CN102789884B - 一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法，加工无磁芯结构螺线管微电感和有磁芯结构螺线管微电感。通过飞秒激光诱导化学腐蚀工艺在石英材料内部加工出三维螺旋微通道；结合微流体工艺将液态导电介质导入该螺旋微通道中，导电介质固化后获得微电感的螺旋导电线圈。同样通过飞秒激光诱导化学腐蚀工艺在石英材料内部加工螺线微电感轴线方向的微通道；向该通道中导入磁芯材料颗粒悬浮液，悬浮液固化后获得螺线管微电感磁芯；本发明提供的螺线管微电感三维空间结构可控，制备过程操作简单可靠，制作精度高，电感性能优良。

Description

一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法

技术领域

本发明涉及电子器件和集成电路制备技术领域，特别涉及一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法。

背景技术

微尺度电感元器件（微电感）具有广泛的应用，电感的微型化、集成化是实现电子设备和电子产品小尺寸、重量轻和高性能的关键之一。首先，电感是电路的基本元件之一，是无线通信系统必不可少的重要元件，如片上高Q值谐振器、滤波器、微开关、传输线（波导）、微型天线等；电感器件影响着谐振电路、阻抗匹配网络、放大器、压控振荡器的性能。其次，微电感作为微型磁场控制器件在生物医疗领域，特别是基因工程领域有着重要的应用前景，例如利用微型电感阵列控制石英磁珠和免疫磁珠，可实现芯片级的核酸提纯和基因分析。此外，在高灵敏度传感器领域，微电感可以作为一种低能耗、快速、高效的传感元件。在这些领域中，对微电感器件的小型化、轻量化、多功能化、低功耗化和低成本化方面的要求不断提高。

现有的半导体工艺无法满足电感部件的高性能和小型化，导致现有的无线通信系统体积庞大、成本高、工作频率低。随着对高频电子器件的需求越来越大，提高和改善微电感的高频性能已成为国内外学者的研究重点。

传统的微电感多采用平面螺旋结构，存在着电感值低、寄生损耗大、占用芯片面积大等缺点。同平面螺旋结构的电感相比，三维结构的螺线管微电感由于采用了立体结构，螺线管型微电感器所产生的磁通是平行于基片平面的，所以高频磁通在基片上产生的涡流损失比磁通垂直于基片的平面线圈结构微电感的要小；底导线与衬底的接触面积较小，寄生电容和寄生电阻引起的寄生损耗降低，提高了电感的Q值。

然而，这种基于MEMS技术的螺线管电感由于其介质层较薄，所以线圈横截面较小，这导致线圈电感量很小；另外，由于两金属层靠得较近，所以这种螺线管电寄生电容很大。以上两个原因导致它很难在实际中得到应用。为了增加电感量和减小寄生电容，有必要设计厚的介质层以增大线圈横截面积。但是在介质层变厚情况下，好的台阶覆盖在淀积第二层金属时就会变得较困难。结果介质层的侧壁不会覆盖淀积的金属，将导致制作第二层电感线圈失败。因此，利用体加工工艺的方法制作螺线管电感是当今的研究热点。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法，解决了传统方法难以加工螺线管及其它真三维结构微电感的难题，可以加工包括无磁芯和有磁芯两种结构形式的螺线管微电感，该加工方法简单可靠，可以加工数十微米结构尺寸的螺线管微电感。

一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、飞秒激光加工：将石英玻璃固定在三维精密工作台上，将调制好的飞秒激光光束聚焦作用在石英玻璃内部，编程控制工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部扫描出微螺线和其它轨迹的破坏区；

步骤二、利用氢氟酸对石英材料飞秒激光改性区的高腐蚀率特性，将扫描后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液中进行选择性腐蚀，直到形成预设的微螺旋通道、直通道和其它微通道结构；

步骤三、使用PDMS固化工艺制作PDMS基底块，使用通孔打孔器在PDMS基底块上制作导流孔；对于有磁芯结构的螺线管微电感包括两种PDMS基底块:一种用来制作螺旋导电线圈，另一种用来制作磁芯。

步骤四、将经过飞秒激光诱导化学腐蚀的石英玻璃芯片和PDMS基底块对准封装，将PDMS基底块上的导流孔与石英芯片上的微通道入口对齐，并利用PDMS与玻璃的自粘合特性封装；

步骤五、向石英玻璃内部的三维螺旋微通道中灌入液态导电介质材料，并固化获得微电感的螺旋导电线圈；

所述的液态导电介质材料包括液态的镓金属、镓铟共晶体、导电银胶或碳纳米管固化导电胶中的一种。

步骤六、此步骤只适用于有磁芯结构的螺线管微电感，更换PDMS基底块并重复步骤四，向石英玻璃内部的沿螺旋微通道轴线方向的直通道中灌入具有磁化性质的液态材料，并固化获得微电感磁芯；

