211service.com
Een record-setting resonator
Decennia lang hebben kwartskristaloscillatoren gediend als klokken in allerlei elektronische gadgets. Door een spanning over het kristal te plaatsen, resoneert het met een voorspelbare frequentie, waardoor alle delen van een circuit synchroon kunnen werken. Maar deze kwartsklokken zijn relatief omvangrijk, en hun grootte vormt een belangrijke barrière voor krimpende circuits. Onlangs hebben onderzoekers siliciumversies ontwikkeld die kleinere, minder krachtige, afstembare alternatieven voor kwarts bieden.
Kleine timer: Een afbeelding, geproduceerd door een scanning elektronenmicroscoop, toont de details van de siliciumresonator. De inzet toont de dunne opening tussen de polysilicium- en monokristallijne gebieden van het apparaat.
Nu hebben onderzoekers van de Cornell University een siliciummicroresonator gemaakt die trilt met 4,51 gigahertz, de hoogste frequentie die ooit in zo'n siliciumapparaat is geregistreerd. Andere onderzoekers hebben siliciummicroresonatoren aangetoond die tot 1,5 gigahertz vibreren, zeggen de Cornell-onderzoekers.
De Cornell microresonator, die werd gefabriceerd door Sunil Bhave , een assistent-professor elektrische en computertechniek aan Cornell, en afgestudeerde student Dana Weinstein, bereikt de hoge frequentie zonder afbreuk te doen aan de signaalsterkte en zuiverheid - hoe scherp het signaal is afgestemd op een bepaalde frequentie. Gewoonlijk daalt de Q-factor, die een maat is voor de stabiliteit van een oscillator, naarmate de frequentie toeneemt. In wezen is de Q-factor een maatstaf voor kwaliteit: deze geeft aan hoe lang een oscillator een trilling op een bepaalde frequentie kan volhouden. Een hoge Q-factor betekent dat de trillingen langzamer uitsterven. Hoe hoger het getal, hoe beter. De Q-factor voor het Cornell-apparaat bij 4,51 gigahertz is bijna 10.000, wat goed te vergelijken is met kwartsresonatoren. Het belangrijkste idee van het ontwerp van de resonator is dat het naar verwachting zelfs nog beter zal werken bij hogere frequenties, zegt Weinstein. We proberen de limiet te verleggen en een hogere frequentie te bereiken voor een verscheidenheid aan toepassingen.
Wat die toepassingen precies zouden zijn, is nog niet bekend, maar de hoogfrequente resonatoren kunnen worden gebruikt als tijdwaarnemers voor telecommunicatie en microverwerking. Een van de voordelen van siliciummicroresonatoren is dat ze rechtstreeks in microchips kunnen worden geïntegreerd met behulp van conventionele fabricagetechnieken, waardoor ze goedkoper te produceren en gemakkelijker klein te fabriceren zijn. Ook kunnen meerdere resonatoren met verschillende frequenties op dezelfde chip worden geplaatst, zegt Ville Kaajakari, een assistent-professor elektrotechniek aan de Louisiana Tech University. In een mobiele telefoon kunnen hoogfrequente resonatoren bijvoorbeeld interferentie van andere bronnen van radiosignalen wegfilteren. Het Cornell-apparaat is 8,5 micrometer lang en 40 micrometer breed, vergeleken met een breedte van ongeveer een millimeter voor een kwartsresonator.
Het nieuwe ontwerp van de microresonator stelt hem in staat zijn hoge frequentie te bereiken, zegt Weinstein. Andere siliciumresonatoren hebben een diëlektrisch materiaal of isolator aan de uiteinden om hun vermogen om energie naar de resonator over te brengen te vergroten. Door wiskundige analyse ontdekte Weinstein dat het positioneren van het diëlektrische materiaal - in dit geval een dunne film van siliciumnitride - in het lichaam van de microresonator deze transmissie efficiënter maakt. Ze is nu bezig om de frequentie nog verder te verhogen. Nu is het een fabricage-uitdaging, zegt ze.