Трансформаторы величин электрического напряжения — непременные компоненты практически всех радиоэлектронных устройств. Но если габариты полупроводниковых транзисторов и диодов, резисторов, емкостей и индуктивностей за последние полвека были «микроминиатюризированы» с кубических сантиметров до кубических нанометров, то размеры трансформаторов удалось уменьшить не столь радикально.
До сих пор трансформаторы по сравнению с другими элементами электронных схем выглядят, образно говоря, «слонами в посудной лавке» и, хотя предпринималось множество попыток сокращения этого «габаритного разрыва», более-менее весомые результаты подобных технологических изысканий были достигнуты разве что в единичных образцах. Действительно миниатюрные трансформаторы изготавливаются практически вручную для спецприменений (например, для радиооборудования космических аппаратов), а технологий их промышленного серийного производства так и нет.
Сегодня же ситуация с громоздкостью трансформаторов особенно обострилась в связи с развитием Интернета вещей, для построения беспроводных устройств которого критически важно наличие высокочастотных трансформаторов микронных размеров. И, как нельзя кстати, пришлось недавнее сообщение о завершении разработки «рулонных» высокочастотных трансформаторов с настолько малыми габаритами (в 10-100 раз меньше самых миниатюрных современных аналогов) что их стало, наконец-то, возможно интегрировать непосредственно в гибридные микросхемы.
Этот технологический проект выполнен группой ученых департамента электротехнического и компьютерного инжиниринга Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне в партнерстве с лабораторией микро- и нанотехнологий того же вуза при поддержке Программы развития базовых научных исследований для энергетики и Национального научного фонда (независимого агентства при правительстве США, отвечающего за развитие науки и технологий). В основу разработанного технического решения положена известная технология «рулонных» катушек индуктивности, которая заключается в нанесении на растянутую между двумя опорами упругую диэлектрическую пленку токопроводящей дорожки. После ее нанесения пленка «отстегивается» от опор и под воздействием собственной силы упругости подобно спиральной пружинке сворачивается в рулон.
Как известно трансформатор состоит из двух и более катушек индуктивности, размещенных на общем магнитопроводе. То есть, если на упругой пленке нанести две (или более) проводящих дорожки, то получается трансформатор (естественно, необходимо предварительно рассчитать ширину дорожек и расстояние между ними). Такая конструкция трансформатора обеспечивает высокий показатель магнитного сцепления первичной и вторичной (или нескольких вторичных) обмоток, благодаря чему можно получать высокие величины коэффициента трансформации. А такая возможность открывает пути изготовления не только согласующих и развязывающих трансформаторов, но трансформаторов-усилителей, повышающих чувствительность приема слабых сигналов на входе беспроводных IoT-устройств.
«Бонусом» для разработчиков «рулонных» трансформаторов стала рекордно малая величина паразитной емкости между обмотками микроразмеров, благодаря чему эти преобразователи способны работать с гораздо более высокочастотными сигналами, чем их аналоги, изготовленные по традиционным технологиям.
В ближайшей перспективе американские ученые наметили для нанесения обмоток использовать материал с более высоким значением электропроводности, например, графен, что позволит изготавливать еще более миниатюрные, гибкие и эффективные «рулонные» трансформаторы.
