Istraživači na Univerzitetu Purdue nedavno su koristili ovaj pristup za razvoj akustičnog rezonatora zasnovanog na komercijalno dostupnim tranzistorima sa efektom polja (FET), koji je predstavljen u radu koji je objavio Nature Electronics. FET-ovi su klasa tranzistora koji kontrolišu tok električne struje u poluprovodniku koristeći električno polje, koji se obično koriste za pojačavanje signala i koji su gradivni blokovi za sva logička kola.
„Ovaj rad je kulminacija višegodišnjeg rada koji uključuje više diplomiranih studenata i saradnju sa kompanijama za proizvodnju poluprovodnika, uključujući IBM, Global Foundries i Intel“, rekla je za TechKsplore Dana Veinstein, jedan od istraživača koji su sproveli studiju.
„Počelo je sa prepoznavanjem potrebe za izvorima visoke K frekvencije ugrađenim u mikročipove (CMOS) uprkos ogromnoj barijeri za ulazak bilo kakvih novih materijala ili procesa u CMOS proizvodnju. Odlučili smo da vidimo kako se postojeća tehnologija može iskoristiti za stvaranje ove vibrirajuće šupljine“.
Akustični rezonatori su elektromehaničke komponente koje mogu pojačati ili apsorbovati zvuk u određenim frekventnim opsezima i mogu se povezati sa elektronskim kolima. Uspešan razvoj ovih komponenti korišćenjem konvencionalnih tehnologija zasnovanih na CMOS-u podrazumeva rešavanje i prevazilaženje brojnih inženjerskih izazova. Da bi razvili svoje uređaje, Vajnštajn i njene kolege su prvo morale da osmisle efikasnu strategiju za efikasno upravljanje i osećaj vibracija unutar mikročipa.
„Razvili smo elektromehaničke pretvarače koristeći MOS kondenzatore i tranzistore na prednjem kraju linije koji čine osnovne građevne blokove za logička kola“, rekao je Vajnštajn. „Potom smo morali da shvatimo koje vibracije mogu da se pokrenu i koje strukture bi ih najbolje ograničile u malom regionu, uključujući pretvarače. Ovo je netipično za mikroelektromehaničke (MEMS) uređaje, koji su obično slobodno suspendovani.“
Da bi demonstrirali kompatibilnost sa komercijalnim procesom, Vajnštajn i njen tim su morali da obezbede da se na njihovom čipu ne vrši naknadna obrada. Da bi to uradili, odlučili su da iskoriste mnoge slojeve kombinovane u CMOS stek za projektovanje sporotalasnih akustičkih režima.
Ovi jedinstveni akustični modovi ne bi bili u stanju da se propagiraju dole u podlogu, gde bi se izgubili, ili gore u metalne slojeve (tj. daleko od tada pretvarača koji ih pokreću i osećaju). Ovo je realizovano kroz pažljiv i kreativan dizajn fononskih metamaterijala koji su bili zasnovani na postojećim CMOS strukturama.
„Akustične vibracije mogu imati mnogo manje gubitke od električnih signala koji se obično koriste za pravljenje taktova i izvora frekvencije na čipu“, objasnio je Vajnštajn. „Rezonatori koje demonstriramo u ovom radu mogu poslužiti kao gradivni blokovi sa malim gubicima za satove i obradu analognog signala, a njihova visoka frekvencija pruža dodatne prednosti za nisku buku i brže računanje.
Akustični rezonatori koje su razvili Vajnštajn i njene kolege pokreću se kondenzatorima koji su inherentno deo CMOS steka. Ovi kondenzatori su u suštini tranzistori sa skraćenim kontaktima izvora i odvoda.
Kada se napon primeni na kondenzator, jednaka, ali suprotna naelektrisanja generisana na dve suprotne strane kondenzatora se električno privlače jedna prema drugoj. Ovo dovodi do stiskanja filma u sendviču između dve strane kondenzatora.
