En rekordinställningsresonator

I decennier har kvartskristalloscillatorer fungerat som klockor i alla möjliga elektroniska prylar. Att placera en spänning över kristallen får den att resonera vid en förutsägbar frekvens, vilket gör att alla delar av en krets kan fungera synkront. Men dessa kvartsklockor är relativt skrymmande, deras storlek är en betydande barriär för att krympa kretsar. Nyligen har forskare utvecklat kiselversioner som erbjuder mindre, lägre effekt, inställbara alternativ till kvarts.

Liten timer: En bild, producerad av ett svepelektronmikroskop, visar detaljerna i kiselresonatorn. Insättningen visar det tunna gapet mellan polykisel- och enkristallområdena i enheten.

Nu har forskare vid Cornell University skapat en mikroresonator av kisel som vibrerar med 4,51 gigahertz, den högsta frekvensen som någonsin registrerats i en sådan kiselenhet. Andra forskare har visat mikroresonatorer av kisel som vibrerar upp till 1,5 gigahertz, säger Cornell-forskarna.

Cornell mikroresonator, som tillverkades av Sunil Bhave , en biträdande professor i elektro- och datorteknik vid Cornell, och doktorand Dana Weinstein, når den höga frekvensen utan att kompromissa med signalstyrka och renhet – hur skarpt inställd signalen är till en viss frekvens. Vanligtvis, när frekvensen ökar, sjunker Q-faktorn, som är ett mått på en oscillators stabilitet. Q-faktorn är i huvudsak ett mått på kvalitet: den indikerar hur länge en oscillator kan upprätthålla en vibration vid en viss frekvens. En hög Q-faktor gör att svängningarna dör ut långsammare. Ju högre siffra, desto bättre. Q-faktorn för Cornell-enheten på 4,51 gigahertz är nära 10 000, vilket kan jämföras bra med kvartsresonatorer. Huvudidén med designen av resonatorn är att den faktiskt förväntas fungera ännu bättre vid högre frekvens, säger Weinstein. Vi försöker tänja på gränsen och komma till högre frekvens för en mängd olika applikationer.

Exakt vad dessa applikationer skulle vara är ännu inte känt, men högfrekventa resonatorer kan hitta användningsområden som tidmätare för telekommunikation och mikrobearbetning. En av fördelarna med mikroresonatorer av kisel är att de kan integreras direkt i mikrochips med hjälp av konventionella tillverkningstekniker, vilket gör dem billigare att tillverka och lättare att tillverka små. Dessutom kan flera resonatorer med olika frekvenser sättas på samma chip, säger Ville Kaajakari, biträdande professor i elektroteknik vid Louisiana Tech University. I en mobiltelefon, till exempel, kan högfrekventa resonatorer filtrera bort störningar från andra källor för radiosignaler. Cornell-enheten är 8,5 mikrometer lång och 40 mikrometer bred, jämfört med en bredd på cirka en millimeter för en kvartsresonator.

Den nya designen av mikroresonatorn gör att den når sin höga frekvens, säger Weinstein. Andra kiselresonatorer har ett dielektriskt material, eller isolator, på ändarna för att förbättra deras förmåga att överföra energi till resonatorn. Genom matematisk analys fann Weinstein att placering av det dielektriska materialet – i det här fallet en tunn film av kiselnitrid – i mikroresonatorns kropp gör denna överföring mer effektiv. Hon jobbar nu med att öka frekvensen ännu mer. Nu är det en tillverkningsutmaning, säger hon.

Dölj