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MEMS磁芯螺线管微电感的制造技术研究

作　者: 周庆华
导　师: 周勇
学　校: 上海交通大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机电系统(MEMS) 磁芯螺线管微电感电感量品质因数 FeCuNbSiB纳米晶薄带 NiFe薄膜
分类号: TM55
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

信息技术的不断进步,使电子产品向小型化,集成化方向发展。最终目标是将各种功能单元在单个芯片上实现,即片上系统(SOC, System On a Chip)。作为电子线路中的重要元件,电感的微型化、集成化已成为电子产品小尺寸、高性能的关键之一。随着便携式电子产品中的电源管理芯片如DC/DC变换器向着更高的性能和更小的尺寸方向发展,市场对研制高功率、低损耗的集成微电感提出了迫切的需求,如器件占用面积小,大的电感量和品质因数、大的饱和电流以及工艺兼容等。将薄膜技术融入到MEMS技术中可以研制出具有低电阻、高电感量、高品质因子、低成本和批量化生产的集成微电感,适用于各种应用下的电源管理系统。本论文完成的主要工作和结论主要如下:(1)微电感的磁芯材料性能测试利用Agilent E4991A射频阻抗/材料分析仪和振动样品磁强计(VSM)对FeCuNbSiB非晶薄带经不同温度退火处理后的磁学性能进行了测试。(2)磁芯螺线管型微电感的模拟研究从电磁场理论出发,建立了磁芯螺线管微电感的集总参数等效电路模型,借助Matlab编程,模拟了结构参数和材料特性对微电感的电感量和品质因数的影响。(3)磁芯螺线管型微电感的制造工艺采用FeCuNbSiB纳米晶薄带和NiFe薄膜作为磁芯,结合MEMS工艺,制造了这两种磁芯材料的螺线管微电感。制造过程涉及光刻、电镀、溅射、刻蚀及聚酰亚胺绝缘等关键制造工艺。(4)磁芯螺线管型微电感的测试与分析采用HP 4194A和E4991A射频阻抗/材料分析仪在1-10MHz频率范围内对微电感进行了性能测试。测试结果表明,通过500℃退火制备的FeCuNbSiB纳米晶薄带适合用做微电感的磁芯材料,器件可以获得大的电感量和和良好的品质因数,优于NiFe薄膜磁芯螺线管微电感的性能。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-32
  1.1 微电感的研究背景  11-13
  1.2 微电感器件结构特点  13-18
    1.2.1 平面螺旋型电感器件  13-14
    1.2.2 螺线管型电感器件  14-17
    1.2.3 曲折结构电感器件  17
    1.2.4 夹心条状结构电感器件  17-18
  1.3 磁性薄膜材料  18-20
    1.3.1 坡莫合金  18-19
    1.3.2 铁氧体  19
    1.3.3 非晶、纳米晶软磁材料  19-20
  1.4 微电感的损耗机制  20-22
    1.4.1 欧姆损耗  20-21
    1.4.2 磁性材料的损耗  21-22
    1.4.3 衬底损耗  22
  1.5 微电感的应用  22-26
    1.5.1 微电感在无线通信电路中的应用  23-24
    1.5.2 微电感在电源管理电路中的应用  24-26
  1.6 本课题研究的意义及主要内容  26-28
    1.6.1 本课题研究的意义  26-27
    1.6.2 本课题研究的主要内容  27-28
  参考文献  28-32
第二章螺线管微电感磁芯材料的性能研究  32-43
  2.1 Fe 基非晶合金带材的退火处理  32-33
  2.2 Fe 基非晶纳米晶材料高频磁导率的测量  33-37
    2.2.1 测量原理  33-35
    2.2.2 高频磁导率测试结果与分析  35-37
  2.3 Fe 基非晶纳米晶合金带材磁滞回线的测量  37-41
  2.4 本章小结  41-42
  参考文献  42-43
第三章磁芯螺线管微电感的模拟研究  43-67
  3.1 电感的计算方法  43-44
  3.2 微型电感的各种等效电路模型  44-47
  3.3 磁芯螺线管微电感的等效电路模型  47-48
  3.4 低频下磁芯螺线管微电感的电感量及直流电阻计算  48-50
  3.5 高频下磁芯螺线管微电感参数的计算表达式  50-55
    3.5.1 螺线管微电感的线圈电阻  50-51
    3.5.2 磁芯螺线管微电感的串联电感和磁芯等效电阻  51-54
    3.5.3 寄生电容  54-55
  3.6 磁芯螺线管微电感的电感量和品质因数计算  55-56
  3.7 磁芯螺线管微电感的模拟结果  56-65
    3.7.1 磁芯材料的电阻率对微电感性能的影响  56-57
    3.7.2 磁芯宽度对微电感性能的影响  57-59
    3.7.3 线圈匝数对微电感性能的影响  59-60
    3.7.4 线圈导体电阻率对微电感性能的影响  60-61
    3.7.5 线圈导体宽度对微电感性能的影响  61-62
    3.7.6 线圈导体间隙对微电感性能的影响  62-63
    3.7.7 线圈导体厚度对微电感性能的影响  63-64
    3.7.8 绝缘层厚度对微电感性能的影响  64-65
  3.8 本章小结  65
  参考文献  65-67
第四章磁芯螺线管微电感的 MEMS 制备工艺  67-91
  4.1 基本MEMS 工艺  67-78
    4.1.1 光刻工艺  67-71
    4.1.2 微电镀工艺  71-72
    4.1.3 溅射淀积  72-73
    4.1.4 刻蚀工艺  73-74
    4.1.5 聚酰亚胺绝缘层的制备及抛光工艺  74-78
    4.1.6 MEMS 工艺检测  78
  4.2 FeCuNbSiB 纳米晶磁芯螺线管微电感的制备工艺  78-84
  4.3 NiFe 薄膜磁芯螺线管微电感的制备工艺  84-89
  4.4 本章小结  89-90
  参考文献  90-91
第五章磁芯螺线管微电感的测试与分析  91-109
  5.1 微电感的测试原理  91-94
  5.2 NiFe 薄膜磁芯螺线管微电感的性能测试  94-98
    5.2.1 磁芯结构对微电感性能的影响  94-97
    5.2.2 磁芯厚度对微电感性能的影响  97-98
  5.3 无磁芯的螺线管微电感的性能测试  98-100
  5.4 Fe 基纳米晶磁芯螺线管微电感的性能测试  100-104
  5.5 实验结果与模拟结果的比较  104-108
    5.5.1 NiFe 薄膜磁芯微电感  104-106
    5.5.2 Fe 基纳米晶磁芯微电感  106-108
  5.6 本章小结  108
  参考文献  108-109
第六章总结与展望  109-111
致谢  111-112
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  112

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