CN105742006A - 适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，包括两个各向同性矩形磁芯膜和两个各向异性矩形磁芯膜，所述各向同性矩形磁芯膜的长与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm。本发明闭合磁路磁芯膜中位于长边的两个单轴各向异性磁芯膜，使得两侧电感处于难轴激发，具有高的饱和电流特性，位于短边的两个各向同性磁芯膜，使磁力线弯曲形成闭合回路，提高了耦合因子；闭合的磁路结构及较高的耦合因子，使得基于本发明磁芯膜的电感的感值有显著地提高，实现了矩形螺线管耦合电感中超过100nH/mm2的电感面密度。
Description
技术领域
本发明涉及电磁器件、磁传感器件中的磁芯膜，具体涉及一种适用于片上螺线管电感的高耦合因子闭合磁路磁芯膜结构及其制备方法。
背景技术
随着便携式、可穿戴设备的快速发展和应用，对电子元器件的集成化、低功耗提出了更高的要求。功率薄膜电感作为磁能储能元件，与电能储能元件配合可实现很多功能，如滤波、阻抗变换以及振荡器、电压调节器等，还可以在射频识别(RFID)系统中作为天线实现信息的发送和接收等。
目前，新一代甚高频(VHF)及超高频(UHF)片上薄膜功率电感普遍采用磁芯薄膜以降低宝贵的片上面积并提高电感功率密度，磁芯薄膜需要具有高饱和磁化强度、高磁导率、高电阻率、低磁芯损耗。无论是螺旋形、螺线管型，还是跑道型片上电感，为保证合适的截止频率、降低磁滞损耗、提高饱和电流特性，均会采用单轴各向异性磁芯膜，且电感激发磁场的方向与磁芯膜的难磁化方向平行，即难轴激发。此外，为了提高供电能力，往往需要构建多相耦合片上电感，通过反向抵消电路纹波，提升饱和电流特性。虽然矩形螺线管型电感可以构建成两相耦合电感，或者扩展成任意多相的耦合电感，但由于单轴各向异性的存在，使得多相耦合电感中螺线管电感之间的耦合系数非常低。
为了提高耦合因子，研究人员采用各种方法制备“准各向同性”磁芯膜，美国哥伦比亚大学报道的一种多层化磁芯膜(美国专利US2014167898-A1)，该磁芯膜由上下两部分垂直交叉单轴各向异性磁膜堆叠而成，申请号为201310739941.2的中国专利公开了一种多层化磁芯膜，其每一层都具有面内单轴各向异性，且层与层成一定夹角，最终形成准各向同性磁芯膜。然而，由于多层单轴各向异性磁膜堆叠而成的准各向同性磁芯膜实际上有部分层处于易轴激发状态，既没有充分利用磁导率，电感又容易饱和。A.El-Ghazaly等(A.El-Ghazaly,N.Sato,R.M.White,S.X.Wang,AchievingIsotropicPermeabilityforIntegratedInductors.Magnetics,IEEETrans.Magn.,Vol.51(11),2801904,Nov.2015.)利用坡莫合金在临界厚度以上会表现垂直各向异性的特点，通过增加单层坡莫合金薄膜厚度的方法及图形化技术，制备了一种面外垂直各向异性、面内各向同性的磁芯膜。该磁芯膜具有高的磁导率，但其饱和磁化场很低，因此仅适用于小信号处理电感。N.Sato等(N.Sato,A.El-Ghazaly,R.M.White,andS.X.Wang,Domainstructureofmicro-patternedCoZrTawith45degreeinducedanisotropyforisotropichighpermeability,IEEETrans.Magn.,Vol.51(11),2801704,Nov.2015.)公开了一种矩形螺线管型电感，其单轴各向异性磁芯膜与矩形长边和短边均呈45o角，是一种较好的磁芯膜，但研究发现，在图形化磁芯膜中存在较多的磁畴，即这种磁芯膜不利于单轴各向异性的稳定存在，容易造成较大的高频磁滞损耗。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜及其制备方法。本发明闭合磁路磁芯膜中位于长边的两个单轴各向异性磁芯膜，使得两侧电感处于难轴激发，具有高的饱和电流特性，位于短边的两个各向同性磁芯膜，使磁力线弯曲形成闭合回路，提高了耦合因子；闭合的磁路结构及较高的耦合因子，使得基于本发明磁芯膜的电感的感值有显著地提高，实现了矩形螺线管耦合电感中超过100nH/mm2的电感面密度。
本发明的技术方案如下：
