基于微機(jī)電技術(shù)的硅基射頻電感的設(shè)計與仿真

孫秀偉 南京恒電電子有限公司

基于微機(jī)電技術(shù)的硅基射頻電感的設(shè)計與仿真

孫秀偉 南京恒電電子有限公司

在射頻電感的設(shè)計中采用了微機(jī)電技術(shù)進(jìn)行改造，得到了具有集成度高、功耗較低、體積小等優(yōu)點(diǎn)的新型電感，在微波集成電路中出現(xiàn)這種高品質(zhì)設(shè)計因數(shù)的電感意義重大。根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在平面結(jié)構(gòu)中，電感因數(shù)在4.4GHz的時候就可以達(dá)到11.8，而在垂直結(jié)構(gòu)中，電感因數(shù)在4.3GHz的時候甚至可以達(dá)到19.5，與傳統(tǒng)電感相比品質(zhì)因數(shù)明顯升高。

MEMS 立體電感 品質(zhì)因數(shù) 等效電路

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，集成化、小型化的射頻電路是一種發(fā)展趨勢，市場迫切的需要易集成、體積小、功耗低的新型元器件的出現(xiàn)[1]。在各種片外分立元件中的代表器件就是電感，在整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行中地位舉足輕重，系統(tǒng)體積的縮小面臨的主要瓶頸就是電感的尺寸問題。

MEMS指的是制作時可以批量操作，同時這一系統(tǒng)或者說是微型器件中包括了電路控制、通信、電源、接口等還包括了信號處理、微型傳感器、微型機(jī)構(gòu)以及微型執(zhí)行器等。在立體電感中應(yīng)用MEMS技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，由于電感不直接接觸基底而是直接在基底的上方的空氣中處于懸浮狀態(tài)，因此由寄生電感和電容所導(dǎo)致的寄生損耗就會大大減小，可以使電感的品質(zhì)因數(shù)進(jìn)一步的提高，使電感的性能得到優(yōu)化。

1 電感仿真分析

本文中進(jìn)行了兩種不同的MEM立體電感的設(shè)計方案：矩形線圈立體電感是第一種MEMS立體電感（圖1a），而立式矩形線圈立體電感是第二種的MEMS立體電感模型（圖1b）。設(shè)計完成后兩種模型都使用了終端驅(qū)動進(jìn)行求解，襯底的材料都采用了半導(dǎo)體硅材料，基質(zhì)層都使用了二氧化硅（介電常數(shù)為2．7）。選擇了來了銅導(dǎo)線進(jìn)行繞制線圈因為其具有較大的電導(dǎo)率，銅導(dǎo)線的寬度為15μm，得到的線圈厚度是2μm，有2．5匝的匝數(shù)，線與線之間距離為1．5μm，平面中不同導(dǎo)線之間采用孔連接的方式。矩形立體電感模型的襯底和線圈平面之間采用高度為10μm的支柱進(jìn)行支撐形成了立體的結(jié)構(gòu)，采用集總端口激勵的類型對電感端口進(jìn)行設(shè)置。第二種立式矩形立體電感模型中使用了立式結(jié)構(gòu)，整個線圈都位于XZ平面之上，襯底和線圈平面之間也采用支柱支撐，襯底和線圈底部導(dǎo)線之間的高度差是10μm，采用集總端口激勵的類型對電感端口進(jìn)行設(shè)置。

圖1 a矩形立體電感模型b立式矩形立體電感模型

兩種電感模型的制作工藝流程為：首先選擇電阻率為100Ω cm的N型硅材料作為襯底，其厚度是300μm；對硅襯底采用熱氧化進(jìn)行處理使其表面生長出SiO2的絕緣層，厚度是9．8μm；對使用的銅線圈電鍍窗口進(jìn)行光刻處理，采用正膠AZ4620的膠作為光刻膠，刻膠厚度為3μm；將銅線圈進(jìn)行電鍍2μm的厚度；光刻膠使用丙酮清洗除去后就得到了最終的電感。

2 矩形線圈立體電感的參數(shù)對比

線圈之間的間距、匝數(shù)、以及寬度值都會對電感的性能參數(shù)產(chǎn)生影響，本文分別分析了上述三個指標(biāo)改變后的矩形線圈立體電感，考察不同的參數(shù)改變后對電感性能產(chǎn)生的影響。

本實驗中分別設(shè)計了5、10、15、20μm的四種線圈寬度的電感，而線圈間距保持在1．5μm、匝數(shù)保持在2．5、線圈平面高度保持在10μm來進(jìn)行HFSS仿真計算，分別得到了改變線圈寬度后電感的L值、Q值、自諧振頻率值以及電阻值的變化情況。然后又分別設(shè)計了1．5、4、6．5、9μm的四種線圈間距進(jìn)行考察，其它指標(biāo)保持不變，也對電感的四項參數(shù)值進(jìn)行仿真運(yùn)算。而對于線圈匝數(shù)這一影響因素分別設(shè)計了2．5、3．5、4．5匝的線圈匝數(shù)進(jìn)行實驗，保持其它因素不變進(jìn)行HFSS仿真運(yùn)算，得到四項參數(shù)值。

3 結(jié)語

本文中分別設(shè)計了兩種MEMS電感同時對其進(jìn)行參數(shù)提取，比較導(dǎo)線寬度、匝數(shù)以及間距按個指標(biāo)對電感的影響，結(jié)果表明：線圈寬度增加時會使電感品質(zhì)因數(shù)增大，線圈間距增加使其減小，匝數(shù)增加也會導(dǎo)致其變小；線圈寬度增加會使Q值峰值時的電感值L減小，增大線圈間距使其減小，增大匝數(shù)則會使其增大；線圈寬度增加會使Q值峰值時的電阻減小，增大線圈間距使其減小，增大匝數(shù)使其增大；隨著線圈寬度增加自諧振頻率會出現(xiàn)增大的趨勢，線圈間距增加會使其增大，匝數(shù)增加會使其減小。

[1]Pieters P, Vaesen K, Brabels S, et al. Accurate Modeling of High-Q Spiral Inductors in Thin-Film Multilayer Technology for Wireless Telecommunication Applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(4):589-599.

[2]Burghartz J, Edelstein D, Soyther M, et al. RF Circuit Design Aspects of Spiral Inductors on Silicon[C]//Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers. IEEE International,1998:246-247,44.

孫秀偉，1989.11，男，漢，江蘇南京高淳，本科，助理工程師，目前從事微波射頻電路方面的研究。