211service.com
Een kleine siliconen klok
Terwijl computerchips steeds kleiner worden, wordt de omvang van gadgets nog steeds beperkt, deels door relatief grote stukken kwarts die fungeren als pacemakers voor elektronische circuits. Maar binnen een paar maanden is er misschien een goedkoper, kleiner alternatief voor kwarts. In december heeft een in Sunnyvale, CA gevestigd bedrijf, SiTime , zal naar verwachting beginnen met het verzenden van een op silicium gebaseerde tijdwaarnemer die de 60 jaar oude kwartstechnologie uitdaagt.
Kwartsoscillatoren worden gebruikt als tijdwaarnemers in vrijwel alle hedendaagse elektronica, zegt Aaron Partridge, Chief Technology Officer van SiTime, die ze de hartslag van het systeem noemt. Elk jaar, zegt hij, worden ongeveer acht miljard kwartskristallen gemaakt - de componenten van een oscillator die met een bepaalde frequentie trillen.
Kwartstechnologie is echter gebaseerd op een decennia-oude industrie die weinig is veranderd sinds de uitvinding van geïntegreerde schakelingen. En hoewel siliciumfabricage het mogelijk heeft gemaakt dat geïntegreerde schakelingen krimpen en complexer worden, hebben de fabricagetechnieken die worden gebruikt om kwartsresonatoren te maken, geen gelijke tred gehouden met de grootte.
Door silicium te gebruiken in plaats van kwarts, kan SiTime een resonator maken met een breedte van slechts een paar honderd micrometer, zegt Partridge, terwijl een equivalente kwartsresonator een breedte heeft van ongeveer een millimeter. Bovendien, zegt Partridge, zijn siliciumresonatoren veel goedkoper om te fabriceren.
Het idee om kwartsoscillatoren te verlaten voor siliciumoscillatoren is niet nieuw; onderzoekers van Stanford University, University of Michigan en de University of California, Berkeley werken al tientallen jaren aan de technologie. De kwaliteit van deze siliciumsystemen komt echter voor het grootste deel niet overeen met die van kwarts. In de afgelopen jaren hebben vorderingen in de fabricage van micro-elektronische mechanische systemen (MEMS) hoogwaardige siliciumoscillatoren echter praktischer gemaakt.
Partridge legt uit dat de resonatoren van SiTime, die zijn gemaakt van monokristallijn silicium, afhankelijk zijn van een kleine spanning om het hart van een apparaat te laten tikken. De resonator is ingekapseld en afgesloten van de omgeving. Wanneer een spanning op de oscillator wordt aangelegd, trilt de resonator met een specifieke frequentie. Als de massa van de resonator tijdens zijn levensduur verandert, verliest hij tijd. Partridge zegt dat zelfs een verschil in een enkele laag atomen de frequentie kan veranderen. Daarom gebruiken de SiTime-ingenieurs een ultraschone techniek waarbij de resonator wordt gefabriceerd en verzegeld in een kleine vacuümkamer die volledig verstoken is van extra atomen.
Naast het voordeel van de grootte, zijn de siliciumoscillatoren van SiTime een aantrekkelijk alternatief vanwege hun vermogen om op verschillende frequenties af te stemmen. In tegenstelling tot een kwartskristal, dat is gefabriceerd om gedurende zijn hele levensduur op een bepaalde frequentie te resoneren, kan een siliciumoscillator op veel verschillende frequenties trillen, afhankelijk van de software die het circuit bestuurt. Dit maakt het fabricageproces volgens Partridge minder kostbaar, want wanneer een kwartskristal wordt vervaardigd, is het ontworpen om gedurende zijn hele levensduur op één enkele frequentie te resoneren. Om bijvoorbeeld de functie van de kwartsklok te veranderen van een klok die een mobiele telefoon bedient naar een die een high-definition televisie bedient, moet een geheel andere batch worden gefabriceerd.
Maar de siliciumresonatoren van SiTime hoeven tijdens de fabricage niet in frequentie te worden aangepast, waardoor ze gemakkelijker te vervaardigen zijn. En als ze klaar zijn voor gebruik, stemt een technicus eenvoudig met software af op de gewenste frequentie.
SiTime is een van de weinige nieuwe bedrijven die MEMS-resonatortechnologie ontwikkelen, zegt Roger Howe, hoogleraar elektrotechniek aan Stanford en hoofdwetenschapper bij Siliconen klokken , een spin-off van de University of California, Berkeley. Het gebied is rijp voor commercialisering, zegt hij, dankzij een combinatie van rijpende technologieën in de MEMS-industrie en ultraschone inkapselingstechnieken. Als gevolg hiervan zijn een aantal startups ontstaan die gespecialiseerd zijn in MEMS-resonatoren, waaronder Silicon Clocks en Mobius Microsystems , een spin-off van de Universiteit van Michigan.
SiTime werkt samen met grote fabrikanten van kwartsklokken, die hun siliciumoscillatoren zullen verkopen. Maar er is meer werk aan de winkel. Partridge zegt dat de producten die aan het einde van het jaar worden verzonden, zullen voldoen aan een paar toepassingen voor kwartsoscillatoren, zoals eenvoudige microprocessorklokken. Maar ze zijn niet goed genoeg om bijvoorbeeld quartz-timingsmechanismen in GPS-apparaten te vervangen. Toekomstige siliciumklokken, zegt hij, zullen een hogere precisie hebben, omdat zijn team leert de fabricagetechnieken te verfijnen.