【儀表網 研發快訊】可穿戴設備、柔性顯示屏以及便攜式電子產品的快速發展，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換和信號處理的關鍵元件，在提升設備性能、降低能耗以及實現設備微型化方面發揮著至關重要的作用。為滿足新一代柔性電子產品對柔韌性和可彎曲性的高要求，相關研究表明，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，也會產生漏磁現象。這種漏磁會降低電感值，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，中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能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，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)，當彎曲半徑為16 mm時，電感值和品質因子衰減小于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280-390 nH/mm2，是傳統平面電感器的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干擾。
 

　　這種電感器的柔性設計不僅使其能夠適應各種彎曲和折疊的應用環境，還能在極小的體積內實現高電感密度，滿足微型化和輕薄化電子產品的需求。通過優化非晶軟磁合金條帶的磁性能和精確的線圈設計，可以實現不同范圍電感值的調控。這種電感器在低頻、高效電子設備中具有廣泛應用潛力，不僅為非晶軟磁合金提供了一種新的應用場景，也為柔性電子技術的發展提供了更多的材料選擇和設計靈感。
 

　　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的激光與智能能量場制造工程團隊合作完成，得到了國家自然科學基金項目、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。(中國科學院磁性材料與器件重點實驗室  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圖像；(c)9匝柔性電感器的放大光學圖像；(d)處于彎曲狀態的微型電感；(e-g)電感器在不同拉伸變形下的光學圖片，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為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次彎曲循環后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，在空間內幾乎無漏磁現象