OSCILADOR NANOMECANICO
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona, de manera general, con osciladores mecánicos a escala pequeña, y se relaciona, de manera más particular, con osciladores mecánicos a nanoescala con varios elementos vibratorios que permiten un número de modos de resonancia.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los sistemas microelectromecánicos y nanoelectromecánicos, MEMS y NEMS, respectivamente, son fabricados típicamente con la tecnología de semiconductores como dispositivos mecánicos. Algunas de esas ventajas incluyen buena resistencia al choque térmico, radiación electromagnética, y choque por impacto. Como con las estructuras mecánicas típicas, las estructuras MEMS y NEMS poseen frecuencias vibratorias naturales que son determinadas por sus dimensiones exteriores. Por ejemplo, es bien sabido que una estructura de viga doblemente sujetada, tiene una frecuencia de resonancia transversal fundamental determinada por la ecuación
Ref.: 183735
donde E es el módulo de Young relacionado con la rigidez del material, p es la densidad del material, t es una dimensión del espesor paralela al desplazamiento y L es la longitud de la viga. Los dispositivos con dimensiones del orden de micrómetros típicamente tienen frecuencias de resonancia del orden de decenas de kilohertzios hasta unos cuantos megahertzios . Los dispositivos con dimensiones del orden de niveles submicrónicos tienen proporcionalmente frecuencias de resonancia más altas en el intervalo de los gigahertzios . Las altas frecuencias de resonancia disponibles de los dispositivos MEMS y NEMS, con los tiempos de conmutación rápida asociados, han sido usados exitosamente en numerosas aplicaciones, incluyendo conmutadores mecánicos y elementos de memoria, detectores de masa o inerciales y otros elementos selectivos de frecuencia como filtros, mezcladores y amplificadores. Aunque los dispositivos MEMS han gozado de popularidad en numerosas aplicaciones y se beneficiaron de un esfuerzo difundido en investigación, los dispositivos MEMS no han encontrado un uso tan grande. Una dificultad en la aplicación efectiva de dispositivos MEMS a un problema dado es que la magnitud de la señal derivada de la operación de un dispositivo MEMS puede ser dificil de detectar y la fuerza de la señal puede ser significativamente menor que la de los dispositivos MEMS de la contraparte. Debido a que los
dispositivos MEMS operan en un intervalo de frecuencias de gigahertzios, las respuestas a escala pequeña se caracterizan típicamente por menores amplitudes y un incremento en los efectos disipativos, lo que da como resultado una pérdida de fidelidad de la señal. Las pérdidas de señal son el resultado de numerosos fenómenos y con frecuencia son bien conocidos. Por ejemplo, los efectos disipativos son incrementados por el aumento de la sensibilidad a la superficie o defectos inducidos por el procesamiento en las estructuras de silicio. La relación de superficie a volumen de los dispositivos se incrementa de este modo haciendo la sensibilidad a defectos más pronunciada, y la sensibilidad a pérdidas de sujeción derivadas de los puntos de montaje de gas también se incrementa. En consecuencia, las pérdidas que eran pequeñas o despreciables en dispositivos MEMS se vuelven significativas en los dispositivos MEMS más pequeños a medida que la sensibilidad al efecto disipativo se incrementa. La disminución en el tamaño del sistema también conduce a un incremento en la rigidez efectiva de la estructura, dando como resultado desplazamiento extremadamente pequeños aún en el modo de resonancia. Las estructuras más grandes pueden proporcionar armónicas de orden superior para superar algunos de los efectos dependientes del tamaño, pero la amplitud de las armónicas de orden superior disminuye rápidamente con el incremento del orden armónico.
Las dificultades en la aplicación de los dispositivos NEMS para producir estructuras mecánicas de RF y alta velocidad, por ejemplo, son de este modo altamente desafiantes. Los materiales que pueden ser desafiantes para trabajar con ellos, como el carburo de silicio y diamante, proporcionan velocidades de sonido más altas sobre la base de la relación rigidez-densidad
E (2) P
Otros factores implicados en proporcionar un dispositivos NEMS deseado incluyen la longitud de la viga L, la cual deberá ser de escala submicrónica para obtener intervalos de frecuencia de gigahertzios. A medida que el tamaño de la viga oscilante disminuye hasta la escala submicrónica, la relación entre la rigidez elástica del material y las dimensiones estructurales dan como resultado dificultades en la detección de desplazamientos a nivel femtométrico en las estructuras submicrónicas. Están disponibles algunas técnicas para detectar el movimiento mecánico a escala femtométrica, como el acoplamiento del resonador a un solo transistor electrónico de RF, o utilizar un detector SQUID, un detector piezoeléctrico o interferometría óptica. Esos tipos de esquemas de detección típicamente tienen el objetivo de
permitir la observación del movimiento mecánico cuántico. Sin embargo, la sensibilidad de la medición del equipo a frecuencias cercanas a los GHz a temperaturas millikelvin continúa siendo de órdenes de magnitud más allá del tamaño de la señal mecánico cuántica. Por ejemplo, la observación del comportamiento cuántico es gobernada por la disipación o relajación de energía de 1/Q. A medida que las estructuras se vuelven más pequeñas, y de este modo más rígidas, la constante elástica k se incrementa y el desplazamiento a la resonancia, x=FQ/k disminuye para una amplitud dada de fuerza F. Aunque es deseable obtener dispositivos mecánicos a escala submicrónica para generar osciladores en el intervalo de los gigahertzios, también es importante tener una estructura con características relajadas para hacer disminuir la constante elástica k para obtener un desplazamiento más grande y detectable. Los haces individuales en el intervalo de los gigahertzios producen desplazamientos pequeños a resonancias que son muy difíciles de detectar y es difícil desacoplar la constante eléctrica k de la frecuencia natural de la viga. La relación entre la constante elástica k y la frecuencia natural produce influencias de dispersión de señal que son difíciles de superar debido a que la constante elástica y la constante naturales son difíciles de desacoplar. En consecuencia, es extremadamente difícil realizar un oscilador