一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，包括两个各向同性矩形磁芯膜和两个各向异性矩形磁芯膜，所述各向同性矩形磁芯膜的长与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm。
优选地，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为100～180μm。
进一步地，所述各向异性矩形磁芯膜采用原位加磁场电镀法、原位加磁场溅射法、倾斜溅射法、成分梯度溅射法或者溅射之后磁场退火法等方法制得。
进一步地，所述各向同性矩形磁芯膜采用直接溅射法或直接电镀法制得。
进一步地，所述闭合磁路磁芯膜的厚度为1～10μm。
一种多相耦合电感，其特征在于，包括n个上述闭合磁路磁芯膜及绕制于磁芯膜之上的螺线管线圈。
一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用原位加磁场电镀法、原位加磁场溅射法、倾斜溅射法、成分梯度溅射法或者溅射之后磁场退火法在基片上制备各向异性磁芯膜，并用微细加工手段剥离或刻蚀形成两个各向异性矩形磁芯膜；
步骤2：将步骤1得到的基片光刻出各向同性磁芯膜图形，然后采用直接溅射法或直接电镀法制备各向同性磁芯膜，并采用微细加工手段剥离或刻蚀形成两个各向同性矩形磁芯膜，得到本发明所述磁芯膜；其中，各向同性矩形磁芯膜的长与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm。
本发明的有益效果为：
本发明采用两个各向异性矩形磁芯膜和两个各向同性矩形磁芯膜共同组成闭合磁路磁芯膜，可使闭合磁路磁芯膜的长边两侧的电感处于难轴激发，具有高的饱和电流特性，使闭合磁路磁芯膜短边的磁力线弯曲形成闭合回路，提高耦合因子；本发明闭合磁路磁芯膜与现有的单轴各向异性闭合磁芯膜相比，其电感值和耦合因子均有较大提高(图4显示，实施例2与对比例相比，其电感值从25nH提高到43nH，代表互感与感值比值的耦合因子从0.12提高到0.47)，且获得了大于200nH/cm的感值密度和大于0.49的耦合系数。
附图说明
图1为基于本发明闭合磁路磁芯膜的双相耦合片上螺线管型微电感的结构示意图；
图2为基于本发明闭合磁路磁芯膜的多相耦合片上螺线管型微电感的结构示意图；
图3为现有单轴各向异性闭合磁芯膜和本发明闭合磁路磁芯膜的结构示意图；(A)为现有的单轴各向异性闭合磁芯膜的示意图；(B)为本发明闭合磁路磁芯膜的示意图；
图4为基于实施例2和对比例的闭合磁路磁芯膜的螺线管微电感的性能测试对比曲线；其中，L代表感值，Q代表品质因数，Lm代表互感；(a)为基于对比例的闭合磁路磁芯膜的螺线管微电感的性能测试曲线，(b)为基于实施例2的闭合磁路磁芯膜的螺线管微电感的性能测试曲线；
图5为实施例1、2、3的闭合磁路磁芯膜形成的微电感的性能测试曲线；
图6为实施例2与实施例4-9的闭合磁路磁芯膜形成的微电感的性能测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图3(A)所示，为现有的单轴各向异性闭合磁芯膜的示意图，该磁芯膜由各向异性磁膜形成矩形闭合回路，矩形的长边和短边如图所示。
如图3(B)所示，为本发明闭合磁路磁芯膜的示意图，所述闭合磁路磁芯膜为两个各向同性矩形磁芯膜A1、A2和两个各向异性矩形磁芯膜B1、B2组成的矩形闭合回路的磁芯膜，所述各向同性矩形磁芯膜(A1、A2)的长a与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm，所述各向异性矩形磁芯膜的长为c，(2b+c)即为闭合磁路磁芯膜的长边的长度。
如图1所示，为基于本发明闭合磁路磁芯膜的双相耦合片上螺线管型微电感的结构示意图；通过增加各向异性磁芯膜的数量，可进一步扩展成为多相耦合电感，如图2所示。
进一步地，所述各向同性矩形磁芯膜和各向异性矩形磁芯膜为FeCoSiO或FeCoHfO或FeCoTiO或FeCoZrO纳米颗粒磁芯膜或FeCoB合金磁芯膜等。
对比例
一种闭合磁路磁芯膜，如图3(A)所示，由各向异性磁膜形成矩形闭合回路，矩形闭合回路长边为930μm，短边为540μm，磁芯膜的有效磁导率为600，电阻率为1000μΩ·cm，厚度为6μm，磁芯膜材料为FeCoTiO纳米颗粒磁芯膜。
实施例1
