КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ В МИКРОСИСТЕМАХ

1
КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ В МИКРОСИСТЕМАХ
Часть 2
Спиральные индукторы
Спиральные индукторы – это тонкопленочные индукторы, технологически
совместимые с ИС, нашедшие свое применение в магнитных микроприводах с внутренней
генерацией магнитного поля. По причине того, что спиральные индукторы обладают
сравнительно низкой индуктивностью, на очень высоких частотах они работают как
пассивные компоненты.
Спиральные индукторы изготавливаются либо на изоляционных, либо на магнитных
подложках. В обоих случаях они имеют геометрию, позволяющую генерируемому
магнитному потоку проходить через поверхность подложки. Без использования сердечника,
обладающего магнитной проницаемостью, практически невозможно направить магнитный
поток в требуемое место. Микромощные индукторы должны иметь замкнутую магнитную
цепь, выполненную из материала с высокой магнитной проницаемостью. Для уменьшения
потребления энергии сопротивление катушек должно быть, как можно, меньшим.
Планарные микроиндукторы, разработанные Ahn и Allen (1993, 1994), удовлетворяют этим
требованиям. На рис. 7 показана схема микроиндуктора с замкнутым магнитным контуром
и толстой проводящей линией. Центральный магнитный сердечник представляет собой
структуру из Ni-Fe, изготовленную гальваническим методом, внутри которой
располагаются спирали. Сердечник служит для концентрирования магнитного потока.
Магнитный поток, созданный током в спиральной катушке, заключен внутри замкнутого
магнитного контура, что обеспечивает лучшее магнитное потокосцепление между
спиральными катушками и магнитной цепью. Все это приводит к получению максимальной
индуктивности при минимальной электромагнитной интерференции.
Рис. 7. Схема спирального микроиндуктора
Если рассматривать упрощенную модель, полную индуктивность спирального
индуктора можно оценить следующим образом:
L  L1  L2  Li ,
(8)
где L1 и L2 – индуктивности от двух спиральных катушек, Li – индуктивность, вызванная
взаимной индукцией. Для спирального индуктора со следующими геометрическими
размерами: длина а = 1346 мкм; размеры центрального магнитного сердечника: с = 508 мкм,
толщина d = 30 мкм, N = 18.5, t m = 8 мкм; ширина проводника w = 12.5мкм, были
вычислены значения L1, L2, Li и L, которые соответственно составили 14.5 мкГн, 10.2мкГн,
2
0.01 мкГн и 24.71мкГн. В расчетах относительная магнитная проницаемость принималась
равной 800.
Для реального спирального индуктора из 36 витков и размером 3 мм х 3 мм величина
индукции на частоте 10 кГц составила 20 мкГн. На рис. 8 показано влияние магнитного
сердечника на рабочие характеристики индуктора. Из рисунка видно, что при использовании магнитного сердечника индуктивность возрастает в 4-5 раз. Падение индуктивности в
районе 3 МГц объясняется уменьшением магнитной проницаемости Ni-Fe сплава при
повышении частоты.
Рис. 8. Влияние магнитного сердечника на рабочие характеристики индуктора
Соленоидные индукторы
Традиционный соленоидальный индуктор изготавливается путем намотки
токопроводящего провода вокруг магнитного сердечника. Однако не все так просто при
изготовлении микроиндуктора такого типа, потому что очень сложно реализовать 3D
структуру в планарном виде. Традиционными методами изготовления ИС реализовать
микрокатушку, намотанную вокруг сердечника, даже сложнее, чем получить меандр или
спираль. Хотя индукторы из меандров просты в изготовлении, они обладают низким
значением индуктивности. Для спиральных индукторов необходим дополнительный провод,
соединяющий внутренний конец катушки с внешним выводом, приводящий к
возникновению паразитных емкостей. Были попытки создать гибридный планарный
соленоидный индуктор, вручную наматывая витки провода вокруг тонкой магнитной
пленки. Существует описание интегрированного индуктора, в котором катушка намотана
вокруг воздушного сердечника, реализованного на кремниевой подложке. Однако
электрические параметры этих индукторов не подходят для магнитных микроустройств.
