Ключевой целью исследований в области электронной инженерии, ориентированных на радиосвязь, является разработка все более компактных, легких и маломощных радиокомпонентов. Этого можно было бы достичь путем интеграции всех радиокомпонентов в единый чип, например, путем объединения акустических микроэлектромеханических систем (МЭМС) с дополнительными металлоксидными полупроводниками (КМОП).

Исследователи из Университета Пердью недавно использовали этот подход для разработки акустического резонатора на основе коммерчески доступных полевых транзисторов (FET), который был представлен в статье, опубликованной Nature Electronics. Полевые транзисторы - это класс транзисторов, которые управляют протеканием электрического тока в полупроводнике с помощью электрического поля, которые обычно используются для усиления сигналов и являются строительными блоками для всех логических схем.

"Эта статья является кульминацией многолетней работы с участием нескольких аспирантов и сотрудничества с полупроводниковыми компаниями, включая IBM, Global Foundries и Intel", - сказала TechXplore Дана Вайнштейн, одна из исследователей, проводивших исследование.

"Все началось с признания потребности в источниках высокой добротности, встроенных в микрочипы (КМОП), несмотря на огромный барьер для внедрения любых новых материалов или процессов в производство КМОП. Мы решили посмотреть, как можно использовать существующую технологию для изготовления этих вибрирующих полостей".

Акустические резонаторы - это электромеханические компоненты, которые могут усиливать или поглощать звук в определенных частотных диапазонах и могут быть подключены к электронным схемам. Успешная разработка этих компонентов с использованием традиционных технологий на основе CMOS влечет за собой решение многочисленных инженерных задач. Чтобы разработать свои устройства, Вайнштейн и ее коллеги сначала должны были разработать эффективную стратегию для эффективного управления и восприятия вибрации внутри микрочипа.

"Мы разработали электромеханические преобразователи, используя встроенные МОП-конденсаторы и транзисторы, которые составляют основные строительные блоки для логических схем", - сказал Вайнштейн. "Затем мы должны были выяснить, какие вибрации могут быть запущены и какие структуры лучше всего ограничат их в небольшой области, включая преобразователи. Это нетипично для микроэлектромеханических устройств (МЭМС), которые обычно свободно подвешены."

Чтобы продемонстрировать совместимость с коммерческим процессом, Вайнштейн и ее команда должны были убедиться, что на их чипе не выполняется постобработка. Чтобы сделать это, они решили использовать множество слоев, объединенных в КМОП-стеке, для создания медленноволновых акустических режимов.

Эти уникальные акустические моды не смогли бы распространяться вниз в подложку, где они были бы потеряны, или вверх в слои металла (т.е. вдали от датчиков, которые их приводят в действие и воспринимают). Это было реализовано благодаря тщательному и творческому дизайну фононных метаматериалов, которые были основаны на существующих КМОП-структурах.

"Акустические колебания могут быть с гораздо меньшими потерями, чем электрические сигналы, обычно используемые для создания часов и источников частоты на чипе", - объяснил Вайнштейн. "Резонаторы, которые мы демонстрируем в этой статье, могут служить строительными блоками с низкими потерями для часов и обработки аналоговых сигналов, а их высокая частота обеспечивает дополнительные преимущества для снижения уровня шума и ускорения вычислений".

Акустические резонаторы, разработанные Вайнштейн и ее коллегами, приводятся в действие конденсаторами, которые по своей сути являются частью стека CMOS. Эти конденсаторы, по сути, представляют собой транзисторы с укороченными контактами истока и стока.

Когда на конденсатор подается напряжение, равные, но противоположные заряды, генерируемые на двух противоположных сторонах конденсатора, электрически притягиваются друг к другу. Это приводит к сжатию пленки, зажатой между двумя сторонами конденсатора.

"Если мы изменим это напряжение, то сила на пластинах также изменится, и мы сможем запускать акустические волны через это изменяющееся во времени напряжение, вроде как динамик", - сказал Вайнштейн. "Но мы не хотим, чтобы эти вибрации просто улетучивались, поэтому мы их улавливаем. Это делается путем манипулирования свойствами окружающего материала таким образом, чтобы он просто не позволял волне распространяться".

Чтобы направлять акустические волны в определенную желаемую область, Вайнштейн и ее коллеги использовали серию периодических структур, сформированных в слоях CMOS. Из-за своей периодической природы эти структуры пропускают только определенные частоты колебаний, отражая другие (т.е. включая целевую частоту).

"Мы в основном направляем волну только в ту область, где мы этого хотим, используя эти периодические структуры", - объяснил Вайнштейн. "Вибрации накапливаются в этой ловушке (или резонансной полости) по мере того, как с помощью конденсаторов накачивается все больше и больше колебательной энергии. Наконец, мы чувствуем эти нарастающие вибрации с помощью стандартных транзисторов, которые чувствительны к напряжению. Эти транзисторы преобразуют механические колебания в электрический сигнал, который затем может быть направлен для использования в близлежащих цепях."

Акустические резонаторы, созданные этой командой исследователей, являются первыми разработанными на сегодняшний день колебательными структурами, которые встроены в технологию CMOS и не требуют никаких модификаций чипа. В то время как другие подходы к интеграции резонаторов с КМОП включают нанесение пленок на чип или вытравливание частей чипа после изготовления, их единственный механический резонатор, который использует неизмененный стандартный процесс КМОП.

"Использование преимуществ высокопроизводительных транзисторов и размеров элементов в масштабе нанометров в стандартных микросхемах дает нам лучшую производительность на более высоких частотах, чем это возможно при использовании обычных процессов MEMS", - сказал Вайнштейн. "Кроме того, прямая интеграция с цепями, расположенными в непосредственной близости, означает упрощение электрической маршрутизации, что приводит к повышению производительности на частотах ГГц".

Конструкция акустического резонатора, представленная Вайнштейном и ее коллегами, может быть реализована с использованием любой КМОП-платформы на основе меди и может быть оптимизирована для еще большей производительности. Таким образом, в будущем это может открыть ценные возможности для создания небольших, высокоэффективных акустических резонаторов, которые легче реализовать в крупном масштабе.

"Возможные последствия нашей работы включают разработку встроенных часов для маломощных, компактных, недорогих, надежных и безопасных микроэлектронных чипов", - сказал Вайнштейн. "Идея состоит в том, чтобы заменить автономные источники частоты, подобные используемым сегодня кварцевым кристаллам".

Устройства, созданные этой группой исследователей, могли бы также позволить создавать физические, химические и биологические датчики со встроенным компонентом радиосвязи. Наконец, они также могли бы помочь повысить безопасность аппаратных компонентов, например, путем создания уникальных акустических "отпечатков пальцев" для каждого чипа и позволяя устройствам оценивать целостность упакованных чипов с помощью встроенных ультразвуковых транзисторов.

"Мы больше всего заинтересованы в сотрудничестве с литейными заводами CMOS, чтобы использовать преимущества новых материалов в их технологиях для улучшения характеристик резонаторов", - добавил Вайнштейн. "Предстоящие возможности использования сегнетоэлектрических материалов для улучшения электромеханической передачи особенно интересны и многообещающи. Как только мы установим их на место, мы сможем замкнуть контур на резонаторах и продемонстрировать высокочастотные тактовые сигналы с низким уровнем шума в КМОП".

В своих следующих исследованиях Вайнштейн и ее коллеги также хотели бы изучить возможность расширения возможностей акустической манипуляции с использованием метаматериалов, использованных в их недавней работе. Например, они хотели бы изучить их ценность для улучшения волноводных, линзирующих, свертывающих и фильтрующих инструментов.