【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】可穿戴設(shè)備、柔性顯示屏以及便攜式電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，對柔性微型電子組件的需求日益增長。其中，高密度柔性微型電感器作為電力轉(zhuǎn)換和信號處理的關(guān)鍵元件，在提升設(shè)備性能、降低能耗以及實現(xiàn)設(shè)備微型化方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。為滿足新一代柔性電子產(chǎn)品對柔韌性和可彎曲性的高要求，相關(guān)研究表明，可在柔性基板上集成薄膜電感器。但是這些線圈主要由非磁性材料組成，即使有磁性薄膜作為襯底，也會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。這種漏磁會降低電感值，無法滿足直流-直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器等低頻應(yīng)用對高感值的需求。因此，研究高電感值且具有柔韌性的電感器，為實現(xiàn)更高效、更緊湊的柔性電子系統(tǒng)提供新的解決方案，具有極其重要的研究價值和應(yīng)用前景。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所非晶合金磁電功能特性團(tuán)隊在王軍強(qiáng)研究員的指導(dǎo)下，基于鐵基非晶軟磁合金的優(yōu)異性能，利用高精度飛秒激光燒蝕技術(shù)，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(yōu)異的機(jī)械柔韌性和非常高的變形穩(wěn)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(dāng)彎曲半徑為16 mm時，電感值和品質(zhì)因子衰減小于10%，2500次彎曲實驗之后性能依舊(如圖2)。同時，在1MHz時其電感密度高達(dá)280-390 nH/mm2，是傳統(tǒng)平面電感器的10倍左右(如圖3)，并且相較于傳統(tǒng)的銅等非磁性材料，減少了漏磁現(xiàn)象，漏磁小于10-4 T(如圖4)，可極大減少電子元器件之間的干擾。
這種電感器的柔性設(shè)計不僅使其能夠適應(yīng)各種彎曲和折疊的應(yīng)用環(huán)境，還能在極小的體積內(nèi)實現(xiàn)高電感密度，滿足微型化和輕薄化電子產(chǎn)品的需求。通過優(yōu)化非晶軟磁合金條帶的磁性能和精確的線圈設(shè)計，可以實現(xiàn)不同范圍電感值的調(diào)控。這種電感器在低頻、高效電子設(shè)備中具有廣泛應(yīng)用潛力，不僅為非晶軟磁合金提供了一種新的應(yīng)用場景，也為柔性電子技術(shù)的發(fā)展提供了更多的材料選擇和設(shè)計靈感。
研究成果以“Flexible Mini-Inductors with Ultra-High Inductance Density Directly Cut from Soft Magnetic Amorphous Alloys by Femtosecond Laser”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。(DOI：10.1002/adfm.202313355)。論文的第一作者為寧波材料所博士研究生陳亞男、張巖研究員、王吉高級工程師，通訊作者為寧波材料所王軍強(qiáng)研究員、張巖研究員、張文武研究員，合作作者包括寧波材料所碩士研究生陳志豪、博士后曹小文、博士研究生韓飛、向明亮工程師、霍軍濤研究員。本工作是和寧波材料所張文武研究員帶領(lǐng)的激光與智能能量場制造工程團(tuán)隊合作完成，得到了國家自然科學(xué)基金項目、浙江省“尖兵計劃”、寧波市基金和寧波材料所所長基金的支持。(中國科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實驗室 陳亞男)
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)處于彎曲狀態(tài)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(zhì)因子的頻率依賴性(插圖顯示了在彎曲半徑為16 mm的電感器)；(c)非晶柔性電感器在不同彎曲應(yīng)變下的電感值和品質(zhì)因子(f = 1 MHz)，衰減量小于10%；(d) 2500次彎曲循環(huán)后的電感值和品質(zhì)因子幾乎不變(f = 1 MHz)
圖3 柔性非晶電感器與文獻(xiàn)報道其他類型電感器的的電感值及電感密度對比圖
圖4 (a)和(b)為銅電感器的橫截面與平面磁通線分布；(c)和(d)為柔性非晶軟磁電感器的橫截面與平面磁通線分布，在空間內(nèi)幾乎無漏磁現(xiàn)象
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