(Phys.org)—Con il downscaling come uno dei principali obiettivi della ricerca elettronica di oggi, scienziati e ingegneri stanno sviluppando una varietà di strategie di miniaturizzazione, da quelli che coinvolgono potenti microscopi ai metodi di autoassemblaggio. In un nuovo studio, un team di ingegneri ha sviluppato un modo per miniaturizzare gli induttori a spirale che vengono spesso utilizzati nei circuiti integrati a radiofrequenza (RFIC) modellando le celle dell'induttore su un piatto, nanomembrana tesa che si arrotola in un tubo. Nel disegno proposto, gli induttori miniaturizzati potrebbero essere inferiori all'1% delle dimensioni degli induttori convenzionali, offrendo al contempo prestazioni migliorate.

Gli ingegneri, guidato da Xiuling Li, Professore Associato nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università dell'Illinois a Urbana, Illinois, hanno pubblicato il loro articolo su un progetto e prototipo di induttori self-rolled in un recente numero di Nano lettere .

"La nanotecnologia auto-avvolta è una piattaforma su cui il mio gruppo di ricerca sta lavorando da diversi anni, "Li ha detto Phys.org . "Abbiamo compiuto progressi significativi in ​​diversi aspetti del controllo del processo di roll-up e della comprensione del meccanismo, e sono alla ricerca di applicazioni killer. Penso che potremmo averne appena trovato uno. I risultati sperimentali preliminari sono coerenti con le simulazioni".

Induttori, che sono dispositivi che immagazzinano energia nei loro campi magnetici, sono comunemente usati nelle RFIC. Come ha spiegato Li, Gli RFIC sono utilizzati per applicazioni di comunicazione sia wireless che cablate, dall'elettronica di consumo portatile alla sorveglianza del campo di battaglia. Mentre altri componenti di RFIC si sono costantemente ridotti, gli induttori non sono stati in grado di ridimensionarsi senza subire perdite di prestazioni.

"Ridurre le dimensioni senza compromettere o addirittura migliorare le prestazioni è sempre desiderato, " ha detto Li. "Rispetto al ridimensionamento aggressivo dei dispositivi attivi (transistor), gli induttori semplicemente non sono stati in grado di tenere il passo".

Su un RFIC, un tipico induttore a spirale occupa un'area di circa 400 x 400 μm ² . Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato il loro nuovo metodo per progettare un induttore a spirale con un'area di 45 x 16 μm ² , che è circa lo 0,45% di quello convenzionale. Più, il nuovo induttore ha un fattore Q (una misura dell'efficienza) di 21, rispetto a 6 per gli induttori convenzionali (escluso il tipo in metallo spesso), ed è significativamente migliore nel confinare il suo campo magnetico, con conseguente minor numero di perdite.

Il metodo utilizzato dai ricercatori prevede il deposito di uno strato di film sottile di metallo modellato su una nanomembrana di nitruro di silicio tesa. Ogni striscia di metallo lungo la direzione di laminazione funge da cella induttiva, e tutte le celle sono collegate da linee di collegamento metalliche.

Una volta che queste nanomembrane tese vengono rilasciate dai loro substrati, il rilassamento energetico del loro ceppo iniziale li fa rotolare spontaneamente. Il momento generato dal rilassamento fa sì che la membrana planare scorra verso l'alto da una o entrambe le estremità, e poi continuare a rotolare in un tubo. Progettando attentamente la quantità di stress nella membrana insieme ad altri fattori, gli ingegneri possono controllare la dimensione finale arrotolata del tubo finale. Uno di questi tubi arrotolati funge da induttore a spirale, avente un'area miniaturizzata come sopra indicato. Più induttori possono quindi essere stampati per trasferimento e disposti a piacimento su wafer con RFIC preprogettati.

Mentre c'è stato tradizionalmente un compromesso tra le dimensioni dell'induttore e le prestazioni, Li ha spiegato che i ricercatori potrebbero migliorare entrambi gli aspetti utilizzando un'architettura 3D fabbricata attraverso l'elaborazione 2D.

"Nei modelli convenzionali a spirale planare, aumentando il numero di giri aumenta l'induttanza; però, più giri in piano significa che è necessaria una maggiore impronta, che portano a una maggiore capacità parassita con il substrato, abbassando la frequenza di auto-risonanza, " ha detto. "Pertanto, gli induttori devono passare al 3D. Per il design dell'induttore a spirale 3D abbiamo proposto, l'induttanza può essere facilmente aumentata senza causare troppo effetto parassita. Di conseguenza, il design 3D arrotolato non solo riduce l'ingombro, ma è anche adatto per applicazioni ad alta frequenza con un budget di area molto più piccolo.

"Le difficoltà di elaborazione e i costi associati sono alcune delle principali sfide per i progetti 3D passati. La piattaforma che proponiamo utilizza un metodo di fabbricazione unico in cui le architetture 3D vengono fabbricate attraverso l'elaborazione planare 2D. La struttura diventa 3D spontaneamente solo quando viene rilasciata dalla sua meccanica supporto. Nessuna lavorazione su superfici curve o sospese è coinvolta."

Nel futuro, i ricercatori intendono basarsi sul prototipo presentato qui e dimostrare sperimentalmente strutture più ideali. Sperano anche di applicare la tecnica di laminazione non solo agli induttori, ma anche condensatori a valvole, resistori, filtri, e trasformatori. Tutti questi componenti potrebbero quindi essere integrati insieme per una piattaforma RFIC "super miniaturizzata".

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