微机械原型执行石英晶体的工作

在未来几年内,您的手表,电视和计算机都可能包含微电子机械系统(MEMS),随着科技的快速发展,提供在科技产品中的电子元器件的要求越来越高.也逐渐开发出可代替的电子元件,来满足各不同行业领域的需求.

正在桑迪亚开发的微米级机器.1725年智能微机部经理JimSmith与来自加利福尼亚大学伯克利分校的Sandia和TreyRoessig,AlPisano以及RogerHowe的同事一起构建了一个用作时钟源的MEMS原型.具有花粉粒大小的移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用于计时装置的传统技术.

Roessig在Jim的陪同下于6月份在南卡罗来纳州希尔顿头岛举行的固态传感器和执行器研讨会上首次公布了该原型.

"我们采用了与汽车安全气囊中的传感器等设备相同的技术,并将其应用于计时装置,"Jim说."看起来非常有希望."

微机械由多晶硅制成,这与用于制造集成电路(数字电子产品的构建模块)的材料相同.因此,微机械和集成电路可以构建在一个芯片上.

片上系统

Jim表示,微机械时钟源,传统集成电路和其他微机械元件可以同时构建,形成一个完整的"片上系统",如果大规模生产可以大幅降低价格并提高可靠性.可以在单个硅晶片上构建数百到数千个.此外,由于可以消除组装需求,因此可以显着降低制造成本.在目前的生产方法中,石英晶体定时装置和集成电路分开制造然后组装.由于这两个系统将位于一个单元上,因此无需将它们拼凑在一起,从而节省了大量成本.

片上系统概念仅用了大约三年时间,将微机械嵌入硅晶片的浅沟槽中.然后将这些带有微机电装置的晶片用作集成电路的传统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.

该技术于1996年获得桑迪亚研发100奖,该技术已获得行业许可,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.随着计时设备的结合,该技术的应用将继续增长.

目前,石英晶体-精密切割和抛光的单晶二氧化硅(沙子和窗户玻璃的主要成分)-作为时钟源.压电材料,当施加电场时晶体膨胀并改变形状,储存电荷.当不施加电流时,晶体释放电荷.电能在晶体和定时电路之间以固定频率在反馈回路中来回晃动.该固定频率产生定时信号,这允许数字电子设备中的计算以同步步骤发生.例如,现代手表包含石英振荡器和计算振荡的电路.一旦记录了正确的计数,显示就会提前一秒.

MEMS替代时钟源

MEMS原型将作为替代时钟源.它与石英晶体不同,因为它被静电激发和感知而不是压电.与扩展或改变形状的石英对应物不同,这些多晶硅谐振器的物理移动方式与音叉振动的方式大致相同.

该原型的作用与目前市场上的产品中使用的其他微机械有所不同-例如压力和加速度传感器-即微小的移动齿轮和销钉.

通过高功率显微镜观察,MEMS定时装置原型看起来就像一个微小的双端音叉.它由两根非常精细的弦或尖齿组成-10个适合针头-与红细胞大小的致动器框架平行固定.通过执行器框架施加在连续反馈回路中设置的电压(振荡效应),使得琴弦前后移动.因为它们非常小,所以MEMS振动非常快并且产生大约1MHz的频率.虽然这对于系统时钟而言是相对较低的频率,但原型振荡器是第一个在音频范围之上工作的集成振荡器.

在Sandia构建这些器件的过程似乎能够制造频率高于10MHz的集成振荡器.尽管频率很高,但这些微机械产生的噪音非常低-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.

频率提供数字电子设备操作所需的恒定定时信号.由于噪声低,信号是恒定的,不会中断,从而提高精度.

作为振荡器的音叉形状的微机械并不新鲜.独特之处在于将MEMS振荡器与集成电路放在同一芯片上.

与伯克利合作

吉姆说,他的努力建立在加州大学伯克利分校由Howe和ClarkNguyen(现在密歇根大学)完成的工作之上.

"他们能够让一些音叉振荡器工作,"他回忆道."但当他们看到桑迪亚集成MEMS工艺提供的设备可制造性的显着提高时,我们很快就与他们合作.他们拥有设计方面的专业知识,我们拥有制造方面的专业知识.这是一种自然的匹配.”

他补充说,将时钟源与其他电子电路放在同一芯片上是在单个单片硅片中开发完整机电系统的基石之一.

"在内部,我们正在与ThomFischer和KurtWessendorf合作,从1732年起将这些设备应用到防御计划应用中,"他说."业界已经对桑迪亚利用这项技术构建加速度计的能力表现出极大兴趣-测量安全气囊加速度的传感器-以及感应车辆旋转的陀螺仪.使用微机械作为计时装置的新能力将极大地扩展领域这些系统在芯片上的应用.”