CN100372120C - 包含高品质因数的电感元件的极小型集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成电路，包括衬底，导电层(1)，叠置在所述导电层上的至少一个电感元件(2)，由具有外轮廓和内轮廓的金属匝形成，在它们之间界定了称为辐射表面的表面，和使导电层与电感元件绝缘的装置。导电层具有的表面与辐射表面基本相同。本发明可以如上所述在电路中集成其它元件，不会导致所述电路尺寸的增大，不会使所述其它元件的工作受电感元件的干扰。本发明特别适用于电压可控振荡器。

Description

包含高品质因数的电感元件的极小型集成电路
技术领域
本发明涉及一种集成电路，其包括衬底、导电层、叠置在所述导电层上的至少一个电感元件、和使导电层与电感元件绝缘的装置，所述电感元件由具有外轮廓和内轮廓的金属匝形成，外轮廓和内轮廓之间界定了称为辐射表面的表面。
背景技术
这种集成电路公知于文献PCT/US98/5149。包含在所述集成电路中的电感元件具有高的品质因数，这是由于衬底和电感元件之间夹有导电屏蔽而获得的。一方面，公知的屏蔽可以通过降低衬底中流动的感生电流，来降低能量损耗，另一方面，通过限制电流通路长度，来降低磁性损耗，这会降低电感元件的品质因数。
本发明注意到以下考虑：
在已有技术中，利用占据由辐射表面外轮廓界定的整个表面的切片来实现屏蔽。称为内表面并且由辐射表面的内轮廓界定的表面，是电路内部的无用的表面，即，不能用于除了屏蔽之外的目的。
发明内容
本发明的一个目的是使其它元件能够集成在如开始段落定义类型的电路中，而不导致所述电路的尺寸增大，并且所述其它元件的工作不受电感元件的影响。
根据本发明的一种集成电路，包括：衬底，至少一个电感元件，由具有外轮廓和内轮廓的金属匝形成，在它们之间界定了称为辐射表面的表面，导电层，其上叠置了所述至少一个电感元件，导电层具有与辐射表面基本相同的表面，和使所述导电层与所述电感元件绝缘的装置，该集成电路的特征在于，有源区集成在一个内表面上，该内表面由金属匝的内轮廓界定，因此该内表面并未被所述辐射表面覆盖，所述有源区包括电容元件、电阻元件或半导体元件。
在本发明的一个优选实施例中，有源区集成在未被辐射表面覆盖的表面上。特别是，这种表面可以是内表面。有源区可以包括电容性元件、电阻性元件或半导体元件。因此本发明可以用于任何集成电路，其中，其它元件无论是否电容性的、电阻性的或半导体的元件，还可以包括电感元件。
在本发明的特定实施例中，导电层形成开式电路。本发明的这个实施例的目的在于防止电感元件和叠置的导电层之间形成互感。在此实施例中，电感元件产生的磁场所感生的电流不能穿过形成开式电路的导电层。因此，导电层和电感元件之间存在的互感是很小的。
更特别的，导电层可以包括导电段。这些导电段可使电感元件在导电层产生的磁场所产生的涡流最小化。导电段可以与框架连接，该框架中由于有一个槽缝而具有开式回路结构。这样组件相对于其中感生的电流起开式电路作用。
在本发明的一个优选实施例中，衬底形成有垂直于电感元件匝的沟槽。这些沟槽的底部覆着有导电材料。这样导电层位于衬底内部，并且当其与电路接地连接时形成深屏蔽。
在本发明的一个有利的实施例中，集成电路还包括低电阻材料或导电材料的阱，其壁完全包围电感元件，所述阱在其整个高度上具有至少一个槽缝。电感元件位于另一电感元件附近时，与这另一个电感元件产生互感。这种互感会使电感元件的品质因数劣化。通过限制电感元件与存在于电路的任何其它电感元件的磁相互作用，阱能够限制这种影响的发生。在阱的整个高度上形成槽缝，以便防止在阱的表面形成电流回路。由于集成电路是由叠置层形成的，每一层由低电阻材料或导电材料制成，所以阱的壁可以由轨迹堆叠形成，每个轨迹形成在所述层之一，围绕由电感元件表面确定的周边，所述轨迹是互连的。通过利用存在的层实现阱不会导致增大电路尺寸。阱和导电层可以有利地互连到相同的参考电位端，例如电路接地，以免形成寄生电容。
