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Un risonatore da record
Per decenni, gli oscillatori a cristalli di quarzo sono serviti come orologi in tutti i tipi di gadget elettronici. L'inserimento di una tensione attraverso il cristallo lo fa risuonare a una frequenza prevedibile, consentendo a tutte le parti di un circuito di funzionare in sincronia. Ma questi orologi al quarzo sono relativamente ingombranti, le loro dimensioni una barriera significativa ai circuiti che si restringono. Recentemente, i ricercatori hanno sviluppato versioni in silicio che offrono alternative più piccole, a bassa potenza e sintonizzabili al quarzo.
Piccolo timer: Un'immagine, prodotta da un microscopio elettronico a scansione, mostra i dettagli del risonatore al silicio. L'inserto mostra il sottile spazio tra il polisilicio e le regioni a cristallo singolo del dispositivo.
Ora, i ricercatori della Cornell University hanno creato un microrisonatore al silicio che vibra a 4,51 gigahertz, la frequenza più alta mai registrata in un simile dispositivo al silicio. Altri ricercatori hanno dimostrato microrisonatori al silicio che vibrano fino a 1,5 gigahertz, affermano i ricercatori della Cornell.
Il microrisonatore Cornell, che è stato fabbricato da Sunil Bhave , un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso la Cornell, e la studentessa laureata Dana Weinstein, raggiungono l'alta frequenza senza compromettere la forza e la purezza del segnale: quanto sia sintonizzato il segnale su una particolare frequenza. Di solito, all'aumentare della frequenza, il fattore Q, che è una misura della stabilità di un oscillatore, diminuisce. In sostanza, il fattore Q è una misura della qualità: indica per quanto tempo un oscillatore può mantenere una vibrazione ad una certa frequenza. Un fattore Q elevato significa che le oscillazioni si estinguono più lentamente. Più alto è il numero, meglio è. Il fattore Q per il dispositivo Cornell a 4,51 gigahertz è vicino a 10.000, che si confronta bene con i risonatori al quarzo. L'idea principale del design del risonatore è che in realtà è progettato per funzionare ancora meglio a frequenze più elevate, afferma Weinstein. Stiamo cercando di spingere il limite e raggiungere una frequenza più alta per una varietà di applicazioni.
Non si sa ancora esattamente quali sarebbero queste applicazioni, ma i risonatori ad alta frequenza potrebbero trovare usi come cronometri per le telecomunicazioni e i microprocessi. Uno dei vantaggi dei microrisonatori al silicio è che possono essere integrati direttamente nei microchip utilizzando tecniche di produzione convenzionali, rendendoli più economici da produrre e più facili da fabbricare di piccole dimensioni. Inoltre, sullo stesso chip potrebbero essere inseriti più risonatori di frequenze diverse, afferma Ville Kaajakari, assistente professore di ingegneria elettrica presso la Louisiana Tech University. In un telefono cellulare, ad esempio, i risonatori ad alta frequenza potrebbero filtrare le interferenze provenienti da altre fonti di segnali radio. Il dispositivo Cornell è lungo 8,5 micrometri e largo 40 micrometri, rispetto a una larghezza di circa un millimetro per un risonatore al quarzo.
Il nuovo design del microrisonatore gli consente di raggiungere la sua alta frequenza, afferma Weinstein. Altri risonatori al silicio hanno un materiale dielettrico, o isolante, alle estremità per migliorare la loro capacità di trasmettere energia al risonatore. Mediante analisi matematica, Weinstein ha scoperto che il posizionamento del materiale dielettrico, in questo caso un sottile film di nitruro di silicio, nel corpo del microrisonatore rende questa trasmissione più efficiente. Ora sta lavorando per aumentare ancora di più la frequenza. Ora, è una sfida di fabbricazione, dice.