所述的步骤六中磁化性质的液态材料可为悬浮液材料，其溶质包括纳米铁基磁珠、坡莫合金、铁氧体、氧化铬、铁基纳米晶合金中的一种金属微粒；其溶剂包括紫外光固化剂、环氧树脂、光固化剂、热固化剂中的一种；

步骤七、完成石英材料内部螺旋微电感的制作和测试。

所述的步骤一中，激光扫描速度可设定为10-20um/s，聚焦用透镜为100倍物镜，数值孔径为0.9，激光加工功率为10mw。

所述的步骤二中，氢氟酸溶液质量浓度为10％，每隔30min取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，总共腐蚀时间根据通道腐蚀宽度要求而定，为了提高腐蚀效率和最后通道结构的均匀性，在微螺旋通道和其它结构上设计一些侧部开孔，并且将这些侧部开孔结构也通过步骤一中的扫描轨迹线；侧部开孔可作为氢氟酸溶液进入较长微通道的额外通道，以提高腐蚀效率。

所述的步骤三中的PDMS基底块，是通过液态PDMS和固化剂按10:1质量比混合并抽真空，在90℃环境下两小时固化所得；根据石英玻璃芯片上的微通道进出口位置在PDMS基底块上打出导流孔。

无磁芯和有磁芯两种结构形式的螺线管微电感包括直螺线管微电感、U型螺线管微电感、锥形螺旋微电感和其它异形螺线管微电感。

本发明制得的螺线管微电感，包括无磁芯结构螺线管微电感和有磁芯结构螺线管微电感。无磁芯结构螺线管微电感主要包括微螺旋导电线圈；有磁芯结构螺线管微电感在无磁芯结构螺线管微电感基础上设计增加沿螺旋线轴心方向的磁芯结构，在工艺上增加磁芯的加工步骤。理论上可制作无限长度，结构尺寸任意可控的三维结构螺线管微电感器件。

本发明通过飞秒激光诱导化学腐蚀工艺在石英材料内部加工出三维螺旋微通道；结合微流体工艺将液态导电介质导入该螺旋微通道中，导电介质固化后获得微电感的螺旋导电线圈。同样通过飞秒激光诱导化学腐蚀工艺在石英材料内部加工螺线微电感轴线方向的微通道；向该通道中导入磁芯材料颗粒悬浮液，悬浮液固化后获得螺线管微电感磁芯；本发明提供的螺线管微电感三维空间结构可控，制备过程操作简单可靠，制作精度高，电感性能优良。

附图说明

图1是飞秒激光诱导化学腐蚀加工示意图，其中图1（a）为飞秒激光加工示意图，图1（b）为化学腐蚀加工示意图。

图2是不含磁芯的螺旋微电感加工流程侧视示意图，其中2（a）为石英内部微通道结构，2（b）为石英芯片与PDMS基底块对准封装示意图，2（c）为向石英玻璃内部的三维螺旋微通道中灌入液态导电介质材料示意图，2（d）为完成制作的不含磁芯的螺旋微电感示意图。

图3是含有磁芯的螺旋微电感加工流程俯视示意图，其中3（a）为石英内部微通道结构，3（b）为向石英玻璃内部的三维螺旋微通道中灌入液态导电介质材料示意图，3（c）向石英玻璃内部的沿螺旋微通道轴线方向的直通道中灌入具有磁化性质的液态材料示意图。

图4是无磁芯结构螺线管微电感和有磁芯结构螺线管微电感结构示意图。其中4（a）是无磁芯结构螺线管微电感示意图，为4（b）为有磁芯结构螺线管微电感结构示意图。

具体实施方式

下面结合图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种石英材料内部的螺线管微电感及其制备方法，螺线管微电感包括无磁芯结构螺线管微电感（图2所示）和有磁芯结构螺线管微电感（图3所示）。无磁芯结构螺线管微电感结构主要包括微螺旋导电线圈。有磁芯结构螺线管微电感在无磁芯结构螺线管微电感基础上设计增加沿螺旋线轴心方向的磁芯结构，在工艺上增加磁芯的加工步骤。

一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、飞秒激光加工：石英玻璃固定在三维精密工作台上，将调制好的飞秒激光光束聚焦作用在石英玻璃内部，编程控制工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部扫描出微螺线和其它轨迹的破坏区；

