基于微機(jī)電技術(shù)的硅基射頻電感的設(shè)計(jì)與仿真*

章白瑜，高建軍* ，閆 娜

(1.華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，上海200241;2.上海微系統(tǒng)所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200050;3.復(fù)旦大學(xué)微電子研究院ASCI 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200433)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，射頻電路的小型化、集成化已經(jīng)成為趨勢(shì)，迫切需要一些低功耗、小體積、易集成的新型元器件［1］。以電感為代表的一系列片外分立元件也是系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，而它們的體積問(wèn)題正成為限制系統(tǒng)尺寸進(jìn)一步縮小的瓶頸［2］。傳統(tǒng)工藝已經(jīng)越來(lái)越難以滿足現(xiàn)代射頻元件的要求，而MEMS 技術(shù)有望解決這個(gè)問(wèn)題。

MEMS(Micro－Electro－Mechanical Systems)指的是可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝來(lái)說(shuō)，利用MEMS 技術(shù)制作的器件或系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)體積大大減小，便于集成;(2)性能、可靠性大幅度上升;(3)功耗大幅度降低［3］。MEMS 技術(shù)的制作工藝通常包括UV－LIGA(遠(yuǎn)紫外光電鑄)、干法刻蝕技術(shù)、拋光和電鍍技術(shù)等［3］。

制作高品質(zhì)因數(shù)無(wú)源器件是射頻集成電路設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中首先需要解決的問(wèn)題。而螺旋電感由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，一直是最難集成的無(wú)源器件之一［4］。因此，在MEMS 技術(shù)下實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的電感設(shè)計(jì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)射頻電路的集成化、可靠化設(shè)計(jì)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

用MEMS 技術(shù)制作的立體電感由于“懸浮”在基底上方的空氣中，不直接和基底接觸，寄生電容和寄生電感帶來(lái)的寄生損耗明顯降低，從而可以顯著提高電感的品質(zhì)因數(shù)，優(yōu)化電感性能。這些特點(diǎn)使得MEMS 立體電感具備了優(yōu)于傳統(tǒng)電感的一系列特性，從而能更好地適應(yīng)現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)的需求［5］。因此，MEMS 立體電感具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 理論模型和原理分析

螺旋電感常用的理論模型有3 種:1－π 模型［6－12］，2－π 模型［13－17］和T 模型［18－20］。

1.1 螺旋電感的理論模型

1.1.1 1－π 模型

圖1 給出了斯坦福大學(xué)C. Patrick Yue 在1998年首次提出的螺旋電感兩端口1－π 等效模型，該模型由9 個(gè)元件組成。

圖1 螺旋電感1－π 模型

圖1中Cs表示電感線圈間的電容，Rs和Ls分別表示電感線圈的串聯(lián)電阻和串聯(lián)電感，Cox1和Cox2表示電感線圈和襯底之間的寄生電容，Csub1、Csub2和Rsub1、Rsub2則分別表示襯底本身的電容和電阻。下面給出上述各參數(shù)的計(jì)算公式［17］:

其中，l 為電感線圈金屬線的長(zhǎng)度，ρ 為金屬的電導(dǎo)率，W 為線圈寬度，t 為線圈厚度，δ 為趨膚深度，n為線圈匝數(shù)，tox為氧化層的厚度，εox為氧化層的介電常數(shù)，Cd為襯底單位面積上的電容，Gd為襯底單位面積上的電導(dǎo)。

該模型能夠較為準(zhǔn)確地描述電感在第1 諧振頻率點(diǎn)之前的特性，但由于未考慮趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，因此在高頻有一定誤差。因此，文獻(xiàn)［7］提出了另一種改進(jìn)的1－π 模型，如圖2 所示。其中，Ls0和Rs0表征串聯(lián)電感和電阻。Ls1和Rs1串聯(lián)然后與Rs0并聯(lián)。這種電路結(jié)構(gòu)用來(lái)表征高頻時(shí)由趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的串聯(lián)電阻增加。

