1 工作简介

         ——打破传统缩放规律的高密度电感片上集成技术

在无线通信芯片（如Wi-Fi、蓝牙、5G射频前端）中，高密度片上电感是实现高性能、小尺寸的关键。随着物联网等应用的兴起，现代电子设备亟需向更小、更快、更节能发展。作为集成电路的基础元件，片上电阻、电容的尺寸已随CMOS工艺迭代而显著缩小；但电感器因缩放规律始终受限，通常难以微型化。为获得所需电感与性能的平衡，传统平面电感往往需要较大物理尺寸，常常占据射频芯片30%-50%的面积，成为限制射频系统级芯片小型化与高度集成的关键瓶颈。针对这一难题，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院/智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院崔继斋、黄高山、梅永丰团队提出并验证了一种三维卷曲集成的高密度微电感解决方案 (RuMi)，为片上电感的小型化与高性能提供了全新路径。

该研究从理论上比较了不同结构电感的尺寸效应，传统二维平面电感的电感面积密度受几何形态所限，随导线长度增长缓慢；而三维卷曲电感通过将长导线在应力驱动下自卷成管状线圈，并集成纳米层状软磁材料，显著提升层间磁耦合效率，使电感面积密度随导线长度呈超线性增长（如图1所示）。在关键工艺上，团队提出了与现有CMOS流程完全兼容的四步光刻制备方法，已在2英寸晶圆片上实现约92%的良率，器件既能直接与其他电路元件(电容、电阻、晶体管等)一体化制备形成功能化电路，也可以通过激光切割与其他器件模块集成。通过优化磁性叠层、卷曲应力与电感几何参数，器件在0.55 GHz下实现了8333 nH/mm²的电感面积密度，较传统平面电感提升近两个数量级；通过与目前主流的片上电感性能进行对比(如图2所示)，展示了所设计的器件构型在GHz频段优异的电学性能。

这项工作不仅突破了片上电感在微型化与高频应用中的长期瓶颈，也为RF-SoC全面集成、5G/6G与物联网前端，以及高频电源管理芯片等带来新的设计思路；其紧凑结构和高频特性亦有望服务于量子计算、微纳机器人近场耦合等前沿方向，支撑超小型射频电子系统的进一步落地。

相关成果以研究论文在期刊Nature Communications上发表，题目为“High inductance density in CMOS-compatible magnetically integrated 3D microinductors for radio-frequency applications”。同时，该论文入选 Nature Communications 期刊 “Engineering and Infrastructure”领域的编辑精选（Editors’ Highlights）栏目，该栏目旨在展示该领域近期发表的50篇最佳论文。论文共同第一作者为复旦大学智能机器人与先进制造创新学院博士生陈力、乔郅元、刘声宝；共同通讯作者为崔继斋青年研究员、黄高山教授、梅永丰教授。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市启明星计划、上海市科委等项目支持。

2 主要作者简介

共同第一作者

陈力，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院/智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院博士生。

研究方向为基于薄膜自卷曲技术的三维电学器件，主要聚焦于三维无源元件和三维磁畴壁存储器件，在本领域以第一作者(含共一)发表SCI论文两篇，申请/授权发明专利2项，曾参加第十届上海市新材料创新创意大赛并获二等奖。

共同第一作者

乔郅元，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院/智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院博士生。

师从黄高山教授，参与国家重点研发项目新型片上三维光电及射频器件研究，取得一系列研究成果。研制具有高电感面积密度的片上三维磁集成微电感器，以共同第一作者于Nature Communications上发表论文1篇。以共同作者于Adv. Func. Mat.等期刊发表论文1篇，参与及申请国家发明专利2项。

共同第一作者

刘声宝，复旦大学智能机器人与先进制造创新学院/智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院博士生。

师从崔继斋青年研究员，从事三维电子器件的设计与工艺研究。以共同第一作者在Nature Communication上发表论文1篇，以项目负责人完成国家自然科学基金青年学生基础研究项目（本科生）1项，申请发明专利1项。曾参加第十届上海市新材料创新创意大赛获二等奖，参加中国国际大学生创新大赛（2024）获国赛金奖。

通讯作者

崔继斋，复旦大学青年研究员、博士生导师，国家海外优青项目获得者。

主要研究方向为微纳米机器人、三维微电子器件、折纸/剪纸启发的超材料等。主持国家自然科学基金委优秀青年基金（海外）、国家重点研发计划“纳米前沿”青年科学家项目等重点科研项目，以第一作者/通讯作者在Nature、Nat. Commun.、PNAS、Adv. Mater.等杂志发表文章10余篇，总被引2000余次。

通讯作者

黄高山，复旦大学教授、博士生导师。

主要研究方向为智能薄膜材料及光电器件研究。在Light: Science & Applications、Nature Communications、Advanced Materials等高水平期刊上发表学术论文200余篇，h指数为43。获授权中国发明专利20余项。获中国材料研究学会科学技术一等奖、上海市浦江人才、复旦大学卓学人才等荣誉。先后主持国家重点研发计划项目课题、国家自然学基金项目、军科委项目、上海市科委项目等。

通讯作者

 梅永丰，复旦大学特聘教授、博士生导师，美国光学学会会士，国家级人才计划科技创新领军人才，上海市东方英才计划领军人才、国家优秀青年科学基金、教育部青年长江学者、上海市优秀学术带头人、教育部新世纪优秀人才、上海市曙光学者。

主要研究方向为薄膜材料与沉积技术、微纳加工与半导体工艺等，聚焦科技前沿和国家需求，围绕微纳制造及微纳机器人和柔性光电器件方面开展科研工作；发表Nature、Nature Electronics、Science Robotics、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等学术论文350余篇，引用超17000余次，发明专利授权20余项；曾获欧洲材料学会青年科学家奖、德国莱布尼茨学会固体与材料研究所IIN研究奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖、中国半导体十大研究进展提名奖和宝钢优秀教师奖等。担任Applied Physics Letters副主编及Applied Physics Review、《极端制造》等国际学术杂志顾问编委以及薄膜相关国际学术会议主席。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41467-025-65032-3