„Ako pomeramo taj napon, onda se i sila na pločama pomera, i možemo da pokrenemo akustične talase kroz taj vremenski promenljiv stres, nešto kao zvučnik“, rekao je Vajnštajn. „Ali ne želimo da ove vibracije samo iscure, pa ih zarobljavamo. Ovo se radi manipulisanjem svojstvima okolnog materijala tako da jednostavno ne dozvoli da se talas širi.“
Da bi usmerili akustične talase u određenom željenom regionu, Vajnštajn i njene kolege su koristile seriju periodičnih struktura sa uzorkom u CMOS slojevima. Zbog svoje periodične prirode, ove strukture propuštaju samo određene frekvencije vibracija, dok odražavaju druge (tj. uključujući i ciljnu frekvenciju).
„Mi u osnovi vodimo talas samo u regionu gde ga želimo koristeći ove periodične strukture“, objasnio je Vajnštajn. „Vibracije se gomilaju u ovoj zamci (ili rezonantnoj šupljini) kako se sve više i više energije vibracija upumpava pomoću kondenzatora. Konačno, osećamo ove nakupljene vibracije koristeći standardne tranzistore, koji su osetljivi na naprezanje. Ovi tranzistori pretvaraju mehaničku energiju. vibracije u električni signal, koji se zatim može usmeriti za upotrebu u obližnjim krugovima.“
Akustični rezonatori koje je kreirao ovaj tim istraživača su prve vibracione strukture razvijene do danas koje su ugrađene u CMOS tehnologiju i ne zahtevaju modifikacije na čipu. Dok drugi pristupi integraciji rezonatora sa CMOS-om uključuju nanošenje filmova na čip ili urezivanje delova čipa nakon proizvodnje, njihov je jedini mehanički rezonator koji koristi nemodifikovani standardni CMOS proces.
„Iskorištavanje prednosti tranzistora visokih performansi i veličina karakteristika na nm skali u standardnim IC-ima daje nam bolje performanse na višim frekvencijama nego što je to moguće sa konvencionalnim MEMS procesima“, rekao je Vajnštajn. „Pored toga, direktna integracija sa krugovima u neposrednoj blizini znači jednostavnije električno rutiranje, što dovodi do boljih performansi na frekvencijama GHz.“
Dizajn akustičnog rezonatora koji su predstavili Veinstein i njene kolege mogao bi se implementirati korišćenjem bilo koje CMOS platforme zasnovane na bakru i može se optimizovati za još bolje performanse. U budućnosti bi to moglo da otvori dragocene mogućnosti za stvaranje manjih akustičnih rezonatora visokih performansi koje je lakše primeniti u velikim razmerama.
„Moguće implikacije našeg rada uključuju razvoj taktova na čipu za malu snagu, mali otisak, niske cene, robusne i bezbedne mikroelektronske čipove“, rekao je Vajnštajn. „Ideja je da se zamene izvori frekvencije van čipa poput kvarcnih kristala koji se danas koriste.“
Uređaji koje je kreirao ovaj tim istraživača takođe bi mogli da omoguće stvaranje fizičkih, hemijskih i bioloških senzora sa integrisanom radio komunikacionom komponentom. Konačno, oni bi takođe mogli da pomognu da se poboljša bezbednost hardverskih komponenti, na primer stvaranjem jedinstvenih akustičnih „otisaka prstiju“ za svaki čip i omogućavanjem uređajima da procene integritet upakovanih čipova koristeći ugrađene ultrazvučne tranzistore.
„Najviše smo zainteresovani za saradnju sa CMOS livnicama kako bismo iskoristili prednosti novih materijala u njihovim tehnologijama za poboljšanje performansi rezonatora“, dodao je Vajnštajn. „Predstojeće mogućnosti za korišćenje feroelektričnih materijala za poboljšanu elektromehaničku transdukciju su posebno uzbudljive i obećavajuće. Kada ih imamo na mestu, možemo da zatvorimo petlju na rezonatorima i demonstriramo visokofrekventne časovnike sa niskim šumom u CMOS-u.“
U svojim sledećim studijama, Vajnštajn i njene kolege bi takođe želele da istraže mogućnost proširenja sposobnosti akustične manipulacije koristeći metamaterijale korišćene u njihovom nedavnom radu. Na primer, želeli bi da istraže njihovu vrednost za poboljšanje alata za vođenje talasa, sočiva, konvoluciju i filtriranje.