在本发明的一个变型中，集成电路包括两个电感元件，两个电感元件连接在电位端子和把电感元件连接到电路的端子之间，根据对电路的要求，电位端子可以是固定或可变电位的电源端子，或者是在参考或地电位GND的端子。它们设置成可使在所述端子之间流动的电流I通过。这两个电感元件是对称的，每个都是由单一相同的匝形成的。这种匝的结构的选择影响到电流经过该匝时形成的互感值，因此影响到借助于该匝形成的电感元件的品质因数。进行这种选择以便优化电感元件的品质因数。为了最大化地降低所述电感元件和电路的其它元件之间的电磁相互作用，如上所述，所述匝应由一个阱包围。
本发明可以用于任何集成电路，其中，电感元件与其它元件并排存在，其它元件无论是否电容性元件、电阻性元件或半导体元件均可。集成电路例如可以是振荡器、有源负载混合器或者滤波器。在其应用之一，按照本发明的第二方面的一种振荡器，适用于提供其频率值取决于调谐电压值的输出信号，其特征在于，该振荡器以集成电路形式实现，所述集成电路包括：衬底，至少一个电感元件，由具有外轮廓和内轮廓的金属匝形成，在它们之间界定了称为辐射表面的表面，导电层，其上叠置了至少一个电感元件，导电层具有与辐射表面基本相同的表面，和使导电层与电感元件绝缘的装置，集成在一个内表面上的有源区，该内表面由金属匝的内轮廓界定，因此该内表面并未被辐射表面覆盖，所述有源区包括：与电感元件连接的至少一个变容二极管，并且设置成通过调谐电压来施加偏压。
一般地说，本发明可以有利地用于接收无线电信号的设备。因此本发明涉及一种无线电信号接收机，包括：
天线和滤波系统，能够接收其频率选自给定频率范围内的信号，该频率称为无线电频率，并且能够使所述信号变换成称为无线电信号的电信号，
本地振荡器，其频率称为振荡频率，可以作为调谐电压的函数进行调谐，
混合器，设置成接收无线电信号和来自本地振荡器的信号，并且提供输出信号，该输出信号具有的固定频率等于无线电频率与振荡频率之差，
信号处理单元，设置成使用混合器的输出信号，
该装置的特征在于本地振荡器符合以上所述的振荡器。
附图说明
通过以下说明的一些非限制性例子的实施例，并参考附图，将可更充分地理解本发明。
图1是根据本发明的一个优选实施例的集成电路的平面图。
图2是根据本发明的一个优选实施例的集成电路的剖面图。
图3是根据本发明的一种变型的存在于电路中的两个电感元件的平面图。
图4是根据本发明的一个特定实施例的振荡器的工作原理图。
图5是包括这种振荡器的无线电信号接收机的工作原理图。
具体实施方式
图1展示了包括导电层1和叠置在所述导电层上的电感元件2的集成电路。电感元件2由具有外轮廓和内轮廓的金属匝和使导电层与电感元件绝缘的装置形成，它们之间界定了称为辐射表面的表面。这里用虚线显示的导电层1的表面，基本与电感元件2的辐射表面相同。这样能够在由电感元件的内轮廓界定的内表面上集成电路元件。导电层1由低电阻材料或导电材料制成，设置成垂直于电感元件2产生的磁场矢量。其可以包括交替的条带3和槽缝4。形成导电段的条带3用例如金属合金或多晶硅制成。由于导电层配置成垂直于电感元件产生的磁场矢量，如果该板制成一片的，则在该板中可能出现感生电流I。与这种电流I垂直取向的交替的槽缝4和条带3，形成防止这种感生电流流动的开式电路。由于在导电层中这种电流几乎为零，所以所述层和电感元件之间可能出现的互感同样也几乎为零，并且不会明显地影响电感元件的品质因数。条带在外侧与不闭合的框架5连接。框架5中的槽缝6防止在框架上形成电流回路。
图2是本发明优选实施例的集成电路剖面图，是沿图1中的A-A确定的平面截取的。所述图仅仅是示出了实现参考图1所述的导电层1特定方法。该电路1包括衬底7，衬底可以与参考电位端子连接并且其中形成沟槽T，沟槽垂直于电感元件的匝。这些沟槽的底部覆着有低电阻材料或导电材料M。这样，可以获得如图1所示的导电层。最后，这些沟槽填充形成绝缘层R的高电阻率材料或绝缘材料。
