Od oscylatorów kwarcowych po generatory MEMS. Przegląd źródeł częstotliwości taktowania urządzeń elektronicznych
| TechnikaZegar taktujący to "serce" większości urządzeń elektronicznych. Generuje on przebieg o określonej częstotliwości, będący sygnałem odniesienia lub synchronizacji bloków urządzenia. Dokładność i stabilność zegara bezpośrednio przekłada się na jakość realizowanych zadań. Dlatego wybór źródła częstotliwości taktowania nie jest sprawą błahą, tym bardziej że możliwości jest wiele, od generatorów LRC i ceramicznych, przez rezonatory kwarcowe, w tym oscylatory z pętlą fazową i czujnikami temperatury, aż po generatory MEMS.
Rezonatory MEMS
Konkurencją dla rezonatorów kwarcowych są też niedawno wprowadzone oscylatory MEMS. Jednym z dostawców komponentów tego typu jest firma SiTime, produkująca je w ramach procesu MEMS First. Hermetyczność w przypadku tej technologii zapewniono zamykając płytki rezonatorów w mikrokomorach próżniowych. Gotowe układy MEMS są następnie pakowane z wykorzystaniem metod standardowo stosowanych w produkcji innych układów scalonych.
Materiałem bazowym układów SiTime jest płytka SOI (Silicon On Insulator), w której w procesie wytrawiania DRIE (Deep Reactive Ion Etching) formowana jest struktura rezonatora (rys. 15a). Następnie wszystkie zagłębienia wypełniane są tlenkiem krzemu. W jego górnej warstwie wytrawiane są otwory na kontakty elektryczne (rys. 15b). Przygotowaną w ten sposób płytkę pokrywa się od góry warstwą krzemu.
Następnie wycina się w niej kilka rzędów niewielkich otworów (rys. 15c). Tą drogą usuwany jest tlenek krzemu wypełniający przestrzeń między belkami rezonatora. Realizuje się to wprowadzając do otworów pary kwasu fluorowodorowego. Ten etap jest bardzo istotny, gdyż wówczas ustala się objętość komory, w której pracować będzie rezonator. Tlenek nie jest usuwany jedynie z miejsc, w których rezonator i elektrody łączą się z podłożem (rys. 15d).
Kolejny krok to tzw. proces Epi-Seal. Polega on na oczyszczeniu komory rezonatora gorącymi gazami (wodorem i chlorem) oraz uszczelnieniu otworów polikrzemem (rys. 15e). Realizuje się to w bardzo wysokiej temperaturze w reaktorze epitaksjalnym. W ten sposób w komorze uzyskuje się próżnię. Precyzja, z jaką udaje się przeprowadzić proces Epi-Seal ma decydujący wpływ na stabilność częstotliwości generowanej przez rezonator przez cały okres jego pracy. Ostatnim etapem jest utworzenie połączeń elektrycznych oraz naniesienie aluminiowych kontaktów (rys. 15f).
Optymalne źródło częstotliwości
Na rys. 16 poszczególne typy źródeł częstotliwości taktowania przydzielono konkretnym urządzeniom lub grupom urządzeń, kierując się przede wszystkim ich wymaganiami pod względem dokładności rezonatora. Jest to jedynie przykładowy podział, ponieważ trudno jednoznacznie przypisać dany typ rezonatora do konkretnej grupy aplikacji. Na przykład nie jest regułą, że rezonatory ceramiczne należy wykorzystywać w aplikacjach USB 2.0, a w telefonach komórkowych dominować powinny rezonatory TCXO.
Dotyczy to wszystkich rodzajów rezonatorów omówionych w artykule, także rezonatorów kwarcowych, które z kolei często uważane są za rozwiązanie uniwersalne. Wprawdzie jak na razie nic nie zapowiada, by jakiekolwiek inne źródło częstotliwości całkowicie wyparło je z rynku, ale warto mieć świadomość ich ograniczeń oraz znać właściwości dostępnych komponentów alternatywnych.
Monika Jaworowska
