時機問題：MEMS原型執行石英晶體的工作
在未來幾年內，你的手表、電視和電腦都可能包含微型機電系統（MEMS），這是桑迪亞正在開發的微米級機器。
智能微電機部1725經理吉姆·史密斯與來自加州大學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具有時鐘源功能的MEMS原型。這種帶有花粉顆粒大小活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計時設備使用的傳統技術。
時機正好——智能微機械部1725經理吉姆·史密斯通過高倍顯微鏡觀察起時鐘源作用的MEMS原型。（蘭迪·蒙托亞攝）
6月，在南卡羅來納州希爾頓黑德的固態傳感器和執行器研討會上，羅斯格在吉姆的陪同下首次公開宣布了該原型。
吉姆說:“我們已經采用了現在用于汽車安全氣囊傳感器等設備的相同技術，并將其應用于計時設備。”“看起來非常有希望。”
微型機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，集成電路是數字電子產品的組成部分。正因為如此，微機械和集成電路可以構建在一個芯片上。
吉姆說，微加工時鐘源、傳統集成電路和其他微加工元件可以同時構建，形成一個完整的“芯片系統”，如果大規模生產，可以大幅降低價格并提高可靠性。單個硅片上可以制造數百到數千個。此外，由于不再需要組裝，制造成本可以顯著降低。在目前的生產方法下，進口晶振石英晶體計時裝置和集成電路是分開制造的，然后再進行組裝。由于這兩個系統將在一個單元上，因此沒有必要將它們拼湊在一起，從而節省了大量成本。
只有大約三年歷史的系統芯片概念將微型機械嵌入硅片上的淺溝槽中。這些具有微機電裝置的晶片然后被用作集成電路的常規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。
這項技術在1996年為桑迪亞贏得了R&D 100獎，并已獲得工業許可，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。隨著計時裝置的加入，這項技術的應用將繼續增長。
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)——充當時鐘源。作為一種壓電材料，當施加電場時，晶體會膨脹并改變形狀，從而儲存電荷。當沒有電流時，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時電路之間來回晃動。這個固定的頻率產生定時信號，使得數字電子設備中的計算可以同步進行。例如，現代手表包含一個石英振蕩器和一個對振蕩進行計數的電路。一旦記錄了正確的計數，顯示屏將前進一秒。
Fortiming的MEMS原型執行石英晶體的工作XO14W-16M000-A100E0
MEMS替代時鐘源
MEMS原型將作為替代時鐘源。它不同于石英晶體諧振器，因為它是靜電激發和感應的，而不是壓電激發和感應的。不像石英諧振器會膨脹或改變形狀，這些多晶硅諧振器的物理運動方式與音叉振動的方式非常相似。
該原型的作用也與目前市場上產品中使用的其他微機械略有不同，如壓力和加速度傳感器，它們是微小的移動齒輪和銷。
通過高倍顯微鏡觀察，MEMS計時裝置原型看起來就像一個微型雙頭音叉。它由兩根非常細的細繩或尖齒組成——針頭上可以安裝10根——平行固定在紅細胞大小的致動器框架上。在連續反饋回路中設置的電壓(振蕩效應)通過致動器框架施加，導致琴弦來回移動。由于它們非常小，MEMS振動速度極快，產生的頻率約為1MHz石英晶振。雖然對于系統時鐘來說，這是一個相對較低的頻率，但原型振蕩器是第一個工作在音頻范圍以上的集成振蕩器。
桑迪亞制造這些設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，但這些微機械產生的噪聲非常低，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。
這些頻率提供了數字電子設備運行所需的恒定定時信號。由于噪音低，信號是恒定的，不會中斷，從而提高了精度。
音叉形狀的微型機械作為振蕩器并不新鮮。獨特之處在于將MEMS振蕩器與集成電路放在同一個芯片上。
Fortiming的MEMS原型執行石英晶體的工作XO14W-16M000-A100E0
與伯克利的合作
吉姆說，他的努力建立在加州大學伯克利分校的豪和克拉克·阮(現在在密歇根大學)所做的工作基礎上。
“他們能夠讓一些音叉振蕩器工作，”他回憶道。“但是當他們看到Sandia的集成MEMS工藝極大地提高了設備的可制造性時，我們很快就與他們合作了。他們有設計方面的專長，而我們有制造方面的專長。這是天生的一對。”
他補充說，將時鐘源與其他電子電路放在同一個芯片上是在單片硅片上開發完整機電系統的基石之一。
“在內部，我們正在與1732年的Thom Fischer和Kurt Wessendorf合作，使這些設備適應國防計劃的應用，”他說。“工業界已經對Sandia利用這項技術制造加速度計(安全氣囊中測量加速度的傳感器)和感應車輛旋轉的陀螺儀的能力表現出了極大的興趣。使用微機械作為計時設備的新能力將極大地擴展這些片上系統的應用領域。”
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