Jste zde

MEMS - díl 2. - MEMS oscilátor / rezonátor

Antonín Vojáček, 10. Únor 2007 - 20:46

Využití technologie MEMS lze nalézt v různých integrovaných součástkách. Mezi ně patří i miniaturní MEMS oscilátory a rezonátory, generující dlouhodobě stabilní signál o přesné frekvenci v rozsahu jednotek až stovek MHz. Mohou být v provedení s pevnou frekvencí nebo přeladitelné. Obvykle se vyrábějí v provedení pro přímou záměnu a náhradu za krystalové Quartz rezonátory .

Technologii MEMS, tj. spojení mikromechaniky a elektroniky integrovaných obvodů v jedné integrované součástce (příp. lépe na jednom chipu či substrátu) se objevuje čím dál dál častěji v nejrůznějších konstrukcích. Typickým příkladem jsou i MEMS oscilátory, kde v jednom pouzdře spolu "žijí" CMOS elektronika a přesný mechanický rezonátor. Taková miniaturní generátory signálů se pak vyznačují vysokou přesností a stabilitou frekvence. Do budoucna se počítá, že vytlačí i v hodinkách používaný systém Quartz. Jsou totiž až 1000krát menší a vyznačují se lepšími vlastnostmi. Typickým představitelem této technologie jsou oscilátory řady EMO firmy Eclipteck Comporation, které využívají technologie pouzdření MEMS rezonátorů firmy SiTime (SiTime’s MEMS-First waferlevel encapsulation and packaging technology).

Konstrukce SiTime MEMS-First rezonátorů

Srdcem MEMS oscilátorů bývá vibrující mechanický MEMS rezonátor (Vibrating Resonator), který byl vyvinut firmou SiTime pod označením MEMS-First, a který je 1000 krát menší než jejich soupeř krystalový rezonátor (Quartz). Rezonátor vytvořený 0.18µm technologií je produkován metodou vysoce reaktivního iontového leptání (deep reactive ion etching, DRIE) na 10 - 20 mikrometrů tlustém SOI (Silicon-On-Insulator) CMOS substrátu (SOI Layer). SOI CMOS plátek ve výrobním procesu prochází vysokoteplotním žíhacím procesem, s jehož pomocí se odstraňují kontaminanty, zatímco se formuje epitaxní křemíková vrstva (Epi Layer). Ta uzavře mechanický rezonátor v ultra čistém vakuové komoře, protože i malinkatá nečistota má při mikrorozměrech velký vliv. Ve výsledku to znamená, že MEMS struktura je samostatně zapouzdřeným rezonátorem. To zajišťuje dlouhodobou vysokou stabilitu parametrů, převyšující dost běžně dosahovaných hodnot, např. krystalem řízených oscilátorů.

Realná fotografie zapouzdřeného vibračního rezonátoru

MEMS rezonátor může být buď vyráběn separátně, jako kompletně zapouzdřený rezonátor, který vypadá jako křemíková "krychlička", a může být později umístěn na CMOS chip, nebo jako v budoucnu asi častější nedílná součást vrstveného CMOS chipu. Obrázek vpravo ukazuje příklad první varianty - MEMS rezonátor na CMOS chipu v plastikovém pouzdru 2.5 x 2.0 x 0.85 mm vytvořeném QFN/MLF technologií. Z velikosti MEMS rezonátoru je patrná možnost další miniaturizace.

Při výrobě se samozřejmě využívá automatického technologického postupu - viz obrázek níže. Zde se na měděnou nosnou strukturu (pozice 1) se připevní CMOS chip s elektronikou pro řízení, zpracování a komunikaci součástky s okolím (pozice 2). Na CMOS chip se umístí samotný zapouzdřený MEMS rezonátor (pozice 3) obsahující vibrující mechanismus a potřebnou elektroniku k připojení na CMOS. El. rozhraní mezi CMOS a rezonátorem se propojí drátky (pozice 4). Celá spojená struktura se zapouzdří (pozice 5) a po rozřezání je výsledkem funkční součástka - oscilátor.

Konstrukce MEMS oscilátoru firmy SiTime (vlevo) a postup při výrobě (vpravo)

Takto jsou například vyráběné a pouzdřené přímo SiTime rezonátory použitelné jako přímá náhrada krystalových rezonátorů. Proti nim nabízejí lepší vlastnosti a nižší cenu. Například programovatelné oscilátory SiT8002 umožňují nastavit na výstupu frekvence v rozsahu 1 až 125 MHz. Dále například řada SiT11xx představuje oscilátory s pevnou frekvencí.

Detailní foto reálného provedení vnitřku součástky MEMS oscilátoru/rezonátoru SiTime

CMOS elektronika MEMS oscilátoru

Samotný rezonátor, i když je hlavní složkou, celý oscilátor netvoří. K němu do páru je potřeba použít elektroniku pro řízení součástky a zpracování (úpravy) generovaného signálu - viz typické blokové schéma. Hlavním blokem je samozřejmě oscilátor v jehož zpětnovazební smyčce ja zapojen výše popsaný rezonátor. Programovatelné oscilátory obsahují smyčku fázového závěsu (Frac-N PLL) pro možnost přelaďování výstupní frekvence signálu CLK. Pro vysokou stabilitu nastavené frekvence je zde blok kompenzace vlivu teploty (Digital Temperature Compenzation) do něhož je připojený digitální křemíkový teplotní senzor typu PN přechod, integrovaný na chipu. Integrovaná paměť NVM a logické obvody slouží pro potřeby komunikace a nastavení frekvence.

Typické blokové schéma zapojení řídící a zpracovávající elektroniky MEMS oscilátoru umístěné v CMOS části součástky

EMO™ Series MEMS Surface Mount Oscillators

V nabídce firmy Ecliptek Corporation je celá řada MEMS oscilátorů s pevnou frekvencí výše popsaného typu. V řadě EMO lze najít 12 typů označené jako EMK 1x, EMK 2x, EMK 3x nebo EMK 4x. Rozdílné mezi jednotlivými obvody je hlavně napájecí napětí, spotřeba, frekvenční stabilita a velikost pouzdra.

Vlastnosti:

Výborná frekvenční stabilita díky použití technologie "MEMS First resonator"
Napajení ss napětím 1.8 V, 2.5 V nebo 3.3 V
Spotřeba: max. 20 mA
Startovací čas: 50 ms
Frekvenční rozsah: 1MHz až 125MHz
Výstup typu LVHCMOS
Frekvenční stabilita: ±50 ppm
Časový drift - stárnutí: 1 ppm za první rok
Provozní teplotní rozsah: 0°C až 70°C nebo -40°C až +85°C
Nízkopříkonový mód a třístavový výstup
Kompatibilní s RoHS
Střída gener. signálu: 50% ±5%
SMD QFN plastiková pouzdra: od 2.0 x 2.5 x 0.85 mm do 5.0 x 7.0 x 0.85 mm

Použití:

Kapesní přístroje a počítače
Zdravotnické vybavení
Čtečky a skenery
LCD displeje a HDTV
Set-top boxy
PDA a dlaší přenosná zařízení
Digitální kamery
Počítačové periferie
Síťové prvky
apod.

Závěr

Přesné mechanické rezonátory a oscilátoru jsou dalšími obvody, které nasazením technologie MEMS získaly lepší vlastnosti. V budoucnu by měli hlavní díky výrazně nižší ceně vytlačit dosud používané krystalové rezonátory (Quartz resonators). Pro bližší informace odkazuji na níže uvedené stránky firmy Ecliptek a SiTime.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz