Университет Иллинойса разрабатывает 3D-микрочиповый индуктор, позволяющий полностью использовать пространство 3D-структуры

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показало, что благодаря использованию полностью интегрированных самокатящихся магнитных трубок, заполненных наночастицами, новый индуктор может обеспечить распределение конденсированного магнитного поля, а также сохранение энергии в трехмерном пространстве. в то же время сохраняя крошечный размер, необходимый для размещения на чипе.

Группу, стоящую за новым исследованием, возглавил Сюлин Ли, профессор электротехники и компьютерной инженерии Университета Иллинойса и временный директор лаборатории микро и нанотехнологий Холоньяка.

Инженеры десятилетиями работали над уменьшением размера микрочипов.

Многие технологические достижения в области смартфонов и Интернета вещей в целом были бы невозможны без миниатюризации некоторых электронных компонентов. В частности, если посмотреть на индукторы микрочипов, можно заметить, что эти компоненты обычно состоят из двумерных спиралей проволоки. Каждый виток провода создает более сильную индуктивность.

Это сложная технология, которая за последние несколько лет постоянно улучшала электронику. Тем не менее, двумерная структура также означает, что на двумерной поверхности чипов существует ограничение по пространству.

Исследователи пытались экспериментировать с 3D-структурами, чтобы обойти эти препятствия, но их успехи в настоящее время ограничены существующими возможностями в области построения трехмерных структур, управления токами и интеграции магнитных материалов. Опираясь на предыдущее исследование, команда Сюлин Ли создала 3D-индукторы с использованием 2D-обработки, перейдя на нанотехнологию самосвертывающихся мембран, которая позволяет проводу выходить из плоскости по спирали и разделяется тонкой изолирующей пленкой от витка к витку.

В полностью развернутом виде проволочные мембраны имели длину 1 миллиметр (примерно в 100 раз меньше, чем у традиционных 2D-индукторов). «Более длинная мембрана означает более неуправляемое движение, если ее не контролировать», — объяснил Ли.

«Раньше процесс самораскатки запускался и происходил в жидком растворе», — добавила она. «Однако мы обнаружили, что при работе с более длинными мембранами, позволяя процессу происходить в паровой фазе, мы получаем гораздо лучший контроль и формируем более плотные и ровные рулоны». Другими словами, используя эти 3D-компоненты в стандартизированных 2D-микрочипах, разработчики смогут использовать до 100 раз меньше места на кристалле.

На базовом уровне индуктор представляет собой пассивный электрический компонент с двумя выводами, сохраняющий энергию в магнитном поле, когда через него протекает электрический ток.

При этом создается связь между направлением магнитного потока, циркулирующего вокруг проводника, и направлением тока, текущего через тот же проводник. Это явление получило название «правило правой руки Флеминга». Вторичное напряжение также индуцируется в той же катушке движением магнитного потока, поскольку оно сопротивляется любым изменениям электрического тока, которые облегчают его протекание.

Индукторы обычно состоят из проволоки, прочно обернутой вокруг центрального сердечника, который часто имеет форму прямого цилиндрического стержня, непрерывного кольца или петли для концентрации магнитного потока. В случае индукторов микрочипов они обычно изготавливаются из железа или феррита и размещаются на верхней части печатной платы (PCB) с помощью паяльной пасты, а затем припаиваются.

«Самые эффективные индукторы обычно представляют собой железный сердечник, обернутый металлической проволокой, который хорошо работает в электронных схемах, где размер не так важен», — сказал Ли, комментируя новые результаты. «Но это не работает на уровне микрочипа и не способствует процессу самопрокрутки, поэтому нам нужно было найти другой путь», — добавила она.

Чтобы решить эту проблему, исследователи наполнили уже свернутые мембраны раствором наночастиц оксида железа с помощью крошечной пипетки. «Мы пользуемся капиллярным давлением, которое всасывает капли раствора в керны», — пояснил Ли. «Раствор высыхает, оставляя железо внутри трубки. Это добавляет свойства, которые превосходят стандартные твердые сердечники, позволяя этим устройствам работать на более высокой частоте с меньшими потерями производительности».