Los científicos han diseñado un inductor 3D que se enrolla a partir de una nanomembrana 2D. El inductor ofrece un mejor rendimiento y ocupa menos espacio que los inductores convencionales. Crédito de la imagen:Wen Huang, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Con la reducción de escala como una de las principales actividades de la investigación electrónica en la actualidad, Los científicos e ingenieros están desarrollando una variedad de estrategias de miniaturización, desde aquellos que involucran microscopios potentes hasta métodos de autoensamblaje. En un nuevo estudio, un equipo de ingenieros ha desarrollado una forma de miniaturizar los inductores en espiral que se utilizan a menudo en los circuitos integrados de radiofrecuencia (RFIC) mediante el patrón de las células del inductor en un plano, nanomembrana tensa que se enrolla en un tubo. En el diseño propuesto, Los inductores en miniatura podrían tener menos del 1% del tamaño de los inductores convencionales y, al mismo tiempo, ofrecer un rendimiento mejorado.
Los ingenieros, dirigido por Xiuling Li, Profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Illinois en Urbana, Illinois, han publicado su artículo sobre un diseño y prototipo de inductores autolaminados en un número reciente de Nano letras .
"La nanotecnología autoenrollable es una plataforma en la que mi grupo de investigación ha estado trabajando durante varios años, "Li dijo Phys.org . "Hemos logrado un progreso significativo en varios aspectos del control del proceso de acumulación y la comprensión del mecanismo, y he estado buscando aplicaciones increíbles. Creo que acabamos de encontrar uno. Los resultados experimentales preliminares son consistentes con las simulaciones ".
Inductores que son dispositivos que almacenan energía en sus campos magnéticos, se utilizan comúnmente en RFIC. Como explicó Li, Los RFIC se utilizan para aplicaciones de comunicaciones inalámbricas y por cable, desde la electrónica de consumo portátil hasta la vigilancia en el campo de batalla. Mientras que otros componentes de las RFIC se han reducido constantemente, los inductores no han podido reducirse sin sufrir pérdidas de rendimiento.
"Siempre se desea reducir el tamaño sin comprometer o incluso mejorar el rendimiento, "Dijo Li." En comparación con la escala agresiva de los dispositivos activos (transistores), los inductores simplemente no han podido seguir el ritmo ".
(a) Un patrón de tiras de conducción en una nanomembrana 2D, con flechas que indican la dirección del flujo de corriente. (b) Una nanomembrana se enrolla debido a la liberación de tensión. Crédito de la imagen:Wen Huang, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
En un RFIC, un inductor en espiral típico ocupa un área de aproximadamente 400 x 400 μm 2 . En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron su nuevo método para diseñar un inductor en espiral con un área de 45 x 16 μm 2 , que es aproximadamente el 0,45% del convencional. Más, el nuevo inductor tiene un factor Q (una medida de eficiencia) de 21, en comparación con 6 para inductores convencionales (excluyendo el tipo de metal grueso), y es significativamente mejor para confinar su campo magnético, resultando en menos pérdidas.
El método que utilizaron los investigadores consiste en depositar una capa de película delgada de metal estampado sobre una nanomembrana de nitruro de silicio deformada. Cada tira de metal a lo largo de la dirección de laminación sirve como una celda inductora, y todas las celdas están conectadas por líneas de conexión metálicas.
Una vez que estas nanomembranas tensas se liberan de sus sustratos, la relajación energética de su tensión inicial hace que rueden espontáneamente. El impulso generado por la relajación hace que la membrana plana se desplace hacia arriba desde uno o ambos extremos, y luego continúe rodando en un tubo. Al diseñar cuidadosamente la cantidad de tensión en la membrana junto con otros factores, los ingenieros pueden controlar el último tamaño enrollado del tubo final. Uno de estos tubos enrollados actúa como un inductor en espiral, tener un área miniaturizada como se indicó anteriormente. Luego, se pueden imprimir por transferencia múltiples inductores y colocarlos a voluntad en obleas con RFIC prediseñados.
Si bien tradicionalmente ha habido una compensación entre el tamaño del inductor y el rendimiento, Li explicó que los investigadores podrían mejorar ambos aspectos utilizando una arquitectura 3D fabricada mediante procesamiento 2D.
Estas son imágenes experimentales de un inductor autoenrollado, impreso en una película muy fina de nitrato de silicio. Crédito:Xiuling LI
"En los diseños espirales planos convencionales, aumentar el número de vueltas aumenta la inductancia; sin embargo, más vueltas en el plano significa que se requiere una huella más grande, que conducen a una mayor capacitancia parásita con el sustrato, bajando la frecuencia auto-resonante, "ella dijo." Por lo tanto, los inductores deben ser 3D. Para el diseño del inductor en espiral 3D que propusimos, la inductancia se puede aumentar fácilmente sin causar demasiado efecto parasitario. Como resultado, El diseño 3D enrollado no solo reduce la huella, pero también es adecuado para aplicaciones de alta frecuencia con un presupuesto de área mucho menor.
"Las dificultades de procesamiento y el costo asociado son algunos de los principales desafíos para los diseños 3D anteriores. La plataforma que proponemos utiliza un método de fabricación único en el que las arquitecturas 3D se fabrican a través del procesamiento plano 2D. La estructura solo se convierte en 3D de forma espontánea cuando se libera de su mecánica soporte. No se requiere procesamiento en superficies curvas o suspendidas ".
Estas son imágenes experimentales de un inductor autoenrollado, impreso en una película muy fina de nitrato de silicio. Crédito:Xiuling Li
En el futuro, los investigadores planean construir sobre el prototipo presentado aquí y demostrar estructuras más ideales experimentalmente. También esperan aplicar la técnica de rodadura no solo a los inductores, sino también condensadores de tubo, resistencias filtros, y transformadores. Todos estos componentes podrían luego integrarse juntos para una plataforma RFIC "súper miniaturizada".
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