基于MEMS硅基底的微型变压器

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1、基于MEMS硅基底的微型变压器孙超，肖松，蔡明，刘晓明，朱钟淦(电子科技大学机械电子工程学院，四川成都611731)Micro——transformeronMEMSSilicon——basedSUNChao，XIAOSong，CAIMing，LIUXiao—ming，ZHUZhong—gan(SchoolofMechatronicsEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu611731，China)摘要：开展了对硅基底多层螺旋电

2、感的研究。0引言结合前人提到的提高螺旋电感Q值的方法，提出了将柱形，E形磁芯用于多层螺旋电感，并使用软件随着MEMS技术的迅速发展，效率高、体积小Maxwell对其进行仿真分析。结果表明，矩形多层和质量好的螺旋电感越来越受到人们的关注。以往螺旋电感在置入柱形磁芯后，变压器效率有所提高。对于如何设计高性能螺旋电感，人们做了大量的实E形磁芯为磁感线提供了完整回路，效率可在909／6验和理论研究工作，主要是为了提高螺旋线圈的品以上。还研究了应用MEMS技术制造螺旋电感结质因数，减小芯片面积。为了有效地改进螺旋电感构。的品质因数，

3、提出了很多加工工艺及外形设计方面关键词：硅基底；螺旋电感；E形磁芯的优化方案，例如悬空垂直结构、差分驱动模式、应中图分类号：TM403．2用高阻硅作为衬底和插入格状接地屏蔽(PGS)文献标识码：A等[1]。芯片面积是设计过程中必须要考虑的问文章编号：1001—2257(2012)0l一0007—03题r3]，由于磁性元件不易集成，使得平面螺旋电感相Abstract：ThisarticlewasbasedonInductor对其它芯片上的器件来说要占据较大的芯片面积。andtransformerstructuresputfo

4、rwardbyprevious为了进一步缩小芯片面积，降低制造成本，提出了多people，andcarriedoutthestudyofmultilayerspi—层螺旋电感的结构设计方案，但这种结构工艺上要ralinductorsonsiliconsubstrate．ItCombinedwith求较高。themethodofimprovingspiralinductor’SQvalue，首先对螺旋电感结构形状进行确定，经分析和usedcolumnandE——shapedcoreformuhilayerspi比较，方形线圈

5、尽管在电感贡献上稍逊圆形，但在工ralinductorscreatively，anddosimulationandopti—艺上比较容易实现；其次是对柱形磁芯的应用分析，mizationofitrespectivelywiththesoftwareof经分析其效率的提高并不是很明显，原因是很大部Maxwel1．Thesimulationresultshowedthatthe分磁感线并不能完全闭合。最后是对EE形磁芯的应用分析，EE形磁芯能最大程度提高磁通的利用transformerefficiencywasimproved

6、butnotveryobviouswhenrectangularspiralinductorwasim—率，变压效率很高j。plantedintocylindricalcores．TheE—shapedcore片上螺旋电感的结构providedacompletecircuitformagneticinduction随着CMOS工艺发展与成熟，硅基片上的二氧lines，andthetransformerefficiencywasmorethan化硅层厚度也在逐渐变大，使得里面金属层数由原90．Thispaperpresent

7、sastudyofmanufacture来的两三层到现在的九层(90nm工艺)，为电感的theplantransformerbyMEMStechnology．设计提供了更大的空间，同时提高了设计的灵活性，Keywords：silicon—based；spiralinductors；E使得芯片上多层螺旋电感的设计加工成为可能l_5]。jroncore常用的片上螺旋电感有正方形、六边形、I／边形和圆形4种形状]，其几何参数有：外径d。；内径收稿日期：2Oll—O8一O5di；线宽W；圈数和线间距S，如图1所示。《机械与电子}2

8、012(1)MEMS感值，这里举一例子：设定外径d。为20mm，内径i为8mm，由式(2)计算得到填充率P为0．43，为1O。通过式(3)计算得到各种形状的电感值如表3所示。表3电感值(a)正方形(b)六边形由表3可以看出，正方形的结构得到的电感值稍逊于圆形，但正方形线圈在工艺上比较容易实现。因此选择正