飞秒激光诱导化学腐蚀加工示意图如图1所示，1是飞秒激光束，2是聚焦透镜，3是石英玻璃，4是扫描轨迹，5是氢氟酸溶液。石英玻璃3固定在三维精密工作台上，将调制好的飞秒激光光束1通过透镜2聚焦作用在石英玻璃3内部，编程控制工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部扫描出微螺线和其它轨迹的破坏区4，如图1（a）所示。激光扫描速度可设定为10-20um/s，聚焦用透镜为100倍物镜，输出孔径为0.9，激光加工功率为10mw。

步骤二、利用氢氟酸对石英材料飞秒激光改性区的高腐蚀率特性，将扫描后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液中进行选择性腐蚀，直到形成预设的微螺旋通道、直通道和其它微通道结构；

利用氢氟酸对石英材料飞秒激光改性区的高腐蚀率特性，将扫描后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液5中进行选择性腐蚀（如图1（b）所示），直到形成预设的微螺旋通道、直通道和其它微通道结构。氢氟酸溶液质量浓度为10％，每隔30min取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，总共腐蚀时间根据通道腐蚀宽度要求而定。如图2所示，为了提高微通道腐蚀效率和最后通道结构的均匀性，在微螺旋通道和其它结构上设计一些侧部开孔，从而可获得理论上无限长的螺旋微通道结构以及其它复杂的三维空间结构。

步骤三、使用PDMS固化工艺制作PDMS基底块，使用通孔打孔器在PDMS基底块上制作导流孔；对于有磁芯结构的螺线管微电感包括两种PDMS基底块:一种用来制作螺旋导电线圈，另一种用来制作磁芯。

步骤四、将经过飞秒激光诱导化学腐蚀的石英玻璃芯片和PDMS基底块对准封装，将PDMS基底块上的导流孔与石英芯片上的微通道入口对齐，并利用PDMS与玻璃的自粘合特性封装；

步骤五、向石英玻璃内部的三维螺旋微通道中灌入液态导电介质材料，并固化获得微电感的螺旋导电线圈；

所述的液态导电介质材料包括液态的镓金属、镓铟共晶体、导电银胶或碳纳米管固化导电胶中的一种。

步骤六、此步骤只适用于有磁芯结构的螺线管微电感，更换PDMS基底块并重复步骤四，向石英玻璃内部的沿螺旋微通道轴线方向的直通道中灌入具有磁化性质的液态材料，并固化获得微电感磁芯；

所述的步骤六中磁化性质的液态材料可为悬浮液材料，其溶质包括纳米铁基磁珠、坡莫合金、铁氧体、氧化铬、铁基纳米晶合金中的一种金属微粒；其溶剂包括紫外光固化剂、环氧树脂、光固化剂、热固化剂中的一种；

所述的步骤六中磁化性质的液态材料包括纳米铁基磁珠、坡莫合金、铁氧体、氧化铬、铁基纳米晶合金等其中一种金属微粒；磁芯悬浮液溶剂包括紫外光固化剂、环氧树脂、光固化剂、热固化剂等其中一种；

步骤七、完成石英材料内部螺旋微电感的制作和测试。

无磁芯和有磁芯两种结构形式的螺线管微电感包括直螺线管微电感结构、U型螺线管微电感、锥形螺旋微电感和其它异形螺线管微电感。

上述步骤四—七中，制作不含磁芯的螺线管微电感具体步骤如下：

图2所示为不含磁芯的螺线管微电感加工流程侧视示意图，即微电感的螺旋导电线圈的加工流程。3是石英玻璃，6是螺旋微通道，7是PDMS基底块，8是PDMS基底块上的导流孔，9是金属螺旋导电线圈。飞秒激光诱导化学腐蚀后，石英玻璃3内部仅有螺旋微通道6结构，如图2（a）所示。

2.1使用PDMS固化工艺制作PDMS基底块7：液态PDMS和固化剂按10:1质量比混合并抽真空，在90℃环境下两小时固化；使用通孔打孔器在PDMS基底块上制作导流孔8。

2.2将石英玻璃芯片3和PDMS基底块对准封装，将PDMS基底块上的导流孔8与石英芯片上的微通道入口对齐，并利用PDMS与玻璃的自粘合特性封装，如图2（b）所示。

2.3在30℃以上环境中向石英玻璃内部的三维螺旋微通道6中灌入液态镓金属，降温使金属镓固化获得微电感的螺旋导电线圈9，如图2（c）所示。

步骤2.3中，螺旋微电感的螺线导电线圈材料不仅仅包括镓金属，任何固化后具有导电性能的材料都可以作为导电线圈材料，包括镓铟共晶体、导电银胶、碳纳米管固化导电胶等。

上述步骤四—七中，制作含有磁芯的螺线管微电感具体步骤如下：

图3是含有磁芯的螺线管微电感加工流程俯视示意图，包括制作微电感的螺旋导电线圈和磁芯两部分。6是石英内部的螺旋微通道，10是沿螺旋微通道轴线方向的直通道，11是纳米铁基磁珠颗粒磁芯。飞秒激光诱导化学腐蚀后，石英玻璃内部有螺旋微通道6和沿螺旋微通道轴线方向的直通道10结构，如图3（a）所示。

