Die Verwendung von Silizium-MEMS-Timing bietet viele Vorteile – von geringem Stromverbrauch und hoher Leistung bis hin zu Zuverlässigkeit und Belastbarkeit. Und natürlich ist da noch die geringe Größe. In diesem Blog werden die Vorteile untersucht, die sich aus der Miniaturisierung von MEMS, ihren unterstützenden Schaltkreisen und einem All-Silicium-Ansatz ergeben. Wir behandeln die Paketgröße sowie einige der weniger offensichtlichen Mikrosystemvorteile, die eine große Wirkung haben.
Kleines Paket
Zunächst einmal ist es offensichtlich, dass MEMS als mikroelektromechanisches System von Natur aus klein sind. Silizium ermöglicht eine extreme Skalierung. Verpackte Teile, ob Resonatoren allein oder in Kombination mit ihrer Steuerelektronik (z. B. Oszillator-IC), reichen von wenigen Millimetern bis hin zu Bruchteilen eines Millimeters. MEMS-Oszillatoren bestehen typischerweise aus einem Silizium-MEMS-Resonator, der auf einem Silizium-Mischsignal-IC gestapelt ist. Und da die Hauptelemente eines MEMS-Oszillators aus Silizium bestehen, können fortschrittliche Halbleiter-Packaging-Technologien wie Wafer-Level-Chip-Scale-Packaging (WL-CSP) angewendet werden, wodurch ein Oszillator entsteht, der im Wesentlichen die Größe der Siliziumchips hat. Dieses REM-Bild zeigt einen CSP-Oszillator, der weder Kunststoff noch Keramik oder Metall zur Unterbringung der Chips benötigt.
1. Robuster
Nun zu einigen Fakten, die Sie vielleicht nicht kennen: Silizium ist 15-mal stärker als Titan*. Wenn man dann noch die Tatsache berücksichtigt, dass die bewegte Masse eines MEMS-Resonators bis zu 3.000-mal kleiner ist als die eines Quarzresonators, erhält man ein äußerst robustes Gerät. Diese kleine Masse reduziert die Kraft, die durch Beschleunigung auf einen MEMS-Resonator ausgeübt wird. (Erinnern Sie sich an Newtons zweites Bewegungsgesetz?) Darüber hinaus sind unsere Resonatoren mit einer steifen, in der Mitte verankerten Siliziumstruktur ausgestattet und werden mit fortschrittlicher Analogtechnologie gesteuert, die sie noch widerstandsfähiger gegen mechanische Kräfte macht. Mit weniger g- Kräften und unserem proprietären Design beeinträchtigen Stöße und Vibrationen die Leistung nicht. Jitter verbessert sich, Frequenzsprünge verschwinden und die Gesamtzuverlässigkeit erhöht sich erheblich. Laden Sie unser Dokument zu Schock und Vibration herunter, um mehr über die Widerstandsfähigkeit des MEMS-Timings zu erfahren.
2. Erhöhte Systemintegration
Im Gegensatz zu Quarzkristallen können winzige MEMS-Resonatoren in SoCs und Multichip-Module integriert werden. Ähnlich wie ein MEMS mit einem Oszillator-IC kombiniert wird, um einen Oszillator herzustellen, können Silizium- MEMS-Resonatoren mit anderen Siliziumchips verpackt werden. Beispielsweise können MEMS in Modems in Transceivern oder als Echtzeituhren in Mikrocontrollern eingebettet werden. Diese zeitintegrierten Systeme scheinen keine externen Zeitreferenzen zu haben. Ein Radio ohne externe Frequenzreferenz sieht aus wie ein Radio ohne Referenz. Der Verweis bleibt natürlich weiterhin bestehen, nur wird er integriert. Das System ist nicht nur kleiner, sondern auch zuverlässiger, robuster und verbraucht weniger Strom.
3. Weniger Phasenrauschen mit reduzierter Streukapazität
Lärm kann in einem System verheerende Auswirkungen haben. Wie kann also die Größe helfen? Wenn Resonatoren klein sind und sich in der Nähe ihrer Leseverstärker befinden, wird die Streukapazität an den Eingängen der Verstärker verringert. Streukapazität ist, wie der Name schon sagt, eine unerwünschte Kapazität, die sich direkt und proportional auf das Eingangsrauschen der Verstärker auswirkt. Um dieses Konzept zu verstehen, betrachten Sie das Spannungsrauschen an einem Verstärker mit hoher Impedanz, wie einem CMOS-FET, das durch die Streueingangskapazität in Eingangsstromrauschen umgewandelt wird, oder das Stromrauschen eines Verstärkers mit niedriger Impedanz, das durch den Streueingang in Spannungsrauschen umgewandelt wird Kapazität. Beide sind proportional zur Kapazität. Dieses Eingangsrauschen ist dann umgekehrt proportional zum Ausgangsphasenrauschen des Verstärkers. Für praktisch alle Anwendungen ist ein geringes Phasenrauschen wichtig.
