En rekordindstillingsresonator

I årtier har kvartskrystaloscillatorer fungeret som ure i alle mulige elektroniske gadgets. Anbringelse af en spænding på tværs af krystallen får den til at resonere ved en forudsigelig frekvens, hvilket tillader alle dele af et kredsløb at fungere synkront. Men disse kvartsure er relativt omfangsrige, deres størrelse er en væsentlig barriere for krympende kredsløb. For nylig har forskere udviklet siliciumversioner, der tilbyder mindre, lavere effekt, justerbare alternativer til kvarts.

Lille timer: Et billede, fremstillet af et scanningselektronmikroskop, viser detaljerne i siliciumresonatoren. Indsatsen viser det tynde mellemrum mellem polysilicium- og enkeltkrystalregionerne på enheden.

Nu har forskere ved Cornell University skabt en siliciummikroresonator, der vibrerer ved 4,51 gigahertz, den højeste frekvens, der nogensinde er registreret i sådan en siliciumenhed. Andre forskere har påvist siliciummikroresonatorer, der vibrerer op til 1,5 gigahertz, siger Cornell-forskerne.

Cornell mikroresonatoren, som blev fremstillet af Sunil Bhave , en assisterende professor i elektro- og computerteknik ved Cornell, og kandidatstuderende Dana Weinstein, når den høje frekvens uden at gå på kompromis med signalstyrken og renheden – hvor skarpt indstillet signalet er til en bestemt frekvens. Normalt, når frekvensen stiger, falder Q-faktoren, som er et mål for en oscillators stabilitet. Grundlæggende er Q-faktoren et mål for kvalitet: den angiver, hvor længe en oscillator kan opretholde en vibration ved en bestemt frekvens. En høj Q-faktor betyder, at svingningerne dør langsommere ud. Jo højere tal, jo bedre. Q-faktoren for Cornell-enheden på 4,51 gigahertz er tæt på 10.000, hvilket kan sammenlignes godt med kvartsresonatorer. Hovedideen med designet af resonatoren er, at den faktisk forventes at fungere endnu bedre ved højere frekvens, siger Weinstein. Vi forsøger at skubbe grænsen og komme til højere frekvens for en række applikationer.

Præcis hvad disse applikationer ville være er endnu uvist, men højfrekvente resonatorer kan finde anvendelse som tidtagere til telekommunikation og mikrobehandling. En af fordelene ved silicium mikroresonatorer er, at de kan integreres direkte i mikrochips ved hjælp af konventionelle fremstillingsteknikker, hvilket gør dem billigere at producere og nemmere at fremstille små. Også flere resonatorer med forskellige frekvenser kunne sættes på den samme chip, siger Ville Kaajakari, en assisterende professor i elektroteknik ved Louisiana Tech University. I en mobiltelefon, for eksempel, kunne højfrekvente resonatorer bortfiltrere interferens fra andre kilder til radiosignaler. Cornell-enheden er 8,5 mikrometer lang og 40 mikrometer bred, sammenlignet med en bredde på omkring en millimeter for en kvartsresonator.

Det nye design af mikroresonatoren gør det muligt for den at nå sin høje frekvens, siger Weinstein. Andre siliciumresonatorer har et dielektrisk materiale eller isolator på enderne for at forbedre deres evne til at overføre energi til resonatoren. Ved matematisk analyse fandt Weinstein ud af, at placering af det dielektriske materiale - i dette tilfælde en tynd film af siliciumnitrid - i mikroresonatorens krop gør denne transmission mere effektiv. Hun arbejder nu på at øge frekvensen endnu mere. Nu er det en fabrikationsudfordring, siger hun.

skjule