美国密歇根州几所大学组成的研究团队宣称,他们已经成功地将构建单芯片无线收发器所需的最后两个元件集成到芯片上。

自从1961年德州仪器和飞兆半导体公司通过交叉授权专利技术推出第一款商用微芯片以来,有两个元件一直无法缩小尺寸,即天线和时基(time base)。直到现在,创建1平方厘米无线收发器的唯一阻力仍然是如何将将这些元件集成到芯片上。

“我们的研究小组接受了将最后两个片外元件集成到无线收发器上的挑战。”密歇根大学无线集成微系统工程研究中心(WIMS ERC)无线接口部主管Michael Flynn表示,“我们已经演示了采用1mm²插槽天线的Zigbee()无线链接,而且还开发了可以取代片外石英晶体的葡萄酒杯状的谐振器。”

“现在所有的无线元件都能集成到单个芯片内,这使得我们有可能实现助听器大小的手机和智能微尘(Smart Dust)等一切东西,”Flynn表示。

此外,“我们已经同英特尔公司商讨了无线便携电脑天线设计的商业化问题,而且其他公司对葡萄酒杯谐振器也表示感兴趣,”Flynn说。

这种所谓的葡萄酒杯谐振器能够取代石英晶体时钟芯片,将电子表和几乎每种数字芯片(包括收发器)都同步锁定到一个相当稳定的时基。其原理类似在鸡尾酒会上,人们用手指轻弹葡萄酒杯边缘,根据振动声音来判断其质地好坏。(时钟芯片的电子谐振石英晶体由玻璃制成,材料为纯晶氧化硅,不含制造酒杯所需添加的铅或使沙子变黄的铁元素。)

一个微小的MEMS(微机电系统)振荡器振动一个半径为32微米的圆盘,产成一次60MHz的可测谐振,符合Zigbee .4 无线频段的规范。这样就可以创造一个相位噪声足够低的片上参考振荡器,以取代无线收发器中普通的石英晶体参考芯片。

“在0～70℃时,它的频率稳定性是34ppm,可与石英晶体芯片的频率稳定性媲美,”Flynn指出。

葡萄酒杯MEMS谐振器与一个传输阻抗持续(transresistance-sustaining)放大器被一同构建在一块100平方微米的硅片上,均采用微米的CMOS工艺实现。在偏移载波信号为1 kHz的情况下,测得相位噪声密度是-100dBc/Hz,而在远远超过Zigbee要求的偏移情况下相位噪声密度是-130 dBc/Hz 。

“我们已经演示了一个Zigbee无线链接,其中RF MEMS频率参考元件取代了传统的石英晶体。现在,我们想将RF MEMS和插槽天线集成到一个无线收发器芯片上,”Flynn说。

这种插槽天线根据集成要求缩减尺寸,形成一个螺旋型插槽,延伸到芯片顶部1平方厘米的金属层中。通过修正天线的形状,研究人员能够使天线的阻抗和收发器的剩余阻抗相匹配,而无需一个有损耗的无源匹配网络。

研究人员希望这项由美国国防高级研究计划署和国家科学基金会资助的技术能够被应用到远程无线环境传感器、手机、便携电脑及双向无线监视器中。Flynn宣称:“我们认为我们能够制造几乎不可见的传感器节点。利用这项技术,人们只要将它们分撒在周围就可以了。”

作者:罗克铃