Kopioi artikkelin PDF-versio
Modernien prosessointimenetelmien avulla piistä voidaan valmistaa mikrokokoisia mekaanisia rakenteita. Ne mahdollistavat integroitua elektroniikkaa tukevien komponenttien toteuttamisen mikrokoossa. Tärkeimpiä sovelluskohteita ovat aika- ja taajuusreferenssit.
Perinteinen ratkaisu kellosignaalin tuottamiseksi on kvartsikide. Kvartsiresonaattorin mekaanisen värähtelyn pitkän ajan stabiilius on erinomainen -- kellokäytössä alle sekunnin virhe kuukaudessa on tavanomainen. Kvartsiresonaattorin suuri hyvyysluku (yli 100 000) mahdollistaa myös spektriltään puhtaan signaalin, mikä on tärkeää pienikohinaisen kantoaaltotaajuuden aikaansaamiseksi radioissa.
Esimerkiksi GSM-puhelimessa kvartsikiteeseen perustuva referenssioskillaattori tuottaa 13 megahertsin signaalin, jonka perusteella yhteys tukiasemaan kyetään luomaan tarkalleen sovitulla taajuudella ja valitun kommunikaatiokanavan signaali-kohinasuhde saadaan hyväksi.
Kiteet ongelmana
Perinteisen kvartsiteknologian suurin ongelma on kiteen suuri koko, jolloin sitä ei voi integroida samalle piisirulle elektroniikan kanssa. Uusimpien radioiden piirikorteissa ei-integroitavat analogiset komponentit ovatkin suurin pullonkaula radion edelleen miniatyrisoinnille.
Modernit vastaanotinarkkitehtuurit pyrkivät korvaamaan mahdollisimman monta analogista komponenttia digitaalisella signaalinkäsittelyllä, mutta kaikki nähtävillä olevat ratkaisut tarvitsevat taajuusreferenssin. Esimerkiksi uusissa Bluetooth-piireissä kaikki toiminnot ulkoista kvartsikidettä lukuun ottamatta on integroitu yhdelle CMOS-piirille.
Mainio pii
Uusimpien tutkimustulosten valossa mikromekaanisilla piivärähtelijöillä on mahdollista korvata perinteiset kvartsikiteet. Materiaalinahan pii on hyvien sähköisten ominaisuuksiensa ansiosta koko nykyisen elektroniikkateollisuuden perusta.
Pii on myös mekaanisesti erinomainen materiaali. Se on hyvin stabiili aine, jolla on suuri murtolujuus, pienet sisäiset häviöt ja suuri kimmomoduuli. Näiden ominaisuuksien osalta puhdas pii muistuttaakin paljolti kvartsia eli piidioksidia.
Yksi piipohjaisen mikromekaniikan tärkeimpiä etuja on se, että valmistuksessa voidaan suurelta osin hyödyntää olemassa olevaa integroitujen piirien piikiekkotasoista massavalmistustekniikkaa.
Oskillaattori SOI-kiekolle
VTT:n ja TKK:n MEMRO-hankkeessa (Micro Electro Mechanical Reference Oscillator) on kehitetty mikromekaanisen referenssioskillaattorin prototyyppejä, joista yksi on esitetty oheisessa elektronimikroskoopilla otetussa valokuvassa. Tämä neliömoodiresonaattori on valmistettu SOI-kiekon (Silicon-On-Insulator) 10 mikrometrin vahvuiseen piikerrokseen syväetsaamalla. Resonaattorin sivun pituus on 320 µm ja koko näin vähintään kertaluokkaa tyypillistä kvartsikidettä pienempi.
Päävärähtelymoodia voidaan kuvata neliön vuoroittaisena kutistumisena ja laajentumisena. Resonanssitaajuus määräytyy suoraan äänen etenemisnopeudesta piissä (noin 8,5 km/s) ja se on tälle rakenteelle noin 13 megahertsiä.
Koska puhdas pii ei ole kvartsin tapaan pietsosähköinen materiaali, sähköinen kytkeytyminen mekaaniseen liikkeeseen ei onnistu suoralla vaihtojänniteherätteellä. Prototyyppiresonaattorin tapauksessa sähkömekaaninen kytkentä on tehty elektrostaattisesti. Resonaattoria ympäröi kapea (alle 1 µm) ura, joka muodostaa jännitteen voimaksi muuntavan kapasitanssin.
Varsinaisen vaihtuvajännitteisen signaalin lisäksi uran yli vaikuttaa tasajännite. Sähköstaattinen voima on signaalitaajuudella tällöin verrannollinen vaihto- ja tasajännitteiden tuloon.
Hyvyysluku 130 000
Neliömoodiresonaattorille mitattu resonanssikäyrä osoittaa, että komponentilla on korkea hyvyysluku (Q 3D = 130 000). Se on samaa suuruusluokkaa kuin kvartsiresonaattoreilla.
