(Phys.org) — Onderzoekers hebben geleerd hoe ze kleine mechanische apparaten in massa kunnen produceren die gebruikers van mobiele telefoons kunnen helpen om de overlast van verbroken oproepen en langzame downloads te voorkomen. De apparaten zijn ontworpen om congestie via de ether te verminderen om de prestaties van mobiele telefoons en andere draagbare apparaten te verbeteren.

"Er is niet genoeg radiospectrum om rekening te houden met ieders draagbare draagbare apparaat, " zei Jeffrey Rhoads, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Purdue University.

De overbevolking resulteert in afgebroken oproepen, bezet signalen, verminderde gesprekskwaliteit en langzamere downloads. Om het probleem tegen te gaan, de industrie probeert systemen te bouwen die werken met scherper gedefinieerde kanalen, zodat er meer binnen de beschikbare bandbreedte passen.

"Daarvoor heb je preciezere filters nodig voor mobiele telefoons en andere radiotoestellen, systemen die ruis afwijzen en signalen alleen in de buurt van een bepaalde frequentie doorlaten, " zei Saeed Mohammadi, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek die werkt met Rhoads, promovendus Hossein Pajouhi en andere onderzoekers.

Het Purdue-team heeft apparaten gemaakt die nano-elektromechanische resonatoren worden genoemd, die een kleine straal silicium bevatten die trilt wanneer er spanning op wordt gezet. Onderzoekers hebben aangetoond dat de nieuwe apparaten worden geproduceerd met een opbrengst van bijna 100 procent, wat betekent dat bijna alle apparaten die op siliciumwafels zijn gemaakt, correct bleken te werken.

"We vinden geen nieuwe technologie uit, we maken ze met behulp van een proces dat geschikt is voor grootschalige fabricage, die een van de grootste obstakels voor het wijdverbreide commerciële gebruik van deze apparaten overwint, ' zei Rhodos.

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die online in het tijdschrift verschijnt IEEE-transacties op nanotechnologie . Het artikel is geschreven door promovendi Lin Yu en Pajouhi, Rhodos, Mohammadi en afgestudeerde student Molly Nelis.

Naast hun gebruik als toekomstige filters voor mobiele telefoons, dergelijke nanoresonatoren zouden ook kunnen worden gebruikt voor geavanceerde chemische en biologische sensoren in medische en binnenlandse defensietoepassingen en mogelijk als componenten in computers en elektronica.

De apparaten zijn gemaakt met behulp van silicium-op-isolator, of SOI, fabricage - dezelfde methode die door de industrie wordt gebruikt om andere elektronische apparaten te vervaardigen. Omdat SOI compatibel is met complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie, of CMOS, een andere pijler van de elektronicaproductie die wordt gebruikt om computerchips te vervaardigen, de resonatoren kunnen gemakkelijk worden geïntegreerd in elektronische schakelingen en systemen.

De resonatoren bevinden zich in een klasse van apparaten die nano-elektromechanische systemen worden genoemd, of NEM.

Het nieuwe apparaat zou "zeer afstembaar, ", wat betekent dat het onderzoekers in staat zou kunnen stellen om inconsistenties in de productie te overwinnen die vaak voorkomen bij apparaten op nanoschaal.

"Vanwege fabricageverschillen, geen twee apparaten op nanoschaal voeren hetzelfde uit van de lopende band, " zei Rhoads. "Je moet ze kunnen afstemmen na verwerking, wat we met deze apparaten kunnen doen."

Het hart van het apparaat is een aan twee uiteinden bevestigde siliciumstraal. De straal is ongeveer twee micron lang en 130 nanometer breed, of ongeveer 1, 000 keer dunner dan een mensenhaar. De straal trilt in het midden als een springtouw. Het toepassen van wisselstroom op de straal zorgt ervoor dat deze selectief heen en weer of op en neer trilt en maakt het ook mogelijk om de straal fijn af te stellen, of getuned.

De nanoresonatoren bleken hun trillingsfrequenties beter te beheersen dan andere resonatoren. De apparaten kunnen elektronische onderdelen vervangen om hogere prestaties en een lager stroomverbruik te bereiken.

"Een levendig voorbeeld is een afstembaar filter, Mohammadi zei. "Het is heel moeilijk om een ​​goed afstembaar filter te maken met transistors, inductoren, en andere elektronische componenten, maar een eenvoudige nanomechanische resonator kan het werk doen met veel betere prestaties en tegen een fractie van het vermogen."

Ze zijn niet alleen efficiënter dan hun elektronische tegenhangers, hij zei, maar ze zijn ook compacter.

"Omdat de apparaten klein zijn en de fabricage bijna 100 procent rendement heeft, we kunnen miljoenen van deze apparaten in een kleine chip verpakken als dat nodig is, " Mohammadi zei. "Het is te vroeg om precies te weten hoe deze toepassing zullen vinden in de informatica, maar aangezien we deze kleine mechanische apparaten net zo gemakkelijk kunnen maken als transistors, we moeten ze met elkaar en ook met transistors kunnen mixen en matchen om specifieke functies te bereiken. Not only can you put them side-by-side with standard computer and electronic chips, but they tend to work with near 100 percent reliability."

The new resonators could provide higher performance than previous MEMS, or microelectromechanical systems.

In sensing application, the design enables researchers to precisely measure the frequency of the vibrating beam, which changes when a particle lands on it. Analyzing this frequency change, allows researchers to measure minute masses. Similar sensors are now used to research fundamental scientific questions. Echter, recent advances may allow for reliable sensing with portable devices, opening up a range of potential applications, Rhoads said.

Such sensors have promise in detecting and measuring constituents such as certain proteins or DNA for biological testing in liquids, gases and the air, and the NEMS might find applications in breath analyzers, industrial and food processing, national security and defense, and food and water quality monitoring.

"The smaller your system the smaller the mass you can measure, " Rhoads said. "Most of the field-deployable sensors we've seen in the past have been based on microscale technologies, so this would be hundreds or thousands of times smaller, meaning we should eventually be able to measure things that much smaller."