時(shí)機(jī)問題：MEMS原型執(zhí)行石英晶體的工作
在未來(lái)幾年內(nèi)，你的手表、電視和電腦都可能包含微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），這是桑迪亞正在開發(fā)的微米級(jí)機(jī)器。
智能微電機(jī)部1725經(jīng)理吉姆·史密斯與來(lái)自加州大學(xué)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(gè)具有時(shí)鐘源功能的MEMS原型。這種帶有花粉顆粒大小活動(dòng)部件的微型機(jī)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(shè)備中計(jì)時(shí)設(shè)備使用的傳統(tǒng)技術(shù)。
時(shí)機(jī)正好——智能微機(jī)械部1725經(jīng)理吉姆·史密斯通過高倍顯微鏡觀察起時(shí)鐘源作用的MEMS原型。（蘭迪·蒙托亞攝）
6月，在南卡羅來(lái)納州希爾頓黑德的固態(tài)傳感器和執(zhí)行器研討會(huì)上，羅斯格在吉姆的陪同下首次公開宣布了該原型。
吉姆說(shuō):“我們已經(jīng)采用了現(xiàn)在用于汽車安全氣囊傳感器等設(shè)備的相同技術(shù)，并將其應(yīng)用于計(jì)時(shí)設(shè)備。”“看起來(lái)非常有希望。”
微型機(jī)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?yàn)槿绱耍C(jī)械和集成電路可以構(gòu)建在一個(gè)芯片上。
吉姆說(shuō)，微加工時(shí)鐘源、傳統(tǒng)集成電路和其他微加工元件可以同時(shí)構(gòu)建，形成一個(gè)完整的“芯片系統(tǒng)”，如果大規(guī)模生產(chǎn)，可以大幅降低價(jià)格并提高可靠性。單個(gè)硅片上可以制造數(shù)百到數(shù)千個(gè)。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(jìn)口晶振石英晶體計(jì)時(shí)裝置和集成電路是分開制造的，然后再進(jìn)行組裝。由于這兩個(gè)系統(tǒng)將在一個(gè)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(jī)械嵌入硅片上的淺溝槽中。這些具有微機(jī)電裝置的晶片然后被用作集成電路的常規(guī)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制造工藝的起始材料。集成電路構(gòu)建在晶片的表面上，而MEMS密封在溝槽中。
這項(xiàng)技術(shù)在1996年為桑迪亞贏得了R&D 100獎(jiǎng)，并已獲得工業(yè)許可，用于計(jì)算機(jī)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(yīng)用。隨著計(jì)時(shí)裝置的加入，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將繼續(xù)增長(zhǎng)。
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(dāng)時(shí)鐘源。作為一種壓電材料，當(dāng)施加電場(chǎng)時(shí)，晶體會(huì)膨脹并改變形狀，從而儲(chǔ)存電荷。當(dāng)沒有電流時(shí)，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(jì)時(shí)電路之間來(lái)回晃動(dòng)。這個(gè)固定的頻率產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，使得數(shù)字電子設(shè)備中的計(jì)算可以同步進(jìn)行。例如，現(xiàn)代手表包含一個(gè)石英振蕩器和一個(gè)對(duì)振蕩進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路。一旦記錄了正確的計(jì)數(shù)，顯示屏將前進(jìn)一秒。
Fortiming的MEMS原型執(zhí)行石英晶體的工作XO14W-16M000-A100E0
MEMS替代時(shí)鐘源
MEMS原型將作為替代時(shí)鐘源。它不同于石英晶體諧振器，因?yàn)樗庆o電激發(fā)和感應(yīng)的，而不是壓電激發(fā)和感應(yīng)的。不像石英諧振器會(huì)膨脹或改變形狀，這些多晶硅諧振器的物理運(yùn)動(dòng)方式與音叉振動(dòng)的方式非常相似。
該原型的作用也與目前市場(chǎng)上產(chǎn)品中使用的其他微機(jī)械略有不同，如壓力和加速度傳感器，它們是微小的移動(dòng)齒輪和銷。
通過高倍顯微鏡觀察，MEMS計(jì)時(shí)裝置原型看起來(lái)就像一個(gè)微型雙頭音叉。它由兩根非常細(xì)的細(xì)繩或尖齒組成——針頭上可以安裝10根——平行固定在紅細(xì)胞大小的致動(dòng)器框架上。在連續(xù)反饋回路中設(shè)置的電壓(振蕩效應(yīng))通過致動(dòng)器框架施加，導(dǎo)致琴弦來(lái)回移動(dòng)。由于它們非常小，MEMS振動(dòng)速度極快，產(chǎn)生的頻率約為1MHz石英晶振。雖然對(duì)于系統(tǒng)時(shí)鐘來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相對(duì)較低的頻率，但原型振蕩器是第一個(gè)工作在音頻范圍以上的集成振蕩器。
桑迪亞制造這些設(shè)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(jī)械產(chǎn)生的噪聲非常低，這主要是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子設(shè)備的集成以及電子電路的設(shè)計(jì)。
這些頻率提供了數(shù)字電子設(shè)備運(yùn)行所需的恒定定時(shí)信號(hào)。由于噪音低，信號(hào)是恒定的，不會(huì)中斷，從而提高了精度。
音叉形狀的微型機(jī)械作為振蕩器并不新鮮。獨(dú)特之處在于將MEMS振蕩器與集成電路放在同一個(gè)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(shuō)，他的努力建立在加州大學(xué)伯克利分校的豪和克拉克·阮(現(xiàn)在在密歇根大學(xué))所做的工作基礎(chǔ)上。
“他們能夠讓一些音叉振蕩器工作，”他回憶道。“但是當(dāng)他們看到Sandia的集成MEMS工藝極大地提高了設(shè)備的可制造性時(shí)，我們很快就與他們合作了。他們有設(shè)計(jì)方面的專長(zhǎng)，而我們有制造方面的專長(zhǎng)。這是天生的一對(duì)。”
他補(bǔ)充說(shuō)，將時(shí)鐘源與其他電子電路放在同一個(gè)芯片上是在單片硅片上開發(fā)完整機(jī)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(shè)備適應(yīng)國(guó)防計(jì)劃的應(yīng)用，”他說(shuō)。“工業(yè)界已經(jīng)對(duì)Sandia利用這項(xiàng)技術(shù)制造加速度計(jì)(安全氣囊中測(cè)量加速度的傳感器)和感應(yīng)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(jī)械作為計(jì)時(shí)設(shè)備的新能力將極大地?cái)U(kuò)展這些片上系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。”
NDK晶振,石英晶體諧振器,NX5032SD晶振
NDK晶振,石英晶振,NX3225SA晶振
NDK晶振,石英晶振,NX2520SG晶振
NDK晶振,石英晶振,NX1612SA晶振
