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MEMS平面磁芯螺旋微型变压器的制造技术研究

作　者: 向毅
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: MEMS 微型变压器电感量品质因数互感耦合系数 Fe基非晶/纳米晶合金带材聚酰亚胺
分类号: TM405
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着便携式电子设备向高集成度、高复杂度方向发展,势必要求在更小的基片上集成更多的元器件。在电子设备中,电源占有最大的体积,其内部使用变压器和电感等磁性元件,因此不可能大幅度减小体积和重量。但是随着高频开关电源技术的发展,工作频率的提高使磁性元件的体积大为缩小。微型化变压器已成为减小电源系统体积的有效方法之一,是实现电子设备小尺寸、轻重量和高性能的关键之一,特别是由微型变压器构成的微型化DC-DC转换器件将广泛应用于各种便携式电子产品。因此研制性能良好的微型变压器已是国内外学者和电力电子研究人员需要解决的重要课题。本论文的目标是设计并制造一种基于MEMS(微机电系统)的以铁基非晶/纳米晶合金带材为磁芯的平面螺旋微型变压器。采用MEMS技术,包括光刻、刻蚀、溅射、微电镀等技术,成功研制了不同结构参数和磁芯材料的铁基非晶/纳米晶合金带材平面磁芯螺旋微型变压器。本文主要内容如下所述:(1)平面磁芯螺旋微型变压器模拟计算与分析建立器件分析模型,采用Matlab软件进行编程,对平面磁芯螺旋微型变压器进行模拟计算,并与实验结果相比较,以期待在未来的微型变压器设计上起到理论指导作用。(2)磁芯材料的性能测试分别对铁基非晶/纳米晶带材的磁导率和磁滞回线进行了测试。测试结果表明,经过高温退火的铁基纳米晶合金带材处理具有优异的软磁性能,为微型变压器的制作获得了高性能的磁芯材料。(3)平面磁芯螺旋微型变压器制作设计了整个平面磁芯螺旋微型变压器的MEMS制作工艺流程,并成功制备了铁基非晶/纳米晶平面磁芯螺旋微型变压器的原型样品。(4)平面磁芯螺旋微型变压器的测试对研制的微型变压器在1~10MHz范围进行了性能测试,其中,包括对微型变压器初级线圈的电感量Lp、Q值、交流电阻Rp,微型变压器初、次级线圈之间的互感量M和耦合系数k的测试和分析。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-27
  1.1 微型变压器的概述  12-16
    1.1.1 微型变压器的工作原理和典型结构  12-13
    1.1.2 微型变压器的分类  13-16
    1.1.3 线圈导体材料和磁芯材料  16
  1.2 微型变压器的研究进展  16-21
  1.3 微型变压器的应用  21-23
  1.4 课题研究的主要内容和意义  23-25
  参考文献  25-27
第二章平面磁芯螺旋微型变压器的模拟设计  27-50
  2.1 微型变压器的结构设计  27-28
  2.2 微型变压器的理论基础  28-40
    2.2.1 微型变压器的性能参数  28-36
    2.2.2 微型变压器的损耗  36-40
  2.3 微型变压器模拟计算结果与分析  40-49
    2.3.1 线圈直流电阻和交流电阻的模拟计算  41-42
    2.3.2 线圈匝数对微型变压器线圈性能的影响  42-43
    2.3.3 导体线宽对微型变压器线圈性能的影响  43-45
    2.3.4 导体厚度对微型变压器线圈性能的影响  45-47
    2.3.5 导体间隙对微型变压器线圈性能的影响  47
    2.3.6 磁芯对微型变压器线圈性能的影响  47-49
  2.4 本章小结  49
  参考文献  49-50
第三章微型变压器磁芯材料的磁学性能研究  50-66
  3.1 常用的磁芯材料  50-53
    3.1.1 铁氧体  51
    3.1.2 坡莫合金  51-52
    3.1.3 晶态、非晶态、纳米晶软磁材料  52-53
  3.2 磁芯材料高频磁导率的测量  53-59
    3.2.1 测量原理  53-55
    3.2.2 测试样品的制作工艺  55-56
    3.2.3 高频磁导率测试结果分析  56-59
  3.3 磁芯材料磁滞回线的测量  59-63
  3.4 本章小结  63-64
  参考文献  64-66
第四章平面磁芯螺旋微型变压器的 MEMS 制备技术  66-86
  4.1 基本 MEMS 工艺的介绍  66-76
    4.1.1 光刻工艺  66-71
    4.1.2 微电镀工艺  71
    4.1.3 溅射淀积  71-72
    4.1.4 刻蚀工艺  72-73
    4.1.5 聚酰亚胺相关工艺  73-76
    4.1.6 工艺检测  76
  4.2 微型变压器的制备工艺  76-82
  4.3 器件的显微结构图  82-85
  4.4 本章小结  85
  参考文献  85-86
第五章平面磁芯螺旋微型变压器的性能测试与分析  86-122
  5.1 平面磁芯螺旋微型变压器的测试原理  86-89
  5.2 平面磁芯螺旋微型变压器单个线圈的性能测试  89-109
    5.2.1 磁芯对微型变压器初级线圈性能的影响  89-91
    5.2.2 导体线宽对微型变压器初级线圈性能的影响  91-100
    5.2.3 线圈匝数对微型变压器初级线圈性能的影响  100-109
  5.3 平面磁芯螺旋微型变压器的性能测试  109-119
    5.3.1 磁芯对微型变压器性能的影响  109-111
    5.3.2 导体线宽对微型变压器性能的影响  111-115
    5.3.3 线圈匝数对微型变压器性能的影响  115-119
  5.4 结果分析与讨论  119-121
  5.5 本章小结  121-122
第六章总结与展望  122-124
致谢  124-125
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  125

MEMS平面磁芯螺旋微型变压器的制造技术研究

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