薄膜电感器的研究分析

陈龙+张辉+白飞明

摘要综述了磁性薄膜微电感的研究现状，介绍了薄膜电感器件的主要参数，分类及其结构上的优缺点，从材料的角度上分析了目前国际上用于制备磁芯电感的常见材料及其主要的特点。

关键词薄膜电感器；品质因数；电感值；磁性材料

中图分类号：TM552 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0000-00

随着信息科技的飞速发展，人们对于科技的依赖性逐日增加，射频通信领域每日都发生着翻天覆地的变化，由于其广泛的应用范围带来了非常理想的市场前景，一直受到人们的青睐。射频薄膜电感器作为一种应用非常广泛的无源器件，在射频电路中的模块中屡见不鲜，在射频匹配电路、放大器等电路模块中尤为突出。如何能够解决磁芯电感器品质因数和自谐振频率的问题，同时保证较高的电感值满足实际电路需要，这给电感的设计以及工艺提出一定的要求。

1电感的主要参数与影响因素

射频电感器的品质因数Q值、电感值L、自谐振频率fr是射频电感器设计制备时最重要的三个指标，关系到整个器件的性能。

电感品质因数是一个随着频率变化的函数，在低频阶段，各种寄生损耗，寄生电容，电阻比较小，对Q值的影响小，但是随着频率的增大，寄生效应对于电感的影响尤为明显，品质因数急速衰减，当到达某一频率时，品质因数趋向于零，此时，电感发生LC共振，这一点频率极为自谐振频率，它的计算公式为：

自谐振频率可以表征一个电感器件的工作频率范围，从公式中可以发现，高频时的电感本身寄生电容以及绝缘层，衬底的寄生电容对于它的影响最大，减少各种寄生电容成为提高电感工作频段的最重要途径。

电感值L是电感器的又一个非常重要的参数，它表征的是该器件存储与转换能量能力的强弱。电感分为两个部分，一部分来自于线圈各段导体的自感，另一部分来自相邻两个导线之间的互感，目前，最常见的计算平面电感L值的方法是由H.M.Greenhouse[1]提出的方法，计算电感的思路就是将电感各段导体的自感与所有互感叠加起来。

电感器根据其结构的不同，可以分为平面线圈结构﹑磁芯螺线管结构﹑曲折缠绕型结构﹑夹心条结构，以上四种结构各有自身的优缺点。

1）平面线圈型结构。该电感是一种螺旋线圈结构的电感器，结构上来说比较简单，给工艺制作上降低了难度，能节约成本。由于磁路无法闭合，在频段内电感值比较低，为了优化优化该种结构的电感器件，将其演变成夹心线圈结构的薄膜电感器，通过上下两层磁膜将其包裹在内，磁膜和线圈之间使用绝缘层（一般为聚酰亚胺），能够有效提高器件的电感值和品质因数。

2）螺线管结构电感器。螺线管电感[2]磁芯由上线两层线圈包裹，磁芯与线圈之间由绝缘层连接，这种结构的电感器件制造难度比较大，工艺难度比较大，高频时，损耗比较大，尤其是涡流损耗，导致Q值剧烈下降，这种结构的电感，由于磁芯牢牢被线圈包裹住，漏磁非常小，电感值比较大，常应用于功率电感器件中。

3）曲折缠绕型结构。曲折缠绕型电感器是一种立体结构电感器，由线圈和磁膜垂直纵横缠绕构成，它的磁路与基片平行，有效减小了涡流损耗，同时由于导体长度有限，降低了自身电阻。

4）夹心条结构。此种结构电感器，导体线圈位于中间，上下层均为磁芯材料，导体与磁芯通常以绝缘层相连，此种结构的电感器结构相对比较简单，磁路与基片表面平行，可以通过减小磁膜厚度控制涡流损耗，控制Si衬底减少漏磁。

2磁芯材料简介

现阶段，磁芯材料的选择很大程度上直接影响磁芯电感的性能参数，在选择上应至少具备[3]：

1）高饱和磁化强度。磁膜的相对磁导率正比于饱和磁化强度，提高是提高磁膜磁导率的最直接的途径。

2）高电阻率。电阻率能否提高，直接关系高频时的涡流损耗，减少各种高频损耗是电感设计时需要考虑的重要因素。

3）低磁滞伸缩系数。高的磁滞伸缩系数容易产生各种应力，从而诱导各项异性破坏原先磁膜的各向异性，此外相对较低的磁滞伸缩系数可以有效的减小矫顽力。

4）适宜的各向异性场，磁导率反比与各向异性场，但是较大的各向异性场能够提高材料的截止频率，需要适度选择。

5）与CMOS工艺良好的兼容性。

磁芯材料大致可以分为铁氧体薄膜以及软磁合金两大类。铁氧体薄膜主要以NiZn铁氧体为主要代表，这一类的磁性材料有着非常高的电阻率，可以近似为绝缘体，高频情况下寄生电阻和电容很小，有利于提高品质因数，但是由于饱和磁化强度比较低，在很大程度上限制了使用的频段，一般在只能在MHZ以下的频段使用，在功率电感和变压器中应用较多。另外一大类磁芯材料软磁合金主要包括晶态和非晶薄膜、纳米晶软磁薄膜、非晶颗粒膜、高阻软磁多层膜。在此类材料中，被关注最多的就是晶态合金薄膜以及纳米晶软磁薄膜。高频软磁颗粒膜材料具备了体积小、使用频率高、稳定性强、同时具有较高的电阻率、高饱和磁化强度及宽频带范围的高频磁导率等突出的特点，是一种非常好的高频软磁材料，近些年一直成为学者研究关注的重点。

3结论

薄膜电感器件蕴含着巨大的商机，在射频电路中使用非常广泛，设计时需要从结构设计、材料制备、工艺研究等各个角度进行分析，国际上对于射频电感的研究一直停滞在G赫兹的水平，磁芯电感Q值10以上，工作频率GHz的电感可以满足大多数电路的需要，为了提高电感器件的性能，对于高频磁性材料的探索一直会延续下去。

注：本文第三作者白飞明为导师

参考文献

[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.用于射频通信的MEMS电感制作工艺及应用研究[J].北京：清华大学微电子学研究所，2002.

[3] V.Korenivski.GHz magnetic film inductor.J.Magn.Magn.Mater.,2 000,215-216:800-806.

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