4. Erweiterte Schaltungsfunktionen
Mit der Nähe zu integrierten Schaltkreisen wird es immer praktischer, mehr Funktionen in MEMS-Oszillatoren zu integrieren, was ihnen mehr Flexibilität und Funktionen verleiht. Heutige MEMS-Oszillatoren enthalten im Allgemeinen Fractional-N-PLLs, um die internen Resonatorfrequenzen in die gewünschten Ausgangsfrequenzen zu übersetzen. Diese PLLs kompensieren auch die Resonatorfrequenz über der Temperatur und gleichen anfängliche Offsets aus. Darüber hinaus können die PLLs den Ausgang modulieren, um beispielsweise EMI mit Spread-Spectrum zu reduzieren oder die Frequenz für die Verfolgung externer Signale anzupassen. Diese Schaltkreise können erweitert werden, um mehrere Ausgänge mit verwandten Frequenzen oder gesteuerten Phasen bereitzustellen. Man kann sich diese Systeme nicht so sehr als Oszillatoren vorstellen, sondern als Frequenzsynthesizer.
5. Thermokopplung schließen
TCXOs (temperaturkompensierte Oszillatoren) sind eine Art Oszillator, der durch Messung und Kompensation der Temperatur eine präzise Frequenz liefert. Herkömmliche Quarz-TCXOs tun dies, aber aufgrund des Abstands zwischen dem Kristallresonator und der Kompensationsmessschaltung kommt es zu einer Verzögerung in der Rückkopplungsschleife. Dies führt zu Problemen in modernen elektronischen Systemen, die erhebliche thermische Gradienten aufweisen, die durch eine Reihe dynamischer Bedingungen verursacht werden können. Beispielsweise blockieren Energieverwaltungssysteme die Stromkreise aus und wieder. Und Kühlventilatoren senken die Umgebungstemperatur schnell. Ganz zu schweigen von all den äußeren Umwelteinflüssen, denen Sie möglicherweise ausgesetzt sind, beispielsweise wenn Outdoor-Geräte in der Wüste oder in einem Auto eingesetzt werden.
Um die Auswirkungen großer und schneller Temperaturschwankungen zu überwinden, sollte die Temperatur so nah wie möglich am Resonator gemessen werden. Hier kommen die geringe Größe und der Zusammenhalt von MEMS-Geräten, die ausschließlich aus Silizium bestehen, besonders zum Tragen. Die unmittelbare Nähe des MEMS-Resonators, des MEMS-Sensors und der fortschrittlichen Kompensationsschaltung in der neuesten Generation von MEMS-TCXOs (wie im Diagramm oben gezeigt) ermöglicht es diesen Geräten, winzige µ- Kevin-Temperaturänderungen genau zu messen und fast sofort darauf zu reagieren. Diese Oszillatoren, die ein DualMEMS™-Design verwenden (einer für den Resonator, einer für den Sensor), sind für die genaueste Temperaturkompensation bei besonders geringem Rauschen ausgelegt. Laden Sie unserDualMEMS-Papier herunter oder schauen Sie sich unsere Precision TCXOs an, um mehr zu erfahren.
Moore mit weniger bekommen
Durch die Verwendung von Elementen, die ausschließlich aus Silizium bestehen, konnte das MEMS-Timing dem Mooreschen Gesetz folgen, das besagt, dass mehr auf weniger Raum untergebracht werden kann und sich mit der Zeit immer schnellere Verbesserungen ergeben. Diese Skalierung bietet mikrobearbeiteten Siliziumresonatoren deutliche Vorteile gegenüber anderen mechanischen (nicht aus Silizium bestehenden) Resonatoren. Zusätzlich zur Miniaturisierung haben MEMS eine deutliche Verbesserung der Robustheit und eine beispiellose Integration ermöglicht. Plus Leistungs- und Funktionsvorteile, die sich aus der Kompaktheit und Kohärenz des Systems ergeben. Je weiter wir im mechanischen und integrierten Schaltkreisdesign sowie in den Fertigungsmöglichkeiten voranschreiten, desto größer werden diese Vorteile.
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* Die Endfestigkeit (oder Zugfestigkeit) von Silizium beträgt 5.000 bis 9.000 MPa ( Megapascal, ein Maß für den Druck ), verglichen mit Titan bei 246 bis 620 MPa.
Vielen Dank an Aaron Partridge, Gründer und Chefwissenschaftler bei SiTime, für seine Beiträge zu diesem Artikel.