一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，包括两个各向同性矩形磁芯膜和两个各向异性矩形磁芯膜，各向同性矩形磁芯膜的长a为540μm，宽b为280μm，各向异性矩形磁芯膜的长c为370μm，宽为240μm，得到的闭合磁路磁芯膜长边为930μm，短边为540μm；磁芯膜的有效磁导率为600，电阻率为1000μΩ·cm，厚度为3μm，磁芯膜材料为FeCoTiO纳米颗粒磁芯膜。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于：磁芯膜的厚度为6μm。
实施例3
本实施例与实施例1的区别仅在于：磁芯膜的厚度为10μm。
图4为基于实施例2和对比例的闭合磁路磁芯膜的螺线管微电感的性能测试对比曲线，其中，L代表感值，Q代表品质因数，Lm代表互感。由图4可知，在保持相近品质因数的前提下，微电感的感值由对比例的25nH提高到了实施例2的43nH，代表互感与感值比值的耦合因子也由对比例的0.12提高到了实施例2的0.47。
图5为实施例1、2、3的闭合磁路磁芯膜形成的微电感的性能测试曲线。由图5可知，磁芯膜厚度为3μm(实施例1)时，微电感的感值为26nH，耦合系数k＝0.288；磁芯膜厚度为6μm(实施例2)时，微电感的感值为43nH，耦合系数k＝0.47；磁芯膜厚度为10μm(实施例3)时，微电感的感值为63.6nH，耦合系数k＝0.59。
实施例4
本实施例与实施例2的区别仅在于：各向同性矩形磁芯膜的宽b为70μm。
实施例5
本实施例与实施例2的区别仅在于：各向同性矩形磁芯膜的宽b为100μm。
实施例6
本实施例与实施例2的区别仅在于：各向同性矩形磁芯膜的宽b为180μm。
实施例7
本实施例与实施例2的区别仅在于：各向同性矩形磁芯膜的宽b为260μm。
实施例8
本实施例与实施例2的区别仅在于：各向同性矩形磁芯膜的宽b为340μm。
实施例9
本实施例与实施例2的区别仅在于：各向同性矩形磁芯膜的宽b为420μm。
图6为实施例2与实施例4-9的闭合磁路磁芯膜形成的微电感的性能测试曲线。由图6可知，当各向同性矩形磁芯膜的宽度从70μm逐渐增加至420μm时，微电感的感值和互感随着宽度的增加而增加，在宽度为180μm以上时趋于平坦；且当各向同性矩形磁芯膜的宽度b为100-180μm时，可以同时获得大于200nH/cm的感值密度和大于0.49的耦合系数。
上述实施例闭合磁路磁芯膜中的各向异性矩形磁芯膜可采用原位加磁场电镀法、原位加磁场法、倾斜溅射法、成分梯度法或后续磁场退火法等制备得到。
原位加磁场法制备各向异性矩形磁芯膜时，闭合磁路磁芯膜的具体制备过程为：
步骤1：将1×1cm2的单晶硅基片依次在丙酮、HCl和H2O2配制的酸溶液、NH3.H2O和H2O2配制的碱溶液、酒精、去离子水中超声清洗，氮气吹干备用；
步骤2：对步骤1清洗后的基片进行光刻处理，光刻出两个各向异性矩形磁芯膜的图形，光刻胶采用反胶AZ5214，厚度为3μm；
步骤3：将步骤2得到的带两个各向异性矩形磁芯膜的图形的基片放入溅射腔内，将TiO2陶瓷或单晶片贴在3英寸的FeCo合金靶表面的刻蚀跑道中心形成复合靶，装入靶枪；采用永磁铁在基片表面垂直于螺线管的方向施加大于250Oe的恒定偏置磁场；
步骤4：关闭真空腔，抽真空至2×10-4Pa；开启通气阀，通入氩气，调节Ar气流量为69sccm，并调节抽气阀，使压强保持在0.25Pa；关闭基片挡板，开启RF电源使靶材起辉并预溅射15min，保持功率为250W；
步骤5：开启基片挡板，60min后关闭挡板；
步骤6：关闭RF电源和溅射设备，取出基片；
步骤7：将步骤6取出的基片放入丙酮中进行剥离，轻微晃动20min后取出，得到两个各向异性矩形磁芯膜及对准标记；然后依次在酒精、去离子水中清洗5min，以去除基片表面残留的丙酮；
步骤8：对步骤7得到的基片进行光刻处理，光刻出两个各向同性矩形磁芯膜的图形，光刻胶采用反胶AZ5214，厚度为3μm；对准标记将用于确定各向同性磁芯膜和各向异性磁芯膜的相对位置，使它们形成闭合结构；
步骤9：将步骤8得到的带两个各向同性矩形磁芯膜的图形的基片放入溅射腔内，将TiO2陶瓷或单晶片贴在3英寸的FeCo合金靶表面的刻蚀跑道中心形成复合靶，装入靶枪；在基片表面不施加恒定磁场；
步骤10：重复步骤4到步骤7，即可得到本发明闭合磁路磁芯膜。
