CMOS-MEMS-Oszillatoren MEMS-Oszillatortechnologie wird zunehmend für HF-Applikationen interessant

Autor / Redakteur: Wan-Thai Hsu* / Andreas Mühlbauer

Oszillatoren auf Basis mikromechanischer Sysreme sind nicht neu. Doch erst in den letzten Jahren ist es gelungen, industrietaugliche CMOS-MEMS-Oszillatoren in Serie herzustellen, die den Anforderungen an Genauigkeit und Stabilität genügen. In Zukunft könnten sie eine kostengünstige Alternative zu Kristalloszillatoren darstellen.

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Nahezu alle elektronischen Systeme benötigen einen Taktgeber, um ihre Komponenten und Untersysteme zu synchronisieren. In den letzten Jahrzehnten dienten Quarzoszillatoren als sehr genaue Frequenzreferenzen. Beim Entwurf von ICs, die eine Frequenzreferenz benötigen, reserviert man dafür fast immer Pins für Quarzkristalle. Timingbauteile liefern sozusagen den „Herzschlag“ für alle Consumer-Geräte. Sie ermöglichen beispielsweise die Koordination des Zwischenspeichers in Video- und Standbildkameras oder die gleichzeitige Lautstärkenregelung und Kanalwahl in Set-Top-Boxen für TV-Geräte.

Heute bieten immer mehr Consumer-Geräte immer umfangreichere Funktionen mit geringerem Platzbedarf. Über kurz oder lang wird dies die Herstellungsprozesse für Taktsysteme verändern und gleichzeitig die Entwicklung neuer Geräte vorantreiben.

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Im Grunde ist ein Quarzkristall ein mechanischer Resonator, mit dem sich eine gute Frequenzselektivität und -stabilität erzielen lassen. In den Achtzigern stellten Forscher mechanische Resonatoren mit MEMS-Technologie auf Siliziumwafern her und fanden heraus, dass diese Resonatoren ähnliche Eigenschaften wie Quarzkristalle zeigen. Damals arbeiteten diese Resonatoren jedoch nur im kHz-Bereich und benötigten oft eine Biasspannung von mehreren zehn Volt.

Serienreife und Massenproduktion

In den späten Neunzigern begannen Forscher, verschiedene Designs für MEMS-Resonatoren zu erforschen. Dabei ging es hauptsächlich darum, Resonatorfrequenzen im MHz- oder sogar GHz-Bereich zu erzielen und gleichzeitig den Qualitätsfaktor aufrecht zu erhalten. Nach einer Reihe von Durchbrüchen hinsichtlich der Frequenzstabilität und der Herstellbarkeit von MEMS-Resonatoren wurde die Kommerzialisierung dieser Technologie in Erwägung gezogen.

MEMS-Resonatoren wurden damals hauptsächlich an Universitäten hergestellt. Sie mussten normalerweise hermetisch abgekapselt werden, um die Leistungsfähigkeit sicherzustellen, sodass zudem Verfahren zur Vakuumverpackung auf Waferebene entwickelt wurden. Für Unternehmen war es also oberste Priorität, einen Prozess zu finden, der nicht nur umsetzbar und CMOS-kompatibel war, sondern sich auch auslagern ließ. Das erforderliche Prozess-Knowhow musste den Foundries vermittelt werden, sodass die Wafer effizient genutzt werden konnten.

Die größten Hürden bei der Kommerzialisierung der CMOS-MEMS Resonatortechnologie waren die Frequenzgenauigkeit und Temperaturkompensation. Neu gefertigte Resonatoren hatten eine Frequenzabweichung von 1% über den gesamten Wafer. Ein typischer MEMS-Resonator hat einen Temperaturkoeffizienten von –20 ppm/°C, also weit schlechter als bei Quarzkristallen. Das Temperaturverhalten von Flüssigstickstofftemperatur auf 150°C ist bei MEMS jedoch linear, was eine Temperaturkompensation erheblich vereinfacht. Heute lassen sich MEMS-Resonatoren mechanisch auf 0,24 ppm/°C kompensieren. Mit Hilfe von Kompensationsschaltungen wurde eine Frequenzabweichung von ±20 ppm bei –40 bis 85°C in der Serienfertigung erzielt. Andererseits ließe sich mit Laserverfahren ein Frequenzabgleich von 2,5 ppm bzw. mit elektronischen Abgleichverfahren von weniger als 1 ppm realisieren.

