De toekomst van elektronische apparaten ligt deels in het "internet of things - het netwerk van apparaten, voertuigen en apparaten ingebed in elektronica om connectiviteit en gegevensuitwisseling mogelijk te maken. Ingenieurs van de Universiteit van Illinois helpen deze toekomst te realiseren door de omvang van een notoir groot element van geïntegreerde schakelingen dat wordt gebruikt voor draadloze communicatie, de transformator, te minimaliseren.

Driedimensionale opgerolde radiofrequentietransformatoren nemen 10 tot 100 keer minder ruimte in beslag, beter presteren wanneer de krachtoverbrengingsverhouding toeneemt en een eenvoudiger fabricageproces hebben dan hun 2D-voorlopers, volgens een paper waarin hun ontwerp en prestaties in het tijdschrift worden beschreven Natuur Elektronica .

"Transformers zijn een van de grootste en zwaarste elementen op een printplaat, " zei hoofdonderzoeker Xiuling Li, een professor in elektrische en computertechniek. "Als je een led-lamp oppakt, hij voelt zwaar aan vanwege zijn formaat en dat komt deels door de omvangrijke transformator binnenin. De grootte van deze transformatoren kan in de toekomst een belangrijk obstakel worden voor draadloze communicatie en IoT."

Transformatoren gebruiken opgerolde draden om ingangssignalen om te zetten in specifieke uitgangssignalen voor gebruik in apparaten zoals microchips. Eerdere onderzoekers hebben enkele radiofrequentietransformatoren ontwikkeld met behulp van een gestapeld geleidend materiaal om het ruimteprobleem op te lossen, maar deze hebben een beperkt prestatiepotentieel. Deze beperkte prestatie is te wijten aan inefficiënte magnetische koppeling tussen spoelen wanneer ze een hoge windingsverhouding hebben, wat betekent dat de primaire spoel veel langer is dan de secundaire spoel, of vice versa, zei Li. Deze gestapelde transformatoren moeten worden gemaakt met behulp van speciale materialen en zijn moeilijk te fabriceren, omvangrijk en onbuigbaar - dingen die verre van ideaal zijn voor internet of things-apparaten.

Het nieuwe transformatorontwerp maakt gebruik van technieken die Li's groep eerder ontwikkelde voor het maken van opgerolde inductoren. "We maken 3D-structuren met behulp van 2D-verwerking, " zei Li. Het team deponeert zorgvuldig gevormde metalen draden op uitgerekte 2D dunne films. Zodra ze de spanning loslaten, de 2D-films rollen vanzelf in kleine buisjes, waardoor de primaire en secundaire draden zich perfect in elkaar kunnen wikkelen en nestelen in een veel kleiner gebied voor optimale magnetische inductie en koppeling.

De geneste 3D-architectuur leidt tot spoelen met een hoge wikkelverhouding, zei Li. "Een transformator met een hoge wikkelverhouding kan worden gebruikt als een impedantietransformator om de gevoeligheid van ontvangers met een extreem laag vermogen te verbeteren, die naar verwachting een belangrijke factor zullen zijn voor IoT draadloze front-ends, ", zei professor elektrotechniek en computertechniek en co-auteur Songbin Gong.

Gewalste transformatoren kunnen ook signalen met een hogere frequentie ontvangen en verwerken dan de grotere apparaten.

"Draadloze communicatie zal in de toekomst sneller zijn en signalen met een hogere frequentie gebruiken. De huidige generatie radiofrequentietransformatoren kan de miniaturisatie-eisen en hoogfrequente werking van de toekomst gewoon niet bijhouden, " zei hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker Wen Huang. "Kleinere transformatoren met meer windingen zorgen voor een betere ontvangst van snellere, draadloze signalen met hoge frekwentie, evenals integratie op hoog niveau in IoT-toepassingen."

De nieuwe transformatoren hebben een robuust fabricageproces - stabiel boven de standaard gieterijtemperaturen en compatibel met industriestandaard materialen. Deze studie gebruikte gouddraad, maar het team heeft met succes de fabricage van hun opgerolde apparaten gedemonstreerd met behulp van industriestandaard koper.

"De volgende stap zal zijn om dunner en beter geleidend metaal te gebruiken, zoals grafeen, waardoor deze apparaten nog kleiner en flexibeler kunnen worden gemaakt. Deze vooruitgang kan het mogelijk maken dat de apparaten worden geweven in de stoffen van hightech wearables, ' zei Li.