Un résonateur record

Pendant des décennies, les oscillateurs à cristal de quartz ont servi d'horloges dans toutes sortes de gadgets électroniques. Placer une tension aux bornes du cristal le fait résonner à une fréquence prévisible, permettant à toutes les parties d'un circuit de fonctionner en synchronie. Mais ces horloges à quartz sont relativement encombrantes, leur taille constituant une barrière importante aux circuits rétractables. Récemment, des chercheurs ont développé des versions en silicium qui offrent des alternatives plus petites, moins puissantes et accordables au quartz.

Minuscule minuterie : Une image, produite par un microscope électronique à balayage, montre les détails du résonateur en silicium. L'encart montre le mince espace entre les régions de polysilicium et de monocristal de l'appareil.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université Cornell ont créé un microrésonateur en silicium qui vibre à 4,51 gigahertz, la fréquence la plus élevée jamais enregistrée dans un tel dispositif en silicium. D'autres chercheurs ont démontré des microrésonateurs en silicium qui vibrent jusqu'à 1,5 gigahertz, selon les chercheurs de Cornell.

Le microrésonateur Cornell, qui a été fabriqué par Sunil Bhave , professeur adjoint d'ingénierie électrique et informatique à Cornell, et étudiante diplômée Dana Weinstein, atteint la haute fréquence sans compromettre la force et la pureté du signal - à quel point le signal est réglé sur une fréquence particulière. Habituellement, à mesure que la fréquence augmente, le facteur Q, qui est une mesure de la stabilité d'un oscillateur, diminue. Essentiellement, le facteur Q est une mesure de qualité : il indique combien de temps un oscillateur peut maintenir une vibration à une certaine fréquence. Un facteur Q élevé signifie que les oscillations disparaissent plus lentement. Plus le nombre est élevé mieux c'est. Le facteur Q du dispositif Cornell à 4,51 gigahertz est proche de 10 000, ce qui se compare bien aux résonateurs à quartz. L'idée principale de la conception du résonateur est qu'il devrait en fait fonctionner encore mieux à des fréquences plus élevées, dit Weinstein. Nous essayons de repousser les limites et d'atteindre une fréquence plus élevée pour une variété d'applications.

On ne sait pas encore exactement quelles seraient ces applications, mais les résonateurs haute fréquence pourraient trouver des utilisations comme chronomètres pour les télécommunications et le microprocesseur. L'un des avantages des microrésonateurs en silicium est qu'ils peuvent être intégrés directement dans des micropuces à l'aide de techniques de fabrication conventionnelles, ce qui les rend moins chers à produire et plus faciles à fabriquer. En outre, plusieurs résonateurs de fréquences différentes pourraient être placés sur la même puce, explique Ville Kaajakari, professeur adjoint de génie électrique à la Louisiana Tech University. Dans un téléphone portable, par exemple, des résonateurs haute fréquence pourraient filtrer les interférences provenant d'autres sources de signaux radio. Le dispositif Cornell mesure 8,5 micromètres de long et 40 micromètres de large, contre une largeur d'environ un millimètre pour un résonateur à quartz.

La nouvelle conception du microrésonateur lui permet d'atteindre sa haute fréquence, dit Weinstein. D'autres résonateurs en silicium ont un matériau diélectrique, ou isolant, aux extrémités pour améliorer leur capacité à transmettre de l'énergie au résonateur. Par analyse mathématique, Weinstein a découvert que le positionnement du matériau diélectrique - dans ce cas, un film mince de nitrure de silicium - dans le corps du microrésonateur rend cette transmission plus efficace. Elle travaille maintenant à augmenter encore plus la fréquence. Maintenant, c'est un défi de fabrication, dit-elle.

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