Gsm, Wi-Fi, Bluetooth, 4G, gps: een smartphone moet nu al veel standaarden in draadloze telecommunicatie aankunnen. Dat aantal zal alleen nog maar toenemen. Goede filters om ook al die toekomstige standaarden uit elkaar te kunnen houden, zijn er nog niet. Onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie hebben een belangrijke stap gezet met een nieuw type filter, gebaseerd op micromechanica.
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.
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 dat voor elke frequentieband aparte LC-kringen, buiten de chip gemonteerd, veel te veel ruimte zouden innemen.
Nu al wordt wereldwijd gezocht naar nieuwe oplossingen. Op dit moment zijn elektromechanische filters, zogenaamde 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 van de 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.
Haalbaar voor smartphones
Het filter dat de onderzoekers presenteren werkt bij ongeveer 400 Megahertz. Dat is nog te laag voor mobiele toepassingen, maar nieuwe versies halen al hogere frequenties. 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
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.
Op zich is het inderdaad zo dat een scherpere afgrenzing van de bandbreedte meer vrij bandbreedte ruimte geeft. Niet duidelijk is het hoeveel bandbreedte dat oplevert noch hoeveel energie de scherpere begrenzing kost.
Daarmee is dus niet duidelijk of dit ook commercieel levensvatbaar wordt. Hergebruik van frequenties, betere modulatie- en antenne technieken, zijn andere ingrediënten om meer mobiele capaciteit te creëren,
Tijdens mijn afstuderen eind jaren ’80 op de TU Delft werkte mijn kamergenoot aan SAW-filters.
Waar ze dat in gingen toepassen was eigenlijk nog niet zo duidelijk. Pas zo’n 10 jaar later kwamen SAW-filters terecht in bijv. dual-band GSMs. Enige tijd zijn die SAWs nog bij de TU geprocessed in DIMES voor alle grote fabrikanten, voordat het fabricageproces industrieel werd opgeschaald.
Een nitpick: Surface Acoustic Wave filters zijn juist niet elektromechanisch maar solid state.
En dat is meteen ook hier het issue. Want piëzo trilholtes zijn wel EM. Hoe stabiel is deze Micro-EM-oplossing van MESA+ in een device dat wordt rondgedragen en fors bewogen?
Of is dit toch meer technologische curiosa van MESA+ op haar eigen expertisegebied, dat op zoek is naar een toepassing?
Dit lijkt mij een schoolvoorbeeld van nuttig nieuwtje, maar nog wel een flink aantal jaren lead-time, voordat alle details uitgewerkt zijn.
Als er een grote fabrikant instapt en vervolgonderzoek gaat betalen, dan weten we wat meer over de levensvatbaarheid.
Performance verbeteringen zijn zoals Clayton Christensen dat aanduid “sustaining technologies” en geen “disruptive technologies”, die een markt overhoop halen. Typisch het R&D-werkveld voor grote fabrikanten.