Taktgeber MEMS-Oszillatoren – Vor- und Nachteile unter der Lupe

Oszillatoren auf Basis mikromechanischer Systeme (MEMS) sind nicht neu. Ihre Ursprünge finden sich in den 1980er Jahren. Doch erst in den letzten Jahren ist es gelungen, industrietaugliche MEMS-Oszillatoren in Serie herzustellen, die den Anforderungen des Marktes an Genauigkeit und Stabilität genügen. In Zukunft könnten sie eine kostengünstige und technologisch wettbewerbsfähige Alternative zu herkömmlichen quarzbasierten Oszillatoren darstellen.

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Jauch Quartz GmbH

ET System electronic GmbH

Heitec AG

WDI AG

Die fortschreitende Digitalisierung in der Elektronik hat dazu geführt, dass inzwischen fast jede elektronische Baugruppe mit einem Mikroprozessor oder -Controller ausgerüstet ist. Da diese Komponenten sequenziell arbeiten, müssen diese Systeme und ihre peripheren Komponenten getaktet werden. Diese Funktion übernehmen derzeit überwiegend sog. Quarz-Oszillatoren, deren Marktanteil und technische Bedeutung in den letzten Jahren folglich stark gestiegen ist.

Quarz-Oszillatoren sind nicht immer die beste Lösung

Jedoch – obwohl vielfach zur Taktung elektronischer Systeme verwendet – ist ein Quarz-Oszillator nicht immer die perfekte Taktquelle. Tatsächlich hat er konstruktiv einige Nachteile, welche vor allem durch den zur Schwingungserzeugung verwendeten (Schwing-) Quarz verursacht werden. Dazu gehört insbesondere eine hohe Empfindlichkeit bei mechanischen Belastungen, wie etwa durch Schock, Stoß und Vibration aber auch thermischen Einflüssen.

Belastungen des Quarzes können Frequenzverschiebungen bewirken

Statische und dynamische Belastungen bewirken eine Deformation des Quarzgitters und können dadurch zu reversiblen, aber auch oft irreversiblen Frequenzabweichungen, führen. Hinzu kommen für einige Quarz-Produkte Einschränkungen hinsichtlich ihrer mechanischen Belastbarkeit bei der Montage aber auch Reinigung, z.B. im Ultraschallbad.

Quarze sind äußerst empfindliche Bauelemente

Ein weiterer Nachteil sind die relativ hohen Produktionskosten, welche mit der Produktion von quarzbasierten Oszillatoren verbunden sind. Da ein Schwingquarz extrem sensibel auf Feuchtigkeit und Verschmutzungen reagiert, gelten hohe Anforderungen an die Reinheit der Umgebung während des Fertigungsprozesses.

Quarze brauchen besonders robuste Gehäuse

Um überdies mögliche Kontaminationen im Feldeinsatz zu vermeiden, müssen für Quarze und Quarz-Oszillatoren besonders dichte, robuste und damit meist teure Gehäuse verwendet werden – i.d.R. heute sog. Keramik-Packages, welche bereits eines großen Anteil an den Produktkosten ausmachen.

Physikalische und konstruktive Grenzen für eine weitere Miniaturisierung

Auch stößt der quarzbasierte Oszillator zunehmend auf physikalische und konstruktive Grenzen für eine weitere Miniaturisierung der Bauformen. Ein Quarz hat eine mit fallender Frequenz wachsende Dicke. Unterhalb von 10 MHz wird der Quarz oft zum bestimmenden Faktor für die Größe des Quarz- bzw. Oszillator-Gehäuses.

Oszillator-ASIC erzeugt die gewünschte Frequenz

Der zuletzt genannte Nachteil konnte in der Vergangenheit zumindest bei Oszillatoren durch eine indirekte Frequenzerzeugung umgangen werden. Dabei hat der Quarz eine mittlere Frequenz (z.B. 25 MHz), die zu kleinen Abmessungen und günstigen elektrischen Eigenschaften führt – die gewünschte Ausgangsfrequenz wird dann durch Teilung bzw. Vervielfachung dieser Frequenz generiert. Erforderlich ist hierzu lediglich ein Oszillator-ASIC, der über einen Teiler bzw. Multiplier oder eine programmierbare PLL verfügt.

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