A MEMS definíciója: a miniatűr mechanikai és elektromechanikai elemek, az őket vezérlő mikroelektronikával kis vákuumkamrába zárt rendszere. Olyan eszközök, mint például a szenzorok vagy az aktuátorok, megvalósíthatók MEMS energiaátalakítókként is. Mikroszenzorok esetén ezek az energiaátalakítók a mért mechanikai jelet elektromos jellé alakítják. A MEMS gyártástechnológiából adódó költségcsökkentés és a miniatürizálás nyújtotta előnyök számos érdekes felhasználási területen nyitnak utat ezeknek az eszközöknek. Egy ilyen felhasználás a MEMS rezonátorokon alapuló oszcillátorokkal történő időzítés a digitális elektronikában. Ez az írás az SiTime MEMS megoldásain keresztül igyekszik bemutatni a technológiát.

Hagyományos rezonátorok és oszcillátorok

A rezonátor egy kitüntetett frekvencián, az úgynevezett rezonanciafrekvencián nagyobb amplitúdóval rezeg, mint másutt. Ez a rezgés lehet elektromágneses vagy mechanikai jellegű, kelthet rezgéshullámokat (rezonátorok), vagy kiválaszthat speciális frekvenciát egy adott jelből (szűrők). A széleskörűen használt hagyományos kristályoszcillátorok egy piezoelektromos anyagból növesztett kristály (pl. kvarc) mechanikus rezgéseit használják fel egy rendkívül precízen beállított frekvenciájú elektromos jel létrehozásához, ami mikroprocesszorok órajeléhez, illetve rádiófrekvenciás rendszerek jeleinek stabilizálásához szükséges.

A kvarckristályok kilohertzestől megahertzes nagyságrendű frekvenciákra készülnek. A digitális elektronikához szükséges időzítés nem bonyolult, egy piezoelektromos kvarckristály rezonanciájával vezérelt Pierce oszcillátor – megfelelő szűrés és frekvenciaosztás alkalmazásával – elegendő a legtöbb feladathoz. Természetesen más piezoelektromos anyagok is léteznek, például kerámiaalapú rezonátorokból is készíthető oszcillátor. A hagymányos kvarcoszcillátorok speciális gyártástechnológiát igényelnek, a kristály vágása, szeletelése, csiszolása mind nagy precizitást igénylő feladat, a nagynevű gyártók pedig rendelkeznek a szükséges ismeretekkel és felszereléssel ahhoz, hogy a megfelelő frekvenciákra hangolt eszközöket elkészítsék, és azok stabilitását 15-20 évre biztosítsák.

Azonban gyakran nincs tapasztalatuk az analóg elektronikában, az analóg csipeket a piacon kell vásárolniuk, ami a minőségi megoldás biztosításának érdekében rengeteg többletköltséget jelent, komplex feladat, ami hosszú szállítási határidőkkel és minőségügyi feladatokkal jár együtt. Másrészről a félvezető-alapú óragyártóknak nincs tapasztalatuk a kvarckristályok speciális vákuumzáras kerámiatokozásában, ami feltétele a magas Q-faktor elérésének. Így kombinált eszközök helyett a külön tokozott rezonátor és analóg elektronika használatával nehéz megfelelni a piac elvárásának a miniatürizálás terén.

MEMS rezonátorok – SiTime

Az elmúlt néhány évtizedben a kvarckristályalapú oszcillátorok, órajel-generátorok és rezonátorok szerepeltek az elsődleges időreferencia-alkatrésznek használható eszközök listáján, mivel nem létezett igazi alternatív megoldás. Napjainkban egy új technológia lép előtérbe, melyben a MEMS struktúra és az analóg elektronika együttesen épül az IC tokba. A MEMS rezonátor az analóg IC MEMS specifikus áramköri blokkjához kapcsolódik. Elektrosztatikus gerjesztés útján a MEMS rezonátorban mechanikai rezgés keletkezik, amely érzékelésével és az analóg elektronika segítségével különböző órajelkimenetek építhetők ki az egyszerű félvezető tokozásban.