На рис. 9 показан планарный солиноидный микроиндуктор, изготовленный на
кремниевой подложке. Индуктор состоит из магнитного сердечника, изготовленного из NiFe пермаллоя, толщиной 25 мкм, вокруг которого сформированы многоуровневые медные
проводящие линии толщиной 30 мкм. Размеры индуктора: 4мм х 1.0мм при толщине 110
мкм. Многоуровневая катушка состоит из 33 витков.
3
Рис. 9. Схема планарного соленоидного индуктора:
а – общий вид, б – сечение А-А
Верхний и нижний проводники катушки соединяются при помощи сквозных
контактов. Для получения высоких значений индуктивности требуется создание соленоида с
большим количеством витков, что приводит к увеличению числа контактов, и, соответственно, росту сопротивления. Нанесение проводящих линий и контактов гальваническим
методом решает эту проблему, поскольку в этом случае металлические контакты имеют
небольшое сопротивление. В рассматриваемом индукторе ширина проводящих линий равна
80 мкм, а ширина пластины сердечника — 300 мкм. Экспериментально определенное
сопротивление проводящей линии по постоянному току составило 0.3 Ома.
Выражение для вычисления индуктивности соленоидного индуктора аналогично
выражению для тороидального индуктора и может быть записано в виде:
L
0 r N 2 Ac
(9)
lc
где Ас- площадь поперечного сечения магнитного сердечника, lc - его длина, μ0 - магнитная
проницаемость свободного пространства, μr - относительная магнитная проницаемость. Для
индуктора с рис. 4.9, имеющего следующие геометрические размеры: Ас = 330 мкм х 20мкм,
lс = 9000 мкм, N = 33 витка и μr = 800, вычисленная индуктивность составила 0.729 мкГн.
Выражение для добротности такого индуктора имеет вид:
Q
L
R

w0 r NAc Aw
2W  lc
(10)
где Aw - площадь поперечного сечения проводника, 2W - длина одного витка катушки, ρ удельное сопротивление металлического проводника. Очевидно, что величины
индуктивности и добротности соленоидного индуктора, также как и индуктора из меандров,
пропорциональны μr.
ВЛИЯНИЕ ТОПОЛОГИИ
Основными параметрами при разработке индукторов являются внешние размеры,
ширина и шаг металлических дорожек, толщина металла, число витков и материал
подложки. Поскольку здесь идет речь о микро- и даже нановеличинах, характеристики
материалов, используемых для изготовления микроиндукторов, сильно зависят от их
объемных свойств. При соответствующем подборе вышеописанных параметров можно
реализовать точные заданные значения индуктивности и добротности.
4
Влияние расстояния между проводниками
На рис. 10 показаны расчетные и экспериментальные зависимости индуктивности от
величины расстояния между проводниками для индуктора из меандров и спирального
индуктора. При уменьшении расстояния между линиями наблюдается увеличение
индуктивности в спиральных индукторах и ее снижение в индукторах из меандров. Это
объясняется тем, что для спиральных катушек характерны положительные значения
взаимных индуктивностей, а для катушек из меандров часть из них — отрицательные.
Рис. 10. Зависимости индуктивности от расстояния между проводящими линиями для
спирального индуктора и индуктора из меандров
Влияние ширины линии
Последовательное сопротивление планарной катушки определяется поверхностным
сопротивлением металлической полоски, которое является обратно пропорциональным ее
ширине. Поскольку величина магнитного потока определяется током в катушке, ее
последовательное сопротивление будет влиять на магнитные потери, которые зависят от
производной по времени от магнитного потока через полоску металла. Эти потери обычно
увеличиваются с ростом частоты и ширины полоски. Поэтому необходимо выбирать такую
ширину линий, чтобы последовательное сопротивление было минимальным, а добротность
максимальной.
Известно, что большие значения индуктивности планарных индукторов можно
реализовать при использовании на подложке широких проводящих полосок. При
увеличении индуктивности спиральных индукторов возрастает значение емкости между
витками и землей, что приводит к уменьшению резонансной частоты. Паразитная емкость
между проводящими линиями и меандрами катушки может быть записана в виде:
 0 r K 1  k 2 
1/2
Ccc 
K  k  2 N  1
(11)
5
 2Wc 
k  1 

dc 

1
(12)
Здесь К(к) - полный эллиптический интеграл первого рода, W c — ширина линии, dcрасстояние между линиями, N - число витков. На рис. 11 показана зависимость величины
паразитной емкости от ширины линии для индуктора из меандров.
