Eine kleine Uhr aus Silizium

Während Computerchips immer kleiner werden, wird die Größe von Geräten immer noch teilweise durch relativ große Quarzstücke begrenzt, die als Schrittmacher für elektronische Schaltungen dienen. Aber innerhalb der nächsten Monate könnte es eine günstigere, kleinere Alternative zu Quarz geben. Im Dezember hat ein Unternehmen mit Sitz in Sunnyvale, Kalifornien, SiTime , wird voraussichtlich mit der Auslieferung eines Zeitmessers auf Siliziumbasis beginnen, der die 60 Jahre alte Quarztechnologie herausfordert.

Quarzoszillatoren werden als Zeitmesser in praktisch der gesamten heutigen Elektronik verwendet, sagt Aaron Partridge, Chief Technology Officer von SiTime, der sie als den Herzschlag des Systems bezeichnet. Jedes Jahr, sagt er, werden etwa acht Milliarden Quarzkristalle – die Komponenten eines Oszillators, die mit einer bestimmten Frequenz schwingen – hergestellt.

Die Quarztechnologie basiert jedoch auf einer jahrzehntealten Industrie, die sich seit der Erfindung integrierter Schaltkreise kaum verändert hat. Und während die Siliziumherstellung es integrierten Schaltkreisen ermöglicht hat, zu verkleinern und an Komplexität zu gewinnen, haben die Herstellungstechniken, die zur Herstellung von Quarzresonatoren verwendet werden, nicht mit der Größe Schritt gehalten.



Durch die Verwendung von Silizium anstelle von Quarz kann SiTime einen Resonator mit einer Breite von nur wenigen hundert Mikrometern herstellen, sagt Partridge, während ein äquivalenter Quarzresonator eine Breite von etwa einem Millimeter hat. Darüber hinaus sind Siliziumresonatoren laut Partridge viel kostengünstiger in der Herstellung.

Die Idee, Quarzoszillatoren zugunsten von Siliziumoszillatoren aufzugeben, ist nicht neu; Forscher der Stanford University, University of Michigan, und der University of California, Berkeley arbeiten seit Jahrzehnten an der Technologie. Die Qualität dieser Siliziumsysteme erreicht jedoch meist nicht die von Quarz. In den letzten Jahren haben jedoch Fortschritte bei der Herstellung von mikroelektronisch-mechanischen Systemen (MEMS) hochwertige Siliziumoszillatoren praktischer gemacht.

Partridge erklärt, dass die aus einkristallinem Silizium bestehenden Resonatoren von SiTime auf eine winzige Spannung angewiesen sind, um das Herz eines Geräts am Laufen zu halten. Der Resonator ist gekapselt und gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Wird an den Oszillator eine Spannung angelegt, schwingt der Resonator mit einer bestimmten Frequenz. Ändert sich die Masse des Resonators während seiner Lebensdauer, verliert er Zeit. Partridge sagt, dass sogar ein Unterschied in einer einzelnen Atomschicht die Frequenz verändern kann. Daher verwenden die SiTime-Ingenieure eine ultra-saubere Technik, bei der der Resonator hergestellt und in einer winzigen Vakuumkammer versiegelt wird, die völlig frei von zusätzlichen Atomen ist.

Neben dem Größenvorteil sind die Siliziumoszillatoren von SiTime eine attraktive Alternative, da sie auf verschiedene Frequenzen abgestimmt werden können. Im Gegensatz zu einem Quarzkristall, der während seiner gesamten Lebensdauer bei einer bestimmten Frequenz mitschwingt, kann ein Siliziumoszillator je nach Software, die die Schaltung steuert, bei vielen verschiedenen Frequenzen schwingen. Dies macht den Herstellungsprozess laut Partridge weniger kostspielig, da ein Quarzkristall, wenn er hergestellt wird, während seiner gesamten Lebensdauer auf einer einzigen Frequenz schwingt. Um beispielsweise die Quarzuhr von einem Handy auf ein hochauflösendes Fernsehen umzustellen, muss eine ganz andere Charge hergestellt werden.

Die Siliziumresonatoren von SiTime erfordern jedoch keine Frequenzanpassung während der Herstellung, was die Herstellung erleichtert. Und wenn sie einsatzbereit sind, stellt ein Ingenieur einfach per Software auf die gewünschte Frequenz ein.

SiTime ist eines von einer Handvoll neuer Unternehmen, die MEMS-Resonatortechnologie entwickeln, sagt Roger Howe, Professor für Elektrotechnik in Stanford und leitender Wissenschaftler am Silizium Uhren , ein Spin-off der University of California, Berkeley. Das Gebiet sei reif für die Kommerzialisierung, sagt er, dank einer Kombination aus ausgereiften Technologien in der MEMS-Industrie und ultrareinen Verkapselungstechniken. Als Ergebnis sind eine Reihe von Startups entstanden, die sich auf MEMS-Resonatoren spezialisiert haben, darunter Silicon Clocks und Möbius Mikrosysteme , ein Spin-off der University of Michigan.

SiTime hat sich mit großen Herstellern von Quarzuhren zusammengetan, die ihre Siliziumoszillatoren verkaufen werden. Aber es gibt noch mehr zu tun. Partridge sagt, dass die Produkte, die Ende des Jahres ausgeliefert werden sollen, einige Anwendungen für Quarzoszillatoren, wie zum Beispiel einfache Mikroprozessoruhren, befriedigen werden. Aber sie sind nicht gut genug, um beispielsweise Quarz-Timing-Mechanismen in GPS-Geräten zu ersetzen. Zukünftige Siliziumuhren, sagt er, werden eine höhere Präzision haben, da sein Team lernt, die Herstellungstechniken zu verfeinern.

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