Gli ingegneri dell'Illinois vanno verso i più piccoli, trasformatori a radiofrequenza più efficienti che occupano da 10 a 100 volte meno spazio su un microchip. Credito:Wen Huang
Il futuro dei dispositivi elettronici risiede in parte all'interno dell'"Internet delle cose:la rete dei dispositivi, veicoli ed elettrodomestici integrati all'interno dell'elettronica per consentire la connettività e lo scambio di dati. Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois stanno contribuendo a realizzare questo futuro riducendo al minimo le dimensioni di un elemento notoriamente grande dei circuiti integrati utilizzati per la comunicazione wireless:il trasformatore.
I trasformatori a radiofrequenza arrotolati tridimensionali occupano da 10 a 100 volte meno spazio, funzionano meglio quando il rapporto di trasferimento di potenza aumenta e hanno un processo di fabbricazione più semplice rispetto ai loro progenitori 2-D, secondo un documento che descrive in dettaglio il loro design e le prestazioni nella rivista Elettronica della natura .
"I trasformatori sono uno degli elementi più grandi e pesanti su qualsiasi circuito stampato, " ha detto il ricercatore principale Xiuling Li, un professore di ingegneria elettrica e informatica. "Quando prendi una lampadina a LED, sembra pesante per le sue dimensioni e questo è in parte dovuto all'ingombrante trasformatore all'interno. Le dimensioni di questi trasformatori potrebbero diventare un ostacolo chiave da superare in futuro per la comunicazione wireless e l'IoT".
I trasformatori utilizzano fili a spirale per convertire i segnali di ingresso in segnali di uscita specifici da utilizzare in dispositivi come i microchip. I ricercatori precedenti hanno sviluppato alcuni trasformatori a radiofrequenza utilizzando un materiale conduttore impilato per risolvere il problema dello spazio, ma questi hanno un potenziale di prestazioni limitato. Questa prestazione limitata è dovuta all'accoppiamento magnetico inefficiente tra le bobine quando hanno un elevato rapporto di spire, il che significa che la bobina primaria è molto più lunga della bobina secondaria, o vice versa, Li ha detto. Questi trasformatori impilati devono essere realizzati con materiali speciali e sono difficili da fabbricare, ingombranti e inflessibili, cose che sono tutt'altro che ideali per i dispositivi dell'Internet delle cose.
Il nuovo design del trasformatore utilizza tecniche precedentemente sviluppate dal gruppo di Li per realizzare induttori laminati. "Stiamo realizzando strutture 3D utilizzando l'elaborazione 2D, " ha detto Li. Il team deposita fili metallici accuratamente modellati su film sottili 2-D allungati. Una volta rilasciata la tensione, i film 2-D si autoavvolgono in piccoli tubi, consentendo ai fili primari e secondari di avvolgersi e annidarsi perfettamente l'uno nell'altro in un'area molto più piccola per un'induzione e un accoppiamento magnetici ottimali.
Gli ingegneri dell'Illinois Wen Huang, anteriore sinistro, professore Xiuling Li, Jingchao Zhou, Kathy Walsh, seconda fila a sinistra, Siyu Liu, Julian Michaels, Paul Froeter e Mark Kraman. Credito:L. Brian Stauffer
L'architettura 3-D annidata porta a bobine ad alto rapporto di spire, Li ha detto. "Un trasformatore ad alto rapporto di spire può essere utilizzato come trasformatore di impedenza per migliorare la sensibilità dei ricevitori a potenza estremamente bassa, che dovrebbero essere un fattore chiave per i front-end wireless IoT, ", ha affermato il professore di ingegneria elettrica e informatica e coautore Songbin Gong.
I trasformatori laminati possono anche ricevere ed elaborare segnali a frequenza più elevata rispetto ai dispositivi più grandi.
"La comunicazione wireless sarà più veloce e utilizzerà segnali a frequenza più elevata in futuro. L'attuale generazione di trasformatori a radiofrequenza semplicemente non può tenere il passo con i requisiti di miniaturizzazione e il funzionamento ad alta frequenza del futuro, " ha affermato l'autore principale e ricercatore post-dottorato Wen Huang. "Trasformatori più piccoli con più giri consentono una migliore ricezione di più veloci, segnali wireless ad alta frequenza, così come l'integrazione di alto livello nelle applicazioni IoT."
I nuovi trasformatori hanno un processo di fabbricazione robusto, stabile oltre le temperature standard di fonderia e compatibile con i materiali standard del settore. Questo studio ha utilizzato filo d'oro, ma il team ha dimostrato con successo la fabbricazione dei propri dispositivi arrotolati utilizzando rame standard del settore.
"Il prossimo passo sarà usare metalli più sottili e più conduttivi come il grafene, consentendo di rendere questi dispositivi ancora più piccoli e flessibili. Questo progresso potrebbe rendere possibile l'intreccio dei dispositivi nei tessuti dei dispositivi indossabili ad alta tecnologia, " disse Li.
