一款全球最小、性能最好的声学射频放大器

美国桑迪亚国家实验室研发的新型声电芯片，包含射频放大器、环行器和滤波器

据麦姆斯咨询报道，美国桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的科学家们开发了一款全球最小、性能最好的声学射频放大器，并且，这款器件利用了被遗忘近50年的老概念。

该研究成果已发表于Nature Communications，新款器件的效率达到了过去早期版本的10多倍，为未来小型化无线技术的设计和研究方向打开了大门。

现代手机利用无线电技术来接打电话、收发讯息和高速传输数据。这些智能设备覆盖的频率越多，它们能做的事情就越多。放大器等大多数无线电组件都是电子元器件，它们还可以被制成更小、更好的声学器件。这意味着它们将利用声波而不是电子来处理无线电信号。

桑迪亚实验室的科学家Lisa Hackett说：“由于这些频率下的声波波长很小，比人类头发的直径还小得多，因而这种声学器件的尺寸可以非常紧凑。”不过到目前为止，这类无线电组件很多还无法用声学技术来实现。

桑迪亚实验室开发的这款276 MHz声学射频放大器尺寸仅为0.5平方毫米，展示了无线电组件利用声学技术缩小尺寸的巨大潜力。为了应对承载大部分现代手机流量的2 GHz频率，这种声学器件的尺寸可以变得更加小巧，仅约为0.02平方毫米，这个尺寸甚至能很容易植入一粒食盐，比目前最先进技术制作的器件还要小10多倍。

（a）有限元模型中的纵向电场（Ex），位移场用黑色箭头表示；（b）在LiNbO3衬底上构建In0.53Ga0.47As薄膜声电效应的示意图；（c）异质结构晶圆加工后的图像；（d）无源和有源声学器件的伪色SEM图像，包括（e）延迟线、（f）放大器、（g）环行器。

该团队还构建了第一款声学环行器，这是用于分离发射和接收信号的另一个重要无线电组件。桑迪亚实验室的科学家Matt Eichenfield表示：“这些微型声学器件共同实现了一个极具前景的研究方向，可以使所有通过无线电波发送和接收信息的通讯产品变得更小、更复杂。

Eichenfield补充说：“我们的研究成果首次证明了用声学技术实现通常需要电子学技术完成的功能是可行的。”

事实上，早在数十年前，科学家们就曾尝试制造声学射频放大器，不过，关于这些研究的最近的重要文献还要追溯到20世纪70年代。

没有现代纳米制造技术，当时开发的器件性能太差而无法应用。利用当时开发的器件将信号放大100倍需要1厘米的空间和2000 V的电压。此外，它们还会产生大量的热量，需要超过500 mW的功率。

而桑迪亚实验室开发的这款声学放大器的性能在某些方面超过70年代版本的10倍以上。并且可以在0.2毫米的空间内将信号强度提高100倍，且仅需36 V的电压和20 mW的功率。

以前的研究人员试图通过使用半导体材料层来增强声学器件，而这些器件本身无法放大。为了使他们的概念成功运行，添加的材料必须非常薄并且质量非常高，但是，凭借当时的技术，科学家们无法兼顾。

几十年之后，桑迪亚实验室开发了两种技术，通过添加一系列薄层半导体材料来改善光伏电池。领导这项工作的科学家碰巧与Eichenfield共用一个办公室。

“上述技术进展，我在办公室里一直有耳闻。”Eichenfield说，“后来我阅读这些论文是出于对这种声电放大器的好奇，了解了他们的研究成果后，我意识到桑迪亚同事们开发的这种将非常薄的半导体转移到其他材料上的技术，正是我们要使这些声电器件实现所有性能需要的技术。”

桑迪亚实验室用83层原子厚的半导体材料制造了这款放大器，这比人类的的头发丝还要薄1000倍。

将超薄半导体层融合到不同的声学器件上需要非常复杂的过程，即在其他晶体上生长晶体，并将它们与其他晶体键合，然后用化学方法去除99.99%的材料，以获得一个完美光滑的接触表面。这样的纳米制造方法被统称为异质集成，是桑迪亚实验室以及整个半导体行业越来越感兴趣的研究领域。

放大器、环行器和滤波器是不同的技术，通常是分开制造的，但是，桑迪亚的研究人员在同一颗声电芯片上制造了它们。可用于在同一芯片上制造的技术越多，制造就越简单，效率也就越高。该团队的研究表明，剩余的其它无线电信号处理组件也可以在已经验证的器件上进一步扩展。

这项研究由桑迪亚实验室指导的研究发展计划和综合纳米技术中心资助，该中心是桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos national laboratories）联合运营的制造基础设施。

那么，这些精巧的无线电组件何时可以进入我们的智能手机？Eichenfield表示，“可能还有待时日。像智能手机这种大批量的商业产品全部转用全声电技术，需要对制造业基础设施进行大规模整改，这不是一朝一夕的事情。但对于小批量生产的特种设备，这项技术有着更直接的前景。”

桑迪亚研究团队目前正在探索是否可以改进它们的技术以用于全光信号处理。他们还在研究这种技术是否能帮助分离和操纵被称为声子的单个量子态，这可能使其可以在某些量子计算机中用于控制和测量。

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