Un piezoMems al posto del quarzo

TEMPORIZZAZIONE –

Idt ha messo a punto un nuovo dispositivo di temporizzazione che combina uno strato di materiale piezoelettrico con una struttura microelettromeccanica in silicio. I vantaggi: riduzione dei costi e degli ingombri, maggiore stabilità nel tempo, oscillazioni “native” fino a 1 gigahertz.

Da qualche tempo i Mems (Micro Electro-Mechanical Systems) hanno fatto il loro ingresso nel settore dei dispositivi per temporizzazione, dove vengono proposti come alternativa ai tradizionali quarzi. Diversi produttori di semiconduttori hanno già annunciato il loro ingresso in questo campo, con la messa a punto di soluzioni Mems basate su una varietà di principi di funzionamento diversi. Una delle ultime novità proviene dalla californiana Integrated Device Technology, che ha recentemente presentato un oscillatore basato su un risonatore Mems piezoelettrico. Il dispositivo, già disponibile per campionature, promette una serie di vantaggi; ne abbiamo parlato con Harmeet Bhugra, direttore della divisione Mems di Idt.

La tecnologia
Come ha spiegato Bhugra, il nuovo pMems combina i vantaggi dei risonatori in quarzo piezoelettrico con quelli dei risonatori Mems per creare una sorgente passiva ad alte prestazioni ed alta affidabilità. Più specificamente - come illustrato da Bhugra e altri autori in una relazione presentata a un convegno Ieee - il pMems utilizza un materiale piezoelettrico per il suo elevato accoppiamento tra interazione elettrica e meccanica, e un monocristallo di silicio per il suo alto fattore di qualità come massa vibrante (cioè per la sua alta selettività di frequenza). Con riferimento alla figura 1, eccitando elettricamente gli elettrodi superiore e inferiore il materiale piezoelettrico vibra meccanicamente alla frequenza desiderata, trasferendo l'energia dell'onda acustica allo strato di silicio monocristallino. Sfruttando la propria eccellente selettività di frequenza, lo strato di silicio monocristallino a sua volta fa rimbalzare la maggior parte dell'energia acustica verso lo strato piezoelettrico, dove essa si trasforma in un segnale elettrico rilevabile sull'elettrodo superiore. Grazie alle doti del silicio, il risonatore pMems offre un fattore di qualità Q superiore a 10.000. Scegliendo opportunamente il materiale piezoelettrico per la trasduzione tra i due domini energetici, è possibile fare a meno della polarizzazione (cioè di un'alimentazione esterna in tensione continua), che è invece necessaria per i risonatori Mems basati su trasduzione capacitiva. L'alto rapporto di trasmissione dell'energia, inoltre, consente di raggiungere valori di frequenza elevati. Il pMems è il risultato di ricerche condotte direttamente da Idt a partire dal 2007, che hanno portato a oltre quaranta brevetti già registrati o in attesa di registrazione.

I vantaggi
Secondo Idt, il nuovo pMems offre una serie di vantaggi concreti rispetto ai tradizionali quarzi. In primo luogo le dimensioni estremamente ridotte: il risonatore, confezionato con tecnologia Wlp (Wafer Level Package) ed ermeticamente sigillato, è praticamente invisibile a occhio nudo. Gli oscillatori Idt basati su pMems, che oltre al risonatore comprendono anche un circuito integrato, saranno comunque dotati di un contenitore standard. Oltre alla riduzione degli ingombri sulla scheda, le dimensioni ridotte si traducono anche in costi inferiori (minore area di silicio) e in una maggiore affidabilità (la massa vibrante è più piccola); il dispositivo ha infatti superato un test di shock a 70.000 G. Altri importanti vantaggi dell'oscillatore basato su pMems - sempre secondo Idt - sono la maggiore stabilità della frequenza nel tempo, il costo contenuto, la possibilità di raggiungere frequenze di oscillazione molto elevate, la maggiore varietà di funzioni realizzabili (Pll configurabili, moltiplicatori, divisori, uscite multiple ecc.), le minori necessità di alimentazione, l'assenza di “activity dip” (anomalie di funzionamento), i brevi tempi di fabbricazione, l'abbondante disponibilità del prodotto (la stessa dei normali semiconduttori), una gamma di temperatura più ampia. Per quanto riguarda le frequenze di oscillazione, il dispositivo copre la gamma compresa tra 1 kilohertz e 1 gigahertz; questo valore elevato viene ottenuto in modo “nativo”, cioè da un'oscillazione primaria non sottoposta a moltiplicazione.
 
Il mercato
Bhugra ha sottolineato che il nuovo pMems è una soluzione già dimostrabile commercialmente e disponibile per campionature; Idt, inoltre, offre già alcune schede di valutazione. Secondo Bhugra, uno dei vantaggi di Idt nello sviluppo di oscillatori Mems è la competenza complessiva a livello di intero dispositivo, comprendente aspetti quali il packaging e il collaudo; alcuni dei player attivi in questo settore, invece, acquistano i die da altre società e quindi difficilmente possono sviluppare competenze complessive. Il responsabile della divisione Mems ha inoltre specificato che con questo nuovo dispositivo Idt intende rivolgersi a una varietà di applicazioni: elettronica di consumo (dove è importante la disponibilità di uscite multiple), comunicazioni (grazie al ridotto jitter di fase), cloud computing (decisiva, in questo caso, la resistenza alle vibrazioni prodotte dalle ventole di raffreddamento). Obiettivo della società è rafforzare ulteriormente la propria presenza nel mercato dei dispositivi di temporizzazione, mercato che nel 2010 valeva 4,1 miliardi di dollari (fonte: Databeans, CS&A, Idt). In particolare, Idt conta di conquistare un ruolo di rilievo nel promettente settore della temporizzazione basata su Mems, che - secondo la società di ricerche di mercato iSuppli - crescerà con un tasso annuo composto del 72,3%, passando dai 13,5 milioni di dollari del 2010 a 205 milioni nel 2015. Idt offre una vasta gamma di dispositivi di temporizzazione, tra cui gli oscillatori Cmos “CrystalFree”.

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