Amplificador acústico pode mudar tecnologia das comunicações sem fio

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Informática

Redação do Site Inovação Tecnológica – 10/06/2021

O chip acústico-elétrico, em cima, inclui um amplificador de radiofrequência, um circulador e um filtro. Imagens obtidas por microscopia eletrônica de varredura mostra detalhes do amplificador.
[Imagem: Bret Latter/Matt Eichenfield]

Amplificador acústico

Engenheiros do Laboratório Pátrio Sandia, nos EUA, construíram o menor e melhor amplificador acústico do mundo. E eles fizeram isso usando um concepção que havia sido desprezado por quase 50 anos.

Sendo mais de 10 vezes mais eficiente do que qualquer versão anterior, o amplificador se torna uma utensílio que pode mudar o projeto dos aparelhos atuais de informação sem fio, além de transfixar novos caminhos para projetos futuros e novas miniaturizações.

Marchetar as capacidades de informação sem fios nos aparelhos exige colocar no interno de cada um deles vários circuitos de rádio. Um celular, por exemplo, tem um rádio para enviar e receber chamadas, um para se remeter por mensagens de texto, outro para se conectar à internet, mais um para o bluetooth e por aí vai – quanto mais rádios em um dispositivo, mais ele pode fazer.

Todos esses rádios incluem amplificadores eletrônicos, uma segmento precípuo do rodeio, responsável por substanciar os sinais recebidos da antena.

Embora eles venham sendo miniaturizados uma vez que todos os demais circuitos eletrônicos, esses amplificadores podem ser ainda menores e melhores se funcionarem uma vez que dispositivos acústicos, ou seja, usando ondas sonoras, em vez de elétrons, para processar os sinais de rádio.

“Dispositivos de ondas acústicas são inerentemente compactos porque os comprimentos de vaga do som nessas frequências são minúsculos – menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano,” compara a pesquisadora Lisa Hackett.

Amplificador acústico pode mudar tecnologia das comunicações sem fio

No pretérito não era verosímil erigir componentes tão finos.
[Imagem: Lisa Hackett et al. – 10.1038/s41467-021-22935-1]

Rádio eletroacústico

Agora, pela primeira vez, a equipe conseguiu fabricar todos os componentes de um amplificador capazes de trabalhar com ondas acústicas. Na verdade, isso já havia sido feito nos anos 1970, mas a tecnologia exigiria hoje, para cada amplificador, um chip de 1 centímetro quadro, sustentado por uma tensão de 2.000 volts e dissipando até 500 miliwatts de potência.

Hackett e seus colegas conseguiram inserir tudo em um chip de 0,02 milímetro quadro – o que é 10 vezes menor que os amplificadores presentes nos celulares mais modernos – funcionando com 36 volts e dissipando 20 miliwatts. E o chip acústico amplifica frequências de 2 gigahertz, usadas na maior segmento do tráfico de telefonia celular.

Isso foi verosímil usando um material semicondutor piezoelétrico (niobato de lítio), que faz a conexão entre os elétrons (eletricidade) e os fônons (portadores das ondas sonoras). As técnicas atuais da indústria microeletrônica permitiram não somente reproduzir o funcionamento dos circuitos idealizados nos anos 1970, mas também miniaturizá-los e preconizar sua eficiência em mais de 100 vezes.

A equipe também criou o primeiro circulador acústico, outro componente de rádio crucial, que separa os sinais transmitidos e recebidos. Juntos, os dois pequenos circuitos representam uma rota essencialmente negligenciada nestes últimos 50 anos, com potencial para tornar todas as tecnologias que enviam e recebem informações com ondas de rádio menores e mais sofisticadas.

Amplificador acústico pode mudar tecnologia das comunicações sem fio

O amplificador eletroacústico pode ser integrado aos demais componentes eletrônicos, por exemplo, dos telefones celulares.
[Imagem: Lisa Hackett et al. – 10.1038/s41467-021-22935-1]

Integração heterogênea

O amplificador acústico foi construído com materiais semicondutores com 83 camadas de átomos de espessura – 1.000 vezes mais finas do que um fio de cabelo humano.

A fusão de uma categoria semicondutora ultrafina em um rodeio acústico dissemelhante até agora exigia um processo intrincado de propagação de cristais em cima de outros cristais, ligando-os a outros cristais e removendo quimicamente 99,99% dos materiais para produzir uma superfície de contato perfeitamente lisa – esses métodos de nanofabricação são conhecidos uma vez que “integração heterogênea”. É por isso que amplificadores, circuladores e filtros dos rádios eletrônicos atuais são tipicamente produzidos separadamente.

Já no novo chip eletroacústico todos os componentes são fabricados conjuntamente, simplificando e barateando todo o processo.

A equipe também demonstrou que os componentes de processamento de sinal de rádio restantes podem ser concebidos uma vez que extensões dos circuitos acústicos que eles construíram. E é justamente essa integração que será necessária para que esta novidade tecnologia possa chegar aos aparelhos de informação sem fios.

Bibliografia:

Cláusula: Towards single-chip radiofrequency signal processing via acoustoelectric electron-phonon interactions
Autores: Lisa Hackett, Michael Miller, Felicia Brimigion, Daniel Dominguez, Greg Peake, Anna Tauke-Pedretti, Shawn Arterburn, Thomas A. Friedmann, Matt Eichenfield
Revista: Nature Communications
Vol.: 12, Article number: 2769
DOI: 10.1038/s41467-021-22935-1

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