Den analoga resonatorn kommer att bli en allt viktigare nyckelkomponent för dagens och framtidens elektroniska kommunikationssystem. SmĂ„, stabila, högfrekventa, billiga vĂ„gfilter, integrerade med övrig elektronik pĂ„ ett och samma chip Ă€r ett hett omrĂ„de som forskare vid bland annat Ångströmlaboratoriet i Uppsala studerar. DĂ€r har kompetenscentrum SUMMIT varit ett forum för samarbete med telekomindustrin. Men Ă€ven, och inte minst för sensorer kommer stora förbĂ€ttringar att kunna ske.

Hela artikeln i PDF-format.

Akustiska vÄgfilter baserade pÄ piezoelektriska material har anvÀnts i över 60 Är. Dessa komponenter anvÀnds i en rad olika tillÀmpningar som till exempel oscillatorer, resonatorer, filter, fördröjningslinjer, aktuatorer och inom sensorteknik, med mera. Den absolut största marknaden finns inom dagens och inte minst morgondagens telekomsystem och dÄ speciellt inom trÄdlös kommunikation i mobiltelefoner och basstationer. Det hÀr marknadssegmentet förbrukar Ärligen uppskattningsvis tre miljarder akustiska vÄgfilter för frekvenskontroll.

Dagens resonatorteknologi med vÄgfilter baseras vanligen pÄ ytakustiska vÄgor (SAW) och bulkakustiska vÄgor (BAW). De piezoelektriska material som vanligtvis anvÀnds i SAW komponenter Àr singelkristallina substrat bestÄende av kvarts (SiO2) och lithiumniobat (LiNbO3). Andra vÀletablerade resonatorteknologier Àr standard on-chip LC, transmissionsledningar och keramiska resonatorer.

Den enorma tillvÀxt som nyligen skett inom personliga kommunikationssystem (PCS), utrustning för navigering, satellitkommunikation och andra former av trÄdlös datakommunikation har gjort analog frekvenskontroll till en nyckelfrÄga i takt med att trÀngseln i frekvensspektrumet ökar tillsammans med kommunikation allt högre upp i frekvensspektrum. Samtidigt ökar den tekniska drivkraften att minimera och förbÀttra dessa systems kapacitet. Behovet av att utveckla miniatyriserade integrerade filterkomponenter med hög prestanda för det lÄga- och medelhöga GHz-omrÄdet ökar. Vid det hÀr frekvensomrÄdet blir resonatorer byggda med keramiskt material, LC eller baserade pÄ transmissionsledningar alltför fysiskt skrymmande.

Tunnfilm för högfrekvens
En av de största nackdelarna med dagens elektroakustiska teknologi i mikrovĂ„gsomrĂ„det Ă€r att den anvĂ€nder bulkiga singelkristallina piezomaterial som har sina begrĂ€nsningar och som defakto inte Ă€r kompatibla med IC-teknologin. Dessa material har dessutom egna unika egenskaper med avseende pĂ„ den akustiska vĂ„ghastigheten vilket, tillsammans med den fysiska storleken definierar arbetsfrekvensen. Det enda sĂ€ttet att höja arbetsfrekvensen Ă€r att minska dimensionerna vilket innebĂ€r enormt ökade kostnader bĂ„de för BAW och SAW komponenter, speciellt i mikrovĂ„gsomrĂ„det. PĂ„ senare Ă„r har tunna piezoelektriska filmer utvecklats för att utstrĂ€cka elektromekaniska SAW- och BAW-komponenter till mycket högre frekvenser. ÄndĂ„ fortsĂ€tter standard bulkteknologi att dominera marknaden för utrustning som arbetar under 1 GHz. För högre frekvenser upp till runt 10 GHz anses idag tunnfilm bulk akustiska resonatorer (TFBAR eller FBAR) vara den mest lovande teknologin dĂ€rför att dess karaktĂ€ristik med smĂ„ fysiska dimensioner, lĂ„ga förluster, möjlighet till att hantera hög energi och inte minst lĂ„ga tillverkningskostnader ger fördelar. Den hĂ€r ansatsen öppnar ocksĂ„ upp möjligheten att anvĂ€nda kombinationer av substrat och filmer vilket ger en större flexibilitet genom att anvĂ€nda de elektroakustiska egenskaperna av det icke-piezoelektriska substratet och dĂ€rmed kraftigt utöka möjligheterna av val av tillverkningsmaterial.

QCM för TEA
I sensorer anvÀnds ofta elektroakustiska resonatorer pÄ grund av deras höga kÀnslighet och upplösning. Den mest populÀra komponenten Àr antagligen den sÄ kallade Quarts Crystal Microbalance (QCM). Det finns en mÀngd fysiska, kemiska och biokemiska sensorer som idag anvÀnder principen med QCM.

