Nyt design lader mikrourresonatorer ringe som en klokke

Du kan ikke høre de fleste af dem, men verden kører på forskellige slags mekaniske svingninger. For eksempel, inde i det gennemsnitlige elektroniske armbåndsur er en forseglet beholder indeholdende en 3 mm lang kvartskrystalresonator. Som svar på elektrisk feedback, krystallen vibrerer kontinuerligt omkring 33, 000 gange i sekundet. Den bemærkelsesværdige stabilitet ved denne resonansfrekvens, som giver urets "kryds" -hastighed, holder dig til tiden.

"Men i dagens travlhed med at gøre mindre, lettere anordninger, plads på printkortet er meget værdifuldt, og kvartskrystaller er store, dyrt, og skrøbelig, " siger Jason Gorman fra NIST's Physical Measurement Laboratory. "Så, i løbet af de sidste 10 år har der været et skub til at lave mikroskalaure, med fokus på siliciumresonatorer. Målet er at udvikle mikroskalaure, der overgår kvartsure i ydeevne, samtidig med at de er 1/100 af størrelsen og bruger en brøkdel af strømmen. "

I jagten på det mål, Gorman og kollega Vikrant Gokhale-ved hjælp af specialfremstillede strukturer, der ikke er større end en femtedel af et menneskehårs bredde-har udtænkt og afprøvet en ny metode, der væsentligt forbedrer siliciumresonatorydelsen, og kan også gavne mange forskellige typer sensorer. Forskerne offentliggjorde deres resultater for nylig i Anvendt fysik bogstaver .

Ure kræver en eller anden mekanisme, der svinger (flåter) med næsten nøjagtig samme hastighed og styrke over tid, om det er et svingende pendul eller atomer, der absorberer og frigiver fotoner. En resonators evne til at gøre det præcist er direkte relateret til dens kvalitetsfaktor (Q). En høj-Q-resonator er en, der forbliver tæt på en enkelt frekvens og afgiver meget lidt energi til omgivelserne; dets signal forbliver stærkt og stabilt over tid.

I mikroskalaenheder - fremstillet ved dimensioner målt i mikrometer - er en nøglefaktor for den opnåelige Q mængden af ​​vibrationsenergi, der absorberes af de små støtter eller "tether", der suspenderer resonatoren fra det understøttende substrat. Tethers er designet til at reflektere så meget af vibrationsenergien som muligt tilbage til resonatoren, minimering af spredning. Standardkonfigurationen for en tøjring er kun en lige stråle af massivt silicium.

For nylig, andre forskere har brugt tøjler med mere kompleks struktur baseret på gentagen geometri. Afhængigt af optimeringen af ​​denne geometri, disse tøjre kan kun tillade bestemte frekvenser af kvantiserede vibrationer kaldet fononer at passere, mens de reflekterer andre tilbage. (Dette kaldes en akustisk bandgap.) Således en ideel "fonisk krystal" (PnC) tøjring ville afspejle resonatorens resonansfrekvens, mens du sender andre. "Da mere vibrationsenergi er begrænset i resonatoren på grund af refleksioner fra den fononiske krystal, kvalitetsfaktoren forventes at blive forbedret i forhold til lige stråler, "siger Gokhale.

Tidlige forsøg med PnC'er i forskellige tøjerkonfigurationer af andre viste, at kvalitetsfaktoren kunne forbedres med så meget som en faktor tre. Imidlertid, andre energispredningsmekanismer, såsom spænding ved grænsefladerne mellem flere materialer og termoelastisk dissipation i metalelektroder, dominerede kvalitetsfaktoren i de piezoelektriske resonatorer, der blev brugt i disse tests.

”Vi besluttede at tage det videre, " siger Gorman. "Vi vidste, at ved at udvikle en resonator lavet af et enkelt materiale, silicium i dette tilfælde, vi kunne slippe af med de fleste andre spredningsmekanismer, der begrænser kvalitetsfaktoren." Dette reducerede spredningen til blot nogle få effekter, der er uundgåelige og små sammenlignet med den energispredning, der typisk er et resultat af tøjringer.

Brug af nanofabrikationskapaciteterne i NIST's Center for Nanoscale Science and Technology, de lavede tether -arrays i rækker indeholdende en, tre, eller fem PnC "celler, "og fastslog, at større antal øgede reflektansen, og dermed forbedret Q. Resultaterne overgik ikke kun langt udførelsen af ​​konventionelle bindestænger, men nærmede sig den grundlæggende grænse for iboende spredning for materialet, opnå højere Q end nogensinde før registreret for silicium ved en resonansfrekvens over 100 MHz.

Ud over mikromekaniske ure, dette arbejde kan have konsekvenser for en række sensortilgange baseret på resonatorer. "Resonanssensorer bruges almindeligvis til følsomme målinger af acceleration, rotation, kraft, og masseændringer, og følsomheden er proportional med den opnåelige Q, «siger Gorman.

Som et eksempel, resonante kemiske sensorer er afhængige af, at en resonators centerfrekvens afhænger af dens masse. Hvis et molekyle af en eller anden art - såsom et forurenende stof - rammer resonatoren og sætter sig fast der, det ændrer resonansfrekvensen. Ændringsmængden afhænger af molekylets masse, giver brugerne mulighed for at bestemme den kemiske art. "Høj Q betyder noget i sensorer, fordi det forbedrer følsomheden over for ændringer i resonansfrekvensen, når en stimulus påføres resonatoren, " siger Gokhale. Nye sensorteknologier baseret på resonatoren med fononiske krystalbindinger bliver nu forfulgt.