Een bijna onzichtbaar klein filtertje in je telefoon

Het filter in een mobieltje dat GSM- of 3G-signalen uit de kakofonie van radiosignalen vist, is millimeters groot. Natuurkundigen in Twente bouwden een filter dat kleiner is dan de dikte van een haar.

Wereldberoemd is de Wet van Moore, die stelt dat er elke twee jaar twee keer zo veel transistoren op dezelfde computerchip passen. Toch is het dramatische krimpen van mobiele telefoons, van lompe baksteen tot pennywafel, ook aan een ander soort onderdelenkrimp te danken.

Niet alle onderdelen bestaan uit de transistoren waar Gordon Moore over filosofeerde. Er zijn ook nog filters. Die laten de radiofrequenties door waarnaar de GSM-, Wifi-, 3G- en Bluetooth-ontvanger in een mobieltje luistert – ten koste van alle andere radiofrequenties. Cruciaal, want die zouden anders het zwakke radiosignaal ver overstemmen. „We luisteren eigenlijk naar een vogeltje langs een drukke landingsbaan”, zei hoogleraar Bram Nauta gisteren in de de Dies-rede van de Universiteit Twente, gewijd aan het nog altijd kleiner en krachtiger worden van elektronica.

Een concreet voorbeeld daarvan levert een van zijn Twentse collega’s nu. De Iraanse natuurkundige Hadi Yagubizade promoveert op 13 december op kleinere filters. „Wij hebben een micro-elektromechanisch filter gemaakt dat veel kleiner is dan wat er nu gebruikt wordt”, zegt hij aan de telefoon. Samen met begeleider Niels Tas en collega’s publiceerde Yagubizade vorige maand in het wetenschappelijk tijdschrift Applied Physics Letters over dit ‘vierde-orde band-pass filter’ van 80 bij 80 micrometer, kleiner dan de doorsnee van een haar. Yagubizade: „Nu zijn filters nog vaak millimeters groot.”

Nog groter – centimeters – waren ze in oude radio’s, met filters bestaand uit een spoel en een condensator, een schakeling waarin de stroom heen en weer kon trillen. Dat ging het best op de resonantiefrequentie, de frequentie waar de radio op afgestemd is, zoals een stemvork ook het best trilt op de A van 440 Hertz.

Maar deze condensatoren en spoelen zijn veel moeilijker in te krimpen dan transistoren. Radio’s en smartphones werken daarom al jaren met micro-elektromechanische filters (MEMS, van micro-electromechanical systems), in wezen kleine stemvorkjes die elkaars trillingen overnemen.

Een veelgebruikt filter is bijvoorbeeld het SAW-filter (Surface Acoustic Wave), met twee elektrodes in de vorm van in elkaar geschoven kamprofielen, die bovenop een laagje piëzo-elektrisch materiaal liggen. Dat is een materiaal, bijvoorbeeld loodzirconiumtitanaat (PZT), dat uitzet als er een elektrische spanning op staat, en dat ook een elektrische spanning oplevert als het ingedrukt wordt.

Dat laagje vertaalt het elektrische signaal op één van de kamprofielen naar trillingen, die weer opgepikt worden door het andere kamprofiel. Dat doorgeven van trillingen gaat het beste als de golven precies passen in de ruimtes tussen de twee profielen. Dat is dus de resonantiefrequentie.

Verloren energie

„Dat werkt goed en wordt in moderne smartphones ook al toegepast, maar er gaan wel veel trillingen, dus energie, verloren via de bodem van de piëzo-elektrische laag”, zegt Yagubizade, „dus moet je relatief grote filters bouwen van een paar millimeter, met veel in elkaar grijpende tanden, om toch genoeg signaaloverdracht te krijgen.”

Om de weglekkende trillingen in te dammen, hingen Yagubizade en collega’s de piëzo-elektrische laag los op, als een hangbrug tussen twee oevers van silicium, zodat er geen energie weg kan lekken via de bodem. Met die truc is de signaaloverdracht al een stuk efficiënter. Daardoor is het aantal tanden van elke kam terug te brengen tot twee, als een echte stemvork. De afmetingen van het filterelement konden slinken tot 80 bij 30 micrometer.

„Maar dat was niet de cruciale stap”, zegt Yagubizade. Om het vereiste contrast te krijgen, bestaan filters uit aaneenschakelingen van meerdere filterelementen. „Je schakelt meerdere elementen achter elkaar: je koppelt ze elektrisch of mechanisch.” Als het gewenste signaal in de eerste filterstap tien keer luider doorkomt dan de andere frequenties, en in de tweede stap nog eens tien maal, filtert het complete filter dan in theorie met een factor honderd, ofwel een contrast van 20 decibel. „Maar ik bedacht dat het ook op een andere manier zou kunnen.”

De onderzoeksgroep plaatste twee filterelementen met bijna, maar niet helemaal, dezelfde resonantiefrequentie naast elkaar. Ze krijgen hetzelfde ingangssignaal, en het uitgangssignaal van beide elementen wordt, met hulp van een elektronische schakeling, van elkaar af getrokken.

Waarom? Een eigenschap van resonerende filters is dat het uitgangssignaal bij frequenties onder de resonantiefrequentie mooi in de pas loopt met het ingangssignaal. Maar precies op de resonantiefrequentie klapt het uitgangssignaal om: daarboven loopt het uitgangssignaal juist precies in tegenfase.

Door de uitgangssignalen van elkaar af te trekken, heffen ze elkaar dus in de meeste gevallen op, zegt Yagubizade: „Behalve bij frequenties precies tussen de beide resonantiefrequenties in. Dan krijg je een ander effect. Dan is een signaal al omgeklapt, maar het andere niet. Dus als je ze dan van elkaar aftrekt, versterken ze elkaar juist.”

Dat betekent dat het gecombineerde signaal een extreem scherp onderscheid maakt tussen gewenste en ongewenste frequenties, precies wat een filter moet doen. Het selecteert nauwe banden van 378-382 Mhz met een contrast van 43 decibel.

Kanalen selecteren

Zo’n scherp filter maakt het mogelijk in één stap afzonderlijke kanalen uit het radiosignaal te selecteren. Nu selecteren filters een brede frequentieband tot 100 MHz uit de radiosignalen, waar signaalverwerkende elektronica vervolgens het nauwere kanaal uit destilleert.

„Als je die elektronica kunt weglaten, scheelt dat ook weer ruimte en energieverbruik, dus kunnen er nog weer meer filters in een telefoon”, redeneert Yagubizade. Dat betekent dat de telefoon niet met enkele verschillende frequenties, maar met tientallen of honderden kanalen tegelijk kan communiceren. Niet alleen met GPS, GSM, wifi, maar ook met bijvoorbeeld meerdere sensoren op het lichaam. Yagubizade: „Dat klinkt nu nog wat overdreven, maar daar worden ongetwijfeld toepassingen voor verzonnen.”

Inmiddels worden Twentse patentaanvragen voorbereid, en is een spin-off-bedrijf in de maak. „Ik denk dat, als alles goed loopt, zoiets binnen een jaar of vijf, tien toegepast gaat worden.”