電感技術(shù)新革命!插層石墨烯電感器將對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生重要影響

　　電感器能否以一種全新的方式重新設(shè)計?可以的!

　　據(jù)《自然》雜志報道，美國、日本和中國的研究人員的新研究提到，他們制造了第一款使用插層石墨烯的高性能電感器，其工作頻率范圍為10-50 GHz，它采用了動態(tài)電感的機(jī)制——而不是傳統(tǒng)器件那種磁感應(yīng)。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(tǒng)器件小三分之一，但具有同樣的性能。因此，它們可用于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、傳感和能量存儲/傳輸?shù)葢?yīng)用的超緊湊型無線通信系統(tǒng)。

　　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(fā)明的，但這款電感器是自那時以來第一次全新的機(jī)制(動態(tài)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人加州大學(xué)圣巴巴拉分校的Kaustav Banerjee表示。“這可能會對物聯(lián)網(wǎng)時代的無線通信、傳感和能量存儲/傳輸應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。它還體現(xiàn)了石墨烯在電路互連的實(shí)際應(yīng)用。”

　　預(yù)計2020年，物聯(lián)網(wǎng)將有500億個目標(biāo)設(shè)備，到2025年，潛在影響將達(dá)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(qū)動的小型化、高性能和可擴(kuò)展的無線連接。預(yù)計到2026年，另一個重要的領(lǐng)域射頻識別(RF-ID)——依靠電磁場自動識別和跟蹤物體標(biāo)簽——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，約占用芯片面積的一半。它們也是RF-ID的主要部分。

　　片上電感難以縮小

　　然而問題在于，IC技術(shù)中的晶體管和互連已經(jīng)成功縮小，片上電感器卻無法做到。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電感設(shè)計是單獨(dú)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(tǒng)金屬僅具有很小的動態(tài)電感，因?yàn)樗膭恿砍谠r間較低(載流子(電子或空穴) 由于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(tài)電感(LK)之和。

　　動態(tài)電感是純粹的材料屬性

　　磁性電感是電導(dǎo)體的特性，通過該電導(dǎo)體的電流變化在導(dǎo)體本身(自感)和任何與該變化相反的附近導(dǎo)體(互感)中都感應(yīng)出電動勢。而動態(tài)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(zhì)量，因此不依賴于磁場。

　　這一切都意味著磁感應(yīng)取決于電感本身的幾何設(shè)計，而動態(tài)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(yīng)該改善整體電感密度，這是我們的目標(biāo)。”

　　碳納米材料的救援

　　Banerjee及其同事最近發(fā)現(xiàn)，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，這得益于它們的高磁感和高LK(等于或甚至大于磁電感)。“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(xiàng)工作中，研究人員開始將毫米尺寸的多層石墨烯樣品轉(zhuǎn)移到插入摻雜溴的隔離襯底上。

　　層分離提升動態(tài)電感

　　“插層涉及到將‘客體’分子插入多層架構(gòu)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(guān)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(tài)電感。”

　　由于其線性電子能帶結(jié)構(gòu)，與其多層對應(yīng)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(shí)上，MLG中的層間耦合將單層的線性能帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(tài)電感。

　　一種新的電感器工作機(jī)制

　　“其次，插層摻雜MLG并增加其電導(dǎo)率，這有助于改善其性能(或Q因子)。”

　　他表示，這項(xiàng)工作可能會改變我們將片上電感用于無線通信的模擬/射頻集成電路的方式，并為這些器件帶來新的工作機(jī)制。“在不久的將來，數(shù)以億計的相互連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將發(fā)送和接收大量相互關(guān)聯(lián)的信息，例如持續(xù)監(jiān)測重要的健康指標(biāo)和安全性，并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(xué)院和上海交通大學(xué)的研究人員組成，目前正在忙于研究如何進(jìn)一步提高插層過程的效率，從而進(jìn)一步提高動態(tài)電感。Banerjee解釋說：“這將進(jìn)一步增加電感密度，并有助于進(jìn)一步縮小片上電感，從而提高芯片的面積效率和Q因子。我們也試圖使整個電感器制造工藝與后端CMOS技術(shù)兼容。”