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

正在桑迪亞開發(fā)的微米級機(jī)器.1725年智能微機(jī)部經(jīng)理JimSmith與來自加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的Sandia和TreyRoessig,AlPisano以及RogerHowe的同事一起構(gòu)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(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)備中用于計時裝置的傳統(tǒng)技術(shù).

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(tài)傳感器和執(zhí)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(shè)備相同的技術(shù),并將其應(yīng)用于計時裝置,"Jim說."看起來非常有希望."

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

片上系統(tǒng)

Jim表示,微機(jī)械時鐘源,傳統(tǒng)集成電路和其他微機(jī)械元件可以同時構(gòu)建,形成一個完整的"片上系統(tǒng)",如果大規(guī)模生產(chǎn)可以大幅降低價格并提高可靠性.可以在單個硅晶片上構(gòu)建數(shù)百到數(shù)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(chǎn)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(tǒng)將位于一個單元上,因此無需將它們拼湊在一起,從而節(jié)省了大量成本.

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

該技術(shù)于1996年獲得桑迪亞研發(fā)100獎,該技術(shù)已獲得行業(yè)許可,可用于計算機(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.隨著計時設(shè)備的結(jié)合,該技術(shù)的應(yīng)用將繼續(xù)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(dāng)施加電場時晶體膨脹并改變形狀,儲存電荷.當(dāng)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(chǎn)生定時信號,這允許數(shù)字電子設(shè)備中的計算以同步步驟發(fā)生.例如,現(xiàn)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(shù),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(fā)和感知而不是壓電.與擴(kuò)展或改變形狀的石英對應(yīng)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(chǎn)品中使用的其他微機(jī)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(xì)的弦或尖齒組成-10個適合針頭-與紅細(xì)胞大小的致動器框架平行固定.通過執(zhí)行器框架施加在連續(xù)反饋回路中設(shè)置的電壓(振蕩效應(yīng)),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(chǎn)生大約1MHz的頻率.雖然這對于系統(tǒng)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(gòu)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(jī)械產(chǎn)生的噪音非常低-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.

頻率提供數(shù)字電子設(shè)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(jī)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(xué)伯克利分校由Howe和ClarkNguyen(現(xiàn)在密歇根大學(xué))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(dāng)他們看到桑迪亞集成MEMS工藝提供的設(shè)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(shè)計方面的專業(yè)知識,我們擁有制造方面的專業(yè)知識.這是一種自然的匹配.”

他補(bǔ)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(fā)完整機(jī)電系統(tǒng)的基石之一.

"在內(nèi)部,我們正在與ThomFischer和KurtWessendorf合作,從1732年起將這些設(shè)備應(yīng)用到防御計劃應(yīng)用中,"他說."業(yè)界已經(jīng)對桑迪亞利用這項技術(shù)構(gòu)建加速度計的能力表現(xiàn)出極大興趣-測量安全氣囊加速度的傳感器-以及感應(yīng)車輛旋轉(zhuǎn)的陀螺儀.使用微機(jī)械作為計時裝置的新能力將極大地擴(kuò)展領(lǐng)域這些系統(tǒng)在芯片上的應(yīng)用.”

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