伊利诺伊大学开发3D微芯片感应器 可扩展广泛电子应用

　　据外媒报道，伊利诺伊大学的工程师已经开发出一种微芯片感应器，可以极大地扩展未来芯片的功能。这项发表在《科学进展》杂志上的研究表明，通过使用完全集成的自滚动磁性纳米颗粒填充管，这种新型感应器可以确保在3D空间中的磁场分布和能量存储，同时保持芯片所需的微小尺寸。

　　据悉，该项研究背后的团队由伊利诺伊大学的电气和计算机工程教授、霍洛尼亚克微纳米技术实验室的临时主任李秀玲领导。

　　滚动微感应器结构的扫描电子显微镜显微照片。图片由Xiuling Li等提供

　　扩展微芯片功能

　　数十年来，工程师们一直致力于使微型芯片更小。如果不将几个电子组件小型化，智能手机技术中的许多技术进步（更广泛地说是IoT）将无法实现。特别是在研究微芯片感应器时，我们注意到这些组件通常由2D螺旋线材制成，转一圈电线就产生更强的电感。这是一项复杂的技术，最近几年其他研究人员一直在不断改进电子产品，然而，2D维结构也意味着在芯片的二维表面上存在空间限制。

　　因此，此次研究人员尝试用3D结构进行实验来克服这些障碍，只是目前它们的成功受到3D结构构建、电流处理和磁性材料集成方面等现有功能的限制。在先前的研究的基础上，李秀玲的团队通过切换到自卷式膜纳米技术，利用2D处理技术创建了3D感应器，该技术可以使导线螺旋式地离开平面，并由一层绝缘薄膜轮流分割。

　　李秀玲解释说，“当完全展开时，金属丝膜的长度为1毫米（比传统2D感应器小约100倍），更长的丝膜意味着更不规则的滚动。以前，自滚动过程是在液体溶液中触发并发生的。但是，我们发现，在使用更长的丝膜时，允许该过程在气相中进行，可让我们更好地控制以形成更紧密、更均匀的卷。换句话说，通过在标准化的2D微芯片上使用这些3D组件，开发人员应该能够使用多达100倍的芯片空间。”

　　微芯片中的感应

　　在基本层面上，电感是一个无源的两端电子元件，当电流流过它时，它在磁场中储存能量。当这种情况发生时，围绕导体的磁通量的方向和流过同一导体的电流的方向之间就形成了一种关系，这种现象被称为“弗莱明右手法则”。二次电压也会被磁通量的运动感应到同一线圈中，因为磁通量阻止或反对电流的任何变化，从而促进其流动。

　　感应器通常由绕在中心磁芯周围的金属丝构成，中心磁芯通常被塑造成一个直圆柱棒、或一个连续的环、或线圈来集中其磁通量。对于微芯片感应器，它们通常由铁或铁氧体制成，并用焊膏放置在印刷电路板（PCB）的顶部，然后进行焊接。

　　李秀玲解释说，“最有效的感应器通常是铁芯缠绕金属丝，它在电子电路中很好地工作，而在电子电路中，尺寸并不是一个重要的考虑因素。但是，这在微芯片级别上是行不通的，也不利于自卷制工艺，因此我们需要找到一种不同的方法。”

　　为了解决这个问题，研究人员使用一个微小的滴管将已经滚动的丝膜填充了氧化铁纳米颗粒溶液。李秀玲解释说，“我们充分利用毛细管压力，将溶液吸进内核。溶液变干，铁沉积在管子里。与业界标准的实心磁芯相比，这增加了有利的性能，这增加了与工业标准固体核心相比更有利的性能，使这些设备能够以更高的频率运行，而性能损失更小。”

　　未来的广泛应用

　　微芯片感应器主要用于电力和电子设备，用于向其他设备发送和接收射频信号。在这些功能和紧凑的尺寸中，它们经常用于电力线、射频收发器、计算机，甚至用于植入动物体内的微芯片。

　　李秀玲表示，尽管新发现为未来的微芯片性能带来了有趣的潜力，但是，新的微芯片感应器仍然存在许多需要解决的问题。其中最重要的是，与任何小型电子设备一样，最大的挑战是散热。

　　目前，该团队与斯坦福大学、合肥工业大学和荷兰特温特大学的合作者合作，以寻找能够更好地散发感应过程中产生的热量的材料。如果解决得当，这些设备的磁感应强度可能高达数百至数千毫特斯拉，使它们在包括电力电子、磁共振成像和通信在内的广泛应用中有用。

　　自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，传感器专家网一直密切关注疫情进展，根据国家及地方政府的最新调控与安排，为更好的服务相关企业，在疫情期间，传感器专家网免费发布企业相关文章，免费成为传感器专家网认证作者，请点击认证，大家同心协力，抗击疫情，为早日打赢这场防控攻坚战贡献自己的一份力量。