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Un pequeño reloj de silicona
Si bien los chips de computadora siguen encogiéndose, el tamaño de los dispositivos aún está limitado, en parte, por piezas de cuarzo relativamente grandes que actúan como marcapasos para los circuitos electrónicos. Pero en los próximos meses, puede haber una alternativa más pequeña y menos costosa al cuarzo. En diciembre, una empresa con sede en Sunnyvale, CA, SiTime , se espera que comience a enviar un cronometrador basado en silicio que desafíe la tecnología de cuarzo de 60 años.
Los osciladores de cuarzo se utilizan como cronometradores en prácticamente toda la electrónica actual, dice Aaron Partridge, director de tecnología de SiTime, quien los llama el latido del sistema. Cada año, dice, se fabrican alrededor de ocho mil millones de cristales de cuarzo, los componentes de un oscilador que vibran a una cierta frecuencia.
Sin embargo, la tecnología del cuarzo se basa en una industria de décadas que ha cambiado poco desde que se inventaron los circuitos integrados. Y aunque la fabricación de silicio ha permitido que los circuitos integrados se encojan y ganen complejidad, las técnicas de fabricación utilizadas para fabricar resonadores de cuarzo no se han mantenido a la par en tamaño.
Al usar silicio en lugar de cuarzo, SiTime puede hacer un resonador con un ancho de solo un par de cientos de micrómetros, dice Partridge, mientras que un resonador de cuarzo equivalente tiene un ancho de aproximadamente un milímetro. Además, dice Partridge, los resonadores de silicio son mucho menos costosos de fabricar.
La idea de abandonar los osciladores de cuarzo por los de silicio no es nueva; Los investigadores de la Universidad de Stanford, la Universidad de Michigan y la Universidad de California, Berkeley han estado trabajando en la tecnología durante décadas. Sin embargo, en su mayor parte, la calidad de estos sistemas de silicio no ha igualado a la del cuarzo. Sin embargo, en los últimos años, los avances en la fabricación de sistemas microelectrónicos-mecánicos (MEMS) han hecho que los osciladores de silicio de alta calidad sean más prácticos.
Partridge explica que los resonadores de SiTime, que están hechos de silicio monocristalino, dependen de un voltaje diminuto para mantener el corazón de un dispositivo en marcha. El resonador está encapsulado y aislado del medio ambiente. Cuando se aplica un voltaje al oscilador, el resonador vibra a una frecuencia específica. Si la masa del resonador cambia durante su vida, pierde tiempo. Partridge dice que incluso una diferencia en una sola capa de átomos puede alterar la frecuencia. Entonces, los ingenieros de SiTime usan una técnica ultra limpia en la que el resonador se fabrica y se sella en una pequeña cámara de vacío que está completamente desprovista de átomos adicionales.
Además de la ventaja del tamaño, los osciladores de silicio de SiTime son una alternativa atractiva debido a su capacidad para sintonizarse en diferentes frecuencias. A diferencia de un cristal de cuarzo, que se fabrica para resonar a una determinada frecuencia durante su vida útil, un oscilador de silicio es capaz de vibrar en muchas frecuencias diferentes, dependiendo del software que controle el circuito. Esto hace que el proceso de fabricación sea menos costoso, según Partridge, ya que cuando se fabrica un cristal de cuarzo, está diseñado para resonar en una sola frecuencia durante toda su vida útil. Cambiar la función del reloj de cuarzo de uno que opera un teléfono celular a uno que opera un televisor de alta definición, por ejemplo, requiere fabricar un lote completamente diferente.
Pero los resonadores de silicio de SiTime no requieren ajuste de frecuencia durante la fabricación, lo que los hace más fáciles de fabricar. Y cuando están listos para usarse, un ingeniero simplemente sintoniza la frecuencia deseada usando un software.
SiTime es una de las pocas compañías nuevas que desarrollan tecnología de resonador MEMS, dice Roger Howe, profesor de ingeniería eléctrica en Stanford y científico jefe en Relojes de silicona , una empresa derivada de la Universidad de California, Berkeley. El área está lista para la comercialización, dice, gracias a una combinación de tecnologías de maduración en la industria de MEMS y técnicas de encapsulación ultralimpias. Como resultado, han surgido una serie de nuevas empresas especializadas en resonadores MEMS, incluidos Silicon Clocks y Microsistemas Mobius , una empresa derivada de la Universidad de Michigan.
SiTime se ha asociado con los principales fabricantes de relojes de cuarzo, que venderán sus osciladores de silicio. Pero hay más trabajo por hacer. Partridge dice que los productos que se enviarán a fin de año satisfarán algunas aplicaciones para osciladores de cuarzo, como simples relojes con microprocesador. Pero no son lo suficientemente buenos para reemplazar, por ejemplo, los mecanismos de sincronización de cuarzo en los dispositivos GPS. Los futuros relojes de silicio, dice, tendrán una mayor precisión, a medida que su equipo aprenda a ajustar las técnicas de fabricación.