倾斜溅射法制备各向异性矩形磁芯膜时，闭合磁路磁芯膜的具体制备过程为：
步骤1：将1×1cm2的单晶硅基片依次在丙酮、HCl和H2O2配制的酸溶液、NH3.H2O和H2O2配制的碱溶液、酒精、去离子水中超声清洗，氮气吹干备用；
步骤2：对步骤1清洗后的基片进行光刻处理，光刻出两个各向异性矩形磁芯膜的图形，光刻胶采用反胶AZ5214，厚度为3μm；
步骤3：将步骤2得到的带两个各向异性矩形磁芯膜的图形的基片放入溅射腔内，将TiO2陶瓷或单晶片贴在3英寸的FeCo合金靶表面的刻蚀跑道中心形成复合靶，装入靶枪；将基片放置于偏离靶材中心的位置，或者转动基片使其与靶材形成一定夹角(10-60度)，以利于在磁芯膜中形成倾斜柱状微结构；
步骤4：关闭真空腔，抽真空至2×10-4Pa；开启通气阀，通入氩气，调节Ar气流量为69sccm，并调节抽气阀，使压强保持在0.25Pa；关闭基片挡板，开启RF电源使靶材起辉并预溅射15min，保持功率为250W；
步骤5：开启基片挡板，60min后关闭挡板；
步骤6：关闭RF电源和溅射设备，取出基片；
步骤7：将步骤6取出的基片放入丙酮中进行剥离，轻微晃动20min后取出，得到两个各向异性矩形磁芯膜及对准标记；然后依次在酒精、去离子水中清洗5min，以去除基片表面残留的丙酮；
步骤8：对步骤7得到的基片进行光刻处理，光刻出两个各向同性矩形磁芯膜的图形，光刻胶采用反胶AZ5214，厚度为3μm；对准标记将用于确定各向同性磁芯膜和各向异性磁芯膜的相对位置，使它们形成闭合结构；
步骤9：将步骤8得到的带两个各向同性矩形磁芯膜的图形的基片放入溅射腔内，将TiO2陶瓷或单晶片贴在3英寸的FeCo合金靶表面的刻蚀跑道中心形成复合靶，装入靶枪；将基片放置于正对靶材中心的位置，形成纳米颗粒复合磁芯膜；
步骤10：重复步骤4到步骤7，即可得到本发明闭合磁路磁芯膜。
本发明提出的新型的矩形闭合磁路磁芯膜，充分利用了单轴各向异性带来的稳定的高磁导率和高饱和电流特性，且大幅提高了两相乃至多相片上集成电感之间的耦合因子。
Claims (7)
1.一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，包括两个各向同性矩形磁芯膜和两个各向异性矩形磁芯膜，所述各向同性矩形磁芯膜的长与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm。
2.根据权利要求1所述的适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，其特征在于，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为100～180μm。
3.根据权利要求1所述的适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，其特征在于，所述各向异性矩形磁芯膜采用原位加磁场电镀法、原位加磁场溅射法、倾斜溅射法、成分梯度溅射法或者溅射之后磁场退火法制得。
4.根据权利要求1所述的适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，其特征在于，所述各向同性矩形磁芯膜采用直接溅射法或直接电镀法制得。
5.根据权利要求1所述的适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，其特征在于，所述闭合磁路磁芯膜的厚度为1～10μm。
6.一种多相耦合电感，其特征在于，包括n个上述闭合磁路磁芯膜及绕制于磁芯膜之上的螺线管线圈。
7.一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用原位加磁场电镀法、原位加磁场溅射法、倾斜溅射法、成分梯度溅射法或者溅射之后磁场退火法在基片上制备各向异性磁芯膜，并用微细加工手段剥离或刻蚀形成两个各向异性矩形磁芯膜；
步骤2：将步骤1得到的基片光刻出各向同性磁芯膜图形，然后采用直接溅射法或直接电镀法制备各向同性磁芯膜，并采用微细加工手段剥离或刻蚀形成两个各向同性矩形磁芯膜，得到本发明所述磁芯膜；其中，各向同性矩形磁芯膜的长与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm。
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