de frecuencia al nivel de gigahertzios sobre la base de una estructura vibratoria, como la de una viga.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Dicho de manera breve, de acuerdo con la presente invención, se proporciona una estructura nanometálica con numerosos elementos vibratorios distintos adecuados para la oscilación por resonancia. Los elementos tienen un tamaño y relación geométrica que permite un gran número de modos resonantes. Los modos resonantes incluyen la vibración colectiva en la cual la frecuencia naturalmente alta de los elementos menores se acopla a la constante elástica naturalmente baja de los elementos mayores. La respuesta más grande producida por la reproducción de los elementos mayores es fácilmente detectada para obtener un oscilador mecánico que opera en un intervalo de frecuencia de gigahertzios. De acuerdo a una modalidad ejemplar, una estructura basada en una viga se excita de acuerdo a una o más técnicas de excitación para producir una oscilación de alta frecuencia que puede ser detectada fácilmente. La estructura exhibe frecuencias de resonancia fuerte y definida superiores a 1 GHz, por ejemplo. Uno o más elementos menores se acoplan a la estructura basada en la viga mayor, de modo que la combinación de las salidas vibratorias de los elementos mayor y menor produce un desplazamiento relativamente grande a
frecuencias de resonancia en el intervalo de los gigahertzios que puede ser fácilmente detectado. De acuerdo con otra modalidad ejemplar, un elemento mayor del oscilador se encuentra en el intervalo mecánico y consiste en una estructura o viga en forma de puente suspendida doblemente sujetada. Uno o más elementos menores en el intervalo submmicrónico se acoplan a la viga doblemente sujetado, a través de acoplamiento mecánico y se forman como haces en voladizo. Las frecuencias naturales de los haces en voladizo submicrónicos están en o cerca de la frecuencia de oscilación deseada. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, los elementos menores están arreglados en arreglos con una separación particular para promover la oscilación a una frecuencia dada. De acuerdo con otra modalidad ejemplar, los elementos mayor y menor que tienen diferentes frecuencias naturales se acoplan juntos para formar una estructura compuesta adecuada para la oscilación a alta frecuencia y detección de frecuencia. De acuerdo con un aspecto de esta modalidad, los elementos menores pueden ser arreglados en arreglos para formar una geometría del tipo de escalera. El acoplamiento de los elementos mayor y menor se logra de acuerdo a una relación predeterminada, por ejemplo, una relación elástica. La resonancia de alta frecuencia junto con la respuesta de gran amplitud permite que la estructura compuesta sea usada
en un número de aplicaciones sofisticadas y comunes. Por ejemplo, la estructura compuesta es selectiva del modo, lo cual es útil para filtrar y mezclar frecuencias. La estructura compuesta también puede ser diseñada para amplificar resonancia de alta frecuencia de elementos menores a través de los elementos mayores acoplados. En consecuencia, las aplicaciones en la industria de las telecomunicaciones son abundantes . De acuerdo a otra modalidad se proporciona aquí una estructura compuesta con modos normales distintos que exhiben resonancias a frecuencias de gigahertzios, por ejemplo, los elementos mayores y menores en la estructura compuesta están arreglados específicamente para obtener la operación a un modo normal particular. Los modos de operación de las estructuras contempladas de acuerdo con la presente invención pueden incluir modos de torsión, modos de dilatación, modos de corte, modos de rotación y modos de compresión longitudinal o modos de relajación. Esos tipos de estructura compuesta son diferentes de la estructura de la viga doblemente sujetada descrita anteriormente, la cual exhibe un modo de operación transversal . De acuerdo con un aspecto particular de la modalidad, un arreglo de elementos menores puede ser arreglado de modo que tenga un modo transversal, y ser acoplado a elementos intermedios que produzcan un modo longitudinal. Los elementos intermedios pueden acoplarse a
los elementos mayores para generar un modo torsional basado en el modo longitudinal transmitido desde los elementos intermedios . De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la estructura compuesta está formada por una serie de estructuras en forma de anillo acopladas entre sí con estructuras de muelle sensibles a la compresión. Los modos de alta frecuencia de los elementos menores son comunicados coherentemente al elemento mayor . De acuerdo a otro aspecto de la presente invención, la estructura compuesta está configurada para tener una respuesta no lineal para permitir la generación del comportamiento de modo mezclado. El comportamiento del modo mezclado permite la conversión ascendente y/o descendente de la señal en la cual la estructura convierte una señal portadora de alta frecuencia a una señal de menor frecuencia para el procesamiento y análisis, por ejemplo. La respuesta no lineal ilustra el uso de un elemento mecánico como elementos analógicos a no lineales de componentes RF eléctricos. Las estructuras compuestas no lineales pueden ser combinadas para crear juntas un circuito amplificador con un ancho de banda sintonizable, por ejemplo, la estructura compuesta permite el comportamiento en modo mezclado con relación al accionamiento no lineal por el dispositivo. En consecuencia, la estructura compuesta puede ser afinada para
que tenga una característica de mezclado de modo particular para incluir o excluir ciertas frecuencias de bandas de frecuencia . De acuerdo a otra modalidad ejemplar de la presente invención, la estructura compuesta tiene una respuesta no lineal para generar estados biestables o multiestables para la estructura, sobre la base de la señal de excitación dada. En consecuencia, la estructura compuesta puede ser usada como un- elemento de memoria mecánico, un detector de masa o puede ser usada en otras aplicaciones que utilicen biestabilidad y multiestabilidad en un dispositivo detector. De acuerdo con otra modalidad ejemplar de la presente invención, las frecuencias de resonancia de la estructura compuesta son modificadas con la aplicación de una polarización de CD adecuada. La visión de una polarización de D adecuada produce tensión adicional sobre la estructura compuesta, lo cual da como resultado un cambio de las frecuencias de resonancia. La aplicación de la polarización CD puede ser usada para afinar las resonancias características del dispositivo compuesto para obtener blancos de frecuencia predeterminada, por ejemplo. La aplicación en la polarización de CD también puede ser usada para producir una desviación o cambio de banda en las frecuencias del dispositivo compuesto. Una desviación o cambio de banda puede ser útil para cambiar
