Создание базового индикатора на подложке звучит просто — просто создайте металлическую подложку, предпочтительно виток спирали, серпантина или другого рисунка. В то время как обычные индукторы, включающие в себя микрочипы, представляют собой относительно большие двумерные спирали проволоки, группа сотрудников лаборатории микро- и нанотехнологий Университета штата Иллинойс в Холоньяке повысила производительность своей ранее разработанной технологии 3D-индукторов на величину до трех порядков, используя более сложный подход к изготовлению катушек индуктивности.
В их монолитном, не содержащем микроэлектромеханических систем (МЭМС или на английском MEMS) подходе, используется полностью интегрированная, многослойная тонкостенная медная трубка, заполненная магнитными наночастицами. Процесс, совместимый с 2D-обработкой полупроводников, позволил создать устройство распределения и накопления «уплотненного» магнитного поля в трехмерном пространстве.
Исследователи достигли индуктивности 1,24 мкГн при частоте 10 кГц для одного индуктора с микротрубками внутри и плотностью площадной и объемной индуктивности 3 мкГн / мм2 и 23 мкГн / мм3 соответственно. Они также графически охарактеризовали Q (коэффициент качества) и производительность до 10 МГц. (Кроме того, они измеряли магнитную силу своих катушек индуктивности в микроТесле, но эти значения сложнее соотнести со стандартными параметрами компонентов цепи.)
Первым улучшением была работа с медными катаными трубками в газовой фазе. Эти трубки не являются простыми однослойными трубками, похожими на трубочки для питья, а представляют собой многооборотные цилиндрические ролики. Руководитель проекта, профессор Сюлин Ли, отметил: «Ранее процесс самоскручивания был запущен и проходил в жидком растворе. Однако мы обнаружили, что при работе с более длинными мембранами, позволяя процессу происходить в паровой фазе, мы получили гораздо лучший контроль для формирования более плотных, более ровных валков». Результатом является то, что они называют «самосвернутой» мембраной (S-RuM).
Вторым нововведением было создание стального сердечника внутри труб. Ли отметил: «Наиболее эффективные катушки индуктивности, как правило, представляют собой стальной сердечник, обернутый металлической проволокой, который хорошо работает в электрических цепях, где размер не так важен. Но это не работает на уровне микросхем и не способствует процессу «самоскатывания», поэтому нам нужно было найти другой путь». Для этого они заполняли уже свернутые мембраны раствором наночастиц оксида железа с помощью крошечной иглы.
На рисунке выше показан процесс изготовления силовых индукторов S-RuM, иллюстрирующий поток для катушек индуктивности S-RuM с воздушным сердечником, включая выделение паровой фазы и метод заполнения капиллярного сердечника после изготовления для усиления магнитной индукции.
Из-за капиллярного давления капли раствора «всасываются» в сердцевину трубки. Затем раствор высыхает, а наночастицы железа остаются внутри трубок, создавая аналог обычных стальных сердечников в обычных катушках индуктивности.
На рисунке выше приведена экспериментальная демонстрация монолитных силовых индукторов S-RuM:
(A) Планарная компоновка шести серийно изготовленных успешно устройств с общей длиной прокатки (от 0,8 до 10 мм) и направлением прокатки, а также указанным количеством ячеек. Изображения SEM показывают поперечные сечения полностью свернутых устройств из партий 1, 4 и 5 с указанием количества витков. (B до D) Ферромагнитная жидкость втягивается в микропипетку за счет капиллярного действия с каплей, свисающей на кончике иглы (B); наконечник иглы входит в контакт с индукционной трубкой S-RuM с воздушным сердечником (B), и капиллярное действие заставляет феррожидкость проникать в сердечник индукционной трубки (C). Затем иголка извлекается и отсоединяется от трубки индуктора S-RuM с сердечником (D). (E) Оптические изображения шестиячеечной катушки индуктивности с 21 витком до и после заполнения сердечника. (F) Один двухэлементный индуктор, расположенный на куске сапфировой подложки, помещенный на цент США для сравнения размеров.
(G) Оптическое изображение массива индукционных трубок S-RuM, изготовленных монолитно.
Это не первая их попытка создать подобную катушку индуктивности. Ранее они разрабатывали трехмерные индукторы, используя 2D-обработку и подход «рулонная мембрана», когда проволока вращалась в плоскости и была отделена тонкой изолирующей пленкой от витка к витку. Эти проволочные мембраны при развертывании имели длину 1 мм, но занимали в 100 раз меньше места, чем традиционные 2D катушки индуктивности. Напротив, эти улучшенные проволочные мембраны имеют примерно 10-кратную длину на 1 см, что дает больше витков и более высокую индуктивность примерно в том же объеме пространства.
Есть два коротких видео — одно показывает ход «самоскручивания» микроиндуктора длиной 1 см, а другое показывает процесс заполнения трубок жидкостью для небольшого скатанного микроиндуктора:
В этом исследовании также участвовали исследователи из Стэнфордского университета, Технологического университета Хэфэй, Китай и Университета Твенте.