圖2 文獻(xiàn)［7］中的1－π 模型

1.1.2 2－π 模型

由于1－π 模型沒(méi)有考慮趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)和襯底耦合效應(yīng)等的影響，更為精確的2－π 模型被提出。由圖3 可以看出2－π 模型看作是由兩個(gè)1－π電路級(jí)聯(lián)而成的，其中C0表示電感線圈間的電容，Rs和Ls表示電感線圈的串聯(lián)電阻和串聯(lián)電感，Cp表示下層引出線和螺旋線圈之間的交疊電容。中間接地支路(由COX3、Rsub3和Csub3構(gòu)成)將整個(gè)電路分成相對(duì)獨(dú)立的兩個(gè)部分，值得注意的是2－π 模型在自諧振頻率以上存在一個(gè)奇點(diǎn)(Singular Point)，這個(gè)奇點(diǎn)往往會(huì)導(dǎo)致較大的擬合誤差。這也是2－π模型區(qū)別于1－π 和T 模型的一個(gè)重要特點(diǎn)。

圖3 文獻(xiàn)［14］提出的非對(duì)稱2－π 模型

1.1.3 T 模型

圖4 所示是J. C. Guo 等人提出的T 模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。該模型用Rloss、Rsub、Lsub、Csub來(lái)表示襯底損耗、電感線圈的損耗。同時(shí)，該模型用電阻Rp來(lái)表示由襯底損耗回路引起的電感線圈的導(dǎo)體損耗，這樣做可以使模型更準(zhǔn)確地表示品質(zhì)因數(shù)Q 的峰值。

圖4 文獻(xiàn)［18］提出的T 模型

1.1.4 模型對(duì)比

表1 總結(jié)了上述三種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，表2 給出了幾種不同的1－π 模型，2－π 模型和T 模型等效電路模型的特征對(duì)比，其中“√”代表模型已考慮該效應(yīng)，“×”代表模型未考慮該效應(yīng)。

表1 三種電感模型的優(yōu)缺點(diǎn)比較

表2 片上螺旋電感等效電路模型關(guān)鍵特征對(duì)比

1.2 電感品質(zhì)因數(shù)Q 值的理論計(jì)算模型

圖1 所示的電感理論模型在單端接地的條件下，可以通過(guò)電路等效變換得到如圖5 所示的等效電路模型。

圖5 1－π 模型經(jīng)過(guò)等效變換的電路模型

其中［21］:

Q 值定義式為:

從式(7)可以看出，電感的品質(zhì)因數(shù)Q 是由等式右邊的3 個(gè)因式所決定的。其中，第1 個(gè)因式表征電感線圈所存儲(chǔ)的磁場(chǎng)能以及線圈本身的歐姆損耗;第2 個(gè)因式表征電感襯底上的能量損耗;第3 個(gè)因式是自諧振因子，表示頻率上升時(shí)，電場(chǎng)峰值能也會(huì)隨之上升，從而將導(dǎo)致Q 值下降。

在使用HFSS 軟件仿真分析電感時(shí)，是把電感看作一個(gè)二端口元件，計(jì)算Q 值的公式為:

2 電感仿真分析

本文設(shè)計(jì)了兩種不同的MEMS 立體電感:第1 種MEMS 立體電感模型為矩形線圈立體電感(如圖6 所示)，第2 種MEMS 立體電感模型為立式矩形線圈立體電感(如圖7 所示)。以上兩種設(shè)計(jì)均運(yùn)用終端驅(qū)動(dòng)(Driven Terminal)求解，所設(shè)計(jì)電感采用半導(dǎo)體硅材料襯底，用介電常數(shù)為2.7 的二氧化硅作為介質(zhì)層。線圈采用電導(dǎo)率較大的銅導(dǎo)線繞制而成，線寬為15 μm，線圈厚度2 μm，線間距1.5 μm，匝數(shù)為2.5 匝，不同平面的金屬導(dǎo)線之間通過(guò)過(guò)孔連接。第1 種MEMS 電感線圈平面與襯底之間用h=10 μm 的支柱支撐，形成立體結(jié)構(gòu)。設(shè)置該電感端口激勵(lì)類型為集總端口激勵(lì)。第2 種MEMS 電感線圈采用立式結(jié)構(gòu)，使整個(gè)線圈處于XZ 平面上。線圈平面與襯底之間用支柱支撐，使得線圈底導(dǎo)線與襯底之間的高度差h=10 μm。設(shè)置該電感端口激勵(lì)類型為集總端口激勵(lì)。

