Selvvalsede rør fremstiller miniaturelektronik

(Phys.org) —Med nedskalering som en af ​​hovedaktiviteterne inden for elektronikforskning i dag, forskere og ingeniører udvikler en række miniaturiseringsstrategier, fra dem, der involverer kraftfulde mikroskoper til selvmonteringsmetoder. I en ny undersøgelse, et team af ingeniører har udviklet en måde at miniaturisere spiralinduktorer, der ofte bruges i radiofrekvente integrerede kredsløb (RFIC'er) ved at mønstre induktorceller på en flad, anstrengt nanomembran, der ruller sig op i et rør. I det foreslåede design, miniature induktorer kan være mindre end 1% af størrelsen på konventionelle induktorer samtidig med at de giver en forbedret ydeevne.

Ingeniørerne, ledet af Xiuling Li, Lektor i Institut for Elektroteknik og Computer Engineering ved University of Illinois i Urbana, Illinois, har udgivet deres papir om et design og prototype af selvvalsede induktorer i en nylig udgave af Nano bogstaver .

"Selvrullet nanoteknologi er en platform, min forskergruppe har arbejdet på i flere år, "Fortalte Li Phys.org . "Vi har gjort betydelige fremskridt i flere aspekter af oprulningsprocesstyringen og mekanismeforståelsen, og har ledt efter killer applikationer. Jeg tror, ​​vi måske lige har fundet en. Foreløbige eksperimentelle resultater stemmer overens med simuleringerne. "

Induktorer, som er enheder, der lagrer energi i deres magnetfelter, er almindeligt anvendt i RFIC'er. Som Li forklarede, RFIC'er bruges til både trådløse og kablede kommunikationsapplikationer, fra bærbar forbrugerelektronik til overvågning af slagmarken. Mens andre komponenter i RFIC'er har været konstant faldende, induktorer har ikke været i stand til at nedskalere uden at lide ydelsestab.

"At skrumpe størrelsen uden at gå på kompromis eller endda forbedre ydelsen er altid ønsket, "Sagde Li." Sammenlignet med den aggressive skalering af aktive enheder (transistorer), induktorer har simpelthen ikke været i stand til at følge med tempoet. "

På en RFIC, en typisk spiralinduktor fylder et område på cirka 400 x 400 μm ² . I den nye undersøgelse, forskerne brugte deres nye metode til at designe en spiralinduktor med et areal på 45 x 16 μm ² , hvilket er omkring 0,45% af den konventionelle. Plus, den nye induktor har en Q -faktor (et mål for effektivitet) på 21, sammenlignet med 6 for konventionelle induktorer (undtagen den tykke metaltype), og er betydeligt bedre til at begrænse sit magnetfelt, resulterer i færre tab.

Metoden, forskerne brugte, indebærer at deponere et mønstret metal tyndfilmlag på et anstrengt siliciumnitrid-nanomembran. Hver metalstrimmel langs rulleretningen fungerer som en induktionscelle, og alle cellerne er forbundet med metalforbindelseslinjer.

Når disse anstrengte nanomembraner frigives fra deres substrater, energiafslapningen af ​​deres indledende stamme får dem til at rulle spontant. Momentum genereret af afslapningen får den plane membran til at rulle op fra den ene eller begge ender, og fortsæt derefter med at rulle ind i et rør. Ved omhyggeligt at designe mængden af ​​stress i membranen sammen med andre faktorer, ingeniørerne kan styre den ultimative sammenrullede størrelse på det sidste rør. Et af disse sammenrullede rør fungerer som en spiralinduktor, have et miniaturiseret område som angivet ovenfor. Flere induktorer kan derefter overføres til print og arrangeres efter behag på skiver med foruddesignede RFIC'er.

Selvom der traditionelt har været en afvejning mellem induktorstørrelse og ydeevne, Li forklarede, at forskerne kunne forbedre begge aspekter ved at bruge en 3D -arkitektur fremstillet gennem 2D -behandling.

"I konventionelle plane spiraludformninger, øgning af antallet af omdrejninger øger induktansen; imidlertid, flere svingninger i flyet betyder, at der kræves et større fodaftryk, hvilket fører til mere parasitisk kapacitans med substratet, sænker den selvresonante frekvens, sagde hun. Derfor derfor induktorer skal gå 3D. Til det 3D -spiralinduktorsdesign, vi foreslog, induktansen kan let øges uden at forårsage for meget parasitisk effekt. Som resultat, det sammenrullede 3D-design reducerer ikke kun fodaftrykket, men er også velegnet til applikationer med højere frekvens til et meget mindre arealbudget.

"Behandlingsvanskeligheder og tilhørende omkostninger er nogle af de største udfordringer for tidligere 3D -designs. Den platform, vi foreslår, bruger en unik fremstillingsmetode, hvor 3D -arkitekturer fremstilles gennem 2D -plan behandling. Strukturen bliver først 3D spontant, når den frigøres fra dens mekaniske support. Ingen behandling på buede eller suspenderede overflader er involveret. "

I fremtiden, forskerne planlægger at bygge videre på prototypen præsenteret her og demonstrere mere ideelle strukturer eksperimentelt. De håber også at anvende rulleteknikken på ikke kun induktorer, men også rørbaserede kondensatorer, modstande, filtre, og transformatorer. Alle disse komponenter kunne derefter integreres sammen til en "super miniaturiseret" RFIC -platform.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.