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(lèi)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(guó)際上用于制備磁芯電感的常見(jiàn)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(lèi)號(hào)：TM552 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）11-0000-00

隨著信息科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)于科技的依賴(lài)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(lái)了非常理想的市場(chǎng)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(wú)源器件，在射頻電路中的模塊中屢見(jiàn)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(wèn)題，同時(shí)保證較高的電感值滿(mǎn)足實(shí)際電路需要，這給電感的設(shè)計(jì)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(jì)制備時(shí)最重要的三個(gè)指標(biāo)，關(guān)系到整個(gè)器件的性能。

電感品質(zhì)因數(shù)是一個(gè)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(duì)Q值的影響小，但是隨著頻率的增大，寄生效應(yīng)對(duì)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(shí)，品質(zhì)因數(shù)趨向于零，此時(shí)，電感發(fā)生LC共振，這一點(diǎn)頻率極為自諧振頻率，它的計(jì)算公式為：

自諧振頻率可以表征一個(gè)電感器件的工作頻率范圍，從公式中可以發(fā)現(xiàn)，高頻時(shí)的電感本身寄生電容以及絕緣層，襯底的寄生電容對(duì)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(gè)非常重要的參數(shù)，它表征的是該器件存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換能量能力的強(qiáng)弱。電感分為兩個(gè)部分，一部分來(lái)自于線(xiàn)圈各段導(dǎo)體的自感，另一部分來(lái)自相鄰兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)之間的互感，目前，最常見(jiàn)的計(jì)算平面電感L值的方法是由H.M.Greenhouse[1]提出的方法，計(jì)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(lái)。

電感器根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同，可以分為平面線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)﹑磁芯螺線(xiàn)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(xiàn)圈型結(jié)構(gòu)。該電感是一種螺旋線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的電感器，結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，給工藝制作上降低了難度，能節(jié)約成本。由于磁路無(wú)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(xiàn)圈結(jié)構(gòu)的薄膜電感器，通過(guò)上下兩層磁膜將其包裹在內(nèi)，磁膜和線(xiàn)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(xiàn)管結(jié)構(gòu)電感器。螺線(xiàn)管電感[2]磁芯由上線(xiàn)兩層線(xiàn)圈包裹，磁芯與線(xiàn)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(shí)，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(xiàn)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(xiàn)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(shí)由于導(dǎo)體長(zhǎng)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(xiàn)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(duì)比較簡(jiǎn)單，磁路與基片表面平行，可以通過(guò)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(jiǎn)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(duì)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(shí)的渦流損耗，減少各種高頻損耗是電感設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(chǎng)，磁導(dǎo)率反比與各向異性場(chǎng)，但是較大的各向異性場(chǎng)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(lèi)。鐵氧體薄膜主要以NiZn鐵氧體為主要代表，這一類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(shí)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(jì)時(shí)需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備、工藝研究等各個(gè)角度進(jìn)行分析，國(guó)際上對(duì)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(mǎn)足大多數(shù)電路的需要，為了提高電感器件的性能，對(duì)于高頻磁性材料的探索一直會(huì)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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