電感技術新革命！插層石墨烯電感器將對物聯網產生重要影響
電感器能否以一種全新的方式重新設計?可以的!
據《自然》雜誌報道，美國、日本和中國的研究人員的新研究提到，他們製造了第一款使用插層石墨烯的高性能電感器，其工作頻率範圍為10-50 GHz，它採用了動態電感的機制——而不是傳統器件那種磁感應。這款新型電感器具有小尺寸和高電感值(大約1-2毫微亨)，這兩種性能迄今為止難以獲得，它的表面積方面比傳統器件小三分之一，但具有同樣的性能。因此，它們可用於物聯網(IoT)、感測和能量存儲/傳輸等應用的超緊湊型無線通信系統。
一個螺旋電感器及其簡化的等效電路
「電感器是大約200年前發明的，但這款電感器是自那時以來第一次全新的機制(動態電感)被利用(使用插層石墨烯)來重新改造這個基本的無源器件，」團隊負責人加州大學聖巴巴拉分校的Kaustav Banerjee表示。「這可能會對物聯網時代的無線通信、感測和能量存儲/傳輸應用產生重大影響。它還體現了石墨烯在電路互連的實際應用。」
預計2020年，物聯網將有500億個目標設備，到2025年，潛在影響將達到每年2.7萬億到6.2萬億美元。這場革命將需要大量通過射頻(RF)集成電路(RF-IC)驅動的小型化、高性能和可擴展的無線連接。預計到2026年，另一個重要的領域射頻識別(RF-ID)——依靠電磁場自動識別和跟蹤物體標籤——將增加到近190億美元。
平面片上金屬電感器是射頻集成電路中使用主要器件類型，約佔用晶元面積的一半。它們也是RF-ID的主要部分。
片上電感難以縮小
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然而問題在於，IC技術中的晶體管和互連已經成功縮小，片上電感器卻無法做到。這是因為傳統的電感設計是單獨使用磁場來工作的，所以需要一定量的電感面積來捕獲這些磁場。而且，傳統金屬僅具有很小的動態電感，因為它的動量弛豫時間較低(載流子(電子或空穴) 由於散射事件而失去其原始動量的平均時間)。
為了縮小電感，我們需要提高電感密度。這由每單位面積的電感=總電感(L總)/電感器面積來定義，其中L總是磁電感(LM)和動態電感(LK)之和。
動態電感是純粹的材料屬性
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磁性電感是電導體的特性，通過該電導體的電流變化在導體本身(自感)和任何與該變化相反的附近導體(互感)中都感應出電動勢。而動態電感就其本身而言是在交變電場中的移動電荷載體的慣性質量，因此不依賴於磁場。
這一切都意味著磁感應取決於電感本身的幾何設計，而動態電感是一個純粹的材料屬性，Banerjee說道。「因此要改善LM和LK就應該改善整體電感密度，這是我們的目標。」
碳納米材料的救援
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Banerjee及其同事最近發現，碳材料(包括碳納米管束和多層石墨烯)是片上電感器有吸引力的材料，這得益於它們的高磁感和高LK(等於或甚至大於磁電感)。「因此，我們可以使用這些材料來縮小片上電感的大小，而不會影響其電感值。」
在這項工作中，研究人員開始將毫米尺寸的多層石墨烯樣品轉移到插入摻雜溴的隔離襯底上。
層分離提升動態電感
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「插層涉及到將『客體』分子插入多層架構中的另兩個『主體』分子之間，在這種情況下分別是溴和MLG，」Banerjee解釋說。「這種插層在MLG中引入了兩個重要的特性。首先，也許最關鍵的是，它增加了相鄰石墨烯層之間的分離。這種增加具有將這些層「去耦」的作用，從而通過增加動量弛豫時間增加了動態電感。」
由於其線性電子能帶結構，與其多層對應物相比，單層石墨烯通常具有明顯更大的動量馳豫時間。事實上，MLG中的層間耦合將單層的線性能帶結構轉化為雙曲線，這就帶來了較低的動量馳豫時間，從而降低動態電感。
一種新的電感器工作機制
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「其次，插層摻雜MLG並增加其電導率，這有助於改善其性能(或Q因子)。」
他表示，這項工作可能會改變我們將片上電感用於無線通信的模擬/射頻集成電路的方式，並為這些器件帶來新的工作機制。「在不久的將來，數以億計的相互連接的物聯網設備將發送和接收大量相互關聯的信息，例如持續監測重要的健康指標和安全性，並為更聰明的生活方式提供前所未有的連接性。」
這個研究小組由來自東京芝浦工學院和上海交通大學的研究人員組成，目前正在忙於研究如何進一步提高插層過程的效率，從而進一步提高動態電感。Banerjee解釋說：「這將進一步增加電感密度，並有助於進一步縮小片上電感，從而提高晶元的面積效率和Q因子。我們也試圖使整個電感器製造工藝與後端CMOS技術兼容。」
來源：變壓器與電感網
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