基于MEMS工艺的磁芯微电感器件研究

摘要

无源电感作为射频集成电路一种关键的无源器件，主要用来实现电路调谐、阻抗匹配以及滤波等功能。采用微加工工艺技术，对传统的无源电感进行片式化和薄膜化，大幅缩小了体积和重量，但得到的微电感的电感值和品质因数依然偏低。对微电感采用添加软磁薄膜磁芯材料的方法，能够有效提高电感值和品质因数。然而磁芯的引入带来了涡流损耗，磁芯较大的矫顽力造成了较大的磁滞损耗，磁芯本身较低的铁磁共振频率阻碍了微电感工作频率的提高，导致磁芯微电感的整体性能未能得到充分提高。另外，磁芯微电感在聚酰亚胺高温固化过程中，磁芯容易发生氧化，影响磁芯微电感的整体性能。这些都是磁芯微电感研究过程中需要解决的关键问题。本文通过对现有磁芯微电感的分析，从降低磁芯的涡流损耗和改善磁芯高频特性两方面着手，对磁芯的拓扑结构进行优化设计并探究了与微机械电子系统工艺兼容的磁芯微电感微加工工艺方法，针对相关问题进行了深入研究与探讨。
　　本文的主要工作及创新性研究成果如下：
　　1.提出了利用静态磁滞回线相关参数以及“双十”规则分别评估长方形软磁薄膜磁芯的高频特性和磁导率的方法。软磁薄膜磁芯的铁磁共振频率和磁导率是影响磁芯微电感高频特性和电感值的关键因素。现有的微电感软磁薄膜磁芯研究，主要利用谐振腔法、线圈法或者传输线法测试磁芯与频率相关的复数磁导率特性曲线，获得磁芯的铁磁共振频率和磁导率。以上三种方法对设备的要求苛刻，操作步骤十分复杂，需要花费大量的时间和精力。本文在长方形软磁薄膜磁芯基础上，提出了利用静态磁滞回线的相关参数以及“双十”规则分别评估其高频特性和磁导率的方法。利用静态磁滞回线获得磁芯的饱和磁感应强度和各项异性场两个参数，估算得到长方形磁芯的铁磁共振频率。利用微电感研究中的“双十”规则，对长方形磁芯的磁导率进行评估。采用制备的三种铁基合金薄膜对该方法进行了验证分析。与现有方法相比，该方法简单可行，能够根据磁芯微电感的工作频率和具体电感值要求，对制备的磁芯材料进行初步评估，便于选择合适的磁芯材料，节省大量的时间和精力。
　　2.提出了一种能够有效降低Fe/Co和Co/Fe双分子膜磁芯矫顽力的方法。Fe/Co双分子膜和Co/Fe双分子膜是采用不同溅射顺序制备的两种多层膜。采用以上两种双分子膜作为微电感的磁芯，存在着矫顽力偏大的缺点，导致微电感的磁损耗较大，影响品质因数的提高。现有的采用氮离子注入技术或是在氮气环境下进行热处理的方法来降低矫顽力，效果不佳。本文提出了一种能够有效降低两种双分子膜磁芯矫顽力的方法，通过在氩气环境下采用快速升温-保持恒温-自然降温的退火工艺，对制备在硅衬底上的两种双分子膜进行热处理。对热处理前后的磁性能进行测试和分析，结果表明热处理前两者的矫顽力几乎相同，分别为90.8Oe和91.6Oe。热处理后两者的矫顽力均得到了较大幅度的降低。其中Fe/Co双分子膜在300℃时并保温4h的条件下，矫顽力达到最小为36.8Oe，降幅达到了59%。Co/Fe双分子膜在350℃时并保温5h的条件下，矫顽力达到最小为22.4Oe，降幅达到了75%。在同一热处理条件下，Fe/Co双分子膜矫顽力下降速度明显快于Co/Fe双分子膜。
　　3.设计了采用分层分段磁芯和手指型磁通孔磁芯的闭合磁芯微电感，在此基础上研究了磁芯微电感的制备工艺方法。磁芯微电感的制备工艺，通过改进磁芯的拓扑结构能够提高微电感的性能，然而现有的研究通常采用单一的磁芯拓扑结构，不能充分提高微电感的性能。本文采用不同的图形化处理方法对磁芯的拓扑结构进行优化设计，设计了一种采用分层分段磁芯结合手指型磁通孔磁芯的闭合磁芯微电感，改善磁芯微电感的整体性能。与现有的磁芯微电感相比，采用分层磁芯能够降低趋肤效应并增大磁芯的磁导率。采用分段磁芯可以通过增大退磁系数来提高铁磁共振频率，同时抑制了面内涡流的形成。采用手指型磁通孔磁芯有效降低了磁通孔处的涡流损耗，也有助于铁磁共振频率的提高。基于磁芯拓扑结构优化设计的微电感制备工艺方法，与MEMS微加工工艺完全兼容，有利于制备出性能良好的磁芯微电感。
　　4.提出了一种采用铬膜种子层来生长抗氧化磁通孔柱子磁芯的微加工工艺方法。现有的磁通孔柱子磁芯微加工工艺采用在导体种子层上先生长磁通孔柱子然后旋涂聚酰亚胺绝缘层并进行高温固化最后再磨平的方法，不仅难以保证磁通孔柱子的牢固性和平整性，而且聚酰亚胺的高温固化过程容易导致磁芯表面发生氧化。本文提出了一种采用铬膜种子层来生长磁通孔柱子磁芯的方法，能够保证磁通孔柱子的牢固平整性并防止磁芯氧化。它通过在底部磁芯和磁通孔沟槽的侧壁上分别沉积铬膜种子层的方法，来生长磁通孔柱子。与现有方法相比，该方法不仅能够增强磁通孔柱子与底层磁芯之间的粘附性和牢固性，而且解决了底层磁芯和磁通孔柱子磁芯表面容易氧化的问题。
　　本文的研究结合西北工业大学研究生创业种子基金课题“用于射频集成电路的薄膜电感优化研究（No.2013075）”进行，得到国家留学基金委、国家自然科学基金课题“微型磁通门的低功耗技术研究（No.60874101）”和教育部高等学校博士学科点专项科研基金课题“基于多孔软磁薄膜的微型磁通门低功耗技术研究（No.20126102110031）”部分资助，对微电感的薄膜化、高性能化和高集成化都具有重要意义。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 磁芯微电感研究现状

