Mindre är bättre när det gäller mikrochips, forskare sa, och genom att använda 3D-komponenter på en standardiserad plattform för tillverkning av mikrochip, utvecklare kan använda upp till 100 gånger mindre chiputrymme. Ett team av ingenjörer har ökat prestandan för sin tidigare utvecklade 3D-induktorteknik genom att lägga till så mycket som tre storleksordningar mer induktion för att möta prestandakraven för moderna elektroniska enheter.

I en studie ledd av Xiuling Li, en professor i elektroteknik och datateknik vid University of Illinois och tillfällig chef för Holonyak Micro and Nanotechnology Laboratory, ingenjörer introducerar en mikrochipinduktor som kan tiotals magnetisk induktion på millitesla-nivå. Med helt integrerad, självrullande magnetiska nanopartikelfyllda rör, tekniken säkerställer en kondenserad magnetfältfördelning och energilagring i 3D-utrymme-samtidigt som den behåller det lilla fotavtryck som behövs för att passa på ett chip. Resultaten av studien publiceras i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Traditionella mikrochipinduktorer är relativt stora 2-D trådspiraler, med varje varv av tråden som ger starkare induktans. I en tidigare studie, Li's forskargrupp utvecklade 3D-induktorer med hjälp av 2-D-bearbetning genom att byta till ett rullat membranparadigm, som gör det möjligt för tråd att spiralera ur planet och separeras med en isolerande tunn film från varv till sväng. Vid avrullning, de tidigare trådmembranen var 1 millimeter långa men tog upp 100 gånger mindre plats än de traditionella 2-D-induktorerna. Trådmembranen som rapporteras i detta arbete är 10 gånger längden vid 1 centimeter, vilket möjliggör ännu fler varv - och högre induktans - samtidigt som den tar upp ungefär lika mycket chiputrymme.

"Ett längre membran innebär mer ostyrig rullning om den inte kontrolleras, "Li sa." Tidigare, den självrullande processen utlöstes och ägde rum i en flytande lösning. Dock, vi fann att när vi arbetade med längre membran, genom att låta processen inträffa i en ångfas gav vi mycket bättre kontroll för att bilda tätare, jämnare rullar. "

En annan viktig utveckling i de nya mikrochipinduktorerna är tillägget av en solid järnkärna. "De mest effektiva induktorerna är vanligtvis en järnkärna insvept med metalltråd, som fungerar bra i elektroniska kretsar där storleken inte är lika viktig att beakta, "Sa Li." Men det fungerar inte på mikrochipnivå, det bidrar inte heller till den självrullande processen, så vi behövde hitta ett annat sätt. "

Att göra detta, forskarna fyllde de redan rullade membranen med en järnoxid-nanopartikellösning med en liten dropper.

"Vi utnyttjar kapillärtrycket, som suger droppar av lösningen in i kärnorna, "Sa Li." Lösningen torkar, lämnar järn inuti röret. Detta lägger till egenskaper som är gynnsamma jämfört med fasta kärnor i industristandard, tillåta dessa enheter att arbeta med högre frekvens med mindre prestandaförlust. "

Även om det är ett betydande framsteg mot tidigare teknik, de nya mikrochipinduktorerna har fortfarande en mängd frågor som teamet tar upp, Sa Li.

"Som med alla miniatyriserade elektroniska enheter, den stora utmaningen är värmeavledning, "sa hon." Vi tar itu med detta genom att arbeta med samarbetspartners för att hitta material som är bättre på att sprida värmen som genereras under induktion. Om det är rätt adresserat, magnetisk induktion av dessa enheter kan vara så stor som hundratals till tusentals millitesla, gör dem användbara i ett brett spektrum av applikationer, inklusive kraftelektronik, magnetisk resonansavbildning och kommunikation. "