El futuro de los dispositivos electrónicos radica en parte en el "Internet de las cosas:la red de dispositivos, vehículos y electrodomésticos integrados en la electrónica para permitir la conectividad y el intercambio de datos. Los ingenieros de la Universidad de Illinois están ayudando a realizar este futuro al minimizar el tamaño de un elemento notoriamente grande de los circuitos integrados utilizados para la comunicación inalámbrica:el transformador.

Los transformadores de radiofrecuencia enrollados tridimensionales ocupan de 10 a 100 veces menos espacio, funcionan mejor cuando aumenta la relación de transferencia de energía y tienen un proceso de fabricación más simple que sus progenitores 2-D, según un artículo que detalla su diseño y desempeño en la revista Electrónica de la naturaleza .

"Los transformadores son uno de los elementos más grandes y pesados ​​en cualquier placa de circuito, "dijo el investigador principal Xiuling Li, profesor de ingeniería eléctrica e informática. "Cuando coges una bombilla LED, se siente pesado para su tamaño y eso se debe en parte al voluminoso transformador en su interior. El tamaño de estos transformadores puede convertirse en un obstáculo clave a superar en el futuro para las comunicaciones inalámbricas y la IoT ".

Los transformadores utilizan cables en espiral para convertir señales de entrada en señales de salida específicas para su uso en dispositivos como microchips. Investigadores anteriores han desarrollado algunos transformadores de radiofrecuencia utilizando un material conductor apilado para resolver el problema del espacio. pero estos tienen un potencial de rendimiento limitado. Este rendimiento limitado se debe a un acoplamiento magnético ineficaz entre las bobinas cuando tienen una alta relación de espiras. lo que significa que la bobina primaria es mucho más larga que la bobina secundaria, o viceversa, Dijo Li. Estos transformadores apilados deben fabricarse con materiales especiales y son difíciles de fabricar, voluminosos e inflexibles:cosas que están lejos de ser ideales para los dispositivos de Internet de las cosas.

El nuevo diseño del transformador utiliza técnicas que el grupo de Li desarrolló previamente para fabricar inductores laminados. "Estamos creando estructuras 3-D utilizando procesamiento 2-D, "Dijo Li. El equipo deposita alambres de metal cuidadosamente modelados en películas delgadas 2-D estiradas. Una vez que liberan la tensión, las películas en 2-D se enrollan automáticamente en pequeños tubos, permitiendo que los cables primario y secundario se enrollen y encajen perfectamente entre sí en un área mucho más pequeña para una inducción magnética y un acoplamiento óptimos.

La arquitectura 3-D anidada conduce a bobinas de alta relación de espiras, Dijo Li. "Se puede utilizar un transformador de alta relación de espiras como transformador de impedancia para mejorar la sensibilidad de los receptores de potencia extremadamente baja, que se espera que sean un habilitador clave para los front-end inalámbricos de IoT, ", dijo el profesor de ingeniería eléctrica e informática y coautor Songbin Gong.

Los transformadores enrollados también pueden recibir y procesar señales de frecuencia más alta que los dispositivos más grandes.

"La comunicación inalámbrica será más rápida y utilizará señales de mayor frecuencia en el futuro. La generación actual de transformadores de radiofrecuencia simplemente no puede mantenerse al día con los requisitos de miniaturización y el funcionamiento de alta frecuencia del futuro, ", dijo el autor principal e investigador postdoctoral Wen Huang." Los transformadores más pequeños con más vueltas permiten una mejor recepción de más rápido, señales inalámbricas de alta frecuencia, así como la integración de alto nivel en aplicaciones de IoT ".

Los nuevos transformadores tienen un proceso de fabricación robusto, estable más allá de las temperaturas estándar de fundición y compatibles con los materiales estándar de la industria. Este estudio utilizó alambre de oro, pero el equipo ha demostrado con éxito la fabricación de sus dispositivos laminados utilizando cobre estándar de la industria.

"El siguiente paso será utilizar un metal más delgado y conductor como el grafeno, permitiendo que estos dispositivos se hagan aún más pequeños y más flexibles. Este avance puede hacer posible que los dispositivos se entrelacen en las telas de los wearables de alta tecnología, "Dijo Li.