Amplificador acústico pode mudar tecnologia das comunicações sem fio

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 Nacional Sandia, nos EUA, construíram o menor e melhor amplificador acústico do mundo. E eles fizeram isso usando um conceito que havia sido abandonado por quase 50 anos.

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

Embutir as capacidades de comunicação sem fios nos aparelhos exige colocar no interior de cada um deles vários circuitos de rádio. Um celular, por exemplo, tem um rádio para enviar e receber chamadas, um para se comunicar 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 parte essencial do circuito, responsável por reforçar os sinais recebidos da antena.

Embora eles venham sendo miniaturizados como todos os demais circuitos eletrônicos, esses amplificadores podem ser ainda menores e melhores se funcionarem como 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 onda do som nessas frequências são minúsculos - menores que o diâmetro de um fio de cabelo humano," compara a pesquisadora Lisa Hackett.

No passado não era possível construir 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 quadrado, alimentado por uma tensão de 2.000 volts e dissipando até 500 miliwatts de potência.

Hackett e seus colegas conseguiram enfiar tudo em um chip de 0,02 milímetro quadrado - 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 parte do tráfego de telefonia celular.

Isso foi possível 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 apenas reproduzir o funcionamento dos circuitos idealizados nos anos 1970, mas também miniaturizá-los e elevar 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.

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 camada semicondutora ultrafina em um circuito acústico diferente até agora exigia um processo intrincado de crescimento 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 como "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 como extensões dos circuitos acústicos que eles construíram. E é justamente essa integração que será necessária para que esta nova tecnologia possa chegar aos aparelhos de comunicação sem fios.

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