3.1制作微电感的螺旋导电线圈，参照步骤二（加工不含磁芯的螺线管微电感），向螺旋微通道6中灌入金属镓，固化后获得微电感的螺旋导电线圈9，如图3（b）所示。

3.2制作微电感的磁芯，参照步骤二（加工不含磁芯的螺线管微电感），向沿螺旋微通道轴线方向的直通道10中灌入纳米铁基磁珠的紫外光固化剂悬浮液，经过紫外光辐照固化后获得微电感磁芯11，如图3（c）所示。

步骤3.1中，制作PDMS基底块时包括两种PDMS基底块:一种用来制作螺旋导电线圈，另一种用来制作磁芯。螺旋导电线圈材料不仅仅包括镓金属，任何固化后具有导电性能的材料都可以作为导电线圈材料，包括镓铟共晶体、导电银胶、碳纳米管固化导电胶等。

步骤3.2中，磁化性质的液态材料可为悬浮液材料，其溶质不仅仅包括纳米铁基磁珠，任何具有磁导率性质的材料都可以作为溶质颗粒，包括坡莫合金、铁氧体、氧化铬、铁基纳米晶合金等；磁化性质的液态材料其溶剂不仅仅包括紫外光固化剂，任何具有可固化性能的液态物质都可作为的磁芯悬浮液溶剂，包括环氧树脂、光固化剂、热固化剂等。

Claims (5)

1.一种石英材料内部的螺线管微电感的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、飞秒激光加工：石英玻璃固定在三维精密工作台上，将调制好的飞秒激光光束聚焦作用在石英玻璃内部，编程控制工作台运动使飞秒激光束焦点在石英玻璃内部扫描出微螺线和其它轨迹的破坏区；

步骤二、利用氢氟酸对石英材料飞秒激光改性区的高腐蚀率特性，将扫描后的石英玻璃置于超声波环境的氢氟酸溶液中进行选择性腐蚀，直到形成预设的微螺旋通道、直通道和其它微通道结构；

步骤三、使用PDMS固化工艺制作PDMS基底块，使用通孔打孔器在PDMS基底块上制作导流孔；对于有磁芯结构的螺线管微电感包括两种PDMS基底块:一种用来制作螺旋导电线圈，另一种用来制作磁芯；

步骤四、将经过飞秒激光诱导化学腐蚀的石英玻璃芯片和PDMS基底块对准封装，将PDMS基底块上的导流孔与石英芯片上的微通道入口对齐，并利用PDMS与玻璃的自粘合特性封装；

步骤五、向石英玻璃内部的三维螺旋微通道中灌入液态导电介质材料，并固化获得微电感的螺旋导电线圈；

所述的液态导电介质材料包括液态的镓金属、镓铟共晶体、导电银胶或碳纳米管固化导电胶中的一种；

步骤六、此步骤只适用于有磁芯结构的螺线管微电感，更换PDMS基底块并重复步骤四，向石英玻璃内部的沿螺旋微通道轴线方向的直通道中灌入具有磁化性质的液态材料，并固化获得微电感磁芯；

所述的步骤六中磁化性质的液态材料可为悬浮液材料，其溶质包括纳米铁基磁珠、坡莫合金、铁氧体、氧化铬、铁基纳米晶合金中的一种金属微粒；其溶剂包括紫外光固化剂、环氧树脂、光固化剂、热固化剂中的一种；

步骤七、完成石英材料内部螺旋微电感的制作和测试。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中，激光扫描速度可设定为10-20um/s，聚焦用透镜为100倍物镜，数值孔径为0.9，激光加工功率为10mw。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤二中，氢氟酸溶液质量浓度为10%，每隔30min取出石英玻璃吹干观察和更换氢氟酸溶液，总共腐蚀时间根据通道腐蚀宽度要求而定，为了提高腐蚀效率和最后通道结构的均匀性，在微螺旋通道上设计一些侧部开孔，并且将这些侧部开孔结构也通过步骤一中的扫描轨迹线；侧部开孔可作为氢氟酸溶液进入较长微通道的额外通道，以提高腐蚀效率。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤三中的PDMS基底块，是通过液态PDMS和固化剂按10:1质量比混合并抽真空，在90℃环境下两小时固化所得；根据石英玻璃芯片上的微通道进出口位置在PDMS基底块上打出导流孔。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，无磁芯和有磁芯两种结构形式的螺线管微电感包括直螺线管微电感结构、U型螺线管微电感和锥形螺旋微电感。

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