薄膜变压器与电感器研究

摘要

随着信息技术(IT)的快速发展，电子系统向高集成度、高复杂度方向发展，必然要求在更小的基片上集成更多的元器件。除了依靠高密度集成技术的发展外，从器件本身出发，只有研制小型化、薄膜化的器件，以减小系统的整体体积、重量，才能达到减小功率损耗、提高信号传输效率的要求。而作为磁性元器件中最重要的变压器、电感器，在现代射频通信电路中被广泛使用，特别是能与硅器件一起集成的薄膜变压器、电感器，在国际上备受重视。而国内长期以来，由于受薄膜磁芯材料、绕组材料、基片材料，包括制作技术及最为关键的设计技术限制，尚未研发出能够用于这一应用领域的薄膜变压器、电感器。因而，本文的研究工作正是从这里入手，从理论及实验上探索薄膜化的磁性集成器件——变压器与电感器。 在薄膜变压器研制方面，首先实验上从磁芯材料、薄膜变压器结构、薄膜制作工艺等方面出发，设计和制作了多层薄膜叠加的工型薄膜变压器阵列，采用英国Voltech公司的变压器综合测试仪测试薄膜变压器的初次级电感、品质因子、串联等效电阻、插入损耗、分布电容等性能参数。分析讨论了磁芯薄膜的膜厚、磁芯薄膜的分层数、磁路的开路与闭路等因素对薄膜变压器性能的影响。初次级电感、Q值、插入损耗等性能曲线表明本文所设计、制作的薄膜变压器具有良好的高频性能；研发的新型高频脉冲薄膜变压器阵列，改变了传统脉冲变压器的“庞大躯体”，实现了脉冲变压器的小型化，且可实现在同一衬底上共同集成磁性元器件与半导体集成电路。其次，在理论上，基于深入分析人工神经网络技术，建立了基于人工神经网络分析的薄膜变压器模型，采用标准手册的数据训练和检验神经网络模型，结果表明建立的人工神经网络模型具有收敛稳定、收敛速度快、学习能力强、预测准确等特点，利用该人工神经网络模型能优化薄膜变压器设计。 在薄膜电感研究方面，以薄膜电感的设计与制作为重心，采用理论计算与实验制作共进的研究模式。首先基于Biot-Savat定律，推导不同绕线形状电感的理论计算式，并根据理论计算结果设计了不同电感值的薄膜电感，首次提出多层薄膜磁场分布的传输线模型。其次，研究了薄膜电感所使用的CoNbZr高频软磁薄膜材料的性能，并利用真空磁控溅射设备在10mm×l0mm的PCB板、20mm×20mm陶瓷基片上制作了薄膜电感。最后，测试了薄膜电感的性能，研究了薄膜厚度、绕线形状等对薄膜电感使用频率、品质因素、电感值的影响，并与理论计算结果进行比较。实验结果表明，推导的薄膜电感计算式能较好的符合测试结果，所制作的IT用薄膜电感可用于lMHz-1GHz的射频段，扩宽了电感的使用频段，并使电感从三维向两维空间发展，减小了电感的体积、重量，满足了器件“小、轻、薄”发展的需求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1引言

1.2国内外发展动态

1.2.1薄膜变压器

1.2.2薄膜电感器

1.3本论文工作概述

第二章薄膜变压器和电感器磁芯材料

2.1薄膜变压器、电感器磁芯材料的性能要求

2.2常用薄膜变压器和电感器磁芯材料

2.2.1玻莫合金薄膜

2.2.2 CoNbZr磁性薄膜

2.2.3 FeCrTaN磁性薄膜

2.2.4 Ti/FeTaN

2.2.5 CoZrTa薄膜

2.2.6 T-M-O系颗粒膜

2.2.7 Fe-N系氮化物纳米晶薄膜

2.2.8 Co-Ni-Fe系合金直流电镀膜

2.2.9 Co-MgF2颗粒膜

2.3软磁薄膜基本特性及CoNbZr薄膜性能研究

2.3.1软磁薄膜基本特性

2.3.2 CoNbZr高频软磁薄膜性能研究

第三章薄膜变压器理论研究

3.1微磁学模型

3.2薄膜变压器的等效电路

3.2.1并联电感(Lp)和并联电阻(Rp)

3.2.2膜状变压器损耗

3.3基于Maxwell方程的阻抗分析模型

第四章薄膜电感设计与理论模拟

4.1薄膜电感概述

4.2薄膜电感的绕线形式

4.3薄膜电感表面磁场的分布

4.4不同绕线形状薄膜电感计算模型

4.4.1.圆形螺旋形电感模型

4.4.2矩形螺旋形电感模型

4.4.3折线型电感模型

4.5不同绕线形状薄膜电感计算值与测量值对比

第五章薄膜变压器设计与制作

5.1神经网络简介

5.1.1神经网络的发展

5.1.2神经网络的特征

5.2人工神经网络的结构

5.3前馈神经网络及其学习算法

5.3.1 BP算法基本思想

5.3.2网络的训练

5.4人工神经网络模型建立及其功能

5.5人工神经网络模型软件的设计以及效果检验

5.5.1人工神经网络模型软件的设计

5.5.2人工神经网络模型的效果检验

5.6人工神经网络模型在薄膜变压器设计中的应用

5.6.1薄膜变压器人工神经网络的参数设定

5.6.2训练及检验薄膜变压器人工神经网络

5.7四阵列Ⅰ型薄膜变压器设计

5.8 Ⅰ型薄膜变压器的制作

5.8.1工艺与设备

5.8.2工艺路线

第六章薄膜变压器性能测试与结论分析

6.1变压器性能测试原理

6.1.1直流电阻测试

6.1.2等效串联电阻/串联电感的测试

6.1.3阻抗测试

6.1.4分布电容的测试

6.1.5插入损耗(ILOS)的测试

6.1.6品质因子Q的测试

6.2磁芯薄膜对薄膜变压器性能的影响

6.3磁芯薄膜厚度对变压器性能的影响

6.4磁芯薄膜分层数N对变压器性能的影响

6.5磁路结构对薄膜变压器的性能影响

6.6插入损耗的测试

6.7分布电容的测试

6.8薄膜变压器的输入输出电压测试

第七章薄膜电感实验设计及性能研究

7.1薄膜电感实验设计

7.1.1薄膜电感研究方案

7.1.2薄膜电感的制作

7.2薄膜厚度对薄膜电感性能的影响

7.3绕线形状对薄膜电感性能的影响

7.4改进型PCB薄膜电感

7.5“三明治”型薄膜电感

第八章结语和展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果