211service.com
En liten silikonklocka
Medan datorchips fortsätter att krympa, är storleken på prylar fortfarande begränsad, delvis, av relativt stora bitar av kvarts som fungerar som pacemaker för elektroniska kretsar. Men inom de närmaste månaderna kan det finnas ett billigare, mindre alternativ till kvarts. I december, ett Sunnyvale, CA-baserat företag, SiTime , förväntas börja leverera en kiselbaserad tidmätare som utmanar den 60-åriga kvartsteknologin.
Kvartsoscillatorer används som tidmätare i praktiskt taget all dagens elektronik, säger Aaron Partridge, SiTimes tekniska chef, som kallar dem systemets hjärtslag. Varje år, säger han, tillverkas cirka åtta miljarder kvartskristaller – komponenterna i en oscillator som vibrerar med en viss frekvens.
Kvartsteknologin är dock baserad på en decennier gammal industri som har förändrats lite sedan integrerade kretsar uppfanns. Och även om kiseltillverkning har gjort det möjligt för integrerade kretsar att krympa och få komplexitet, har tillverkningsteknikerna som används för att tillverka kvartsresonatorer inte hållit jämna steg i storlek.
Genom att använda kisel istället för kvarts kan SiTime göra en resonator med en bredd på bara ett par hundra mikrometer, säger Partridge, medan en likvärdig kvartsresonator har en bredd på cirka en millimeter. Dessutom, säger Partridge, är kiselresonatorer mycket billigare att tillverka.
Idén att överge kvartsoscillatorer för kisel är inte ny; forskare vid Stanford University, University of Michigan och University of California, Berkeley har arbetat med tekniken i decennier. För det mesta har dock kvaliteten på dessa kiselsystem inte matchat kvarts. På senare år har dock framsteg inom tillverkningen av mikroelektroniska mekaniska system (MEMS) gjort högkvalitativa kiseloscillatorer mer praktiska.
Partridge förklarar att SiTimes resonatorer, som är gjorda av enkristallkisel, förlitar sig på en liten spänning för att hålla en enhets hjärta ticka. Resonatorn är inkapslad och avstängd från omgivningen. När en spänning appliceras på oscillatorn vibrerar resonatorn vid en specifik frekvens. Om resonatorns massa förändras under dess livstid förlorar den tid. Partridge säger att även en skillnad i ett enda lager av atomer kan förändra frekvensen. Så SiTime-ingenjörerna använder en ultraren teknik där resonatorn tillverkas och förseglas i en liten vakuumkammare som är helt fri från några extra atomer.
Förutom fördelen med storlek är SiTimes kiseloscillatorer ett tilltalande alternativ på grund av deras förmåga att ställas in på olika frekvenser. Till skillnad från en kvartskristall, som är tillverkad för att resonera vid en viss frekvens under hela sin livstid, kan en kiseloscillator vibrera vid många olika frekvenser, beroende på vilken programvara som styr kretsen. Detta gör tillverkningsprocessen mindre kostsam, enligt Partridge, eftersom när en kvartskristall tillverkas är den utformad för att resonera vid en enda frekvens under hela dess livstid. Att ändra funktionen hos kvartsklockan från en som driver en mobiltelefon till en som kör en högupplöst TV, till exempel, kräver att man tillverkar en helt annan batch.
Men SiTimes kiselresonatorer kräver ingen frekvensjustering under tillverkningen, vilket gör dem lättare att tillverka. Och när de är redo att användas ställer en ingenjör helt enkelt in på önskad frekvens med hjälp av programvara.
SiTime är ett av en handfull nya företag som utvecklar MEMS-resonatorteknologi, säger Roger Howe, professor i elektroteknik vid Stanford och chefsforskare vid Silikonklockor , en spin-off vid University of California, Berkeley. Området är moget för kommersialisering, säger han, tack vare en kombination av mognadsteknologier inom MEMS-industrin och ultrarena inkapslingstekniker. Som ett resultat har ett antal startups som specialiserat sig på MEMS-resonatorer dykt upp, inklusive Silicon Clocks och Mobius Microsystems , en spin-off från University of Michigan.
SiTime har samarbetat med stora tillverkare av kvartsklockor, som kommer att sälja sina kiseloscillatorer. Men det finns mer att göra. Partridge säger att produkterna som ska levereras i slutet av året kommer att tillfredsställa ett fåtal tillämpningar för kvartsoscillatorer, såsom enkla mikroprocessorklockor. Men de är inte tillräckligt bra för att ersätta till exempel kvartstidsmekanismer i GPS-enheter. Framtida kiselklockor, säger han, kommer att ha en högre precision, eftersom hans team lär sig att finjustera tillverkningsteknikerna.