薄膜電感器的研究分析

陳龍+張輝+白飛明

摘要綜述了磁性薄膜微電感的研究現(xiàn)狀，介紹了薄膜電感器件的主要參數(shù)，分類及其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)缺點(diǎn)，從材料的角度上分析了目前國際上用于制備磁芯電感的常見材料及其主要的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞薄膜電感器；品質(zhì)因數(shù)；電感值；磁性材料

中圖分類號：TM552 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0000-00

隨著信息科技的飛速發(fā)展，人們對于科技的依賴性逐日增加，射頻通信領(lǐng)域每日都發(fā)生著翻天覆地的變化，由于其廣泛的應(yīng)用范圍帶來了非常理想的市場前景，一直受到人們的青睞。射頻薄膜電感器作為一種應(yīng)用非常廣泛的無源器件，在射頻電路中的模塊中屢見不鮮，在射頻匹配電路、放大器等電路模塊中尤為突出。如何能夠解決磁芯電感器品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率的問題，同時保證較高的電感值滿足實(shí)際電路需要，這給電感的設(shè)計以及工藝提出一定的要求。

1電感的主要參數(shù)與影響因素

射頻電感器的品質(zhì)因數(shù)Q值、電感值L、自諧振頻率fr是射頻電感器設(shè)計制備時最重要的三個指標(biāo)，關(guān)系到整個器件的性能。

電感品質(zhì)因數(shù)是一個隨著頻率變化的函數(shù)，在低頻階段，各種寄生損耗，寄生電容，電阻比較小，對Q值的影響小，但是隨著頻率的增大，寄生效應(yīng)對于電感的影響尤為明顯，品質(zhì)因數(shù)急速衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一頻率時，品質(zhì)因數(shù)趨向于零，此時，電感發(fā)生LC共振，這一點(diǎn)頻率極為自諧振頻率，它的計算公式為：

自諧振頻率可以表征一個電感器件的工作頻率范圍，從公式中可以發(fā)現(xiàn)，高頻時的電感本身寄生電容以及絕緣層，襯底的寄生電容對于它的影響最大，減少各種寄生電容成為提高電感工作頻段的最重要途徑。

電感值L是電感器的又一個非常重要的參數(shù)，它表征的是該器件存儲與轉(zhuǎn)換能量能力的強(qiáng)弱。電感分為兩個部分，一部分來自于線圈各段導(dǎo)體的自感，另一部分來自相鄰兩個導(dǎo)線之間的互感，目前，最常見的計算平面電感L值的方法是由H.M.Greenhouse[1]提出的方法，計算電感的思路就是將電感各段導(dǎo)體的自感與所有互感疊加起來。

電感器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可以分為平面線圈結(jié)構(gòu)﹑磁芯螺線管結(jié)構(gòu)﹑曲折纏繞型結(jié)構(gòu)﹑夾心條結(jié)構(gòu)，以上四種結(jié)構(gòu)各有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。

1）平面線圈型結(jié)構(gòu)。該電感是一種螺旋線圈結(jié)構(gòu)的電感器，結(jié)構(gòu)上來說比較簡單，給工藝制作上降低了難度，能節(jié)約成本。由于磁路無法閉合，在頻段內(nèi)電感值比較低，為了優(yōu)化優(yōu)化該種結(jié)構(gòu)的電感器件，將其演變成夾心線圈結(jié)構(gòu)的薄膜電感器，通過上下兩層磁膜將其包裹在內(nèi)，磁膜和線圈之間使用絕緣層（一般為聚酰亞胺），能夠有效提高器件的電感值和品質(zhì)因數(shù)。

2）螺線管結(jié)構(gòu)電感器。螺線管電感[2]磁芯由上線兩層線圈包裹，磁芯與線圈之間由絕緣層連接，這種結(jié)構(gòu)的電感器件制造難度比較大，工藝難度比較大，高頻時，損耗比較大，尤其是渦流損耗，導(dǎo)致Q值劇烈下降，這種結(jié)構(gòu)的電感，由于磁芯牢牢被線圈包裹住，漏磁非常小，電感值比較大，常應(yīng)用于功率電感器件中。

