MEMS-Oszillatoren – Vor- und Nachteile unter der Lupe

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MEMS-Oszillator mit einem Resonator aus Polysilizium

Wegen der verbleibenden Nachteile herkömmlicher Quarz-Oszillatoren wurden in den letzten Jahren Oszillatoren entwickelt, die anstelle eines herkömmlichen Schwingquarzes einen Resonator aus Polysilizium verwenden. Einer der Technologieführer dieser Siliziumtechnologie ist das US-amerikanische Unternehmen DISCERA mit einer neuartigen Serie an sog. PureSilicon-Oszillatoren, umgangssprachlich auch als MEMS-Oszillatoren bekannt.

Taktquelle und Oszillator-ASIC

Wie herkömmliche Oszillatoren bestehen auch die PureSilicon-Oszillatoren von DISCERA aus zwei Komponenten: Einer Taktquelle und einem Oszillator-ASIC. Als Taktquelle kommt ein Silizium-Resonator mit einer Frequenz von etwa 19 MHz zum Einsatz, der waferbasiert mit den bewährten Fertigungsverfahren der Halbleiterelektronik hergestellt wird. Die neue MEMS-Taktquelle (MEMS: Micro Electro-Mechanical System) hat Abmessungen von nur 50 μm x 20 μm und wird noch auf dem Wafer hermetisch gekapselt. Dadurch haben diese Oszillatoren sehr gute Voraussetzungen für eine weitere Miniaturisierung und sind überdies nicht auf besonders dichte und dadurch teure Gehäuse angewiesen.

Programmierbare PLL zur indirekten Frequenzerzeugung

Diese Oszillatoren arbeiten immer mit einer indirekten Frequenzerzeugung. Dazu verfügt der Oszillator-ASIC über eine programmierbare PLL, die Ausgangsfrequenzen beispielsweise im Bereich von 1 MHz bis 150 MHz bei einer Schrittweite von typ. 100 Hz generiert. Neben der einfachen individuellen Programmierung beliebiger Ausgangsfrequenzen, welches zu erheblichen Lieferzeiteinsparungen und damit auch Kostenersparnissen verhelfen kann, haben MEMS-Oszillatoren vor allem den konstruktionsbedingten Vorteil einer sehr hohen mechanischen Belastbarkeit. Infolge einer hohen Dehnsteifigkeit (>10 kN) und sehr kleiner Masse, wird ein Silizium-Resonator durch Schock und Vibrationen nur wenig verformt.

Hoch belastbare Silizium-Resonatoren

Selbst sehr große mechanische Belastungen (50.000 g und mehr) verursachen nur relativ geringe Frequenzänderungen, die zudem überwiegend reversibel sind. Außerdem erlaubt die geringe Masse des Resonators eine einfache und sehr belastbare Befestigung im Oszillator-Gehäuse. Die hohe mechanische Belastbarkeit ist der wesentliche Vorteil der PureSilicon-Oszillatoren. Durch diese Eigenschaft sind sie konstruktiv besser als viele Quarz-Oszillatoren für Anwendungen in den Bereichen Industrie und Automotive geeignet, wo raue Umgebungsbedingungen vorherrschen.

Jitter ist bei heutigen MEMS-Oszillatoren kein Problem mehr

Wird die Frequenz eines Oszillators mithilfe einer PLL erzeugt, hat das Ausgangssignal meist höhere Werte bei Jitter bzw. Phasenrauschen als bei direkter, ausschließlich quarzbasierter Frequenzerzeugung. Das gilt natürlich auch für die MEMS-Oszillatoren, deren Oszillator-ASIC stets PLL-basiert arbeitet. Allerdings werden hochentwickelte ASIC/PLL-Bausteine verwendet, deren Jitter-Spezifikation einen Vergleich mit anderen PLL-Oszillatoren und selbst mit quarzbasierten Oszillatoren in der Zwischenzeit nicht mehr scheuen muss.

* Christian Dunger ist Leiter Produktmarketing FCP bei der WDI AG in Wedel bei Hamburg.

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