Mini-Taktgeber aus Silizium

Obwohl Computerchips immer kleiner werden, gibt es bei elektronischen Geräten dennoch eine natürliche Grenze der Miniaturisierung: Die Größe der notwendigen Quarz-Taktgeber, denn die sind vergleichsweise voluminös. Das kalifornische Unternehmen SiTime arbeitet daher an einer Alternative - einem Taktgeber aus Silizium, der die 60 Jahre alte Quarz-Technik beerben soll.

Quarz-Oszillatoren sitzen in nahezu allen elektronischen Geräten, die heute gebaut werden.. Sie lieferten "den Herzschlag des Systems", wie SiTime-Technologiechef Aaron Partridge meint. Jedes Jahr würden rund acht Milliarden Quarz-Kristalle, aus denen dann Oszillatoren entstünden, hergestellt. Diese schwingen mit einer bestimmten Frequenz und halten Elektronik so im Takt. Die Quarz-Technologie hat sich seit der Erfindung der integrierten Schaltkreise jedoch nur schleichend verändert - auch im Hinblick auf ihre Größe.

Die Idee, Quarz-Oszillatoren durch Teile aus Silizium zu ersetzen, ist nicht gerade neu: Forscher an der Stanford University, der University of Michigan und der University of California in Berkeley beschäftigen sich damit seit Jahrzehnten. Die Qualität dieser Silizium-basierten Systeme konnte sich bislang aber kaum mit der Quarz-Technologie messen. In den letzten Jahren sorgen Fortschritte bei der Herstellung so genannter mikroelektromechanischer Systeme, kurz MEMS, jedoch für ganz neue Möglichkeiten.

Die SiTime-Taktgeber bestehen aus einzelnen Silizium-Kristallen und benötigen nur eine kleine Spannung, um zu arbeiten. Der so genannte Resonator ist gekapselt und von der Außenwelt hermetisch abgeschlossen. Legt man nun eine Spannung an den Taktgeber, schwingt dieser mit einer spezifischen Frequenz. Verändert sich seine Masse im Laufe der Zeit, ändert sich diese allerdings sofort. Schon ein Unterschied in einer einzigen Atomschicht könne dies verursachen, sagt Partridge. Aus diesem Grund nutzen die Ingenieure eine hochreine Produktionstechnologie, bei der eine kleine Vakuumkammer verwendet wird, so dass keine überschüssigen Atome ihren Weg in die Komponente finden.

Neben der geringeren Größe sind die SiTime-Taktgeber auch deshalb interessant, weil sie auf verschiedene Frequenzen eingestellt werden können - im Gegensatz zu einem Quarz-Kristall, der seine ganze Lebensdauer auf der gleichen Frequenz schwingt. Der Silizium-Taktgeber lässt sich durch Software auf der Platine kontrollieren. Dies reduziert auch die Produktionskosten - ein Quarz-Taktgeber für ein Handy ist ein ganz anderes Bauteil als einer für einen HDTV-Fernseher. Bei der Silizium-Technik ließe sich die Veränderung allein durch Software durchführen. Die Frequenzanpassung muss außerdem nicht bei der Herstellung vorgenommen werden - ein Ingenieur kann dies zu einem beliebigen Zeitpunkt in Software tun.

SiTime ist allerdings nicht der einzige Anbieter, der an MEMS-basierten Taktgebern arbeitet, wie Roger Howe, Professor für Elektroingenieurwesen an der Stanford University, sagt. Hower ist gleichzeitig in einem entsprechenden Spin-Off namens Silicon Clocks tätig. Der Bereich sei "bereit für eine Kommerzialisierung", so der Experte, die MEMS-Technologie heute deutlich weiter. Auch ließen sich inzwischen hochreine Elemente bauen. Neben SiTime und Silicon Clock arbeitet auch Mobius Microsystems, ein Spin-Off der University of Michigan, an der Technik.

SiTime will nun von Hilfe von Partnerfirmen nach vorne kommen - das Unternehmen tut sich mit großen Quarz-Herstellern zusammen. Zuvor steht der Firma allerdings noch viel Arbeit bevor - seine ersten Taktgeber, die Ende des Jahres verfügbar sein sollen, können nur in bestimmten Anwendungsbereichen wie einfachen Mikroprozessor-Settings verwendet werden. Spätere Silizium-Taktgeber mit höherer Präzision würden sich dann sogar für GPS-Geräte eignen, hofft Technologiechef Partridge. Derzeit arbeite SiTime daher an Methoden, die Herstellungstechnik weiter zu verfeinern.

Übersetzung: Ben Schwan. (nbo)