entre frecuencias de transmisión y recepción, por ejemplo, así como para modular el factor de calidad Q del dispositivo compuesto dentro de un ancho de banda deseado. De acuerdo a otra modalidad ejemplar de la presente invención, el dispositivo compuesto está configurado para tener distintas calidades de operación sobre la base de configuraciones relacionadas con el tamaño, frecuencia, o temperatura. Una de las distintas cualidades disponibles con las estructuras compuestas es el comportamiento dinámico cuántico, el cual permite la realización de un oscilador armónico cuántico cromacroscópico (MQHO) . El umbral de frecuencia para realizar un MQHO es de aproximadamente un gigahertz . De acuerdo con un aspecto de la presente invención, las estructuras compuestas pueden ser operadas a alta frecuencia con un movimiento de gran amplitud para permitir el estudio y desarrollo de dispositivos controlables para usarse como bits cuánticos o cubits, la unidad básica de almacenamiento de información cuántica. Las estructuras compuestas pueden ser arregladas en arreglos, donde cada uno de los cubits tenga la capacidad de ocupar varios estados computacionales diferentes al mismo tiempo. Los diferentes estados concurrentes permiten calcular en paralelo de manera masiva algoritmos, esquemas criptográficos y anticriptográficos, así como ofrecer la posibilidad de
estudiar sistemas mecánico y dinámico cuántico en tiempo real. De acuerdo con otra modalidad ejemplar de la presente invención, los diferentes elementos proporcionados en la estructura compuesta pueden variar en gran medida en términos de la escala dimensional. Por ejemplo, pueden ser formadas estructuras compuestas que incorporen elementos con escalas dimensionales que fluctúen de subnanómetros, es decir, < 10~9 m hasta supramilímetros, es decir, < 10~3 m metros. El movimiento colectivo de los elementos menores determina las frecuencias de resonancia, las cuales pueden estar en el intervalo de escala de los gigahertz o terahertz. El movimiento colectivo de los elementos de la estructura compuesta proporciona desplazamientos que son fácilmente detectables a través de técnicas de medición básicas. Los elementos, su arreglo y tamaño determinan la banda de frecuencias en la cual opera el dispositivo compuesto. De acuerdo con otra modalidad ejemplar de la presente invención, en número de estructuras compuestas se arreglan en un arreglo para utilizarse en una aplicación particular. El arreglo puede ser incoherente, caso en el cual la estructura compuesta es sustancialmente independiente. De manera alternativa, o además, el arreglo de estructuras compuestas puede ser configurado para ser una colección de arreglos en fase en la cual cada estructura compuesta constituyente forma un elemento intermedio de una estructura
compuesta más grande. El acoplamiento de las diferentes estructuras compuestas en el arreglo puede ser logrado de acuerdo a un número de técnicas, como, por ejemplo, mecánica, eléctrica, electromagnética u óptica. La colocación precisa de cada estructura compuesta constituyente permite que sea comunicada una señal de resonancia de manera coherente de una estructura compuesta a otra en el arreglo. Pueden ser usados diferentes tipos de estructuras compuestas en el arreglo, de modo que la señal de resonancia comunicada pueda ser modificada o modulada entre las diferentes estructuras compuestas. De manera ventajosa, las estructuras compuestas adjuntas en el arreglo tienen alguna superposición del intervalo de frecuencia. Una señal de entrada puede ser transmitida de manera coherente a través del arreglo en fase, y puede ser manipulada por los elementos del arreglo en fase. Por ejemplo, el arreglo en fase puede efectuar una conversión ascendente/descendente de una señal entrante con relación a una señal portadora. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, los elementos de la estructura compuesta pueden ser formados de acuerdo con un número de diferentes geometrías, ya sea como un todo o en parte. Esas geometrías pueden incluir ligas voladizas, puentes libres, libre-libre, puentes libre-sujetado, puente su etado-sujetado, discos, anillos, prismas, cilindros, tubos, esferas, manguitos, resortes, polígonos,
diafragmas y toroides, por ejemplo. La estructura compuesta puede ser excitada a través de una excitación a una frecuencia en modo de resonancia a través de técnicas que incluyen la fuerza electrostática, tensión piezoeléctrica, atracción magnética, fuerza magnetomotriz y expansión y contracción térmica. La detección de vibración en la estructura compuesta puede ser lograda por un número de técnicas, incluyendo la fuerza electrostática a su través, tensión piezoeléctrica, tensión piezoresistiva, atracción magnética, fuerza magnetomotriz, expansión y contracción térmica y técnicas ópticas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La presente invención es descrita con mayor detalle más adelante, con referencia a las figuras acompañantes, en las cuales : La Figura 1 es una micrografía de una modalidad de la presente invención; La Figura 2 es una micrografía de una colección de estructuras compuestas en un arreglo bidimensional; Las Figuras 3a-3f son vistas en perspectiva de la asimilación de una estructura compuesta excitada a diferentes frecuencias ; La Figura 4 es una gráfica de un espectro de respuesta de frecuencia calculada para una estructura
