時機問題：MEMS原型執(zhí)行石英晶體的工作
在未來幾年內(nèi)，你的手表、電視和電腦都可能包含微型機電系統(tǒng)（MEMS），這是桑迪亞正在開發(fā)的微米級機器。
智能微電機部1725經(jīng)理吉姆·史密斯與來自加州大學伯克利分校的桑迪亞和特雷·羅西格、阿爾·皮薩諾和羅杰·豪的同事們一起制作了一個具有時鐘源功能的MEMS原型。這種帶有花粉顆粒大小活動部件的微型機器與石英晶體執(zhí)行相同的工作，石英晶體是所有數(shù)字電子設備中計時設備使用的傳統(tǒng)技術。
時機正好——智能微機械部1725經(jīng)理吉姆·史密斯通過高倍顯微鏡觀察起時鐘源作用的MEMS原型。（蘭迪·蒙托亞攝）
6月，在南卡羅來納州希爾頓黑德的固態(tài)傳感器和執(zhí)行器研討會上，羅斯格在吉姆的陪同下首次公開宣布了該原型。
吉姆說:“我們已經(jīng)采用了現(xiàn)在用于汽車安全氣囊傳感器等設備的相同技術，并將其應用于計時設備。”“看起來非常有希望。”
微型機械是由多晶硅制成的，這種材料與制造集成電路的材料相同，集成電路是數(shù)字電子產(chǎn)品的組成部分。正因為如此，微機械和集成電路可以構建在一個芯片上。
吉姆說，微加工時鐘源、傳統(tǒng)集成電路和其他微加工元件可以同時構建，形成一個完整的“芯片系統(tǒng)”，如果大規(guī)模生產(chǎn)，可以大幅降低價格并提高可靠性。單個硅片上可以制造數(shù)百到數(shù)千個。此外，由于不再需要組裝，制造成本可以顯著降低。在目前的生產(chǎn)方法下，進口晶振石英晶體計時裝置和集成電路是分開制造的，然后再進行組裝。由于這兩個系統(tǒng)將在一個單元上，因此沒有必要將它們拼湊在一起，從而節(jié)省了大量成本。
只有大約三年歷史的系統(tǒng)芯片概念將微型機械嵌入硅片上的淺溝槽中。這些具有微機電裝置的晶片然后被用作集成電路的常規(guī)互補金屬氧化物半導體（CMOS）制造工藝的起始材料。集成電路構建在晶片的表面上，而MEMS密封在溝槽中。
這項技術在1996年為桑迪亞贏得了R&D 100獎，并已獲得工業(yè)許可，用于計算機游戲操縱桿、汽車穩(wěn)定系統(tǒng)和安全氣囊展開傳感器等應用。隨著計時裝置的加入，這項技術的應用將繼續(xù)增長。
目前，石英晶體——精確切割和拋光的單晶二氧化硅(沙子和窗戶玻璃的主要成分)——充當時鐘源。作為一種壓電材料，當施加電場時，晶體會膨脹并改變形狀，從而儲存電荷。當沒有電流時，晶體釋放電荷。電能以固定的頻率在反饋回路中的晶體和計時電路之間來回晃動。這個固定的頻率產(chǎn)生定時信號，使得數(shù)字電子設備中的計算可以同步進行。例如，現(xiàn)代手表包含一個石英振蕩器和一個對振蕩進行計數(shù)的電路。一旦記錄了正確的計數(shù)，顯示屏將前進一秒。
Fortiming的MEMS原型執(zhí)行石英晶體的工作XO14W-16M000-A100E0
MEMS替代時鐘源
MEMS原型將作為替代時鐘源。它不同于石英晶體諧振器，因為它是靜電激發(fā)和感應的，而不是壓電激發(fā)和感應的。不像石英諧振器會膨脹或改變形狀，這些多晶硅諧振器的物理運動方式與音叉振動的方式非常相似。
該原型的作用也與目前市場上產(chǎn)品中使用的其他微機械略有不同，如壓力和加速度傳感器，它們是微小的移動齒輪和銷。
通過高倍顯微鏡觀察，MEMS計時裝置原型看起來就像一個微型雙頭音叉。它由兩根非常細的細繩或尖齒組成——針頭上可以安裝10根——平行固定在紅細胞大小的致動器框架上。在連續(xù)反饋回路中設置的電壓(振蕩效應)通過致動器框架施加，導致琴弦來回移動。由于它們非常小，MEMS振動速度極快，產(chǎn)生的頻率約為1MHz石英晶振。雖然對于系統(tǒng)時鐘來說，這是一個相對較低的頻率，但原型振蕩器是第一個工作在音頻范圍以上的集成振蕩器。
桑迪亞制造這些設備的過程似乎能夠制造頻率超過10兆赫的集成振蕩器。盡管頻率很高，但這些微機械產(chǎn)生的噪聲非常低，這主要是由于機械結(jié)構與電子設備的集成以及電子電路的設計。
這些頻率提供了數(shù)字電子設備運行所需的恒定定時信號。由于噪音低，信號是恒定的，不會中斷，從而提高了精度。
音叉形狀的微型機械作為振蕩器并不新鮮。獨特之處在于將MEMS振蕩器與集成電路放在同一個芯片上。
Fortiming的MEMS原型執(zhí)行石英晶體的工作XO14W-16M000-A100E0
與伯克利的合作
吉姆說，他的努力建立在加州大學伯克利分校的豪和克拉克·阮(現(xiàn)在在密歇根大學)所做的工作基礎上。
“他們能夠讓一些音叉振蕩器工作，”他回憶道。“但是當他們看到Sandia的集成MEMS工藝極大地提高了設備的可制造性時，我們很快就與他們合作了。他們有設計方面的專長，而我們有制造方面的專長。這是天生的一對。”
他補充說，將時鐘源與其他電子電路放在同一個芯片上是在單片硅片上開發(fā)完整機電系統(tǒng)的基石之一。
“在內(nèi)部，我們正在與1732年的Thom Fischer和Kurt Wessendorf合作，使這些設備適應國防計劃的應用，”他說。“工業(yè)界已經(jīng)對Sandia利用這項技術制造加速度計(安全氣囊中測量加速度的傳感器)和感應車輛旋轉(zhuǎn)的陀螺儀的能力表現(xiàn)出了極大的興趣。使用微機械作為計時設備的新能力將極大地擴展這些片上系統(tǒng)的應用領域。”
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