Nanoresonatorer kan forbedre mobiltelefonens ydeevne

(Phys.org) – Forskere har lært, hvordan man masseproducerer bittesmå mekaniske enheder, der kan hjælpe mobiltelefonbrugere med at undgå generne af mistede opkald og langsomme downloads. Enhederne er designet til at lette overbelastning over æteren for at forbedre ydeevnen af ​​mobiltelefoner og andre bærbare enheder.

"Der er ikke nok radiospektrum til at tage højde for alles håndholdte bærbare enhed, " sagde Jeffrey Rhoads, en lektor i maskinteknik ved Purdue University.

Overbelægningen resulterer i afbrudte opkald, optaget signaler, forringet opkaldskvalitet og langsommere downloads. For at imødegå problemet, industrien forsøger at bygge systemer, der opererer med mere skarpt definerede kanaler, så flere af dem kan passe inden for den tilgængelige båndbredde.

"For at gøre det har du brug for mere præcise filtre til mobiltelefoner og andre radioenheder, systemer, der afviser støj og tillader kun signaler i nærheden af ​​en given frekvens at passere, " sagde Saeed Mohammadi, en lektor i elektro- og computerteknik, der arbejder med Rhoads, ph.d.-studerende Hossein Pajouhi og andre forskere.

Purdue-teamet har skabt enheder kaldet nanoelektromekaniske resonatorer, som indeholder en lille stråle af silicium, der vibrerer, når der påføres spænding. Forskere har vist, at de nye enheder er produceret med et næsten 100 procents udbytte, hvilket betyder, at næsten alle de enheder, der blev oprettet på siliciumwafers, viste sig at fungere korrekt.

"Vi opfinder ikke en ny teknologi, vi laver dem ved hjælp af en proces, der er egnet til fabrikation i stor skala, som overvinder en af ​​de største hindringer for den udbredte kommercielle brug af disse enheder, " sagde Rhoads.

Resultaterne er beskrevet i en forskningsartikel, der vises online i tidsskriftet IEEE-transaktioner på nanoteknologi . Papiret er skrevet af ph.d.-studerende Lin Yu og Pajouhi, Rhoads, Mohammadi og kandidatstuderende Molly Nelis.

Ud over deres brug som fremtidige mobiltelefonfiltre, sådanne nanoresonatorer kunne også bruges til avancerede kemiske og biologiske sensorer i medicinske og hjemlandsforsvarsapplikationer og muligvis som komponenter i computere og elektronik.

Enhederne er lavet ved hjælp af silicium-på-isolator, eller SOI, fremstilling - den samme metode, som industrien bruger til at fremstille andre elektroniske enheder. Fordi SOI er kompatibel med komplementær metal-oxid-halvlederteknologi, eller CMOS, en anden grundpille i elektronikfremstilling, der bruges til at fremstille computerchips, resonatorerne kan let integreres i elektroniske kredsløb og systemer.

Resonatorerne er i en klasse af enheder kaldet nanoelektromekaniske systemer, eller NEMS.

Den nye enhed siges at være "meget tunerbar, "hvilket betyder, at det kan gøre det muligt for forskere at overvinde produktionsinkonsekvenser, der er almindelige i nanoskala-enheder.

"På grund af produktionsforskelle, ingen to enheder i nanoskala udfører den samme afrulning fra samlebåndet, " sagde Rhoads. "Du skal være i stand til at tune dem efter behandling, som vi kan gøre med disse enheder."

Hjertet af enheden er en siliciumstråle fastgjort i to ender. Strålen er omkring to mikron lang og 130 nanometer bred, eller omkring 1, 000 gange tyndere end et menneskehår. Strålen vibrerer i midten som et hoppereb. Påføring af vekselstrøm til strålen får den til at vibrere selektivt fra side til side eller op og ned og gør det også muligt at finjustere strålen, eller tunet.

Nanoresonatorerne blev vist at kontrollere deres vibrationsfrekvenser bedre end andre resonatorer. Enhederne erstatter muligvis elektroniske dele for at opnå højere ydeevne og lavere strømforbrug.

"Et levende eksempel er et tunbart filter, " sagde Mohammadi. "Det er meget svært at lave et godt tunbart filter med transistorer, induktorer, og andre elektroniske komponenter, men en simpel nanomekanisk resonator kan klare opgaven med meget bedre ydeevne og med en brøkdel af effekten."

Ikke alene er de mere effektive end deres elektroniske modstykker, han sagde, men de er også mere kompakte.

"Fordi enhederne er små, og fabrikationen har næsten 100 procent udbytte, vi kan pakke millioner af disse enheder i en lille chip, hvis vi har brug for det, " sagde Mohammadi. "Det er for tidligt at vide præcis, hvordan disse vil finde anvendelse i computere, men da vi kan lave disse små mekaniske enheder lige så let som transistorer, vi bør være i stand til at blande og matche dem med hinanden og også med transistorer for at opnå specifikke funktioner. Not only can you put them side-by-side with standard computer and electronic chips, but they tend to work with near 100 percent reliability."

The new resonators could provide higher performance than previous MEMS, or microelectromechanical systems.

In sensing application, the design enables researchers to precisely measure the frequency of the vibrating beam, which changes when a particle lands on it. Analyzing this frequency change, allows researchers to measure minute masses. Similar sensors are now used to research fundamental scientific questions. Imidlertid, recent advances may allow for reliable sensing with portable devices, opening up a range of potential applications, Rhoads said.

Such sensors have promise in detecting and measuring constituents such as certain proteins or DNA for biological testing in liquids, gases and the air, and the NEMS might find applications in breath analyzers, industrial and food processing, national security and defense, and food and water quality monitoring.

"The smaller your system the smaller the mass you can measure, " Rhoads said. "Most of the field-deployable sensors we've seen in the past have been based on microscale technologies, so this would be hundreds or thousands of times smaller, meaning we should eventually be able to measure things that much smaller."