(Phys.org) - La réduction d'échelle étant l'une des principales activités de recherche en électronique aujourd'hui, les scientifiques et les ingénieurs développent une variété de stratégies de miniaturisation, de celles impliquant des microscopes puissants aux méthodes d'auto-assemblage. Dans une nouvelle étude, une équipe d'ingénieurs a développé un moyen de miniaturiser les inducteurs en spirale qui sont souvent utilisés dans les circuits intégrés radiofréquence (RFIC) en modelant les cellules d'inducteur sur un plat, nanomembrane contrainte qui s'enroule dans un tube. Dans la conception proposée, les inducteurs miniatures pourraient être inférieurs à 1% de la taille des inducteurs conventionnels tout en offrant des performances améliorées.

Les ingénieurs, dirigé par Xiuling Li, Professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique de l'Université de l'Illinois à Urbana, Illinois, ont publié leur article sur une conception et un prototype d'inducteurs auto-roulés dans un récent numéro de Lettres nano .

"La nanotechnologie auto-enroulée est une plateforme sur laquelle mon groupe de recherche travaille depuis plusieurs années, " Li a dit Phys.org . « Nous avons fait des progrès significatifs dans plusieurs aspects du contrôle du processus de cumul et de la compréhension du mécanisme, et ont été à la recherche d'applications tueuses. Je pense que nous venons d'en trouver un. Les résultats expérimentaux préliminaires sont cohérents avec les simulations."

Inducteurs, qui sont des appareils qui stockent de l'énergie dans leurs champs magnétiques, sont couramment utilisés dans les RFIC. Comme Li l'a expliqué, Les RFIC sont utilisés pour les applications de communication sans fil et filaire, de l'électronique grand public portable à la surveillance des champs de bataille. Alors que d'autres composants des RFIC ont régulièrement diminué, les inductances n'ont pas pu être réduites sans subir de pertes de performances.

"Réduire la taille sans compromettre ni même améliorer les performances est toujours souhaité, " a dit Li. " Par rapport à la mise à l'échelle agressive des dispositifs actifs (transistors), les inducteurs n'ont tout simplement pas été en mesure de suivre le rythme."

Sur un RFIC, un inducteur en spirale typique occupe une surface d'environ 400 x 400 m ² . Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé leur nouvelle méthode pour concevoir un inducteur en spirale d'une superficie de 45 x 16 m ² , qui est d'environ 0,45% de celui conventionnel. Plus, le nouvel inducteur a un facteur Q (une mesure de l'efficacité) de 21, contre 6 pour les inductances classiques (hors type métal épais), et est nettement meilleur pour confiner son champ magnétique, résultant en moins de pertes.

La méthode utilisée par les chercheurs consiste à déposer une couche mince de métal à motifs sur une nanomembrane de nitrure de silicium contrainte. Chaque bande métallique suivant le sens de laminage sert de cellule inductrice, et toutes les cellules sont reliées par des lignes de connexion métalliques.

Une fois ces nanomembranes contraintes libérées de leurs substrats, la relaxation énergétique de leur tension initiale les fait rouler spontanément. L'élan généré par la relaxation provoque le défilement de la membrane plane à partir d'une ou des deux extrémités, puis continuer à rouler dans un tube. En concevant soigneusement la quantité de contrainte dans la membrane ainsi que d'autres facteurs, les ingénieurs peuvent contrôler la taille finale enroulée du tube final. L'un de ces tubes enroulés agit comme un inducteur en spirale, ayant une zone miniaturisée comme indiqué ci-dessus. Plusieurs inducteurs peuvent ensuite être imprimés par transfert et disposés à volonté sur des plaquettes avec des RFIC préconçus.

Bien qu'il y ait traditionnellement un compromis entre la taille de l'inducteur et les performances, Li a expliqué que les chercheurs pourraient améliorer les deux aspects en utilisant une architecture 3D fabriquée par traitement 2D.

"Dans les conceptions en spirale planes conventionnelles, l'augmentation du nombre de spires augmente l'inductance; cependant, plus de tours dans le plan signifie qu'une plus grande empreinte est requise, qui conduisent à plus de capacité parasite avec le substrat, abaisser la fréquence de résonance propre, " dit-elle. " Par conséquent, les inducteurs doivent passer en 3D. Pour la conception de l'inducteur en spirale 3D que nous avons proposé, l'inductance peut être facilement augmentée sans provoquer trop d'effet parasite. Par conséquent, la conception 3D enroulée réduit non seulement l'encombrement, mais convient également aux applications à fréquence plus élevée avec un budget de surface beaucoup plus petit.

« Les difficultés de traitement et les coûts associés sont quelques-uns des principaux défis des conceptions 3D passées. La plate-forme que nous proposons utilise une méthode de fabrication unique où les architectures 3D sont fabriquées par traitement planaire 2D. La structure ne devient 3D spontanément que lorsqu'elle est libérée de son support. Aucun traitement sur des surfaces courbes ou suspendues n'est impliqué.

À l'avenir, les chercheurs prévoient de s'appuyer sur le prototype présenté ici et de démontrer expérimentalement des structures plus idéales. Ils espèrent également appliquer la technique de laminage non seulement aux inducteurs, mais aussi des condensateurs à tubes, résistances, filtres, et transformateurs. Tous ces composants pourraient ensuite être intégrés entre eux pour une plate-forme RFIC "super miniaturisée".

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