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University of Illinois, Urbana-Champaign

Elektronische Filter platzsparend aufrollen

27. August 2020, 11:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Elektronische Filter platzsparend aufrollen
© L. Brian Stauffer

Das Forscherteam der University of Illinois, Urbana-Champaign (v.l.n.r): Mark Kraman, Xiuling Li und Mike Yang.

Elektronische Filter sind ein wichtiger Teil unserer Smartphones und anderer mobiler Geräte. Allerdings nehmen sie auf den Chips relativ viel Platz ein. Forscher der University of Illinois haben nun eine Technik entwickelt, um Filterdesigns aufzurollen und so viel Platz zu sparen.

In Anlehnung an das Mooreschen Gesetz steigt die Zahl der Transistoren auf einem Mikrochip mit jeder Halbleiter-Prozessgeneration stark. Dies gilt für analoge Schaltkreise mit ihren passiven Bauelementen nur sehr eingeschränkt. Daher lassen sich beispielsweise elektronische Filter, die bestimmte Eingangssignale in Mobiltelefone und anderer mobiler Geräte unterdrücken oder verstärken, nur schwer weiter verkleinern. Eine neue Studie von Forschern der University of Illinois, Urbana-Champaign, zeigt, wie sich die einzelnen Bestandteile eines elektronischen Filters auf einem einzigen dreidimensionalen Bauteil integrieren lassen. Dadurch kann der Platzbedarf auf ein Zehntel sinken.

Dazu haben die Forscher unter der Leitung von Xiuling Li, Professorin für Elektro- und Computertechnik, das herkömmliche zweidimensionale On-Chip-Design von konzentrierten oder verteilten Filternetzwerken, das aus separaten Induktivitäten und Kapazitäten besteht, zugunsten einer einzigen, platzsparenden dreidimensionalen eingerollten Membran ersetzt. Diese enthält beide unabhängig voneinander entworfenen Elemente.

University of Illinois, Urbana-Champaign, Mark Kraman, Xiuling Li, Mike Yang, 3D Rolled Membrane, Electronic Filters
© Xiuling Li

Der Fertigungsprozess der Bauteile umfasst das Abscheiden von Metallen durch Elektronenstrahlverdampfung und Lithographie, um das Metallmuster und den Ätzprozess zu definieren. Der letzte Ätzschritt löst dann den Prozess des selbsttätigen Einrollens der gestapelten Membran aus.

Dazu verwendet das Team ein spezielles Ätz- und Lithografieverfahren, um zweidimensionale Schaltkreise auf sehr dünnen Membranen aufzubringen. In der Schaltung verbinden sie die Kapazitäten und Induktivitäten miteinander sowie mit Masse- oder Signalleitungen – alles in einer einzigen Ebene. Anschließend kann die vielschichtige Membran dann zu einer dünnen Röhre zusammengerollt und auf einem Mikrochip platziert werden, so die Forscher.

Erst Strukturieren, dann Aufrollen

»Die Masken, die wir verwenden, um die Schaltkreise auf den 2D-Membranschichten zu realisieren, lassen sich so abstimmen, dass wir jede Art von elektrischer Wechselwirkung erzielen, die wir für ein bestimmtes Bauteil benötigen«, erklärte Mark Kraman, der Doktorand und Co-Autor der Studie. »Mit dieser Technik ist es relativ einfach, mit verschiedenen Filterdesigns zu experimentieren, da wir die Masken nur modifizieren müssen, um Änderungen vorzunehmen.«

Das Team untersuchte die Leistungsfähigkeit der gerollten Komponenten und stellte fest, dass die Filter nach dem derzeitigen Design für Anwendungen im Frequenzbereich von 1 GHz bis 10 GHz geeignet sind. Während die Designs auf den Einsatz in HF-Kommunikationssystemen ausgerichtet sind, geht das Team davon aus, dass auch andere Frequenzen, sogar im Megahertzbereich, möglich sind, weil sie in früheren Studien bereits leistungsstarke Induktivitäten aufbauen konnten.

University of Illinois, Urbana-Champaign, Mark Kraman, Xiuling Li, Mike Yang, 3D Rolled Membrane, Electronic Filters
© Xiuling Li

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer eingerollten Mikrospule mit einem Durchmesser von ca. 80 µm, von einem Ende nach innen betrachtet.

»Wir haben mehrere einfache Filterdesigns entworfen, aber theoretisch können wir mit den gleichen Prozessschritten jede beliebige Kombination von Filternetzwerken herstellen«, erläuterte Mike (Zhendong) Yang, Doktorand und Hauptautor. »Wir nutzten das, was bereits verfügbar war, um eine neue, einfachere Plattform zu schaffen, mit der diese Komponenten stärker als je zuvor miteinander verschmolzen werden können.«

»Mit unserem Weg, Induktivitäten und Kapazitäten monolithisch zu integrieren, könnten wir die Integration passiver elektronischer Schaltungen auf ein völlig neues Niveau bringen«, sagte Li. »Es gibt praktisch keine Grenze für die Komplexität oder Konfiguration von Schaltungen, die auf diese Weise hergestellt werden können. Alles lässt sich mit einem einzigen Maskensatz realisieren.«

Originalpublikation

Zhendong Yang et al., Monolithic heterogeneous integration of 3D microwave L-C elements by self-rolled-up membrane nanotechnology, Adv. Funct. Mater. 2020, 2004034, DOI: 10.1002/adfm.202004034.

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