(Phys.org)—Med nedskalning som en av huvudsysslorna inom elektronikforskning idag, forskare och ingenjörer utvecklar en mängd olika miniatyriseringsstrategier, från de som involverar kraftfulla mikroskop till självmonteringsmetoder. I en ny studie, ett team av ingenjörer har utvecklat ett sätt att miniatyrisera spiralinduktorer som ofta används i radiofrekvensintegrerade kretsar (RFIC) genom att mönstra induktorceller på en plan, ansträngt nanomembran som rullar ihop sig till ett rör. I den föreslagna designen, miniatyrspoler kan vara mindre än 1 % av storleken på konventionella induktorer samtidigt som de erbjuder en förbättrad prestanda.

Ingenjörerna, leds av Xiuling Li, Docent vid avdelningen för elektro- och datateknik vid University of Illinois i Urbana, Illinois, har publicerat sitt papper om en design och prototyp av självrullade induktorer i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

"Självupprullad nanoteknik är en plattform som min forskargrupp har arbetat med i flera år, " berättade Li Phys.org . "Vi har gjort betydande framsteg i flera aspekter av upprullning av processkontroll och förståelse av mekanismer, och har letat efter mördande applikationer. Jag tror att vi kanske precis har hittat en. Preliminära experimentella resultat överensstämmer med simuleringarna."

Induktorer, som är enheter som lagrar energi i sina magnetfält, används ofta i RFIC. Som Li förklarade, RFIC används för både trådlösa och trådbundna kommunikationstillämpningar, från bärbar hemelektronik till slagfältsövervakning. Medan andra komponenter i RFICs stadigt har krympt, induktorer har inte kunnat skala ner utan att drabbas av prestandaförluster.

"Att krympa storleken utan att kompromissa eller ens förbättra prestandan är alltid önskvärt, ", sa Li. "Jämfört med den aggressiva skalningen av aktiva enheter (transistorer), induktorer har helt enkelt inte kunnat hänga med i takten."

På en RFIC, en typisk spiralinduktor tar upp en yta på cirka 400 x 400 μm ² . I den nya studien, forskarna använde sin nya metod för att designa en spiralinduktor med en yta på 45 x 16 μm ² , vilket är cirka 0,45 % av det konventionella. Plus, den nya induktorn har en Q-faktor (ett mått på effektivitet) på 21, jämfört med 6 för konventionella induktorer (exklusive den tjocka metalltypen), och är betydligt bättre på att begränsa sitt magnetfält, vilket resulterar i färre förluster.

Metoden som forskarna använde går ut på att deponera ett mönstrat metallskikt av tunnfilm på ett ansträngt nanomembran av kiselnitrid. Varje metallremsa längs rullriktningen fungerar som en induktorcell, och alla celler är förbundna med metallanslutningslinjer.

När dessa ansträngda nanomembran väl har frigjorts från sina substrat, energiavslappningen av deras initiala belastning får dem att rulla spontant. Momentum som genereras av avslappningen gör att det plana membranet rullar uppåt från ena eller båda ändarna, och fortsätt sedan att rulla till ett rör. Genom att noggrant utforma mängden spänning i membranet tillsammans med andra faktorer, ingenjörerna kan kontrollera den ultimata upprullade storleken på det slutliga röret. Ett av dessa hoprullade rör fungerar som en spiralinduktor, har ett miniatyriserat område som noterats ovan. Flera induktorer kan sedan överföringstryckas och arrangeras efter behag på wafers med fördesignade RFIC.

Även om det traditionellt har funnits en avvägning mellan induktorstorlek och prestanda, Li förklarade att forskarna kunde förbättra båda aspekterna genom att använda en 3D-arkitektur tillverkad genom 2D-bearbetning.

"I konventionella plana spiraldesigner, ökning av antalet varv ökar induktansen; dock, fler varv i plan betyder att ett större fotavtryck krävs, vilket leder till mer parasitisk kapacitans med substratet, sänka självresonansfrekvensen, " sa hon. "Därför, induktorer måste gå i 3D. För 3D-spiralinduktordesignen föreslog vi, induktansen kan lätt ökas utan att orsaka för mycket parasitisk effekt. Som ett resultat, den hoprullade 3D-designen minskar inte bara fotavtrycket, men är också lämplig för applikationer med högre frekvens till en mycket mindre areabudget.

"Bearbetningssvårigheter och tillhörande kostnader är några av de största utmaningarna för tidigare 3D-designer. Plattformen vi föreslår använder en unik tillverkningsmetod där 3D-arkitekturer tillverkas genom 2D planar bearbetning. Strukturen blir 3D spontant först när den frigörs från sin mekaniska stöd. Ingen bearbetning på krökta eller upphängda ytor är inblandad."

I framtiden, forskarna planerar att bygga vidare på prototypen som presenteras här och demonstrera mer idealiska strukturer experimentellt. De hoppas också kunna tillämpa rullningstekniken på inte bara induktorer, men även rörbaserade kondensatorer, motstånd, filter, och transformatorer. Alla dessa komponenter kan sedan integreras tillsammans för en "superminiatyriserad" RFIC-plattform.

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.