Les ingénieurs de l'Illinois roulent vers plus petit, des transformateurs de radiofréquence plus efficaces qui prennent 10 à 100 fois moins de place sur une puce électronique. Crédit :Wen Huang
L'avenir des appareils électroniques réside en partie dans « l'internet des objets – le réseau d'appareils, véhicules et appareils intégrés dans l'électronique pour permettre la connectivité et l'échange de données. Les ingénieurs de l'Université de l'Illinois aident à réaliser cet avenir en minimisant la taille d'un élément notoirement grand des circuits intégrés utilisés pour la communication sans fil :le transformateur.
Les transformateurs radiofréquence enroulés tridimensionnels prennent 10 à 100 fois moins de place, fonctionnent mieux lorsque le rapport de transfert de puissance augmente et ont un processus de fabrication plus simple que leurs ancêtres 2-D, selon un article détaillant leur conception et leurs performances dans la revue Nature Électronique .
"Les transformateurs sont l'un des éléments les plus gros et les plus lourds sur n'importe quel circuit imprimé, " a déclaré le chercheur principal Xiuling Li, professeur de génie électrique et informatique. « Quand vous prenez une ampoule LED, il semble lourd pour sa taille et c'est en partie à cause du transformateur encombrant à l'intérieur. La taille de ces transformateurs peut devenir un obstacle clé à surmonter à l'avenir pour la communication sans fil et l'IoT. »
Les transformateurs utilisent des fils enroulés pour convertir les signaux d'entrée en signaux de sortie spécifiques à utiliser dans des dispositifs tels que des puces électroniques. Des chercheurs précédents ont développé des transformateurs radiofréquence utilisant un matériau conducteur empilé pour résoudre le problème de l'espace, mais ceux-ci ont un potentiel de performance limité. Cette performance limitée est due à un couplage magnétique inefficace entre les bobines lorsqu'elles ont un rapport de spires élevé, ce qui signifie que la bobine primaire est beaucoup plus longue que la bobine secondaire, ou vice versa, dit Li. Ces transformateurs empilés doivent être fabriqués avec des matériaux spéciaux et sont difficiles à fabriquer, encombrants et inflexibles, des choses qui sont loin d'être idéales pour les appareils de l'Internet des objets.
La nouvelle conception du transformateur utilise des techniques développées précédemment par le groupe Li pour la fabrication d'inducteurs laminés. "Nous réalisons des structures 3D par traitement 2D, ", a déclaré Li. L'équipe dépose des fils métalliques soigneusement modelés sur des films minces 2-D étirés. Une fois qu'ils ont relâché la tension, les films 2D s'auto-roulent en minuscules tubes, permettant aux fils primaire et secondaire de s'enrouler et de s'emboîter parfaitement l'un dans l'autre dans une zone beaucoup plus petite pour une induction magnétique et un couplage optimaux.
les ingénieurs de l'Illinois Wen Huang, avant gauche, professeur Xiuling Li, Jingchao Zhou, Kathy Walsh, deuxième rangée à gauche, Siyu Liu, Julien Michaels, Paul Froeter et Mark Kraman. Crédit :L. Brian Stauffer
L'architecture 3-D imbriquée conduit à des bobines à rapport de tours élevé, dit Li. "Un transformateur à rapport de transformation élevé peut être utilisé comme transformateur d'impédance pour améliorer la sensibilité des récepteurs de puissance extrêmement faible, qui devraient être un catalyseur clé pour les frontaux sans fil IoT, ", a déclaré le professeur de génie électrique et informatique et co-auteur Songbin Gong.
Les transformateurs laminés peuvent également recevoir et traiter des signaux de fréquence plus élevée que les appareils plus gros.
"La communication sans fil sera plus rapide et utilisera des signaux à haute fréquence à l'avenir. La génération actuelle de transformateurs radiofréquence ne peut tout simplement pas suivre les exigences de miniaturisation et le fonctionnement à haute fréquence du futur, " a déclaré l'auteur principal et chercheur postdoctoral Wen Huang. " Des transformateurs plus petits avec plus de tours permettent une meilleure réception plus rapide, signaux sans fil haute fréquence, ainsi qu'une intégration de haut niveau dans les applications IoT."
Les nouveaux transformateurs ont un processus de fabrication robuste, stable au-delà des températures de fonderie standard et compatible avec les matériaux standard de l'industrie. Cette étude a utilisé du fil d'or, mais l'équipe a démontré avec succès la fabrication de leurs dispositifs laminés en utilisant du cuivre standard de l'industrie.
"La prochaine étape sera d'utiliser un métal plus fin et plus conducteur comme le graphène, permettant à ces dispositifs d'être rendus encore plus petits et plus flexibles. Cette avancée peut permettre aux dispositifs d'être tissés dans les tissus de vêtements de haute technologie, " dit Li.
