В исследовании, проведенном Сюлин Ли, профессором электротехники и компьютерной инженерии в Университете Иллинойса и временным директором Лаборатории микро- и нанотехнологий Холоньяк, инженеры представляют индуктор микрочипа, способный создавать магнитную индукцию на уровне десятков миллитесла. Используя полностью интегрированные самокатящиеся трубки, заполненные магнитными наночастицами, эта технология обеспечивает распределение конденсированного магнитного поля и накопление энергии в трехмерном пространстве – при этом сохраняется крошечный след, необходимый для размещения на кристалле. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Традиционные индукторы микросхемы представляют собой относительно большие двухмерные спирали из проволоки, каждый виток которой создает большую индуктивность.
В предыдущем исследовании исследовательская группа Ли разработала 3D-индукторы с использованием 2D-обработки, переключившись на парадигму свернутой мембраны, которая позволяет спиралью проволоки выходить из плоскости и отделяется тонкой изоляционной пленкой от витка к витку. В развернутом виде предыдущие проволочные мембраны имели длину 1 миллиметр, но занимали в 100 раз меньше места, чем традиционные индукторы 2D. Проволочные мембраны, о которых сообщается в этой работе, имеют длину в 10 раз больше на 1 сантиметр, что позволяет использовать еще больше витков и более высокую индуктивность, занимая при этом примерно такое же количество места на кристалле.
«Более длинная мембрана означает более неуправляемое катание, если ее не контролировать», – сказал Ли. «Раньше самокатка запускалась и проходила в жидком растворе. Однако мы обнаружили, что при работе с более длинными мембранами возможность протекания процесса в паровой фазе дает нам гораздо лучший контроль для формирования более плотных и ровных валков."
Еще одна важная разработка в новых индукторах для микрочипов – добавление твердого железного сердечника. «Наиболее эффективные катушки индуктивности обычно представляют собой железный сердечник, обернутый металлической проволокой, который хорошо работает в электронных схемах, где размер не так важен», – сказал Ли. «Но это не работает на уровне микрочипов и не способствует процессу самокатания, поэтому нам нужно было найти другой способ."
Для этого исследователи заполнили уже свернутые мембраны раствором наночастиц оксида железа с помощью крошечной капельницы.
«Мы используем капиллярное давление, которое засасывает капли раствора в ядра», – сказал Ли. "Раствор высыхает, оставляя железо внутри трубки. Это добавляет свойства, которые выгодны по сравнению со стандартными твердыми сердечниками, позволяя этим устройствам работать на более высоких частотах с меньшими потерями в производительности."
По словам Ли, несмотря на значительный прогресс по сравнению с более ранними технологиями, новые индукторы для микрочипов все еще имеют ряд проблем, над которыми работает команда.
«Как и в случае с любым миниатюрным электронным устройством, главной проблемой является отвод тепла», – сказала она. "Мы решаем эту проблему, работая с нашими сотрудниками над поиском материалов, которые лучше рассеивают тепло, выделяемое во время индукции. При правильном обращении магнитная индукция этих устройств может составлять от сотен до тысяч миллитесла, что делает их полезными в широком спектре приложений, включая силовую электронику, магнитно-резонансную томографию и связь."