compuesta de acuerdo con la presente invención; La Figura 5 es una gráfica de un espectro de respuesta de frecuencia medida para una estructura compuesta de acuerdo con la presente invención; La Figura 6 es una gráfica de una respuesta de frecuencia medida de una estructura compuesta de acuerdo con la presente invención; La Figura 7 es una gráfica de una respuesta de frecuencia medida de una estructura compuesta de acuerdo con la presente invención; La Figura 8 es un diagrama que ilustra una relación entre los diferentes modos de una estructura compuesta configurados con un filtro de paso de banda; Las Figuras 9a-9b son vistas en perspectiva de varias simulaciones de una estructura compuesta no lineal de acuerdo con la presente invención; La Figura 10 es una vista en planta de dos estructuras multielemento de acuerdo a una modalidad ejemplar de la presente invención; La Figura 11 es una vista plana de dos geometrías anulares de estructura compuesta de acuerdo a una modalidad ejemplar de la presente invención; La Figura 12 es una vista en planta de la geometría de estructura compuesta con elementos intermedios de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención;
La Figura 13 es una vista en planta de la geometría de estructura compuesta de acuerdo a otra modalidad ejemplar de la presente invención; La Figura 14 es un diagrama de una sonda para usarse en aplicaciones de microscopía de acuerdo con la presente invención; La Figura 15 es una gráfica que ilustra los efectos de una aplicación de una polarización de CD sobre la frecuencia de resonancia de una estructura compuesta de acuerdo con la presente invención; La Figura 16 es una vista en planta de un arreglo de estructuras compuestas de acuerdo a una modalidad ejemplar de la presente invención; La Figura 17 es una vista en planta de un arreglo de estructuras compuestas de acuerdo a otra modalidad ejemplar de la presente invención;
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un oscilador mecánico con componentes nanoescala que permiten frecuencias de vibración en los intervalos de gigahertz y terahertz. Los elementos a nanoescala son parte de una estructura compuesta que puede tener elementos a escala más grande, como a escala micrométrica o milimétrica. Los elementos a nanoescala se acoplan a los elementos a escala más grande a través de un
acoplamiento mecánico elástico, por ejemplo. La excitación del oscilador puede ser lograda de acuerdo a numerosas técnica diferentes, incluyendo la mecánica, electrostática, eléctrica, electromecánica, magnetomotriz, piezoeléctrica y expansión o contracción térmica. La estructura compuesta puede tener muchas geometrías diferentes para ambos elementos mayor y menor, y varias variantes se discuten más adelantes para cualidades particulares. Será evidente, sin embargo, que la presente invención contempla una amplia variedad de geometrías para lograr el propósito de la presente invención de producir un oscilador mecánico con elementos a nanoescala para generar una frecuencia vibratoria en el intervalo de gigahertz a terahertz. Refiriéndose ahora a las Figura 1 y 2, se ilustra una estructura de puente doblemente sujetada 20 con haces en voladizo acoplados mecánicamente 22. La estructura compuesta 20 está compuesta de un elemento mayor en forma de una viga doblemente sujetado 21 y elementos menores en forma de haces voladizados 22. Cuando la estructura expuesta 20 está compuesta de una fuente de excitación o a oscilaciones de excitación u oscilamiento en la viga 21 y vigas voladizas 22, las vigas voladizas 22 oscilan a una frecuencia mucho mayor que la de la viga 21. La viga 21 tiene una dimensión de aproximadamente 10.7 µm por 400 nm por 250 nm. Existen aproximadamente 40
vigas voladizas 22 arregladas como elementos menores en un arreglo doble de 20 elementos sobre cualquier lado de la viga 21. Las vigas voladizas 20 tienen dimensiones de aproximadamente 500 nm por 250 nm por 250 nm. La estructura compuesta 20 incluye un electrodo de oro 25 como una capa superior, la cual tiene un espesor de aproximadamente 85 nm. La estructura compuesta 20 también incluye una capa 26 delgada de 5 nm compuesta de cromo interpuesto entre la capa del electrodo de oro 25 y una capa de silicón 27 para contribuir a la adhesión del electrodo entre la capa 25 y la capa 27. La estructura compuesta 20 tiene un número de frecuencias de resonancia donde la estructura compuesta opera en un modo de resonancia. Algunos de los modos de resonancia, aquí referidos como modos colectivos, incluyen contribuciones de vigas voladizas 22 en forma de osciladores sincronizados en fase. Los osciladores sincronizados en fase tienen influencias sobre la viga 21 para crear un movimiento resonante en la viga 21 a una alta frecuencia con una gran amplitud. La oscilación de alta frecuencia puede ser detectada muy fácilmente debido a la gran amplitud observada en la viga 21. La capacidad para detectar altas frecuencias permite al oscilador mecánico ser utilizado de manera ventajosa en un número de aplicaciones prácticas donde se desee oscilación de alta frecuencia.
La Figura 2 ilustra un arreglo con un arreglo de estructuras 20 acopladas a un electrodo común 23. Cada estructura 20 puede ser direccionada individualmente a través de electrodos separados 24, o puede ser direccionada de manera comunitaria a través del electrodo común 23. De manera alternativa, o además, el electrodo 23 puede estar compuesto de trazos separados para permitir que cada viga 20 sea aislada de la otra. De acuerdo a esa modalidad, cada estructura 20 puede ser direccionada individualmente a diferentes potenciales, y con diferentes desviaciones de CD, por ejemplo. Además de, o alternativa, una estructura 20 puede ser unida en paralelo o en serie a otra estructura 20 para permitir que las estructuras 20 actúen como componentes de un circuito en un circuito más grande. Además, o de manera alternativa, una o más estructuras 20 pueden ser afinadas de manera particular para las características específicas, o las frecuencias de resonancia particulares. Refiriéndose ahora a las Figuras 3a-3f, se ilustran varios modos de vibración para una estructura 20 en una simulación de elemento finito. Se indican las frecuencias de resonancia calculadas para cada uno de los modos ilustrados para cada estructura 20. Las ilustraciones de simulación para las secuencias de oscilación superiores a 400 MHz demuestran oscilación sincronizada en fase de los elementos menores, vigas voladizas 22. La oscilación sincronizada en fase de las
