在未來幾年內,您的手表,電視和計算機都可能包含微電子機械系統(MEMS),隨著科技的快速發展,提供在科技產品中的電子元器件的要求越來越高.也逐漸開發出可代替的電子元件,來滿足各不同行業領域的需求.

正在桑迪亞開發的微米級機器.1725年智能微機部經理JimSmith與來自加利福尼亞大學伯克利分校的Sandia和TreyRoessig,AlPisano以及RogerHowe的同事一起構建了一個用作時鐘源的MEMS原型.具有花粉粒大小的移動部件的微型機器與石英晶體執行相同的工作,石英晶體是所有數字電子設備中用于計時裝置的傳統技術.

Roessig在Jim的陪同下于6月份在南卡羅來納州希爾頓頭島舉行的固態傳感器和執行器研討會上首次公布了該原型.

"我們采用了與汽車安全氣囊中的傳感器等設備相同的技術,并將其應用于計時裝置,"Jim說."看起來非常有希望."

微機械由多晶硅制成,這與用于制造集成電路(數字電子產品的構建模塊)的材料相同.因此,微機械和集成電路可以構建在一個芯片上.

片上系統

Jim表示,微機械時鐘源,傳統集成電路和其他微機械元件可以同時構建,形成一個完整的"片上系統",如果大規模生產可以大幅降低價格并提高可靠性.可以在單個硅晶片上構建數百到數千個.此外,由于可以消除組裝需求,因此可以顯著降低制造成本.在目前的生產方法中,石英晶體定時裝置和集成電路分開制造然后組裝.由于這兩個系統將位于一個單元上,因此無需將它們拼湊在一起,從而節省了大量成本.

片上系統概念僅用了大約三年時間,將微機械嵌入硅晶片的淺溝槽中.然后將這些帶有微機電裝置的晶片用作集成電路的傳統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.

該技術于1996年獲得桑迪亞研發100獎,該技術已獲得行業許可,可用于計算機游戲操縱桿,汽車穩定系統和安全氣囊展開傳感器等應用.隨著計時設備的結合,該技術的應用將繼續增長.

目前,石英晶體-精密切割和拋光的單晶二氧化硅(沙子和窗戶玻璃的主要成分)-作為時鐘源.壓電材料,當施加電場時晶體膨脹并改變形狀,儲存電荷.當不施加電流時,晶體釋放電荷.電能在晶體和定時電路之間以固定頻率在反饋回路中來回晃動.該固定頻率產生定時信號,這允許數字電子設備中的計算以同步步驟發生.例如,現代手表包含石英振蕩器和計算振蕩的電路.一旦記錄了正確的計數,顯示就會提前一秒.

MEMS替代時鐘源

MEMS原型將作為替代時鐘源.它與石英晶體不同,因為它被靜電激發和感知而不是壓電.與擴展或改變形狀的石英對應物不同,這些多晶硅諧振器的物理移動方式與音叉振動的方式大致相同.

該原型的作用與目前市場上的產品中使用的其他微機械有所不同-例如壓力和加速度傳感器-即微小的移動齒輪和銷釘.

通過高功率顯微鏡觀察,MEMS定時裝置原型看起來就像一個微小的雙端音叉.它由兩根非常精細的弦或尖齒組成-10個適合針頭-與紅細胞大小的致動器框架平行固定.通過執行器框架施加在連續反饋回路中設置的電壓(振蕩效應),使得琴弦前后移動.因為它們非常小,所以MEMS振動非常快并且產生大約1MHz的頻率.雖然這對于系統時鐘而言是相對較低的頻率,但原型振蕩器是第一個在音頻范圍之上工作的集成振蕩器.

在Sandia構建這些器件的過程似乎能夠制造頻率高于10MHz的集成振蕩器.盡管頻率很高,但這些微機械產生的噪音非常低-這主要是由于機械結構與電子設備的集成以及電子電路的設計.

頻率提供數字電子設備操作所需的恒定定時信號.由于噪聲低,信號是恒定的,不會中斷,從而提高精度.

作為振蕩器的音叉形狀的微機械并不新鮮.獨特之處在于將MEMS振蕩器與集成電路放在同一芯片上.

與伯克利合作

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

"他們能夠讓一些音叉振蕩器工作,"他回憶道."但當他們看到桑迪亞集成MEMS工藝提供的設備可制造性的顯著提高時,我們很快就與他們合作.他們擁有設計方面的專業知識,我們擁有制造方面的專業知識.這是一種自然的匹配.”

他補充說,將時鐘源與其他電子電路放在同一芯片上是在單個單片硅片中開發完整機電系統的基石之一.

"在內部,我們正在與ThomFischer和KurtWessendorf合作,從1732年起將這些設備應用到防御計劃應用中,"他說."業界已經對桑迪亞利用這項技術構建加速度計的能力表現出極大興趣-測量安全氣囊加速度的傳感器-以及感應車輛旋轉的陀螺儀.使用微機械作為計時裝置的新能力將極大地擴展領域這些系統在芯片上的應用.”

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