(Phys.org) — Met downscaling als een van de belangrijkste bezigheden in het hedendaagse elektronicaonderzoek, wetenschappers en ingenieurs ontwikkelen verschillende miniaturisatiestrategieën, van die met krachtige microscopen tot zelfassemblagemethoden. In een nieuwe studie, een team van ingenieurs heeft een manier ontwikkeld om spiraalvormige inductoren die vaak worden gebruikt in radiofrequentie-geïntegreerde schakelingen (RFIC's) te miniaturiseren door inductorcellen op een vlakke, gespannen nanomembraan dat zichzelf oprolt tot een buis. In het voorgestelde ontwerp is miniatuurinductoren kunnen minder dan 1% van de grootte van conventionele inductoren zijn, terwijl ze een verbeterde prestatie bieden.

De ingenieurs, geleid door Xiuling Li, Universitair hoofddocent bij de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana, Illinois, hebben hun paper over een ontwerp en prototype van zelfgerolde inductoren gepubliceerd in een recent nummer van: Nano-letters .

"Zelf opgerolde nanotechnologie is een platform waar mijn onderzoeksgroep al enkele jaren aan werkt, " vertelde Li Phys.org . "We hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt in verschillende aspecten van het oprollen van procescontrole en het begrijpen van mechanismen, en zijn op zoek naar geweldige toepassingen. Ik denk dat we er misschien net een gevonden hebben. Voorlopige experimentele resultaten komen overeen met de simulaties."

Inductoren, dat zijn apparaten die energie opslaan in hun magnetische velden, worden vaak gebruikt in RFIC's. Zoals Li uitlegde, RFIC's worden gebruikt voor zowel draadloze als bekabelde communicatietoepassingen, van draagbare consumentenelektronica tot slagveldbewaking. Terwijl andere componenten van RFIC's gestaag slinken, inductoren zijn niet in staat geweest om te schalen zonder prestatieverlies te lijden.

"Het is altijd gewenst om het formaat te verkleinen zonder concessies te doen of zelfs de prestaties te verbeteren, " zei Li. "Vergeleken met de agressieve schaling van actieve apparaten (transistoren), inductoren hebben het tempo gewoon niet bij kunnen houden."

Op een RFIC, een typische spiraalinductor neemt een oppervlakte van ongeveer 400 x 400 m . in beslag ² . In de nieuwe studie de onderzoekers gebruikten hun nieuwe methode om een ​​spiraalinductor te ontwerpen met een oppervlakte van 45 x 16 m ² , dat is ongeveer 0,45% van de conventionele. Plus, de nieuwe spoel heeft een Q-factor (een maatstaf voor efficiëntie) van 21, vergeleken met 6 voor conventionele inductoren (exclusief het dikke metalen type), en is aanzienlijk beter in het beperken van het magnetische veld, waardoor er minder verliezen zijn.

De methode die de onderzoekers gebruikten, omvat het afzetten van een metalen dunne-filmlaag met een patroon op een gespannen siliciumnitride-nanomembraan. Elke metalen strip langs de rolrichting dient als een inductorcel, en alle cellen zijn verbonden door metalen verbindingslijnen.

Zodra deze gespannen nanomembranen van hun substraten zijn losgelaten, de energie-ontspanning van hun aanvankelijke spanning zorgt ervoor dat ze spontaan rollen. Momentum gegenereerd door de relaxatie zorgt ervoor dat het vlakke membraan van een of beide uiteinden omhoog schuift, en rol dan verder in een buis. Door zorgvuldig de hoeveelheid spanning in het membraan samen met andere factoren te ontwerpen, de ingenieurs kunnen de uiteindelijke opgerolde maat van de uiteindelijke buis regelen. Een van deze opgerolde buizen werkt als een spiraalspoel, met een geminiaturiseerd gebied zoals hierboven vermeld. Meerdere inductoren kunnen vervolgens worden getransfereerd en naar believen worden gerangschikt op wafers met vooraf ontworpen RFIC's.

Hoewel er traditioneel een afweging is gemaakt tussen de grootte van de spoel en de prestaties, Li legde uit dat de onderzoekers beide aspecten konden verbeteren door een 3D-architectuur te gebruiken die is gefabriceerd door middel van 2D-verwerking.

"In conventionele vlakke spiraalontwerpen, het verhogen van het aantal windingen verhoogt de inductantie; echter, meer bochten in het vlak betekent dat er een grotere voetafdruk nodig is, die leiden tot meer parasitaire capaciteit met het substraat, het verlagen van de zelfresonantiefrequentie, "zei ze. "Daarom, inductoren moeten 3D gaan. Voor het 3D-spiraalinductorontwerp dat we hebben voorgesteld, de inductantie kan gemakkelijk worden verhoogd zonder al te veel parasitair effect te veroorzaken. Als resultaat, het opgerolde 3D-ontwerp verkleint niet alleen de voetafdruk, maar is ook geschikt voor toepassingen met een hogere frequentie en een veel kleiner gebiedsbudget.

"Procesproblemen en bijbehorende kosten zijn enkele van de belangrijkste uitdagingen voor eerdere 3D-ontwerpen. Het platform dat we voorstellen maakt gebruik van een unieke fabricagemethode waarbij 3D-architecturen worden gefabriceerd door middel van 2D-vlakke verwerking. De structuur wordt pas spontaan 3D wanneer deze wordt losgemaakt van zijn mechanische ondersteuning. Er is geen bewerking op gebogen of hangende oppervlakken nodig."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan voort te bouwen op het hier gepresenteerde prototype en experimenteel meer ideale structuren te demonstreren. Ze hopen ook de roltechniek toe te passen op niet alleen inductoren, maar ook op buizen gebaseerde condensatoren, weerstanden, filters, en transformatoren. Al deze componenten zouden dan samen kunnen worden geïntegreerd voor een "supergeminiaturiseerd" RFIC-platform.

Copyright 2012 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Phys.org.