vigas voladizas 22 contribuye a proporcionar el movimiento de alta frecuencia, alta amplitud de la viga 21, el elemento mayor, para la detección de la frecuencia de resonancia. Refiriéndose ahora a la Figura 4, se ilustra una gráfica 40 del espectro de respuesta de frecuencia calculada. Los cálculos resultantes en la gráfica 40 se derivaron de una simulación de elemento finito, como se ilustra en las Figuras 3a-3f. Como puede observarse en el intervalo de mayor frecuencia de la gráfica 40, un número de modos de resonancia de orden superior de amplitud significativa están disponibles para la generación de frecuencia. El espectro de frecuencias también ilustra un fenómeno de agrupamiento, en el cual se observan diferentes familias de modos de resonancia. Refiriéndose ahora a la Figura 5, se ilustra una gráfica 50 del espectro de respuesta de frecuencia medida sobre la base de la estructura compuesta 20 con la estructura de viga/viga voladiza. La gráfica 50 ilustra un número de picos de resonancia fuertes a frecuencias que se comparan estrechamente con aquellas obtenidas en la simulación del elemento finito. Un aspecto interesante de los picos de alta frecuencia observados en los modos de resonancia a 1.88 GHz y 2.35 GHz es su cercanía a las frecuencias activas para comunicaciones celulares inalámbricas digitales. Refiriéndose ahora a la Figura 6, una gráfica 60 ilustra un pico de frecuencia de resonancia fuerte a
aproximadamente 9.4 MHz de una estructura de puente/viga voladiza compuesta, como la que se ilustra en la Figura 1. El pico o la frecuencia relativamente alta de 9.4 MHz corresponde a la excitación del modo vibratorio transversal fundamental del elemento mayor, la viga 21, con un impacto adicional relacionado con la carga de masa debido a la presencia de elementos de arreglo menores, vigas voladizas 22. Refiriéndose ahora a la Figura 7, una gráfica 70 ilustra una respuesta de frecuencia medida para la estructura de puente/viga voladiza compuesta de la Figura 1 a una alta frecuencia de aproximadamente 2.3456 GHz. Una frecuencia más alta derivada del movimiento de la estructura compuesta 20 es el resultado de la excitación vibratoria de un modo colectivo de orden superior en el cual la viga 21 y las vigas voladizas 22 operan para alcanzar un modo de resonancia total. Como se hizo anteriormente, el pico de frecuencia de resonancia ilustrado en la gráfica 70 está cercano a la frecuencia estándar de comunicación inalámbrica de 2.4 GHz, de modo que la presente invención es fácilmente aplicable a la industria de las telecomunicaciones. Refiriéndose ahora a las Figuras 8 y 9a-9b, un diagrama 80 ilustra una relación entre los modos simétrico y antisimétrico de la estructura del oscilador acoplado 92. La estructura del oscilador acoplado puede ser afinada para crear un filtro de paso de banda, como se ilustra en la
gráfica 82 del diagrama 80. Las Figuras 9a-9b ilustran vigas acopladas doblemente sujetadas 92 unidas con un puente flexible 91. La Figura 9a representa un modo antisimétrico 95 en el cual vigas doblemente sujetadas 96, 97 están oscilando fuera de fase entre sí. La Figura 9b representa un modo de oscilación simétrica 94 en el cual vigas acopladas doblemente sujetadas 96, 97 oscilan en fase entre si. Los dos modos diferentes, el modo simétrico 94 y el modo antisimétrico 95, representan intervalos de frecuencia en combinación con el que puede ser afinado mediante el ajuste de las dimensiones de la estructura 92, así como la constante elástica del puente 91. La frecuencia del modo simétrico 94 y el modo antisimétrico 95 también pueden ser afinadas con la adición de puentes caracterizados particularmente para permitir el diseño y colocación de frecuencias de paso de banda. En consecuencia, puede ser usada una sola estructura con una geometría del tipo de escalera producir un dispositivo que pueda amplificar modos de resonancia superior generados a través del movimiento colectivo de los elementos mayores y menores en el oscilador de gigahertzios. La proximidad relativa de los modos simétricos y antisimétrico en el dominio de frecuencia establece un filtro de paso de banda efectivo. La forma de la banda de paso puede ser modificado con la adición de arreglos de elementos mayores y/o menores para obtener, por ejemplo, una banda de paso más plana o un
filtro más efectivo. El acoplamiento, o los elementos intermedios, como el puente 91, tienden a mediar la interacción entre los elementos mayor y menor para permitir un incremento en la amplificación y respuesta de fidelidad de la señal. El acoplamiento o los elementos intermedios también muestran mezclado mecánico, en el cual los elementos mayores generan señales de suma y diferencia de una entrada a dos o más frecuencias diferentes. El acoplamiento preciso de los elementos mayores y menores en una relación predeterminada proporciona un método único para diseñar filtros y mezcladores con dispositivos a gran escala que operan en el intervalo de gigahertzios con alta precisión y repetitividad. Refiriéndose ahora a la Figura 10, las estructuras
100a y 100b tienen una geometría del tipo de escalera con vigas débilmente sujetadas 101-104 y elementos menores 105-108. Los elementos menores 105-108 están en forma de un arreglo que acopla los elementos mayores 101-104 en una geometría particular, como por ejemplo, una geometría del tipo de escalera. Las estructuras 100a y 100b tienen espectros de respuesta de frecuencia únicos debido al acoplamiento de los elementos mayores 101-104 con elementos menores 105 y 107, respectivamente. A este respecto, los elementos menores 105 y 107 pueden ser considerados elementos intermedios que comunican información vibratoria entre los elementos mayores 101-104. La ausencia de ligas voladizas
para la estructura 100a produce una respuesta de frecuencia significativamente diferente en comparación con la estructura 100b, con vigas voladizas 106 y 108. Como se discutió anteriormente, los elementos mayores y menores de las estructuras 100a y 100b pueden ser diseñados para proporcionar espectros de respuesta de frecuencia particular y producir modos de resonancia simétricos y antisimétricos. Los modos de resonancia simétricos y antisimétricos pueden ser explotados para formar filtros de paso de banda de alta frecuencia. Refiriéndose ahora a la Figura 11, se ilustra una geometría alternativa como estructuras 110a y 110b, con elementos mayores 111, 112 en forma de anillos. Un arreglo de vigas voladizas de alta frecuencia 113-115 se coloca como elementos menores alrededor de los anillos 111, 112 para contribuir a la traducción de modos colectivos de oscilación. Las estructuras 110a, 110b forman resonadores anulares con vibraciones transversales colectivas de vigas voladizas 113-115 que generan una respuesta de alta frecuencia en los elementos anulares mayores 111, 112. La respuesta de alta frecuencia resultante de las vibraciones transversales puede ser derivada del tipo de porción, flexión, dilatación o cualquier otro tipo de respuesta de modo normal permitido por las estructuras anulares 111, 112. Series de estructuras anulares como las estructuras
