磁性薄膜微型电感器研究

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1、磁性薄膜微型电感器研究岳帅旗，冯则坤，韩冲(华中科技大学电子科学与技术系，湖北武汉430074)摘要：在详细分析讨论薄膜电感器的经典兀等效电路模型之后，提出了薄膜电感器的改进兀等效电路模型，并通过仿真证明了新模型的合理性．在模型讨论和仿真结果的指导下，选取Ni．Cu．zn铁氧体为磁心材料，制作了铁氧体薄膜电感器．通过实验数据的对比，讨论了制备工艺和薄膜电感器结构对电感器性能的影响，实验上得到了高性能的薄膜电感器。关键词：薄膜电感器；等效电路模型；磁J陛薄膜1引言随着电子系统高集成度、高频、高稳定性和低损耗的进一步发展，各种电子元器件也都朝着小型化、高频化、高稳定

2、性、低损耗的方向发展。电感器作为三大无源器件之一，不仅是电源、变压器、无源滤波器、振荡器、低噪声放大器等功能模块的关键组成部分，也是射频网络中，实现阻抗匹配的重要元件，在电脑、数码相机、仪器仪表、汽车电子、手机及各种通讯设备等领域中有着广泛的应用，市场需求量十分巨大【lJ。．贴片式电感的出现虽然在一定程度上解决了系统轻量化的问题，但还远远不能满足当今电子系统高集成度的要求，成了系统小型化进程中的主要瓶颈。薄膜电感的出现，使电感器走向了二维结构，并且伴随着各种低损耗、高性能软磁薄膜的研制成功，其性能得到了有效的提高【2。5】，单位面积上获得了更大的电感量，能量损耗

3、也得到了有效的降低，为电感器的小型化和高性能开辟了有效的途径，将成为未来电感器的主流。本文是在电子电路集成度和工作频率不断提高的大背景下，对薄膜电感器进行了详细研究。讨论了薄膜电感器的等效电路模型，并且以此为指导制作了性能优良的铁氧体薄膜电感器，讨论了工艺与结构对电感器性能的影响。1192薄膜微型电感器的模型讨论及仿真研究电感器是利用自感和互感效应制备出来的一种无源器件，在电路中存储磁能并且完成磁能与电能的转换，其磁能存储及转换能力用电感量来表示。磁性薄膜在薄膜电感器中的作用，主要是通过自身磁化来直接协助电感器存储磁能，同时也作为磁性通路，引导磁力线，这些作用都

4、可以提高电感器的磁能存储及转换能力，即提高电感量。2002年YMasahiro提出的双端口尢等效电路模型是现在分析薄膜电感器时被普遍采用的经典模型，其等效电路模型结构如图1所示【6】。图1薄膜电感器经典耳等效电路模型经典的Ⅱ等效电路模型是双端口对称模型，由电感、电容、电阻组成的串并联支路构成，其中L。和风分别表示在与磁性薄膜结合之前的空心电感器的串联电感和串联电阻；C。表示空心电感器的寄生电容：RI和R2表示由于衬底中电流效应而产生的欧姆损耗；C21和C22表示螺旋线圈与衬底之间的电容；Lm和lk分别表示由于磁性薄膜的引入而增加的串联电感及串联电阻；Cml和Cn

5、l2表示由于磁性薄膜的引入而产生的电容性寄生效应。在该模型下，品质因数与共振频率如式(1)所示。Q=搿·z=啄·卜黼咐厶，]}经典Ⅱ等效电路模型结构简单，计算方便，虽然忽略了如邻近效应之类的高频效应，但是在很多薄膜电感器的分析中发挥了重要的作用，尤其是在频率不太高的情况下分析集成高电阻率磁性薄膜的电感器时取得了良好的效果，为电感器的设计起到了重要的指导作用。但是该模型将薄膜与电感的关系处理得过于简单，从电感量方面来看，在结合磁性薄膜以后模型中总的串联电感量，仅仅是在原来空心电感器的串联电感量Ls的基础上简单叠加了薄膜磁化贡献的等效电感Lm，而实际上，在增加了磁性

6、薄膜以后，原来的Ls中的互感部分将发生变化，从而导致L。也发生变化，也就是说，磁性薄膜在因磁化贡献Lm的同时，改变了电感器中的磁路，从而改变了其互感耦合状况，所以k和Lm不应该仅仅是简单的叠加，而应该考虑他们之间的相互影响。该模型的另外一个不足就是在考虑薄膜影响的时候只考虑了其磁化贡献和磁性损耗，而没有考虑薄膜的涡流损耗以及它所产生的磁性耦合效果，而实际上，对于如金属薄膜这类电阻率很低的磁性薄膜来说，在高频时会产生很大的涡流。基于以上的不足，在经典Ⅱ等效电路模型的基础上，考虑了磁性薄膜对互感的影响以及薄膜中涡流的电效应和磁效应以后，提出了改进Ⅱ等效电路模型如图2

7、所示。．Cs图2薄膜电感器改进耳等效电路模型22模型图中的klf和LIlIu。分别表示空心电感器串联电感k中的自感和互感部分，‰lm表示由于薄膜中涡流的损耗而引起的电阻效应，其它参数与其在经典丌模型图l中的意义完全相同。忽略模型中的电容C。，改进模型中其品质因数Q和共振频率e如式(2)所示。121卜蚰‰箍，一，f，儿。．％(鸠)21rn。‰2+(砜)2JIftT嘣t?lk+k‘尺i麓1m．十蚰茄枷∥一卜考描：]2，j，。，．‰2，1(2)p2．与经典的Ⅱ等效电路模型相比，式‘2’中添加了瓦南和j望燃项，其中前者表示由于涡流引起的磁效应，即LIn的抑制，后者Rfi

8、t,,,2+(国厶)‘表