3）曲折纏繞型結(jié)構(gòu)。曲折纏繞型電感器是一種立體結(jié)構(gòu)電感器，由線圈和磁膜垂直縱橫纏繞構(gòu)成，它的磁路與基片平行，有效減小了渦流損耗，同時由于導(dǎo)體長度有限，降低了自身電阻。

4）夾心條結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)電感器，導(dǎo)體線圈位于中間，上下層均為磁芯材料，導(dǎo)體與磁芯通常以絕緣層相連，此種結(jié)構(gòu)的電感器結(jié)構(gòu)相對比較簡單，磁路與基片表面平行，可以通過減小磁膜厚度控制渦流損耗，控制Si襯底減少漏磁。

2磁芯材料簡介

現(xiàn)階段，磁芯材料的選擇很大程度上直接影響磁芯電感的性能參數(shù)，在選擇上應(yīng)至少具備[3]：

1）高飽和磁化強(qiáng)度。磁膜的相對磁導(dǎo)率正比于飽和磁化強(qiáng)度，提高是提高磁膜磁導(dǎo)率的最直接的途徑。

2）高電阻率。電阻率能否提高，直接關(guān)系高頻時的渦流損耗，減少各種高頻損耗是電感設(shè)計時需要考慮的重要因素。

3）低磁滯伸縮系數(shù)。高的磁滯伸縮系數(shù)容易產(chǎn)生各種應(yīng)力，從而誘導(dǎo)各項(xiàng)異性破壞原先磁膜的各向異性，此外相對較低的磁滯伸縮系數(shù)可以有效的減小矯頑力。

4）適宜的各向異性場，磁導(dǎo)率反比與各向異性場，但是較大的各向異性場能夠提高材料的截止頻率，需要適度選擇。

5）與CMOS工藝良好的兼容性。

磁芯材料大致可以分為鐵氧體薄膜以及軟磁合金兩大類。鐵氧體薄膜主要以NiZn鐵氧體為主要代表，這一類的磁性材料有著非常高的電阻率，可以近似為絕緣體，高頻情況下寄生電阻和電容很小，有利于提高品質(zhì)因數(shù)，但是由于飽和磁化強(qiáng)度比較低，在很大程度上限制了使用的頻段，一般在只能在MHZ以下的頻段使用，在功率電感和變壓器中應(yīng)用較多。另外一大類磁芯材料軟磁合金主要包括晶態(tài)和非晶薄膜、納米晶軟磁薄膜、非晶顆粒膜、高阻軟磁多層膜。在此類材料中，被關(guān)注最多的就是晶態(tài)合金薄膜以及納米晶軟磁薄膜。高頻軟磁顆粒膜材料具備了體積小、使用頻率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、同時具有較高的電阻率、高飽和磁化強(qiáng)度及寬頻帶范圍的高頻磁導(dǎo)率等突出的特點(diǎn)，是一種非常好的高頻軟磁材料，近些年一直成為學(xué)者研究關(guān)注的重點(diǎn)。

3結(jié)論

薄膜電感器件蘊(yùn)含著巨大的商機(jī)，在射頻電路中使用非常廣泛，設(shè)計時需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料制備、工藝研究等各個角度進(jìn)行分析，國際上對于射頻電感的研究一直停滯在G赫茲的水平，磁芯電感Q值10以上，工作頻率GHz的電感可以滿足大多數(shù)電路的需要，為了提高電感器件的性能，對于高頻磁性材料的探索一直會延續(xù)下去。

注：本文第三作者白飛明為導(dǎo)師

參考文獻(xiàn)

[1]Jun-Bo Yoon, Bon-Kee Kim, Chul-Hi Han, et al. Surface micromachined solenoid on-Si and on-glass inductors for RF applications. IEEE electron device letters, 1999, 20(9): 487-489.

[2]丁勇.用于射頻通信的MEMS電感制作工藝及應(yīng)用研究[J].北京：清華大學(xué)微電子學(xué)研究所，2002.

[3] V.Korenivski.GHz magnetic film inductor.J.Magn.Magn.Mater.,2 000,215-216:800-806.

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