SĂ„dana hĂ€r resonatorer arbetar normalt i omrĂ„det 5 till 20 MHz med en typisk massupplösning pĂ„ ett fĂ„tal ng/cm2. HĂ€r Ă€r Ă„ter den stora begrĂ€nsningen resonatorernas relativt stora dimensioner vilket sĂ€tter grĂ€nsen för arbetsfrekvensen. Även hĂ€r innebĂ€r en minskning av resonatorns dimensioner stora kostnader och materialspill. Dessutom Ă€r enheten masskĂ€nslighet kvadratisk mot frekvensen vilket ger stora fördelar genom att arbeta vid höga frekvenser. De senaste Ă„ren har det dĂ€rför funnits en stark drivkraft att utöka QCM teknologin mot högre frekvenser genom anvĂ€ndande av Thin film Electro Acoustic (TEA) teknologin.

Framkant
BĂ„de vad gĂ€ller telekom- och sensortillĂ€mpningar ligger Ångströmlaboratoriets grupp för tunnfilm i framkanten av utvecklingen. Professor Katardjiev har koordinerat ett EU-projekt benĂ€mnt ”Microwave electroakustic devices for mobile and land based communications” dĂ€r TEA teknologin utvecklades inom Europa i en industriell skala. Även Stiftelsen för Strategisk Forskning har givit medel till professor Ilia Katardjiev dĂ€r mĂ„let Ă€r att integrera den ickekompatibla EA- med IC-teknologin. Det arbetet har lett fram till kompletta sensorsystem som tillsammans med elektroniken upptar en yta pĂ„ mindre Ă€n 1 mm2, vilket storleksmĂ€ssigt Ă€r 10 000 gĂ„nger mindre Ă€n QCM. För att uppnĂ„ det har man utvecklat en syntesprocess för deponering av AlN-filmer vid rumstemperatur som ger möjlighet för sĂ„dan integrering och dessa resonatorer. Samtidigt har man lyckats öka masskĂ€nsligheten en miljon gĂ„nger jĂ€mfört med en 5 MHz QCM resonator. FxQ vĂ€rdet för dessa filmer Ă€r runt 2×1012 Hz. Dessutom har forskarna utvecklat en syntesprocess (som nu Ă€r föremĂ„l för patentansökan) för AlN-filmer med en speciell krystalografisk struktur som gör det möjligt att framstĂ€lla resonatorer som fungerar utmĂ€rkt i kontakt med vĂ€tskor, och dĂ€rmed kan anvĂ€ndas som biosensorer.

– Singelkristallina substrat (som QCM) mĂ„ste slipas ner för att öka frekvensen och det leder till ett stort materialspill och Ă€r en omstĂ€ndlig och dyr process. Att istĂ€llet anvĂ€nda polykristallina material och TEA-teknologin Ă€r betydligt enklare. Dessutom fĂ„r vi nĂ€r vi anvĂ€nder vĂ„r teknik för deponering av AlN-filmer betydligt bĂ€ttre egenskaper Ă€n QCM i vĂ„ra sensorer, sĂ€ger Professor Katardjiev.

Ett flertal komponenter sĂ„som resonatorer, oscillatorer och filter för telekom i mikrovĂ„gsomrĂ„det baserade pĂ„ tunnfilmsteknologin har utvecklats. Även en ny LambvĂ„gskomponent med hög akustisk vĂ„ghastighet pĂ„ över 10 000 m/s och med ett F×Q-vĂ€rde pĂ„ 3x1012 Hz har utvecklats vilket, enligt Ilia Katardjiev Ă€r den högsta siffra som nĂ„gonsin rapporterats för AlN-film. Den hĂ€r typen av vĂ„gor Ă€r kĂ€nda för att ha bland den högsta kĂ€nsligheten för deformation vid exponering för tryck. Även en FBAR-baserad sensor har tagits fram (som Ă€nnu inte Ă€r temperaturstabiliserad) som har en masskĂ€nslighet som Ă€r 5 gĂ„nger högre Ă€n motsvarande QCM. Efter stabilisering förvĂ€ntas den siffran att stiga till nĂ„gonstans mellan 10-50.

NÀrmast kommer gruppen att arbeta med att utöka sin sensorteknologi för att utveckla nÀsta generations fullt integrerade biokemiska sensorer och sensormatriser för protein och DNA-analys.

Artikeln bygger pĂ„ material som i vissa delar presenterades av Professor Ilia Katardjiev, Ångströmlaboratoriet, vid Ă„rets Micro Strukture Workshop (MSW) i VĂ€sterĂ„s.

Jonas Karlsson