anulares 110a, 110b pueden ser acoplados juntas con, por ejemplo, estructuras de muelle sensibles a la compresión. Con ese acoplamiento, los modos de alta frecuencia de los elementos menores pueden ser comunicados coherentemente a los elementos mayores y estructuras acopladas. Como se describió anteriormente, las estructuras acopladas pueden recibir una respuesta no lineal, en la cual los modos simétricos y antisimétricos de resonancia para generar espectros de frecuencia particulares para usarse en la amplificación, filtración o mezclado, por ejemplo. Refiriéndose ahora a la Figura 12, se ilustra otra geometría para una estructura compuesta 120. La estructura compuesta 120 ilustra el uso de elementos que tienen más de un tamaño de escala para formar un oscilador con características de frecuencia particulares. La estructura compuesta 120 incluye vigas suspendidas libremente 122, 123, soportadas por elementos de puente 124, 125, respectivamente. Las vigas de baliza 126, 127 son unidas a las vigas 122, 123, las cuales actúan como elementos intermedios para el acoplamiento de una respuesta de oscilación particular para mantener la viga doblemente sujetada 121. La estructura compuesta 120 exhibe de este modo características de frecuencia particulares que pueden ser diseñadas sobre la base de las dimensiones de los elementos mayores y menores, así como las características de los elementos intermedios
como las vigas 122, 123 o los puentes 124, 125. Refiriéndose ahora a la Figura 13, se ilustra otra geometría para una estructura compuesta 130. La estructura compuesta 130 se forma con elementos de diferentes tamaños de escala y diferentes formas de modo vibratorio. Los anillos 131 y 132 actúan como elementos mayores de la estructura compuesta 130, mientras que los radios 133, 134 acopla los anillos 131, 132 entre sí, y también a la conexión central 135 formada como un elemento a escala más grande. La estructura compuesta 130 proporciona un número de modos vibratorios, incluyendo combinaciones de modos longitudinal, transversal, de flexión, dilatación, rotacional y torsional. Nuevamente, los componentes de la estructura compuesta 130 pueden ser diseñados de modo que tengan una respuesta no lineal y produzcan modos simétrico y asimétrico para usarse en aplicaciones de amplificación, filtración y mezclado, así como a intervalos de frecuencia particulares. Refiriéndose ahora a la Figura 14, se ilustra un diagrama 140 de una punta de microscopía de sonda de barrido (SPM) que incorpora una estructura compuesta de acuerdo con la presente invención. Las estructuras compuestas 142 están colocadas en un extremo 143 de un soporte rígido 144, al cual las estructuras compuestas 142 se acoplan para la recuperación de la topología y otra información durante un barrido de una superficie. Una punta puntiaguda
automáticamente 45 es acoplada a una estructura compuesta
142. Cuando la punta 145 es llevada cerca de una superficie bajo estudio, las fuerzas relevantes como las atómicas, magnéticas y así sucesivamente hacen que la punta 145 se doble. La estructura compuesta 142 es excitada a una frecuencia de resonancia de modo colectivo y puede recuperar la información de la deflexión sobre la base de cambios de frecuencia. Las estructuras compuestas 142 son barridas o exploradas por trama a través de una superficie muestra bajo estudio, de modo que puedan ser posibles velocidades de barrido del orden de nanosegundos. Esta técnica puede ser aplicada en microscopía de fuerza automática (AFM) y microscopía de fuerza magnética (MFM) . El soporte 144 opera como una horquilla de sintonización que explora sobre la superficie a ser estudiada mientras la punta 145 se encuentra fracciones de nanómetro lejos de la superficie bajo estudio. La deflexión en la punta 145 es usada para trazar el mapa de la superficie, lo cual puede ser logrado a altas velocidades debido a la simplicidad y aplicabilidad directa de los osciladores de estructura compuesta proporcionados de acuerdo con la presente invención. Variaciones previas de dispositivos SPM y tecnologías usadas para sintonizar dispositivos de horquilla con frecuencias de resonancia en el intervalo de kilohertzios . Las estructuras compuestas 142 de acuerdo con la presente invención contribuyen a crear una
estructura de horquilla de sintonización donde el soporte vibratorio para la punta atómica 145 es proporcionado por estructuras compuestas 142. Debido a que la estructura de horquilla de sintonización resultante puede operar en el intervalo de megahertzios, las velocidades de exploración pueden ser muchas órdenes de magnitud más rápidas que aquellas actualmente disponibles. Refiriéndose ahora a la Figura 15, una gráfica 150 ilustra un impacto sobre la frecuencia de resonancia sobre un voltaje de CD aplicado. Como puede observarse de la gráfica 150, una polarización de CD aplicada a una estructura compuesta de acuerdo a la presente invención tiende a desviar o cambiar la frecuencia de resonancia en una dirección particular y en un grado particular. Las curvas de respuesta de frecuencia ilustradas en la gráfica 150 se derivaron de una viga doblemente sujetada, simple, como una estructura compuesta. Sin embargo, el mismo efecto de la polarización de CD aplicada se obtiene sobre variedades de geometrías de estructuras compuestas, para permitir una sintonización controlable de un modo de frecuencia de resonancia sobre un amplio intervalo de frecuencias. La aplicación de una polarización de CD de tamaño apropiado proporciona tensión adicional sobre la estructura compuesta, lo cual hace que la frecuencia de resonancia se desvíe o cambie en consecuencia. Las frecuencias de resonancia o la estructura compuesta