Az SiTime analóg félvezetőgyártó, melynek a MEMS technológia iránti elkötelezettsége a Bosch-hoz és a Stanford egyetemi gyökerekhez nyúlik vissza, a hagyományos kvarcoszcillátorok kiváltására alkalmas, azoknál fejlettebb, mégis olcsóbb megoldásokat kínál. Az általuk kínált MEMS/CMOS kombinált csipek több PLL egyidejű alkalmazásával különböző órajel-frekvenciát tudnak előállítani egyetlen tokban. Ez a kombinált megoldás szignifikáns előnyökkel bír a méretcsökkentés és az egyszerűsítés lehetőségét biztosítva.

Az SiTime esközei előre programozhatóak, és a hagyományos kvarcoszcillátorokat helyettesítik anélkül, hogy az áramkört át kellene tervezni. A programozhatóság flexibilis terméktervezést tesz lehetővé, csökken általa a szállítási határidő, és mindeközben jelentős, akár 85%-os méretcsökkenés is elérhető. A gyári programozhatóságon túl a vásárló saját programozóeszközt is rendelhet a gyors prototípusgyártáshoz. Ahogy azt említettük, az SiTime a MEMS struktúrát és az analóg elektronikát egy csipben egyesítette, így nincs szükség külön tokozni a rezonátort és az elektronikát.

Ahogy az ábrán látható, az eszköz a MEMS rezonátoron kívül hőmérséklet-kompenzáló, frekvenciaosztó, I/O driver és egyszer programozható memória-áramkört tartalmaz. Az SiTime képes 500 fs jitter elérésére kilohertzes eszközeinél, 0,1 ppm stabilitás és nagyon alacsony (700 nA) fogyasztás mellett. A programozhatóság a 6 decimális pontosságú frekvencia mellett kiterjed még a fel- és lefutási időkre is, ami az EMI és a jitter minimalizálásához szükséges.

Előnyök a hagyományos kvarckristályalapú oszcillátorokkal szemben

A MEMS oszcillátorok Achilles-sarka a levegő páratartalma, mely a minirezonátoron kicsapódhat, és annak frekvenciáját befolyásolja. Az SiTime által alkalmazott „MEMS-first” gyártási folyamat megoldja ezt a gondot, mert a MEMS beültetése rendkívül nagy hőmérsékleten történik, ami kizárja a pára vagy egyéb gázok bezáródását. A mai napig a legjelentősebb két ok, ami miatt érdemes volt a hagyományos oszcillátortechnológiánál maradni, az alacsony áruk és a kiszámítható hőmérsékletfüggésük volt (l. piros vonal az ábrán). A MEMS rezonátor karakterisztikája tipikusan közel vertikális vonal, emiatt ezeknek az eszközöknek a hőmérséklet-kompenzáló áramkör elengedhetetlen részük.

Eredetileg az SiTime MEMS rezonátorait 30 ppm/C frekvencia stabilitás jellemezte, ami a teljes működési hőmérséklet-tartományon (–40 °C – + 85 °C) összesen 4 000 ppm. Az alkalmazott hőmérséklet-kompenzálás ezt az értéket 0,1 ppm-re csökkentette, míg a hagyományos kvarcok kb. 0,4 ppm/C értékkel rendelkeznek. A legújabb TempFlat MEMS eszközök nagyban különböznek a korábbi MEMS oszcillátoroktól, mivel ezek az elsők, melyek legyőzik a kvarckristályalapú változatokat úgy, hogy nincs hőmérséklet-kompenzáló áramkör bennük. Az ábrán bemutatott TempFlat karakterisztika mért értékeken alapul.

A vásárlók a frekvencia, feszültség és frekvenciastabilitás (PPM) szinte minden kombinációjában rendelhetnek eszközöket az ipari szabványok szerinti méretekben. A frekvencia 6 decimális pontosságú és egyedileg programoztatható. Mivel az SiTime oszcillátorok hagyományos CMOS technológiával készülnek, olcsóbban előállíthatók, mint a kvarckristályalapúak, amihez speciális eszközök és tudás szükséges, emellett gyorsabban is hozzáférhetők az első minták, mivel minden házon belül készül.

Az árelőny nemcsak ebben jelentkezik, hanem abban is, hogy a felhasználó hamarabb piacra dobhatja a készterméket, a programozhatóság miatt kevesebbet kell a tervezésre költeni, a miniatürizálás lehetségessé válik, és a nagyobb megbízhatóság miatt a végtermék is jóval magasabb értéket képvisel majd. Az SiTime MEMS alapú félvezetős időzítői széles körben használhatóak mint a hagyományos, drágább kvarckristályalapú oszcillátorok pinkompatibilis helyettesítői.