Fortiming的MEMS原型执行石英晶体的工作XO14W-16M000-A100E0

Fortiming的MEMS原型执行石英晶体的工作XO14W-16M000-A100E0
时机问题：MEMS原型执行石英晶体的工作
在未来几年内，你的手表、电视和电脑都可能包含微型机电系统（MEMS），这是桑迪亚正在开发的微米级机器。
智能微电机部1725经理吉姆·史密斯与来自加州大学伯克利分校的桑迪亚和特雷·罗西格、阿尔·皮萨诺和罗杰·豪的同事们一起制作了一个具有时钟源功能的MEMS原型。这种带有花粉颗粒大小活动部件的微型机器与石英晶体执行相同的工作，石英晶体是所有数字电子设备中计时设备使用的传统技术。
时机正好——智能微机械部1725经理吉姆·史密斯通过高倍显微镜观察起时钟源作用的MEMS原型。（兰迪·蒙托亚摄）
6月，在南卡罗来纳州希尔顿黑德的固态传感器和执行器研讨会上，罗斯格在吉姆的陪同下首次公开宣布了该原型。
吉姆说:“我们已经采用了现在用于汽车安全气囊传感器等设备的相同技术，并将其应用于计时设备。”“看起来非常有希望。”
微型机械是由多晶硅制成的，这种材料与制造集成电路的材料相同，集成电路是数字电子产品的组成部分。正因为如此，微机械和集成电路可以构建在一个芯片上。

片上系统
吉姆说，微加工时钟源、传统集成电路和其他微加工元件可以同时构建，形成一个完整的“芯片系统”，如果大规模生产，可以大幅降低价格并提高可靠性。单个硅片上可以制造数百到数千个。此外，由于不再需要组装，制造成本可以显著降低。在目前的生产方法下，进口晶振石英晶体计时装置和集成电路是分开制造的，然后再进行组装。由于这两个系统将在一个单元上，因此没有必要将它们拼凑在一起，从而节省了大量成本。
只有大约三年历史的系统芯片概念将微型机械嵌入硅片上的浅沟槽中。这些具有微机电装置的晶片然后被用作集成电路的常规互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的起始材料。集成电路构建在晶片的表面上，而MEMS密封在沟槽中。
这项技术在1996年为桑迪亚赢得了R&D 100奖，并已获得工业许可，用于计算机游戏操纵杆、汽车稳定系统和安全气囊展开传感器等应用。随着计时装置的加入，这项技术的应用将继续增长。
目前，石英晶体——精确切割和抛光的单晶二氧化硅(沙子和窗户玻璃的主要成分)——充当时钟源。作为一种压电材料，当施加电场时，晶体会膨胀并改变形状，从而储存电荷。当没有电流时，晶体释放电荷。电能以固定的频率在反馈回路中的晶体和计时电路之间来回晃动。这个固定的频率产生定时信号，使得数字电子设备中的计算可以同步进行。例如，现代手表包含一个石英振荡器和一个对振荡进行计数的电路。一旦记录了正确的计数，显示屏将前进一秒。
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MEMS替代时钟源
MEMS原型将作为替代时钟源。它不同于石英晶体谐振器，因为它是静电激发和感应的，而不是压电激发和感应的。不像石英谐振器会膨胀或改变形状，这些多晶硅谐振器的物理运动方式与音叉振动的方式非常相似。
该原型的作用也与目前市场上产品中使用的其他微机械略有不同，如压力和加速度传感器，它们是微小的移动齿轮和销。
通过高倍显微镜观察，MEMS计时装置原型看起来就像一个微型双头音叉。它由两根非常细的细绳或尖齿组成——针头上可以安装10根——平行固定在红细胞大小的致动器框架上。在连续反馈回路中设置的电压(振荡效应)通过致动器框架施加，导致琴弦来回移动。由于它们非常小，MEMS振动速度极快，产生的频率约为1MHz石英晶振。虽然对于系统时钟来说，这是一个相对较低的频率，但原型振荡器是第一个工作在音频范围以上的集成振荡器。
桑迪亚制造这些设备的过程似乎能够制造频率超过10兆赫的集成振荡器。尽管频率很高，但这些微机械产生的噪声非常低，这主要是由于机械结构与电子设备的集成以及电子电路的设计。
这些频率提供了数字电子设备运行所需的恒定定时信号。由于噪音低，信号是恒定的，不会中断，从而提高了精度。
音叉形状的微型机械作为振荡器并不新鲜。独特之处在于将MEMS振荡器与集成电路放在同一个芯片上。
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与伯克利的合作
吉姆说，他的努力建立在加州大学伯克利分校的豪和克拉克·阮(现在在密歇根大学)所做的工作基础上。
“他们能够让一些音叉振荡器工作，”他回忆道。“但是当他们看到Sandia的集成MEMS工艺极大地提高了设备的可制造性时，我们很快就与他们合作了。他们有设计方面的专长，而我们有制造方面的专长。这是天生的一对。”
他补充说，将时钟源与其他电子电路放在同一个芯片上是在单片硅片上开发完整机电系统的基石之一。

“在内部，我们正在与1732年的Thom Fischer和Kurt Wessendorf合作，使这些设备适应国防计划的应用，”他说。“工业界已经对Sandia利用这项技术制造加速度计(安全气囊中测量加速度的传感器)和感应车辆旋转的陀螺仪的能力表现出了极大的兴趣。使用微机械作为计时设备的新能力将极大地扩展这些片上系统的应用领域。”