pueden de este modo ser afinadas para corresponder a los blancos de frecuencia predeterminados. La aplicación o remoción de una polarización de CD puede ser usada para cambiar el dispositivo de las frecuencias transmisoras a las receptoras, por ejemplo. Además, o de manera alternativa, la aplicación de una polarización de CD puede ser usada para modular un factor de calidad en el dispositivo dentro de un ancho de banda deseado. Por ejemplo, la magnitud y polaridad de la polarización de CD aplicada puede ser usada para sintonizar o afinar dinámicamente una estructura compuesta oscilante para seguir una frecuencia dada con un alto grado de precisión. Como otro ejemplo, la polarización de CD puede ser usada para modular un factor de calidad de un dispositivo dentro de un ancho de banda deseado. Refiriéndose ahora a la Figura 16, se ilustra un arreglo 160 de estructuras compuestas 162. Las estructuras compuestas 162 pueden ser independientes, o pueden estar arregladas para operar al unísono, por ejemplo, en un modo en fase o antifase. Cuando una o más estructuras compuestas 162 sean independientes, se tiene acceso a ellas, se excitan y se miden independientemente. Si una o más estructuras compuestas 162 son coordinadas, una relación entre las estructuras compuestas 162 permite una operación coordinada o sincronizada en la cual las estructuras compuestas 162
dependen de la operación y características de las estructuras compuestas relacionadas correspondientes 162. Por ejemplo, en un arreglo en fase, las estructuras compuestas 162 tienen una superación y acoplamiento particular entre sí, de modo que las acciones o fenómenos experimentados sobre la estructura compuesta 162 son comunicados a estructuras compuestas adjuntas 162. El arreglo en fase efectivamente hace que cada estructura compuesta constituyente 162 actúe como un elemento intermedio de una estructura compuesta más grande, como el arreglo 160. Las estructuras compuestas constituyentes 162 se acoplan efectivamente juntas para comunicar la información vibratoria a través del arreglo. El acoplamiento de las estructuras compuestas 162 puede ser mecánico, eléctrico, electromagnético o capacitivo, por ejemplo. El arreglo puede ser construido para generar filtrar, recibido o amplificar señales como señales eléctricas, electromagnéticas u ópticas. La comunicación precisa de las estructuras compuestas constituyentes 162 permite que una señal resonante de cada estructura compuesta 162 sea comunicada de manera coherente a una estructura compuesta adjunta 162 para propagar una señal a una frecuencia o intervalo de frecuencias dado. Las estructuras compuestas 162 en el arreglo 160 no necesitan ser idénticas, y típicamente tiene una superposición de frecuencia para transmitir una señal del arreglo, potencialmente a través de diferentes frecuencias. Por
ejemplo, puede ser usado un arreglo en fase para transmitir una señal, o efectuar una conversión ascendente o descendente sobre una señal entrante para producir una señal portadora, o viceversa . Refiriéndose ahora a la Figura 17, se ilustra otra modalidad de un arreglo en fase 170. El arreglo 170 incluye elementos mayores en forma de vigas 172. Las vigas 172 están ancladas en un extremo, unidas comúnmente a la vez en el otro extremo. Con la construcción de acuerdo al arreglo 170, las vibraciones de las oscilaciones en cualquiera de las estructuras compuestas 172 son comunicadas a las otras estructuras compuestas 172, y viceversa. El arreglo 170 es más sensible a estímulos externos y pueden ser señales portadoras proporcionalmente más fuertes producidas, por ejemplo. Será evidente que los arreglos de las estructuras compuestas no se limitan a un solo tipo de estructura, dirección o plano, sino que pueden construirse de modo que tengan vigas activas en direcciones múltiples para comunicar señales o responder a estímulos externos. El dispositivo de acuerdo con la presente invención puede ser fabricado de acuerdo con un número de técnicas tomadas de la industria de semiconductores, incluyendo sobre un aislante (SOI) . La estructura compuesta puede ser definida a través de técnica litográfica usando una fuente de haz de electrones. La fotolitografía también puede ser usada para
obtener la precisión apropiada y las dimensiones deseadas por el dispositivo, especialmente si es usada una tecnología de fuente y máscara de UV profunda más reciente. La definición en la estructura y la liberación de la estructura se logran de acuerdo con una modalidad ejemplar a través de grabado iónico reactivo (RÍE) y ataque químico en húmedo con ácido fluorhídrico (HF) y secado de punto crítico. Esos pasos de fabricación están establecidos dentro de la industria de los semiconductores, de modo que los dispositivos de acuerdo con la presente invención pueden ser construidos fácilmente y sin mayor gasto. Los materiales usados para fabricar el dispositivo de acuerdo con la presente invención incluyen metales puros, aleaciones metálicas, composiciones semiconductoras alternativas como carburo de silicio (SiC) , diamante, compuestos de metal /semiconductores o combinaciones de los anteriores . El cuarzo u otros materiales relacionados también pueden ser usados para el accionamiento y detección piezoeléctrica . Las dimensiones de una estructura compuesta como la que se ilustra en la Figura 1, cuando está compuesta de silicio, son de aproximadamente 10.7 µm de longitud y 400 nm de ancho en una modalidad ejemplar. Los arreglos de vigas voladizas sobre el otro lado de la viga central tienen dimensiones de 5400 nm para la longitud y 200 nm para el ancho, mientras que el espesor de toda la estructura es de
aproximadamente 245 nm. El dispositivo incluye una capa de silicio, un espesor de aproximadamente 185 nm y una capa de poro evaporado térmicamente que sirve como un electrodo con un espesor de aproximadamente 60 nm. Existen numerosas aplicaciones para el dispositivo de acuerdo con la presente invención, como unas cuantas de las cuales se discuten más adelante. Un caso donde el dispositivo de acuerdo a la presente invención es fácilmente aplicable es para un dispositivo encaminador o correcto de RF. Otra aplicación está dirigida a recibir una señal portadora y absorber o procesar la señal, y retransmitir la señal en una o más direcciones. El dispositivo de acuerdo con la presente invención tiene un tamaño muy pequeño y alta fidelidad, de modo que puede ser usado un número masivo de dispositivos juntos para generar señales de comunicación confiables en un espacio muy confinado. Debido a que el dispositivo es de naturaleza mecánica, la invención es adecuada para dispositivos de comunicación espacial, los cuales son sometidos típicamente a grandes cantidades de tensión física y radiativa durante sus vidas de tieppo útiles. Los dispositivos que no dependen de las propiedades eléctricas de los coi?ponentes, como un dispositivo mecánico de acuerdo a la presente invención, son típicamente más elásticos al choque térmico, electromagnético, radiación y aceleración. Otra aplicación muy difundida para el dispositivo
