イリノイ大学が 3D 構造空間を最大限に活用する 3D マイクロチップ インダクタを開発

Science Advances誌に掲載されたこの研究は、完全に統合された自己回転磁性ナノ粒子充填チューブを使用することにより、新しいインダクタが3D空間での凝縮磁場分布とエネルギー貯蔵を確実にできることを示した。同時に、チップ上に設置するために必要な小さな設置面積を維持します。

この新しい研究を支えたチームは、イリノイ大学の電気工学およびコンピュータ工学教授であり、ホロニャック・マイクロ＆ナノテクノロジー研究所の暫定所長であるシューリン・リー氏が率いていた。

エンジニアたちは何十年にもわたってマイクロチップの小型化に取り組んできました。

スマートフォン テクノロジー、さらに一般的には IoT における技術進歩の多くは、いくつかの電子部品の小型化なしには実現できませんでした。 特にマイクロチップインダクタを見ると、これらのコンポーネントが通常、ワイヤの 2D スパイラルで作られていることがわかります。 ワイヤを巻くたびに、より強いインダクタンスが生成されます。

これは、過去数年間にエレクトロニクスを一貫して改善してきた複雑なテクノロジーです。 ただし、2D 構造ということは、チップの 2 次元表面にスペースの制限があることも意味します。

研究者らはこれらの障害を回避するために 3D 構造の実験を試みてきましたが、その成功は現在、3 次元構造の構築、電流処理、磁性材料の統合における既存の能力によって制約されています。 Xiuling Li氏のチームは、以前の研究に基づいて、自己巻き上げ膜ナノテクノロジーに切り替えて2D処理を使用して3Dインダクタを作成した。これにより、ワイヤを平面かららせん状に巻き出すことができ、ターンごとに絶縁薄膜で分割される。

完全に広げたときのワイヤ膜の長さは 1 ミリメートルでした (従来の 2D インダクタの約 100 分の 1)。 「膜が長くなると、制御できなければ、より乱暴に回転することになります」とリー氏は説明した。

「以前は、自己回転プロセスは液体溶液中で引き起こされ、行われていました」と彼女は付け加えた。 「しかし、より長い膜を扱う際に、プロセスを蒸気相で行うことで、より適切な制御が可能になり、より緊密でより均一なロールを形成できることがわかりました。」 言い換えれば、標準化された 2D マイクロチップ上でこれらの 3D コンポーネントを使用することにより、開発者は最大 100 分の 1 のチップ スペースを使用できるはずです。

基本レベルでは、インダクタは、電流が流れるときに磁界にエネルギーを蓄える受動的な 2 端子電気部品です。

これが起こると、導体の周囲を循環する磁束の方向と、同じ導体を流れる電流の方向との間に関係が生じます。 この現象は「フレミングの右手の法則」と呼ばれます。 磁束が流れを促進する電流の変化に抵抗または抵抗するため、磁束の移動によって二次電圧も同じコイルに誘導されます。

インダクタは通常、中心コアの周りに強く巻き付けられたワイヤで形成されます。中心コアは、磁束を集中させるために直線的な円筒形のロッドまたは連続したリングまたはループの形状をしていることがよくあります。 マイクロチップ インダクタの場合、通常は鉄またはフェライトで作られ、はんだペーストを使用してプリント基板 (PCB) の上部に配置され、はんだ付けされます。

「最も効率的なインダクタは通常、金属線を巻いた鉄心にあり、サイズがそれほど重要ではない電子回路でうまく機能します」とリー氏は新たな発見についてコメントした。 「しかし、それはマイクロチップレベルでは機能せず、自動回転プロセスにも役立たないため、別の方法を見つける必要がありました」と彼女は付け加えた。

この問題を解決するために、研究者らは小さなスポイトを使用して、すでに巻かれた膜に酸化鉄ナノ粒子溶液を満たしました。 「私たちは毛細管圧を利用しており、溶液の液滴がコアに吸い込まれます」とリー氏は説明した。 「溶液が乾燥すると、チューブ内に鉄が堆積したままになります。これにより、業界標準のソリッドコアと比較して有利な特性が追加され、これらのデバイスがより高い周波数で、より少ない性能損失で動作できるようになります。」

チップインダクタは主に、他のデバイスとの間で無線周波数信号を送受信するように設計された電力および電子デバイスで使用されます。 これらの機能とコンパクトなサイズにより、電力線、RF トランシーバー、コンピューター、さらには動物に埋め込まれるマイクロチップでもよく使用されます。

新しい発見は、将来のマイクロチップの性能に興味深い可能性を示唆するものであるが、新しいマイクロチップインダクタにはまだ対処する必要のあるさまざまな問題があるとリー氏は述べた。 「他の小型電子機器と同様に、最大の課題は熱放散です」と彼女は言いました。

リー氏は、チームが現在、スタンフォード大学、中国の合肥理工大学、オランダのトゥエンテ大学の協力者と協力して、誘導中に発生する熱をより良く放散する材料を見つけていることを説明した。

「適切に対処すれば、これらのデバイスの磁気誘導は数百ミリテスラから数千ミリテスラにもなる可能性がある」とリー氏は推定し、「パワーエレクトロニクス、磁気共鳴画像処理、通信などの幅広い用途に役立つようになるだろう」と述べた。