Resonaattorin hyvä taajuusselektiivisyys on välttämätöntä pienikohinaisen oskillaattorin tekemiseen. Oskillaattorin suorituskyvyn kannalta on tärkeää myös riittävän mekaanisen energian varastointi värähtelijään.
Mittauksin on voitu osoittaa, että kuvatun kaltaiseen piiresonaattoriin varastoitavissa oleva värähtelyenergiatiheys on vähintään kaksi kertaluokkaa suurempi kuin kvartsiin. Tämä on merkittävä etu, koska mikrorakenteen pieni absoluuttinen koko rajoittaa varastoitavan energian määrää.
Kohinat kuriin
MEMRO-hankkeessa tehty työ on osoittanut, että mikromekaniikalla voidaan todellakin toteuttaa erittäin suorituskykyisiä oskillaattoreita. Neliömoodiresonaattorin perustuvan oskillaattorin vaihekohinakäyrästä nähdään, että oskillaattori täyttää tiukan GSM-spesifikaation vaatimukset ja on myös toistaiseksi paras mikromekaaniselle oskillaattorille julkaistu tulos.
Hyvä pitkän ajan stabiilius on pienen vaihekohinan ohella referenssioskillaattorin keskeinen ominaisuus. Mikrorakenteiden stabiiliuden kannalta niiden keskeinen haaste on suuri pinta-ala verrattuna tilavuuteen: fyysisen kappaleen kokoa pienennettäessä sen pinta-alan suhde tilavuuteen kasvaa. Tämän vuoksi mikroresonaattori on periaatteessa alttiimpi esimerkiksi pinnan likaantumiselle kuin kertaluokkaa suurempi kvartsikide.
Tämä asettaa tarkat vaatimukset mikrorakenteen valmistusprosessille ja erityisesti sen hermeettiselle paketoinnille. Noin 10 MHz ominaistaajuudella toimivalle mikroresonaattorille vaaditaan lisäksi alle yhden millibarin tyhjö ilman aiheuttaman vaimennuksen poistamiseksi.
Taajuussiirtymä alle 1 ppm
Hankkeessa tehdyissä koesuljennoissa komponenteille on kyetty saavuttamaan varsin lupaava stabiliilisuus, sillä taajuussiirtymä on alle yksi ppm kuukauden mittausjakson aikana.
Mikro-oskillaattorien kaupallistumisen kannalta tärkeää on riittävän halpa tyhjöpaketointi ja integrointi mikropiirien osaksi. Myös piiresonaattorin ominaistaajuuden suurehkon lämpötilariippuvuuden kompensointi sekä kytkentään tarvittavan suuren tasajännitteen luominen vaativat erikoisratkaisuja.
Vaativan kehitystyön vastapainona mikro-oskillaattoreilla on suuri potentiaali vastata moniin tulevaisuuden langattomien sovellusten haasteisiin luomalla mikrokokoinen taajuusreferenssi radiotaajuuspiirien osaksi.
Aiheesta enemmän:
Projetin sivut: http://www.vtt.fi/tte/tutkimus/tte7/tutkimus/mrfo/
[1] V. Kaajakari, T. Mattila, A. Oja, J. Kiihamäki, H. Kattelus, M. Koskenvuori, P. Rantakari, I. Tittonen, and H. Seppä, "Square-extensional mode single-crystal silicon micromechanical RF-resonator", Transducers'03, The 12th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Boston, USA, June 8-12, 2003, Pages: 425-432.
[2] T. Mattila, J. Kiihamäki, T. Lamminmäki, O. Jaakkola, P. Rantakari, A. Oja, H. Seppä, H. Kattelus, and I. Tittonen, "A 12 MHz micromechanical bulk acoustic mode oscillator", Sensors and Actuators A: Physical, Volume 101, Issues 1-2, 30 September 2002, Pages: 1-9.
[3] V. Kaajakari, T. Mattila, J. Kiihamäki, H. Kattelus, A. Oja, and H. Seppä, "Nonlinearities in single-crystal silicon micromechanical resonators", Transducers'03, The 12th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Boston, USA, June 8-12, 2003, Pages: 1574-1577.
Using modern batch-processing techniques one can build silicon micromechanical structures suitable for freqeuncy reference applications. The central advantage of such devices is their compact size and integrability as compared with the conventional quartz crystal-based reference oscillators.
Devices developed in the MEMRO project have demostrated feasibility for excellent phase noise performance and long-term stability. For commercialization the central challenge of the micro-oscillator technology is developing a cost-effective solution for vacuum packaging and integration with rf-circuitry.
Also the compensation of the large temperature-dependence of the resonance frequency and the generation of the high DC-voltage for electromechanical coupling require tailored solutions.These technical development challenges are counterweighted by the huge potential in creating miniaturized freqeuency references for future rf-circuits.
The MEMRO project is part of Tekes PRESTO program. Contact person for the project is Tomi Mattila (tomi.mattila@vtt.fi).