de acuerdo con la presente invención es para una cabeza de lectura/escritura para unidades de disco de platina magnética. La velocidad de lectura/escritura para la unidad de disco es determinada por la capacidad de la cabeza para registrar cambios en los dominios magnéticos sobre la superficie de la platina. El dispositivo de acuerdo con la presente invención permite la detección de los dominios magnéticos a velocidades incrementadas en gran medida para permitir velocidades de lectura/escritura que son significativamente más rápidas que las de los dispositivos actuales . De acuerdo con una modalidad de la presente invención, la estructura compuesta es forzada o diseñada para tener una respuesta no lineal para generar un comportamiento de modo mezclado. La estructura compuesta no lineal demuestra conversión ascendente o descendente de señales, donde una señal portadora de alta frecuencia y convertida a una señal de menor frecuencia para su procesamiento y análisis, y viceversa. Aunque han sido usados elementos no lineales en los circuitos de RF eléctricos para obtener la conversión ascendente o descendente, la presente invención proporciona una realización mecánica para producir el mismo resultado. La estructura compuesta no lineal también es adecuada para usarse como un circuito amplificador con un ancho de banda sintonizable. El grado en el cual los modos
son mezclados se relaciona con el accionamiento no lineal del dispositivo, de modo que se logre fácilmente la sintonización del mezclado de modo para incluir o excluir ciertas frecuencias o bandas de frecuencia. Una estructura compuesta con una respuesta no lineal también permite operar condiciones que exhiban bioestabilidad o multiestabilidad. En consecuencia, otras implementaciones establecidas capitalizando los modos biestables. La biestabilidad o multiestabilidad puede ser obtenida en los modos colectivos, de modo que un elemento pueda operar a frecuencias superiores a 1 GHz. De acuerdo con la presente invención, la estructura compuesta puede tomar la forma de o ser operada como un dispositivo similar a una antena. Es decir, que la estructura compuesta es sensible a o puede generar ciertas frecuencias o intervalos de frecuencia de acuerdo con criterios de diseño de antenas establecidos. En consecuencia, la estructura compuesta puede tomar la forma de cualquier tipo de antena conocida, como aquellas descritas e ilustradas anteriormente. La estructura compuesta tiene la capacidad de demostrar un comportamiento dinámico cuántico bajo ciertas condiciones relacionadas con el tamaño, frecuencia o temperatura. Por ejemplo, una meta básica en la realización del llamado oscilador armónico cuántico microscópico (MQHO) es establecido en la frecuencia resonante, de modo que la
energía dentro de cada modo hf sea comparable a más o menos la energía térmica del dispositivo kBT . Aquí, h es la constante de Planck, f es la frecuencia resonante, kB es la constante de Boltzmann, y T es la temperatura. Para una temperatura de 48 mK, este umbral se alcanza cuando la frecuencia de es 1 GHz. Con la alta frecuencia, el movimiento de gran amplitud permitido por las estructuras compuestas de acuerdo con la presente invención, es posible desarrollar dispositivos controlables que puedan ser usados como bits cuánticos ("qubits") , una unidad básica de almacenamiento de información cuántica. Los arreglos de qubits tienen la capacidad de ocupar varios estados computacionales diferentes a la vez, permitiendo algoritmos de cálculo paralelos masivamente, esquemas criptográficos y anticriptográficos excepcionales, y la capacidad de estudiar sistemas mecánico y dinámico cuánticos en tiempo real. La excitación de las estructuras compuestas de acuerdo a la presente invención puede ser lograda a través de un número de técnicas diferentes, incluyendo fuerza electrostática, tensión piezoeléctrica, tensión magnética, fuerza magnetomotriz y expansión y contracción por excitación térmicas. Las técnicas para detectar la amplitud vibratoria del oscilador pueden implicar fuerza electrostática, tensión piezoeléctrica, tensión piezorresistiva, tracción magnética, fuerza magnetomotriz, expansión y contracción de excitación
térmica y técnicas ópticas. Dependiendo de la forma de las estructuras compuestas, la resonancia vibratoria puede tomar la forma de los modos de torsión, transversal, corte, compresión o tensión longitudinal, dilatación, rotación o flexión. Las estructuras compuestas pueden estar compuestas de materiales como silicio, diamante, cuarzo, arseniuro de galio (GaAs) , nitruro de galio (GaN) , carburo de silicio (SiC) , nitruro de silicio (SiN) , metales puros, tiras bimetálicas, semiconductores heterogéneos y composiciones metálicas y composiciones heterogéneas de dos o más materiales semiconductores. La geometrías de las estructuras compuestas incluye cualquier geometría del tipo de antena, así como vigas en voladizo, puentes libre-libre, puentes libre-sujetado, puentes sujetado-su etado, discos, anillos, prismas, cilindros, tubos, esferas, manguitos, resortes, polígonos, diafragmas y toroides . Cualquiera de los elementos mayor, menor e intermedio pueden estar compuestos del todo o en parte de la misma o diferentes geometrías. Además, varias estructuras compuestas de tipo geométrico diferente pueden ser acopladas juntas para obtener respuestas de modo de resonancia particulares. Además será apreciado por aquellos expertos en la técnica que pueden hacerse modificaciones y variaciones a los sistemas de conmutación descritos anteriormente sin apartarse de los conceptos inventivos descritos aquí. En
consecuencia, la invención no deberá ser vista como limitada excepto por el alcance y espíritu de las reivindicaciones anexas . Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.