利用衬底和第一导电层P，能够在电感元件匝的中心自由空隙中形成有源区8，可以包括有源元件、无源元件和半导体元件。
作为其设计的结果，通常由硅制成的导电层P具有满足对电路提出的要求的特定结构；由于其仅占据了电路总面积的一部分，所以这种结构具有空隙。特别是，将集成电感元件的表面覆盖了这种空隙。低电阻材料或绝缘材料填充这些空隙，从而在与导电层P相同的平面形成绝缘层9。
在此所述的集成电路中，用例如铝类型的金属合金材料形成电感元件，按照电感元件2围绕有源区8卷绕的方式，形成电路的第二导电层M1。
在此所述的实施例中，导电层1不与电感元件2邻接。内置电感元件2的第二层M1，和内置在衬底7的导电层1被绝缘层R和9实际分隔。电感元件2和导电层1一起可以形成L-C元件。电感元件2和所述导电层1之间形成的电容C降低了电感元件2的品质因数。这个电容的值是导电层1与电感元件2的隔开距离的函数。为了使该值最小化，导电层1的位置应尽可能地远离电感元件2。如果导电层由低电阻材料或导电材料制成，象本例这样，则将进一步改善品质因数。导电层1与参考端子的连接也能够限制所述寄生电容的值。在衬底7中形成导电层1的情形，如上所述，在导电层的制造期间，通过在沟槽底部上淀积低电阻材料或导电材料，借助于淀积在沟槽T内壁上的低电阻材料或导电材料，使导电层1与衬底表面上设置的任何其它导电元件之间接触。随后通过金属连接在所述沟槽T的边缘形成与位于衬底表面上的导电元件的接触。
电感元件2的品质因数可能还受第二电容的存在的影响，第二电容可能形成在导电层1和衬底7之间。现在通过把导电层1和衬底7连接到相同的电位端，可以排除这种第二寄生电容的形成，并且电感元件2的品质因数不会劣化。
在此所述的实施例中，围绕电感元件2形成导电材料制成的阱10。在阱10的整个高度上具有槽缝11，在图中由无阴影部分表示，产生局部段，槽缝中断由其包围的电感元件2所感生的电流的任何可能的流动。这种阱10能够使电感元件2和所述电感元件附近的电路元件之间的互感最小化。在此所述的实施例中，通过层P和M1的部分接合来实现阱10。所述阱应足够地高，以便保证电感元件2和其余电路之间的恰当绝缘，从而限制磁相互作用。一般地说，采用这种阱可以绝缘每个电感元件或者包含在集成电路中的部分电感元件，以使可能形成在这种电感元件或者部分电感元件与电路中存在的其它元件之间的互感最小化。
在本发明的优选实施例中，导电层1和阱10一起连接到参考电位端。一方面在导电层1和衬底7之间，另一方面在导电层1和电感元件2之间，最终在导电层1和阱10之间的寄生电容耦合被明显地限制。可见根据本发明的包含在集成电路的这种变型中的电感元件将具有高的品质因数。
图3是根据本发明的一种变型的包含于集成电路中的两个电感元件的平面图。本电路包括单一匝。该匝包括两个电感元件2a、2b，在图中用不同阴影线表示。这两个电感元件是对称的，一个设置在另一个中。两个电感元件连接在电位端子和把电感元件连接到电路的端子之间，设置成使电流I在所述端子之间流过电感元件，根据电路的要求，电位端子可以是固定或可变电位的电源端子VCC，或者是参考电位或接地端GND。在这两个电感元件中，如图3所示，在任何时刻电流按相同的方向流动。两个相邻的平行导体线之间的互感取决于电流通路的方向。当电流通路的方向相反时，是从每根导线的自感减去互感。当电流通路的方向相同时，互感被加到每根导线的自感。在此提出的结构中，相同方向的电流流过相邻的匝部分，因而提高了两个电感元件的电感及其品质因数。结果，改善了电路性能。在本发明的应用中，通过叠置所述导电层和形成两个电感元件2a和2b的匝，有利地实现了图1所示的导电层。这种结构提供的内表面上可以集成有源区8。
