Framtiden för elektroniska enheter ligger delvis inom "sakernas internet - nätverket av enheter, fordon och apparater inbäddade i elektronik för att möjliggöra anslutning och datautbyte. Ingenjörer från University of Illinois hjälper till att förverkliga denna framtid genom att minimera storleken på en notoriskt stor del av integrerade kretsar som används för trådlös kommunikation – transformatorn.

Tredimensionella upprullade radiofrekvenstransformatorer tar 10 till 100 gånger mindre plats, presterar bättre när kraftöverföringsförhållandet ökar och har en enklare tillverkningsprocess än deras 2D-föräldrar, enligt ett papper som beskriver deras design och prestanda i tidskriften Naturelektronik .

"Transformatorer är ett av de största och tyngsta elementen på alla kretskort, sa chefsutredaren Xiuling Li, professor i el- och datateknik. "När du tar upp en LED-lampa, den känns tung för sin storlek och det beror delvis på den skrymmande transformatorn inuti. Storleken på dessa transformatorer kan bli ett viktigt hinder att övervinna i framtiden för trådlös kommunikation och IoT."

Transformatorer använder lindade ledningar för att omvandla insignaler till specifika utsignaler för användning i enheter som mikrochips. Tidigare forskare har utvecklat några radiofrekvenstransformatorer som använder ett staplat ledande material för att lösa rymdproblemet, men dessa har begränsad prestandapotential. Denna begränsade prestanda beror på ineffektiv magnetisk koppling mellan spolar när de har ett högt varvförhållande, vilket betyder att primärspolen är mycket längre än sekundärspolen, eller tvärtom, sa Li. Dessa staplade transformatorer måste tillverkas med speciella material och är svåra att tillverka, skrymmande och oböjbara – saker som är långt ifrån idealiska för internet of things-enheter.

Den nya transformatordesignen använder tekniker som Lis grupp tidigare utvecklat för att tillverka rullade induktorer. "Vi gör 3D-strukturer med 2D-behandling, " sa Li. Teamet lägger noggrant mönstrade metalltrådar på sträckta 2-D tunna filmer. När de släpper spänningen, 2D-filmerna rullar sig själv till små rör, vilket gör att de primära och sekundära ledningarna kan lindas och kapslas perfekt inuti varandra till ett mycket mindre område för optimal magnetisk induktion och koppling.

Den kapslade 3D-arkitekturen leder till spolar med högt varvförhållande, sa Li. "En transformator med högt varvsförhållande kan användas som en impedanstransformator för att förbättra känsligheten hos mottagare med extremt låg effekt, som förväntas vara en viktig möjliggörare för trådlösa IoT-gränssnitt, " sa professor i el- och datateknik och medförfattare Songbin Gong.

Valsade transformatorer kan också ta emot och bearbeta högre frekvenssignaler än de större enheterna.

"Trådlös kommunikation kommer att vara snabbare och använda högre frekvenssignaler i framtiden. Den nuvarande generationen av radiofrekvenstransformatorer kan helt enkelt inte hänga med i framtidens miniatyriseringskrav och högfrekvent drift, " sa huvudförfattaren och postdoktorn Wen Huang. "Mindre transformatorer med fler varv möjliggör bättre mottagning av snabbare, högfrekventa trådlösa signaler, såväl som integration på hög nivå i IoT-applikationer."

De nya transformatorerna har en robust tillverkningsprocess – stabil över vanliga gjuteritemperaturer och kompatibla med industristandardmaterial. Denna studie använde guldtråd, men teamet har framgångsrikt demonstrerat tillverkningen av sina valsade enheter med industristandardkoppar.

"Nästa steg blir att använda tunnare och mer ledande metall som grafen, gör att dessa enheter kan göras ännu mindre och mer flexibla. Detta framsteg kan göra det möjligt för enheterna att vävas in i tyger av högteknologiska wearables, " sa Li.