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电感器能否以一种全新的方式重新设计?可以的!

2018-03-09 08:32:49 德州信平电子有限公司 阅读

据《自然》杂志报道,美国、日本和中国的研究人员的新研究提到,他们制造了第一款使用插层石墨烯的高性能电感器,其工作频率范围为10-50 GHz,它采用了动态电感的机制——而不是传统器件那种磁感应。这款新型电感器具有小尺寸和高电感值(大约1-2毫微亨),这两种性能迄今为止难以获得,它的表面积方面比传统器件小三分之一,但具有同样的性能。因此,它们可用于物联网(IoT)、传感和能量存储/传输等应用的超紧凑型无线通信系统。

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一个螺旋电感器及其简化的等效电路

“电感器是大约200年前发明的,但这款电感器是自那时以来第一次全新的机制(动态电感)被利用(使用插层石墨烯)来重新改造这个基本的无源器件,”团队负责人加州大学圣巴巴拉分校的Kaustav Banerjee表示。“这可能会对物联网时代的无线通信、传感和能量存储/传输应用产生重大影响。它还体现了石墨烯在电路互连的实际应用。”

预计2020年,物联网将有500亿个目标设备,到2025年,潜在影响将达到每年2.7万亿到6.2万亿美元。这场革命将需要大量通过射频(RF)集成电路(RF-IC)驱动的小型化、高性能和可扩展的无线连接。预计到2026年,另一个重要的领域射频识别(RF-ID)——依靠电磁场自动识别和跟踪物体标签——将增加到近190亿美元。

平面片上金属电感器是射频集成电路中使用主要器件类型,约占用芯片面积的一半。它们也是RF-ID的主要部分。

片上电感难以缩小

然而问题在于,IC技术中的晶体管和互连已经成功缩小,片上电感器却无法做到。这是因为传统的电感设计是单独使用磁场来工作的,所以需要一定量的电感面积来捕获这些磁场。而且,传统金属仅具有很小的动态电感,因为它的动量弛豫时间较低(载流子(电子或空穴) 由于散射事件而失去其原始动量的平均时间)。

为了缩小电感,我们需要提高电感密度。这由每单位面积的电感=总电感(L总)/电感器面积来定义,其中L总是磁电感(LM)和动态电感(LK)之和。

动态电感是纯粹的材料属性

磁性电感是电导体的特性,通过该电导体的电流变化在导体本身(自感)和任何与该变化相反的附近导体(互感)中都感应出电动势。而动态电感就其本身而言是在交变电场中的移动电荷载体的惯性质量,因此不依赖于磁场。

这一切都意味着磁感应取决于电感本身的几何设计,而动态电感是一个纯粹的材料属性,Banerjee说道。“因此要改善LM和LK就应该改善整体电感密度,这是我们的目标。”

碳纳米材料的救援

Banerjee及其同事最近发现,碳材料(包括碳纳米管束和多层石墨烯)是片上电感器有吸引力的材料,这得益于它们的高磁感和高LK(等于或甚至大于磁电感)。“因此,我们可以使用这些材料来缩小片上电感的大小,而不会影响其电感值。”

在这项工作中,研究人员开始将毫米尺寸的多层石墨烯样品转移到插入掺杂溴的隔离衬底上。

层分离提升动态电感

“插层涉及到将‘客体’分子插入多层架构中的另两个‘主体’分子之间,在这种情况下分别是溴和MLG,”Banerjee解释说。“这种插层在MLG中引入了两个重要的特性。首先,也许最关键的是,它增加了相邻石墨烯层之间的分离。这种增加具有将这些层“去耦”的作用,从而通过增加动量弛豫时间增加了动态电感。”

由于其线性电子能带结构,与其多层对应物相比,单层石墨烯通常具有明显更大的动量驰豫时间。事实上,MLG中的层间耦合将单层的线性能带结构转化为双曲线,这就带来了较低的动量驰豫时间,从而降低动态电感。

一种新的电感器工作机制

“其次,插层掺杂MLG并增加其电导率,这有助于改善其性能(或Q因子)。”

他表示,这项工作可能会改变我们将片上电感用于无线通信的模拟/射频集成电路的方式,并为这些器件带来新的工作机制。“在不久的将来,数以亿计的相互连接的物联网设备将发送和接收大量相互关联的信息,例如持续监测重要的健康指标和安全性,并为更聪明的生活方式提供前所未有的连接性。”

这个研究小组由来自东京芝浦工学院和上海交通大学的研究人员组成,目前正在忙于研究如何进一步提高插层过程的效率,从而进一步提高动态电感。Banerjee解释说:“这将进一步增加电感密度,并有助于进一步缩小片上电感,从而提高芯片的面积效率和Q因子。我们也试图使整个电感器制造工艺与后端CMOS技术兼容。”


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