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Un resonador que marca récords
Durante décadas, los osciladores de cristal de cuarzo han servido como relojes en todo tipo de aparatos electrónicos. Colocar un voltaje a través del cristal hace que resuene a una frecuencia predecible, lo que permite que todas las partes de un circuito funcionen en sincronía. Pero estos relojes de cuarzo son relativamente voluminosos, y su tamaño constituye una barrera importante para la contracción de los circuitos. Recientemente, los investigadores han desarrollado versiones de silicio que ofrecen alternativas ajustables más pequeñas, de menor potencia al cuarzo.
Minúsculo temporizador: Una imagen, producida por un microscopio electrónico de barrido, muestra los detalles del resonador de silicio. El recuadro muestra el delgado espacio entre las regiones de polisilicio y monocristal del dispositivo.
Ahora, investigadores de la Universidad de Cornell han creado un microrresonador de silicio que vibra a 4,51 gigahercios, la frecuencia más alta jamás registrada en un dispositivo de silicio de este tipo. Otros investigadores han demostrado microrresonadores de silicio que vibran hasta 1,5 gigahercios, dicen los investigadores de Cornell.
El microrresonador de Cornell, que fue fabricado por Sunil Bhave , profesora asistente de ingeniería eléctrica e informática en Cornell, y la estudiante de posgrado Dana Weinstein, alcanza la alta frecuencia sin comprometer la fuerza y pureza de la señal: cuán agudamente sintonizada está la señal a una frecuencia particular. Por lo general, a medida que aumenta la frecuencia, disminuye el factor Q, que es una medida de la estabilidad de un oscilador. Esencialmente, el factor Q es una medida de calidad: indica cuánto tiempo un oscilador puede mantener una vibración a una determinada frecuencia. Un factor Q alto significa que las oscilaciones se extinguen más lentamente. Cuanto más alto el número mejor. El factor Q para el dispositivo Cornell a 4,51 gigahercios está cerca de 10,000, lo que se compara bien con los resonadores de cuarzo. La idea principal del diseño del resonador es que en realidad se prevé que funcione aún mejor a frecuencias más altas, dice Weinstein. Estamos tratando de superar el límite y alcanzar una frecuencia más alta para una variedad de aplicaciones.
Aún no se conocen exactamente cuáles serían esas aplicaciones, pero los resonadores de alta frecuencia podrían encontrar usos como cronometradores para telecomunicaciones y microprocesamiento. Una de las ventajas de los microrresonadores de silicio es que pueden integrarse directamente en microchips utilizando técnicas de fabricación convencionales, lo que los hace más baratos de producir y más fáciles de fabricar pequeños. Además, se podrían colocar múltiples resonadores de diferentes frecuencias en el mismo chip, dice Ville Kaajakari, profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Louisiana Tech University. En un teléfono celular, por ejemplo, los resonadores de alta frecuencia podrían filtrar la interferencia de otras fuentes de señales de radio. El dispositivo de Cornell mide 8,5 micrómetros de largo y 40 micrómetros de ancho, en comparación con un ancho de aproximadamente un milímetro para un resonador de cuarzo.
El novedoso diseño del microrresonador le permite alcanzar su alta frecuencia, dice Weinstein. Otros resonadores de silicio tienen un material dieléctrico, o aislante, en los extremos para mejorar su capacidad de transmitir energía al resonador. Mediante un análisis matemático, Weinstein descubrió que colocar el material dieléctrico (en este caso, una película delgada de nitruro de silicio) en el cuerpo del microrresonador hace que esta transmisión sea más eficiente. Ahora está trabajando para aumentar aún más la frecuencia. Ahora, es un desafío de fabricación, dice ella.