图4是按本发明的集成电路形式实现的振荡器VCO的工作原理图。这种振荡器VCO用来产生电压信号Vlo，其具有的频率FLO值取决于调谐电压Vtun。这种振荡器包括一个连接到电源端VCC的电感元件2，有源区8包括一个变容二极管VCD。由于变容二极管VCD具有依赖于其偏压可变的电容，所以L-C电路的共振频率也是可变。
图5示意地展示了接收无线电信号的装置，包括天线和滤波系统AF，能够接收无线电信号，称为无线电频率的频率FR选自给定频率范围之内，并且能够将其转换成为称为无线电信号的电信号Vfr。这种接收机还包括频率转换器FC，其包括本地振荡器VCO和混合器MIX，该混合器MIX设置成接收无线电信号Vfr和来自本地振荡器VCO的信号Vlo，本地振荡器的频率FLO称为振荡频率并且是可控制的，适用于输出具有频率FI的输出信号Vfi，频率FI是固定的并且等于无线电频率FR与振荡频率FLO之差。
在这种频率转换器FC中，由于例如利用图中未示出的并且设置在混合器MIX输出的滤波器系统，使中间频率FI固定，所以通过调谐电压Vtun而进行的振荡频率FLO的选值，确定了无线电频率FR的值。这种接收装置最后包括设置成使用混合器MIX的输出信号的信号处理单元PU。
由于所述振荡器中包含的电感元件具有高的品质因数，所以本发明能够使本地振荡器VCO的信号实现高的频谱纯度。这种频谱纯度可以获得无线电频率的精确选择，由于本发明而不需要大尺寸的本地VCO。

Claims (9)

1.一种集成电路，包括：
衬底，
至少一个电感元件，由具有外轮廓和内轮廓的金属匝形成，在它们之间界定了称为辐射表面的表面，
导电层，其上叠置了所述至少一个电感元件，导电层具有与辐射表面基本相同的表面，和
使所述导电层与所述电感元件绝缘的装置，
该集成电路的特征在于，有源区集成在一个内表面上，该内表面由金属匝的内轮廓界定，因此该内表面并未被所述辐射表面覆盖，所述有源区包括电容元件、电阻元件或半导体元件。
2.根据权利要求1的集成电路，其特征在于，导电层形成开式电路。
3.根据权利要求1的集成电路，其特征在于，导电层包括导电段。
4.根据权利要求3的集成电路，其特征在于，导电段与框架连接，该框架中由于有一个槽缝而具有开式回路结构。
5.根据权利要求3的集成电路，其特征在于，衬底形成有垂直于电感元件的匝的沟槽，所述沟槽的底部覆盖有形成导电层的低电阻材料或导电材料。
6.根据权利要求1的集成电路，其特征在于，低电阻材料或导电材料的轨迹堆叠完全围绕所述电感元件的壁，所述轨迹堆叠在其整个高度具有至少一个槽缝，以防止电流回路的形成。
7.根据权利要求1的集成电路，其特征在于，包括两个电感元件，这两个电感元件连接在给定电位的端子和把电感元件与电路连接的端子之间，所述电感元件由单一相同的匝形成。
8.一种振荡器，适用于提供其频率值取决于调谐电压值的输出信号，其特征在于，该振荡器以集成电路形式实现，所述集成电路包括：
衬底，
至少一个电感元件，由具有外轮廓和内轮廓的金属匝形成，在它们之间界定了称为辐射表面的表面，
导电层，其上叠置了至少一个电感元件，导电层具有与辐射表面基本相同的表面，和
使导电层与电感元件绝缘的装置，
集成在一个内表面上的有源区，该内表面由所述金属匝的内轮廓界定，因此该内表面并未被辐射表面覆盖，所述有源区包括：与所述电感元件连接的至少一个变容二极管，并且设置成通过调谐电压来施加偏压。
9.一种接收信号的装置，包括：
天线和滤波器系统，能够接收其频率选自给定频率范围内的信号，该频率称为无线电频率，并且能够使所述信号变换成称为无线电信号的电子信号，
本地振荡器，其频率称为振荡频率，可以通过调谐电压来控制，以及
混合器，适用于接收无线电信号和来自本地振荡器的信号，提供输出信号，该输出信号具有的固定频率等于无线电频率与振荡频率之差，以及
信号处理单元，适用于使用混合器的输出信号，该装置的特征在于本地振荡器是根据权利要求8的振荡器。
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