Langzeitstabilität und Stoßfestigkeit

Nicht nur MEMS-Bauteil und IC machen ein Produkt aus, auch das Gehäuse spielt eine wichtige Rolle. Anders als bei Quarzkristallen, die einzeln hermetisch verkapselt werden müssen, können hier kostengünstige Kunststoffgehäuse verwendet werden – ein erheblicher Vorteil gegenüber den Keramikgehäusen für Quarzkristalle.

Beim Thema MEMS tauchen immer wieder Fragen hinsichtlich Stabilität, Zuverlässigkeit und vor allem Alterung auf. Der mechanische Balken schwingt zehn Millionen Mal pro Sekunde mit einer Amplitude von 10 nm. Dabei legt er innerhalb von drei Jahren einen Weg entsprechend einer Erdumrundung zurück. Auf diesem Weg betrüge der Fehler über diesen Zeitraum 200 Meter. Diese Leistung muss für sämtliche Prozess-Eckdaten in unterschiedlichen Herstellungsumgebungen sichergestellt werden. Die Alterungsrate der Resonatoren liegt erfreulicherweise bei unter 5 ppm über 10 Jahre bei 85 °C, was sich anhand seriengefertigter Wafer nachgeweisen lässt. Auch die Frage nach Stoß- und Vibrationsfestigkeit gehört zu den üblichen Themen bei MEMS. Da die Masse der Resonatoren so gering ist, hat der Resonatorbalken bei einer Beschleunigung von 30.000 g eine Abweichung von nur 6,6 nm.

Würde man MEMS-Oszillatoren aus einem Luftgewehr abschießen, so würden diese einen Schock von 30.000 g erfahren, und die Überlebensrate läge bei 100%.

Marktreife für HF-Anwendungen

Doch MEMS-Oszillatoren haben sich nicht nur in diesen extremen Prüfungen bewährt. Sie bestanden auch sämtliche Tests hinsichtlich Hochtemperaturlagerung, Hochdruck, Vibrationsbetrieb und Temperaturwechsel. Diese Zuverlässigkeitsprüfungen sind mit geeigneten, seriengefertigten Teilen durchzuführen, nehmen viel Zeit in Anspruch und erfordern Ressourcen in allen technischen Disziplinen.

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Bislang erfüllen MEMS-Oszillatoren alle Anforderungen hinsichtlich Jitter, Temperaturbeständigkeit, Leistungsaufnahme sowie Zuverlässigkeit im gängigen 1-125-MHz-XO-Segment. Zu diesem Segment gehören die Verbraucherelektronik, I/O-Systeme wie USB sowie Rechnersysteme. Dieser Markt, den größtenteils digitale Applikationen der Verbraucherelektronik ausmachen, ist groß, doch er ist extrem langsam, was die Einführung von Neuentwicklungen angeht. Dies liegt zum Teil daran, dass es in diesem Bereich wenige bahnbrechende Technologiewechsel gibt.

Dank der Entwicklungsarbeit von Universitäten und der Industrie wird die MEMS-Oszillatortechnologie nun auch für HF-Applikationen interessant. Der Trend zu Kosteneinsparungen führt dazu, dass HF-Systemdesigner ihre Systemspezifikationen auf den Einsatz kostengünstiger Frequenzreferenzen optimieren. In der nahen Zukunft werden dies beiden Technologien wohl zusammenfinden.

Das Potenzial von CMOS-MEMS-Resonatoren ist schon lange bekannt. Jetzt lässt sich diese Technologie auch in kommerzieller Hinsicht realisieren und auf den Markt bringen. Quarzkristalle haben nach wie vor große Bedeutung und werden sich weiter am Markt beahupten, jedoch mit rückläufigem Anteil. Die MEMS-Resonatortechnologie hat die Chance, den Markt nachhaltig zu beeinflussen und sich stetig weiter zu entwickeln.

*Dr. Wan-Thai Hsu ist CTO von Discera Inc.

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