学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

MEMS磁芯螺线管微电感的模拟和制造工艺研究

作　者: 郭绍寅
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 NiFe磁芯螺线管微电感电感量品质因数数值模拟有限元电磁场理论 ANSYS
分类号: TM55
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 45次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

目前的通讯工程中仍使用大量射频(RF)技术必不可少的片外分离单元如谐振器、滤波器、耦合器等,阻碍了微型化,高性能,低成本的无线终端产品的进一步发展,即将各种功能单元实现在一个单一的芯片上,实现SOC(System On a Chip)。近年来,MEMS技术的迅速发展使其成为可靠而有效地实现硅SOC的必然途径,而各种基于MEMS技术的射频器件和磁性器件也成为学者们的重要研究课题。结合目前国内外研制微电感的现状,本论文采用电磁场理论和有限元分析软件分别建立了磁芯螺线管微电感的数值模型和有限元模型,并根据这两个模型分析了各种因素对微电感性能的影响。且本文采用MEMS技术研制了磁芯螺线管微电感,通过与测试结果的对比,验证了本文所建立的两个物理模型,并且根据模拟计算提出了优化设计方案。本论文完成的主要工作和结论如下:(1)磁芯螺线管微电感的ANSYS有限元建模分析本文应用ANSYS三维谐振电磁场单元边分析法建立了磁芯螺线管微电感的有限元模型,分析了微电感内部的磁场分布情况,并且根据ANSYS得到的能量储存和损耗计算磁芯的等效电感和等效电阻。(2)磁芯螺线管微电感的数值建模分析本文从电磁场理论出发,借助MatLab编程,建立了微电感的数值模型,并将计算结果与ANSYS结果和实验结果对比,三者结果吻合较好。在4mm×4mm外形面积下,从材料性质和几何参数两个方面,磁芯、线圈、绝缘材料和衬底四个部分研究和分析各种相关参数对微电感的性能影响,并提出了优化设计方案。(3)磁芯螺线管微电感的制造和测试本文结合MEMS工艺,设计和制造了NiFe磁芯材料的螺线管微电感。制造过程涉及溅射、光刻、电镀、干法刻蚀和湿法刻蚀等MEMS工艺,以及双面套刻、多层深度光刻、深层微电铸工艺、聚酰亚胺绝缘及其精密机械抛光等关键制造技术,获得了具有较高性能的磁芯螺线管微电感。对所研制的微电感,在1-10MHz频率范围内,采用Agilent E4991A阻抗分析仪和Cascade公司的微波探针台进行性能测试,主要包括电感量和品质因子Q值。研究结果表明:对于磁芯材料为NiFe薄膜的微电感,增大磁芯厚度,可以提高电感量,但以降低Q值为代价。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-34
  1.1 MEMS 微电感器件的研究现状  9-15
    1.1.1 平面螺旋电感器件  9-11
    1.1.2 磁芯螺线管型电感器件  11-12
    1.1.3 曲折结构电感器件  12-13
    1.1.4 条状夹心结构电感器件  13-14
    1.1.5 其它优化结构的电感器件  14-15
  1.2 磁性薄膜材料的类型和性能  15-17
    1.2.1 坡莫合金  16
    1.2.2 铁氧体  16
    1.2.3 非晶、纳米晶软磁材料  16-17
  1.3 各种微电感器件的应用现状  17
  1.4 微电感建模与仿真的研究进展  17-29
    1.4.1 电感计算方法  17-21
    1.4.2 各种损耗机制及优化方法  21-22
    1.4.3 各种等效电路模型  22-29
  1.5 本课题研究的意义及主要内容  29-30
    1.5.1 本课题研究的意义  29
    1.5.2 本课题研究的主要内容  29-30
  参考文献  30-34
第2章磁芯螺线管微电感的ANSYS 有限元模拟研究  34-51
  2.1 ANSYS 电场磁场分析概述  34-39
    2.1.1 常规的各种线圈分析模型  35-36
    2.1.2 ANSYS 各种类型的电磁分析网格单元  36-39
    2.1.3 ANSYS 参数化设计语言APDL  39
  2.2 螺线管微电感的ANSYS 三维谐振磁场有限元模型  39-49
    2.2.1 模型结构及网格选择  39-42
    2.2.2 磁场分布模拟图  42-46
    2.2.3 网格尺寸控制  46-48
    2.2.4 模拟计算结果  48-49
  2.3 本章小结  49-50
  参考文献  50-51
第3章磁芯螺线管微电感的数值模拟研究  51-77
  3.1 微电感集总参数等效电路以及电感量和品质因数计算  51-52
  3.2 螺线管电感线圈电阻的计算  52
  3.3 螺线管电感和磁芯等效电阻的计算  52-55
  3.4 磁芯等效电阻和等效电感的数值模拟与ANSYS 模拟对比分析  55-57
  3.5 螺线管微电感结构中寄生电容的计算  57-58
  3.6 数值模拟结果分析  58-75
    3.6.1 磁芯的影响  58-64
    3.6.2 线圈的影响  64-72
    3.6.3 绝缘材料的影响  72-75
    3.6.4 衬底的影响  75
    3.6.5 分析结论  75
  3.7 本章小结  75-76
  参考文献  76-77
第4章磁芯螺线管微电感的制作工艺  77-90
  4.1 基本工艺过程  77-83
    4.1.1 光刻工艺  77-81
    4.1.2 微电镀工艺  81
    4.1.3 溅射淀积  81
    4.1.4 刻蚀工艺  81-82
    4.1.5 聚酰亚胺固化及抛光工艺  82-83
    4.1.6 工艺检测  83
  4.2 磁芯螺线管微电感的制备工艺  83-89
  4.3 本章小结  89
  参考文献  89-90
第5章磁芯螺线管微电感的测试与分析  90-100
  5.1 螺线管微电感的测试原理  90-91
  5.2 磁芯螺线管微电感的性能测试  91-95
  5.3 实验结果与模拟结果的拟合  95-98
  5.4 结果分析  98-99
  5.5 本章小结  99-100
第6章总结与展望  100-101
致谢  101-102
攻读学位期间发表的学术论文目录  102-104

MEMS磁芯螺线管微电感的模拟和制造工艺研究

内容摘要

全文目录

相似论文