美國密歇根州幾所大學(xué)組成的研究團隊宣稱,他們已經(jīng)成功地將構(gòu)建單芯片無線收發(fā)器所需的最后兩個元件集成到芯片上。

自從1961年德州儀器和飛兆半導(dǎo)體公司通過交叉授權(quán)專利技術(shù)推出第一款商用微芯片以來,有兩個元件一直無法縮小尺寸,即天線和時基(time base)。直到現(xiàn)在,創(chuàng)建1平方厘米無線收發(fā)器的唯一阻力仍然是如何將將這些元件集成到芯片上。

“我們的研究小組接受了將最后兩個片外元件集成到無線收發(fā)器上的挑戰(zhàn)。”密歇根大學(xué)無線集成微系統(tǒng)工程研究中心(WIMS ERC)無線接口部主管Michael Flynn表示,“我們已經(jīng)演示了采用1mm²插槽天線的Zigbee()無線鏈接,而且還開發(fā)了可以取代片外石英晶體的葡萄酒杯狀的諧振器。”

“現(xiàn)在所有的無線元件都能集成到單個芯片內(nèi),這使得我們有可能實現(xiàn)助聽器大小的手機和智能微塵(Smart Dust)等一切東西,”Flynn表示。

此外,“我們已經(jīng)同英特爾公司商討了無線便攜電腦天線設(shè)計的商業(yè)化問題,而且其他公司對葡萄酒杯諧振器也表示感興趣,”Flynn說。

這種所謂的葡萄酒杯諧振器能夠取代石英晶體時鐘芯片,將電子表和幾乎每種數(shù)字芯片(包括收發(fā)器)都同步鎖定到一個相當穩(wěn)定的時基。其原理類似在雞尾酒會上,人們用手指輕彈葡萄酒杯邊緣,根據(jù)振動聲音來判斷其質(zhì)地好壞。(時鐘芯片的電子諧振石英晶體由玻璃制成,材料為純晶氧化硅,不含制造酒杯所需添加的鉛或使沙子變黃的鐵元素。)

一個微小的MEMS(微機電系統(tǒng))振蕩器振動一個半徑為32微米的圓盤,產(chǎn)成一次60MHz的可測諧振,符合Zigbee .4 無線頻段的規(guī)范。這樣就可以創(chuàng)造一個相位噪聲足夠低的片上參考振蕩器,以取代無線收發(fā)器中普通的石英晶體參考芯片。

“在0～70℃時,它的頻率穩(wěn)定性是34ppm,可與石英晶體芯片的頻率穩(wěn)定性媲美,”Flynn指出。

葡萄酒杯MEMS諧振器與一個傳輸阻抗持續(xù)(transresistance-sustaining)放大器被一同構(gòu)建在一塊100平方微米的硅片上,均采用微米的CMOS工藝實現(xiàn)。在偏移載波信號為1 kHz的情況下,測得相位噪聲密度是-100dBc/Hz,而在遠遠超過Zigbee要求的偏移情況下相位噪聲密度是-130 dBc/Hz 。

“我們已經(jīng)演示了一個Zigbee無線鏈接,其中RF MEMS頻率參考元件取代了傳統(tǒng)的石英晶體。現(xiàn)在,我們想將RF MEMS和插槽天線集成到一個無線收發(fā)器芯片上,”Flynn說。

這種插槽天線根據(jù)集成要求縮減尺寸,形成一個螺旋型插槽,延伸到芯片頂部1平方厘米的金屬層中。通過修正天線的形狀,研究人員能夠使天線的阻抗和收發(fā)器的剩余阻抗相匹配,而無需一個有損耗的無源匹配網(wǎng)絡(luò)。

研究人員希望這項由美國國防高級研究計劃署和國家科學(xué)基金會資助的技術(shù)能夠被應(yīng)用到遠程無線環(huán)境傳感器、手機、便攜電腦及雙向無線監(jiān)視器中。Flynn宣稱:“我們認為我們能夠制造幾乎不可見的傳感器節(jié)點。利用這項技術(shù),人們只要將它們分撒在周圍就可以了。”

作者:羅克鈴