1.3 磁芯微电感现存的问题

1.4 针对磁芯微电感现存问题的解决方法

1.5 本论文的主要内容与安排

第二章 用于磁芯微电感的磁芯材料评估方法研究

2.1 磁芯微电感基本参数

2.2 微电感磁芯材料性能要求

2.3 软磁薄膜磁芯材料制备方法

2.4 软磁薄膜磁芯的高频特性及磁导率的评估方法

2.5 利用铁基磁芯材料对提出的评估方法进行验证分析

2.6 热处理对三种铁基合金薄膜的磁性能影响

2.7 小结

第三章 铁钴双分子膜磁芯材料研究

3.1 Fe/Co和Co/Fe双分子膜的制备与磁性能

3.2 热处理对Fe/Co和Co/Fe双分子膜的影响

3.3 小结

第四章 磁芯微电感的线圈和磁芯拓扑结构优化设计

4.1 磁芯微电感线圈拓扑结构优化设计

4.2 磁芯微电感磁芯拓扑结构优化设计

4.3 磁芯微电感版图优化设计

4.4小结

第五章 磁芯微电感微加工工艺研究

5.1 主要微加工工艺

5.2 关键工艺的改进研究

5.3 基于分层分段磁芯和手指型磁通孔磁芯的微电感制备工艺

5.4小结

第六章 磁芯微电感性能测试及分析

6.1 微电感参数测试方法

6.2 微电感等效二端口微波网络

6.3 测试仪器及数据处理方法

6.4 微电感的高频测试结果与分析

6.5 小结

第七章 总结与展望

7.1 主要研究工作及成果

7.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表学术论文、参与科研项目及获奖情况

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