基于微机电技术的硅基射频电感的设计与仿真

孙秀伟 南京恒电电子有限公司

基于微机电技术的硅基射频电感的设计与仿真

孙秀伟 南京恒电电子有限公司

在射频电感的设计中采用了微机电技术进行改造，得到了具有集成度高、功耗较低、体积小等优点的新型电感，在微波集成电路中出现这种高品质设计因数的电感意义重大。根据仿真结果可以发现，在平面结构中，电感因数在4.4GHz的时候就可以达到11.8，而在垂直结构中，电感因数在4.3GHz的时候甚至可以达到19.5，与传统电感相比品质因数明显升高。

MEMS 立体电感 品质因数 等效电路

在信息技术飞速发展的今天，集成化、小型化的射频电路是一种发展趋势，市场迫切的需要易集成、体积小、功耗低的新型元器件的出现[1]。在各种片外分立元件中的代表器件就是电感，在整个系统的正常运行中地位举足轻重，系统体积的缩小面临的主要瓶颈就是电感的尺寸问题。

MEMS指的是制作时可以批量操作，同时这一系统或者说是微型器件中包括了电路控制、通信、电源、接口等还包括了信号处理、微型传感器、微型机构以及微型执行器等。在立体电感中应用MEMS技术进行设计，由于电感不直接接触基底而是直接在基底的上方的空气中处于悬浮状态，因此由寄生电感和电容所导致的寄生损耗就会大大减小，可以使电感的品质因数进一步的提高，使电感的性能得到优化。

1 电感仿真分析

本文中进行了两种不同的MEM立体电感的设计方案：矩形线圈立体电感是第一种MEMS立体电感（图1a），而立式矩形线圈立体电感是第二种的MEMS立体电感模型（图1b）。设计完成后两种模型都使用了终端驱动进行求解，衬底的材料都采用了半导体硅材料，基质层都使用了二氧化硅（介电常数为2．7）。选择了来了铜导线进行绕制线圈因为其具有较大的电导率，铜导线的宽度为15μm，得到的线圈厚度是2μm，有2．5匝的匝数，线与线之间距离为1．5μm，平面中不同导线之间采用孔连接的方式。矩形立体电感模型的衬底和线圈平面之间采用高度为10μm的支柱进行支撑形成了立体的结构，采用集总端口激励的类型对电感端口进行设置。第二种立式矩形立体电感模型中使用了立式结构，整个线圈都位于XZ平面之上，衬底和线圈平面之间也采用支柱支撑，衬底和线圈底部导线之间的高度差是10μm，采用集总端口激励的类型对电感端口进行设置。

图1 a矩形立体电感模型b立式矩形立体电感模型

两种电感模型的制作工艺流程为：首先选择电阻率为100Ω cm的N型硅材料作为衬底，其厚度是300μm；对硅衬底采用热氧化进行处理使其表面生长出SiO2的绝缘层，厚度是9．8μm；对使用的铜线圈电镀窗口进行光刻处理，采用正胶AZ4620的胶作为光刻胶，刻胶厚度为3μm；将铜线圈进行电镀2μm的厚度；光刻胶使用丙酮清洗除去后就得到了最终的电感。

2 矩形线圈立体电感的参数对比

线圈之间的间距、匝数、以及宽度值都会对电感的性能参数产生影响，本文分别分析了上述三个指标改变后的矩形线圈立体电感，考察不同的参数改变后对电感性能产生的影响。

本实验中分别设计了5、10、15、20μm的四种线圈宽度的电感，而线圈间距保持在1．5μm、匝数保持在2．5、线圈平面高度保持在10μm来进行HFSS仿真计算，分别得到了改变线圈宽度后电感的L值、Q值、自谐振频率值以及电阻值的变化情况。然后又分别设计了1．5、4、6．5、9μm的四种线圈间距进行考察，其它指标保持不变，也对电感的四项参数值进行仿真运算。而对于线圈匝数这一影响因素分别设计了2．5、3．5、4．5匝的线圈匝数进行实验，保持其它因素不变进行HFSS仿真运算，得到四项参数值。

3 结语

本文中分别设计了两种MEMS电感同时对其进行参数提取，比较导线宽度、匝数以及间距按个指标对电感的影响，结果表明：线圈宽度增加时会使电感品质因数增大，线圈间距增加使其减小，匝数增加也会导致其变小；线圈宽度增加会使Q值峰值时的电感值L减小，增大线圈间距使其减小，增大匝数则会使其增大；线圈宽度增加会使Q值峰值时的电阻减小，增大线圈间距使其减小，增大匝数使其增大；随着线圈宽度增加自谐振频率会出现增大的趋势，线圈间距增加会使其增大，匝数增加会使其减小。

[1]Pieters P, Vaesen K, Brabels S, et al. Accurate Modeling of High-Q Spiral Inductors in Thin-Film Multilayer Technology for Wireless Telecommunication Applications[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(4):589-599.

[2]Burghartz J, Edelstein D, Soyther M, et al. RF Circuit Design Aspects of Spiral Inductors on Silicon[C]//Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers. IEEE International,1998:246-247,44.

孙秀伟，1989.11，男，汉，江苏南京高淳，本科，助理工程师，目前从事微波射频电路方面的研究。