktion
    (Bild: Silicon Labs)
    Si501: Single-Frequenz-Oszillator mit Output-Enable-(OE-)Funktion,
  • Si502: Dual-Frequenz-Oszillator mit OE und Frequency-Select-(FS-)Funktion,
  • Si503: Quad-Frequenz-Oszillator mit FS,
  • Der Si504 ist ein voll programmierbarer Oszillator für alle möglichen Konfigurationsfunktionen mit einer 1-Pin-Schnittstelle für die Frequenz-Feineinstellung in ppb
    Der Si504 ist ein voll programmierbarer Oszillator für alle möglichen Konfigurationsfunktionen mit einer 1-Pin-Schnittstelle für die Frequenz-Feineinstellung in ppb
    (Bild: Silicon Labs)
    Si504: voll programmierbarer Oszillator für alle möglichen Konfigurationsfunktionen mit einer 1-Pin-Schnittstelle für die Frequenz-Feineinstellung in ppb.

Universelle Oszillator-Lösung für kostengünstige, stromsparende Anwendungen

Mike Petrowski: „Die CMEMS-Oszillatoren Si50x sind ein wichtiger technologischer Fortschritt im Markt für Takt-ICs.“
Mike Petrowski: „Die CMEMS-Oszillatoren Si50x sind ein wichtiger technologischer Fortschritt im Markt für Takt-ICs.“
(Bild: Silicon Labs)
„Die Si50x CMEMS-Oszillatoren sind ein wichtiger technologischer Fortschritt im Markt für Takt-ICs“, erklärte Mike Petrowski, Vice President und General Manager für Silicon Labs’ Timing-ICs. „Sie vereinen die Vorteile bei der Herstellung einer Single-Die MEMS-Lösung und bieten die besten Eigenschaften herkömmlicher Quarz-Oszillatoren – sind aber zuverlässiger und schneller lieferbar. Mit unserer Erfahrung in den Bereichen MEMS-Design, Bauteil-/Prozess-integration und Mixed-Signal-Technologie stellt die Si50x-Reihe die beste universelle Oszillator-Lösung für kostengünstige, stromsparende Anwendungen in den Bereichen Embedded, Industrie und Consumerelektronik dar“, so Petrowski. Produktionsstückzahlen der Si501/2/3/4 CMEMS-Oszillatoren sind ab sofort in drei 4-Pin-DFN-Standardgehäusen lieferbar: 2 mm x 2,5 mm; 2,5 mm x 3,2 mm und 3,2 mm x 5 mm.

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