Исследователи из Гонконгского университета науки и технологии (HKUST) разработали новую архитектуру чипа, которая позволяет миниатюрным акустическим устройствам в смартфонах выдерживать более чем в 12 раз большую нагрузку, сохраняя при этом более низкую температуру и стабильность работы.
Устройства на акустических волнах — одни из самых распространенных, но при этом наименее известных чипов в современной жизни. Они преобразуют электромагнитные сигналы в звуковые волны, вибрирующие на частоте гигагерц (ГГц), и фильтруют радиочастотные сигналы для каждого смартфона и мобильной базовой станции. Поскольку звук распространяется примерно в 100 000 раз медленнее света, акустические устройства могут сжимать энергию на частоте ГГц до размеров чипа, что делает их уникальными и компактными.
Новая платформа, протестированная на преобразователях, совершающих более 2 миллиардов колебаний в секунду, под названием «многослойная акустическая волна» (Layered Acoustic Wave, LAW), снизила повышение рабочей температуры на 70 % и установила рекордный порог удельной мощности в 36,4 Вт/мм².
Эта разработка снимает существовавшее десятилетиями ограничение, из-за которого акустические чипы использовались только для обработки слабых сигналов, и открывает путь для самых разных применений — от спутниковой связи типа «прямая сотовая» и сетей 6G до компактных систем преобразования энергии.
Стратегическая ценность акустических систем высокой мощности становится все более очевидной: в 2025 году компания SpaceX приобрела компанию Akoustis Technologies, специализирующуюся на акустических фильтрах, чтобы разработать высокопроизводительные акустические фильтры для спутниковых сетей типа «прямая связь с сотой» — в таких сетях от мощности напрямую зависит успешность или неуспешность связи между спутником и телефоном пользователя.
Однако фундаментальная проблема остается нерешенной на протяжении десятилетий: акустические устройства с трудом обеспечивают надежную работу при высокой мощности. Подобно тому, как сильная тряска может привести к разрушению предметов и выделению тепла, высокочастотная вибрация концентрирует огромную плотность энергии в крошечном объеме, запуская три взаимосвязанных механизма разрушения:
- Механическое напряжение и самонагрев приводят к «акустомиграции», при которой атомы металла в электродах мигрируют, образуя выступы и пустоты, что приводит к выходу из строя схемы
- Накопленное тепло изменяет скорость распространения акустических волн, что приводит к отклонению рабочей частоты от заданного значения
- Концентрированное напряжение приводит к образованию трещин или расслоению пьезоэлектрической тонкой пленки
Существующие контрмеры почти полностью сосредоточены на нижней части устройства — переходе на дорогостоящие подложки с высокой теплопроводностью, такие как карбид кремния или алмаз. Но сам пьезоэлектрический слой плохо проводит тепло, поэтому тепло и напряжение остаются вблизи верхней поверхности, где устройство и вибрирует.
Между тем в этой области уже давно принято считать, что верхняя поверхность устройства, работающего на акустических волнах, должна оставаться в контакте с воздухом, чтобы акустическая энергия не рассеивалась. Эта точка зрения, казалось бы, исключала возможность создания такой конструкции, в которой изначально заложена возможность разрушения.
Исследовательская группа опровергла это утверждение. Их архитектура LAW «погружает» вибрирующую поверхность тонкопленочного устройства на основе ниобата лития под составную верхнюю границу: сначала изолирующий слой из диоксида кремния, а затем «квазибесконечный» слой аморфного кремния, толщина которого намного превышает длину акустической волны.
С помощью теоретического анализа и моделирования команда ученых выяснила, что акустическая волна, вопреки ожиданиям, остается строго ограниченной областью вблизи поверхности, в то время как добавленная стопка выполняет сразу три функции.
Толстый слой аморфного кремния сначала служит в качестве механического ограничивающего слоя, изменяя распределение поля напряжений таким образом, чтобы снизить пиковое напряжение на границе раздела электродов примерно до четверти, что напрямую устраняет движущую силу акустомиграции.
Затем он выступает в качестве встроенного теплоотвода: его теплопроводность примерно на два порядка выше, чем у воздуха, поэтому он образует вертикальные каналы, которые быстро отводят тепло от горячих точек. В то же время он работает как компенсационный слой, компенсирующий тепловое расширение, поддерживая стабильность частоты при значительных колебаниях температуры.
Обновленная структура не только не снижает производительность, но и повышает рабочую частоту при заданной длине волны примерно на 25 %, а также снижает потери на демпфирование примерно на 30 %. При этом она может масштабироваться в диапазонах ниже 6 ГГц — и все это достигается с помощью стандартных недорогих производственных процессов
В стандартизированных тестах на высокую мощность на уровне компонентов преимущества LAW были очевидны. При одинаковом уровне мощности повышение температуры преобразователя LAW в установившемся режиме составило всего 5,2 °C по сравнению с 17,4 °C у современного устройства управления на основе тонкопленочных поверхностных акустических волн (TF-SAW) — снижение на 70 %.
Устройство LAW выдержало плотность мощности 45,61 дБм/мм² (36,4 Вт/мм²), что в 12,73 раза превышает порог управления TF-SAW, при этом температурный коэффициент частоты первого порядка составил −13 ppm/°C в диапазоне от −150 °C до 325 °C (от −238 °F до 617 °F).
При температуре -85 °C (-121 °F) пороговое значение увеличилось еще больше — до 49,45 дБм / мм2 (88,11 Вт / мм2), что в 13,85 раза превышает пороговое значение контроля TF-SAW, что особенно важно для криогенных квантовых акустических систем. Анализ отказов подтвердил лежащий в основе механизм: устройства TF-SAW демонстрировали сильную миграцию электродов и растрескивание пьезоэлектрической пленки, в то время как устройства LAW, работающие на гораздо более высокой мощности, не демонстрировали сопоставимой миграции.
Результаты были опубликованы в Nature Communications