Trillende plaatjes scheppen orde in overvolle ether

Filters die nauwkeurig zijn af te stemmen op de band die je als gebruiker wilt ontvangen, worden steeds belangrijker. Als een nabijgelegen signaal veel sterker is, overstemt het anders het signaal dat je wilt ontvangen. Het aantal beschikbare frequenties is beperkt, dus het wordt steeds drukker. Slim gebruik maken van de ether, door elk vrij stukje te benutten, wordt belangrijker. De filters die de onderzoekers nu presenteren, zijn gebaseerd op micromechanische resonatoren en zijn nauwkeurig af te stemmen op de gewenste frequentie.

SAW-filter 

Een van de redenen om te kiezen voor een mechanische oplossing is dat het klassieke filter bestaat uit een spoel en een condensator, een ‘LC-kring’. Vooral een spoel van goede kwaliteit is nauwelijks te realiseren op een chip. Het gevolg zou zijn: voor elke frequentieband aparte LC-kringen, buiten de chip gemonteerd, die veel te veel ruimte zouden innemen. Nu al wordt wereldwijd gezocht naar nieuwe oplossingen. Op dit moment zijn elektromechanische filters, zogeheten oppervjaktegolffilters of  Surface Acoustic Wave filters, de standaard, maar ook die zijn zijn relatief groot en daarom moeilijk te integreren.

Trillen

De oplossing die de onderzoekers presenteren, bestaat uit twee mechanische resonatoren. Zij trillen op een instelbare frequentie dankzij het piëzoelektrische materiaal PZT. Dit materiaal is aangebracht op metaal. Normaal gesproken trilt het piëzomateriaal loodrecht op het metaal en bepaalt de dikte van de laag de frequentie. Door het echter in dezelfde richting als het metaal te laten trillen, is de frequentie te variëren. Er worden twee resonatoren gebruikt, die niet mechanisch of elektrisch zijn gekoppeld. Door slim om te gaan met de in- en uitgangssignalen van beide resonatoren, worden nadelige ‘parasitaire’ effecten teniet gedaan. De ingangssignalen van beide filters zijn ‘in fase’, de uitgangssignalen worden van elkaar afgetrokken: zo ontstaat een selectief filter – vierde orde – dat een beperkt deel van de band doorlaat en de frequenties daaronder en daarboven sterk verzwakt. Het is nauwkeurig te tunen met de trilfrequenties van beide resonatoren.

Hogere frequenties 

Het filter dat de onderzoekers presenteren in Applied Physics Letters, werkt bij ongeveer 400 megahertz. Dat is nog te laag voor mobiele toepassingen, maar nieuwe versies halen al hogere frequenties, en de gigahertz frequenties die voor smartphones nodig zijn, zijn haalbaar, aldus de onderzoekers.

De onderzoekers verwachten bovendien dat deze resonatoren op de chip zijn te integreren of direct aan de chip zijn te ‘bonden’: ze zijn veel kleiner dan ‘losse’ filters LC-kringen. Zo wordt het mogelijk om bijvoorbeeld vijftig resonator-duo’s aan te brengen, wat flexibel gebruik van frequenties mogelijk maakt. Dat is bijvoorbeeld nodig in ‘cognitieve radio’, die elk stukje vrije ruimte benut zodra het zich aandient en weer springt naar een andere frequentie zodra dat nodig is.

Het onderzoek is uitgevoerd in de Transducers Science and Technology Group van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT, in samenwerking met de Integrated Circuit Design Group van het instituut CTIT. Ook is samengewerkt met het spinoff bedrijf SolMateS, dat onder meer gespecialiseerd is in het maken van piëzoelektrische lagen op chips. Het project maakt deel uit van het CREAM programma (CMOS Receiver Enhancenment using Arrays of MEMS), gefinancierd door de Technologiestichting STW.

De publicatie: ‘A 4th-order band-pass filter using differential readout of two in-pase actuated contour-mode resonators’, door Hadi Yagubizade, Milad Darvishi, Miko Elwenspoek en Niels Tas is online verschenen bij Applied Physics Letters