(Phys.org) – Forskare har lärt sig hur man massproducerar små mekaniska enheter som kan hjälpa mobiltelefonanvändare att undvika besväret med avbrutna samtal och långsamma nedladdningar. Enheterna är designade för att lindra trängsel över etern för att förbättra prestandan hos mobiltelefoner och andra bärbara enheter.

"Det finns inte tillräckligt med radiospektrum för att ta hänsyn till allas handhållna bärbara enhet, sa Jeffrey Rhoads, en docent i maskinteknik vid Purdue University.

Överbefolkningen resulterar i avbrutna samtal, upptaget signaler, försämrad samtalskvalitet och långsammare nedladdningar. För att motverka problemet, industrin försöker bygga system som fungerar med mer skarpt definierade kanaler så att fler av dem kan passa inom den tillgängliga bandbredden.

"För att göra det behöver du mer exakta filter för mobiltelefoner och andra radioenheter, system som avvisar brus och tillåter signaler endast nära en given frekvens att passera, sa Saeed Mohammadi, en docent i el- och datateknik som arbetar med Rhoads, doktoranden Hossein Pajouhi och andra forskare.

Purdue-teamet har skapat enheter som kallas nanoelektromekaniska resonatorer, som innehåller en liten stråle av kisel som vibrerar när spänning appliceras. Forskare har visat att de nya enheterna produceras med nästan 100 procents avkastning, vilket betyder att nästan alla enheter som skapats på kiselskivor visade sig fungera korrekt.

"Vi uppfinner inte en ny teknik, vi gör dem med hjälp av en process som är anpassad för storskalig tillverkning, som övervinner ett av de största hindren för den utbredda kommersiella användningen av dessa enheter, " sa Rhoads.

Resultaten beskrivs i en forskningsartikel som visas online i tidskriften IEEE-transaktioner på nanoteknik . Uppsatsen skrevs av doktoranderna Lin Yu och Pajouhi, Rhoads, Mohammadi och doktoranden Molly Nelis.

Förutom deras användning som framtida mobiltelefonfilter, sådana nanoresonatorer skulle också kunna användas för avancerade kemiska och biologiska sensorer i medicinska och hemlandsförsvarstillämpningar och möjligen som komponenter i datorer och elektronik.

Enheterna är skapade med hjälp av silikon-på-isolator, eller SOI, tillverkning - samma metod som används av industrin för att tillverka andra elektroniska enheter. Eftersom SOI är kompatibel med komplementär metall-oxid-halvledarteknologi, eller CMOS, en annan stöttepelare inom elektroniktillverkning som används för att tillverka datorchips, resonatorerna kan lätt integreras i elektroniska kretsar och system.

Resonatorerna är i en klass av enheter som kallas nanoelektromekaniska system, eller NEMS.

Den nya enheten sägs vara "mycket inställbar, " vilket innebär att det kan göra det möjligt för forskare att övervinna tillverkningsinkonsekvenser som är vanliga i nanoskala enheter.

"På grund av tillverkningsskillnader, inga två enheter i nanoskala utför samma avrullning från löpande bandet, " sa Rhoads. "Du måste kunna ställa in dem efter bearbetning, vilket vi kan göra med dessa enheter."

Hjärtat i enheten är en silikonstråle fäst i två ändar. Strålen är cirka två mikron lång och 130 nanometer bred, eller ungefär 1, 000 gånger tunnare än ett människohår. Strålen vibrerar i mitten som ett hopprep. Att applicera växelström på strålen gör att den selektivt vibrerar från sida till sida eller upp och ner och gör det också möjligt att finjustera strålen, eller trimmad.

Nanoresonatorerna visade sig kontrollera sina vibrationsfrekvenser bättre än andra resonatorer. Enheterna kan ersätta elektroniska delar för att uppnå högre prestanda och lägre strömförbrukning.

"Ett levande exempel är ett inställbart filter, " sade Mohammadi. "Det är väldigt svårt att göra ett bra avstämbart filter med transistorer, induktorer, och andra elektroniska komponenter, men en enkel nanomekanisk resonator kan göra jobbet med mycket bättre prestanda och med en bråkdel av kraften."

De är inte bara mer effektiva än sina elektroniska motsvarigheter, han sa, men de är också mer kompakta.

"Eftersom enheterna är små och tillverkningen har nästan 100 procent avkastning, vi kan packa miljontals av dessa enheter i ett litet chip om vi behöver, " sade Mohammadi. "Det är för tidigt att veta exakt hur dessa kommer att hitta tillämpning i datoranvändning, men eftersom vi kan göra dessa små mekaniska enheter lika lätt som transistorer, we should be able to mix and match them with each other and also with transistors in order to achieve specific functions. 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. Dock, 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."