Рис. 11. Зависимости величины паразитной емкости от ширины линии
Из рисунка видно, что величина паразитной емкости между параллельными
проводниками всегда меньше 100 фФ при расстоянии между линиями меньше 1 мкм. В
случае спирального индуктора основным источником паразитной емкости является
проводник, соединяющий центр катушки и внешний вывод. На величину индуктивности
также сказываются паразитные емкости между слоем заземления и проводящими
элементами. При разработке планарных индукторов всегда надо стремиться либо устранить,
либо снизить паразитные емкости. На практике достигается компромисс между значениями
паразитных емкостей и величиной индуктивности.
Влияние магнитного сердечника
В микроиндукторах для получения высокого тока насыщения необходимо
использовать сердечники с высоким коэффициентом магнитного насыщения. Для
реализации больших величин индуктивности такие сердечники должны обладать высокой
магнитной проницаемостью. Для уменьшения потерь из-за вихревых токов сердечникам
надо иметь высокое сопротивление. Были проведены исследования по изучению влияния
двух типов сердечников: из пермаллоя (Ni0.80Fe0.2) и ортонола (Ni0.50Fe0.5) на
микроиндукторы, выполненные на кремниевой подложке, при работе на низких частотах.
Они показали, что сердечники из пермаллоя позволяют получить большие значения
индуктивности по сравнению с сердечниками из ортонола. У индуктора с сердечником из
6
ортонола ток насыщения выше, чем у индуктора с сердечником из пермаллоя. Это очень
важно для устройств большой мощности, поскольку ток насыщения пропорционален
плотности потока насыщения, а высокая плотность потока насыщения оказывает большее
влияние, чем величина магнитной проницаемости.
Влияние числа витков на индуктивность и добротность
При увеличении числа витков в спиральном индукторе необходимо искать
компромисс между индуктивностью и добротностью. На рис. 12 показаны зависимости
индуктивности и добротности от количества витков и частоты. Измерения проводились для
восьми планарных спиральных индукторов одинакового размера, но с разным количеством
витков.
Рис. 12. Влияние числа витков на:
а – индутивность, б - добротность
7
Из рисунка видно, что при изменении числа витков от 3 до 8 индуктивность растет, а
добротность падает. Снижение добротности объясняется тем, что при увеличении числа
витков возрастает площадь индуктора, и при этом увеличивается емкость между витками.
Таким образом, для реализации индуктора с заданными характеристиками необходимо
правильно задавать количество витков, ширину линии, расстояние между линиями и
материал подложки.
8
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Спиральные индукторы. Схема. Особенности технологии изготовления.
2. Как магнитный сердечник влияет на рабочие характеристики индуктора?
3. Соленоидные индукторы. Схема. Особенности технологии изготовления.
4. Приведите
выражения
для
вычисления
индуктивности
и
добротности
соленоидного индуктора.
5. Как влияет расстояние между проводящими линиями на индуктивности
спирального индуктора и индуктора из меандров?
6. Приведите выражение для паразитной емкости между проводящими линиями и
меандрами катушки.
7. Как влияет ширина линий индуктора на величину паразитной емкости?
8. Опишите влияние магнитного сердечника на характеристики индуктора.
9. Опишите влияние числа витков на индуктивность индуктора.
10. Опишите влияние числа витков на добротность индуктора.
11. Приведите
пути
уменьшения
паразитной
емкости
планарных
катушек
индуктивности.
12. Приведите график изменения резонансной частоты индуктора.
13. Приведите схемы планарного индуктора и мембраны.
14. Приведите
экспериментальные
и
расчетные
зависимости
реактивного
сопротивления от частоты для индукторов на диэлектрической мембране и на
толстой кремниевой подложке.
15. Приведите график изменения добротности подвешенного планарного индуктора
при применении разной глубины травления.
16. Перечислите достоинства и недостатки GaAs устройств.