圖6 矩形立體電感模型

圖7 立式矩形立體電感模型

本文設(shè)計(jì)的電感制作工藝流程如下:(1)采用N型硅(100)作為襯底材料，電阻率為100 Ω·cm，襯底厚度為300 μm;(2)在硅襯底上進(jìn)行熱氧化，生長(zhǎng)厚度為9.8 μm 的SiO2絕緣層;(3)光刻Cu 線圈電鍍窗口，厚度約為3 μm，光刻膠為正膠AZ4620;(4)電鍍Cu 線圈，厚度為2 μm;(5)用丙酮除去光刻膠，清洗后得到電感。

2.1 矩形線圈立體電感參數(shù)分析

圖8 是本文設(shè)計(jì)的矩形線圈立體電感在HFSS中經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算后得到的矩形線圈立體電感S11和S21參數(shù)曲線。當(dāng)頻率為0.1 GHz 時(shí)，S11最小，最小值約為－31.32 dB;當(dāng)頻率為18.80 GHz 時(shí)，S11有最大值約為－0.82 dB。而隨著掃描頻率的增大，S11有繼續(xù)增大的趨勢(shì)。而對(duì)于S21，當(dāng)頻率為0.1 GHz 時(shí)，有最大值，趨近0 dB;在0 ～19.80 GHz 掃頻內(nèi)，S21的值單調(diào)遞減;當(dāng)頻率為19.80 GHz 時(shí)，S21達(dá)到最小值約為－44.97 dB。圖9 是本文設(shè)計(jì)的矩形線圈立體電感在HFSS 中經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算后得到的矩形線圈立體電感的L 值曲線。矩形線圈立體電感的L11曲線在0 ～12.90 GHz 范圍內(nèi)基本保持一條直線，在12.90 GHz ～15.50 GHz 以指數(shù)形式急速上升。而在掃描頻率為15.50 GHz 和15.60 GHz 處出現(xiàn)脈沖似的跳變，此后電感跳變?yōu)樨?fù)值，即在15.50 GHz 處達(dá)到諧振點(diǎn)。圖10 是本文設(shè)計(jì)的矩形線圈立體電感在HFSS 中經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算后得到的矩形線圈立體電感Q 值參數(shù)曲線。在頻率為4.30 GHz 和4.40 GHz 時(shí)，Q11和Q22分別達(dá)到最大值，分別為10.99和11.83。

圖8 矩形線圈立體電感S11和S21參數(shù)曲線

圖9 矩形線圈立體電感L 值曲線

圖10 矩形線圈立體電感Q 值曲線

2.2 立式矩形線圈電感參數(shù)分析

圖11 是本文設(shè)計(jì)的立式矩形線圈立體電感在HFSS 中經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算后得到的立式矩形線圈立體電感S11和S21參數(shù)曲線。在0 ～20 GHz 的掃頻曲線中，當(dāng)頻率為0. 1 GHz 時(shí)，S11最小，最小值約為－34.11 dB;當(dāng)頻率為16.80 GHz 時(shí)，S11有最大值約為－0.30 dB。而隨著掃描頻率的繼續(xù)增大，S11減小。而對(duì)于S21，當(dāng)頻率為0.1 GHz 時(shí)，有最大值，趨近0 dB;在0 ～17.30 GHz 掃頻內(nèi)，S21的值單調(diào)遞減;當(dāng)頻率為17.30 GHz 時(shí)，S21達(dá)到最小值約為－44.22 dB，當(dāng)頻率大于17. 30 GHz 時(shí)，S21的值有持續(xù)增大的趨勢(shì)。圖12 是本文設(shè)計(jì)的立式矩形線圈立體電感在HFSS中經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算后得到的立式矩形線圈立體電感的L 值曲線。立式矩形線圈立體電感的L11曲線在0 ～8.90 GHz 范圍內(nèi)基本保持一條直線，在8.90 GHz ～13.50 GHz 以指數(shù)形式急速上升。而在掃描頻率為13.50 GHz 和13.60 GHz 處出現(xiàn)脈沖似的跳變，此后電感跳變?yōu)樨?fù)值，即在13.60 GHz 處達(dá)到諧振點(diǎn)。圖13 是本文設(shè)計(jì)的矩形線圈立體電感在HFSS 中經(jīng)過(guò)仿真運(yùn)算后得到的矩形線圈立體電感品質(zhì)因數(shù)Q值參數(shù)曲線。在頻率為4.30 GHz 和4.20 GHz 時(shí)，Q11和Q22分別達(dá)到最大值，分別為19.51 和19.12。

