可穿戴設備、柔性顯示屏以及便攜式電子産品的快速發(fā)展,對(duì)柔性微型電子組件的需求日益增長(cháng)。其中,高密度柔性微型電感器作爲電力轉換和信号處理的關鍵元件,在提升設備性能(néng)、降低能(néng)耗以及實現設備微型化方面(miàn)發(fā)揮著(zhe)至關重要的作用。爲滿足新一代柔性電子産品對(duì)柔韌性和可彎曲性的高要求,相關研究表明,可在柔性基闆上集成(chéng)薄膜電感器。但是這(zhè)些線圈主要由非磁性材料組成(chéng),即使有磁性薄膜作爲襯底,也會産生漏磁現象。這(zhè)種(zhǒng)漏磁會降低電感值,無法滿足直流-直流(DC-DC)轉換器等低頻應用對(duì)高感值的需求。因此,研究高電感值且具有柔韌性的電感器,爲實現更高效、更緊湊的柔性電子系統提供新的解決方案,具有極其重要的研究價值和應用前景。
近期,中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能(néng)特性團隊在王軍強研究員的指導下,基于鐵基非晶軟磁合金的優異性能(néng),利用高精度飛秒激光燒蝕技術,在抑制非晶合金晶化的前提下,制備得到了非晶柔性微型電感器(如圖1)。該柔性電感器具有優異的機械柔韌性和非常高的變形穩定性,可承受大于5 mm的拉伸變形量(自身尺寸的3倍,如圖1e-g),當彎曲半徑爲16 mm時,電感值和品質因子衰減小于10%,2500次彎曲實驗之後(hòu)性能(néng)依舊(如圖2)。同時,在1MHz時其電感密度高達280-390 nH/mm2,是傳統平面(miàn)電感器的10倍左右(如圖3),并且相較于傳統的銅等非磁性材料,減少了漏磁現象,漏磁小于10-4 T(如圖4),可極大減少電子元器件之間的幹擾。
這(zhè)種(zhǒng)電感器的柔性設計不僅使其能(néng)夠适應各種(zhǒng)彎曲和折疊的應用環境,還(hái)能(néng)在極小的體積内實現高電感密度,滿足微型化和輕薄化電子産品的需求。通過(guò)優化非晶軟磁合金條帶的磁性能(néng)和精确的線圈設計,可以實現不同範圍電感值的調控。這(zhè)種(zhǒng)電感器在低頻、高效電子設備中具有廣泛應用潛力,不僅爲非晶軟磁合金提供了一種(zhǒng)新的應用場景,也爲柔性電子技術的發(fā)展提供了更多的材料選擇和設計靈感。
研究成(chéng)果以“Flexible Mini-Inductors with Ultra-High Inductance Density Directly Cut from Soft Magnetic Amorphous Alloys by Femtosecond Laser”爲題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。(DOI:10.1002/adfm.202313355)。論文的第一作者爲甯波材料所博士研究生陳亞男、張岩研究員、王吉高級工程師,通訊作者爲甯波材料所王軍強研究員、張岩研究員、張文武研究員,合作作者包括甯波材料所碩士研究生陳志豪、博士後(hòu)曹小文、博士研究生韓飛、向(xiàng)明亮工程師、霍軍濤研究員。本工作是和甯波材料所張文武研究員帶領的激光與智能(néng)能(néng)量場制造工程團隊合作完成(chéng),得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項目、浙江省“尖兵計劃”、甯波市基金和甯波材料所所長(cháng)基金的支持。
圖1 非晶合金柔性微型電感器的制備與特性:(a)利用飛秒激光制備柔性電感器的示意圖;(b)9匝柔性電感器與指紋對(duì)比的光學(xué)圖像;(c)9匝柔性電感器的放大光學(xué)圖像;(d)處于彎曲狀态的微型電感;(e-g)電感器在不同拉伸變形下的光學(xué)圖片,變形量可逐漸增大至5 mm
圖2 (a)和(b)在平坦和彎曲條件下電感值和品質因子的頻率依賴性(插圖顯示了在彎曲半徑爲16 mm的電感器);(c)非晶柔性電感器在不同彎曲應變下的電感值和品質因子(f = 1 MHz),衰減量小于10%;(d) 2500次彎曲循環後(hòu)的電感值和品質因子幾乎不變(f = 1 MHz)
圖3 柔性非晶電感器與文獻報道(dào)其他類型電感器的的電感值及電感密度對(duì)比圖
圖4 (a)和(b)爲銅電感器的橫截面(miàn)與平面(miàn)磁通線分布;(c)和(d)爲柔性非晶軟磁電感器的橫截面(miàn)與平面(miàn)磁通線分布,在空間内幾乎無漏磁現象
(中國(guó)科學(xué)院磁性材料與器件重點實驗室 陳亞男)