圖11 立式矩形線圈立體電感S11、S21參數(shù)曲線

圖12 立式矩形線圈立體電感L 值曲線

圖13 立式矩形線圈立體電感Q 值曲線

3 矩形線圈立體電感的參數(shù)對(duì)比

影響電感性能的參數(shù)還有線圈寬度、線圈間距、線圈匝數(shù)等。本節(jié)內(nèi)容旨在分析不同線圈寬度、線圈間距、線圈匝數(shù)的矩形線圈立體電感，研究這些參數(shù)的改變對(duì)電感性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 種不同線圈寬度的電感，分別為5 μm、10 μm、15 μm、20 μm。實(shí)驗(yàn)保持線圈間距1.5 μm，線圈匝數(shù)2.5 匝和線圈平面高度10 μm 不變，通過(guò)HFSS 進(jìn)行仿真運(yùn)算，記錄了線圈寬度改變對(duì)電感Q 值、L 值、電阻值和自諧振頻率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 不同導(dǎo)線寬度電感的參數(shù)對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 種不同線圈間距的電感，分別為1.5 μm、4 μm、6.5 μm 和9 μm。實(shí)驗(yàn)保持線圈寬度15 μm，線圈匝數(shù)2.5 匝和線圈平面高度10 μm 不變，通過(guò)HFSS 進(jìn)行仿真運(yùn)算，記錄了線圈寬度改變對(duì)電感Q 值、L 值、電阻值和自諧振頻率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 不同導(dǎo)線間隔電感的參數(shù)對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3 種不同線圈匝數(shù)的電感，分別為2.5 匝、3.5 匝和4.5 匝。實(shí)驗(yàn)保持線圈寬度15 μm，線圈間距1.5 μm 和線圈平面高度10 μm 不變，通過(guò)HFSS 進(jìn)行仿真運(yùn)算，記錄了線圈寬度改變對(duì)電感Q 值、L 值、電阻值和自諧振頻率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 不同導(dǎo)線匝數(shù)電感的參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了兩種MEMS 電感并進(jìn)行參數(shù)提取，通過(guò)不同導(dǎo)線寬度、間距和匝數(shù)的電感對(duì)比，可以得出以下結(jié)論:

(1)電感的品質(zhì)因數(shù)Q 隨著線圈寬度增加有增大趨勢(shì)，隨線圈間距增加有減小趨勢(shì)，隨匝數(shù)增加有減小趨勢(shì);

(2)Q 值峰值時(shí)的電感值L 隨線圈寬度增加有減小趨勢(shì)，隨線圈間距增加有減小趨勢(shì)，隨匝數(shù)增加有增大趨勢(shì);

(3)Q 值峰值時(shí)的電阻隨線圈寬度增加有減小趨勢(shì)，隨線圈間距增加有減小趨勢(shì)，隨匝數(shù)增加有增大趨勢(shì);

(4)自諧振頻率隨線圈寬度增加有增大趨勢(shì)，隨線圈間距增加有增大趨勢(shì)，隨匝數(shù)增加有減小趨勢(shì)。

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