CN114724801A - 一种可伸缩的平面螺旋电感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可伸缩的平面螺旋电感结构，平面螺旋电感包括非对称式平面螺旋电感和对称式平面螺旋电感。本发明的平面螺旋电感可以适应任意的矩形区域，相比于传统的正多边形平面螺旋电感，可以更加合理地安排芯片的空间分配从而提升芯片的面积使用率，同时合理地压缩电感不仅可以占用更小的面积还能提升其品质因数。本发明给出了用于估计该结构直流电感值的经验公式和拓展Wheeler公式。

Description

一种可伸缩的平面螺旋电感结构
技术领域
本发明涉及一种可伸缩的平面螺旋电感结构，相对于传统的规则平面螺旋电感本结构可进行自由拉伸或压缩，属于射频无源器件领域。
背景技术
电感是射频电路的重要组成部分，振荡器、混频器等电路都包含了电感。而平面螺旋电感具有结构简单、易集成的优势，在集成电路中有着广泛的应用。传统的平面螺旋电感都是规则的正多边形，例如正四边形、正六边形、正八边形等，此类平面螺旋电感设计简单、性能优异，但规则的正多边形不利于空间分配，因此容易造成空间上的浪费。
尤其是在寸土寸金的芯片电路中，规则平面螺旋电感会占据大量的空间，其形状不能根据芯片电路布局自适应变化。目前有不少技术来增加平面螺旋电感的单位面积电感值，例如多层螺旋电感等，它们的本质是用更少的面积来实现更大的电感值，但形状依旧是规则的，因此难免也会存在布局问题，并且用更小的面积实现更大的电感也会增加电感的结构复杂度，牺牲品质因数和自谐振频率等。
随着集成电路的集成度越来越高，能够随着需求自适应形状的平面螺旋电感有着广泛的前景。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题和不足，本发明提供一种可适应任意矩形区域的、易于设计和加工的、可应用于集成电路的可伸缩结构平面螺旋电感。通过调整最内圈多边形的高度与宽度之比，即可对传统的平面螺旋电感进行拉伸和压缩，从而适应多种矩形区域以提高面积使用率。
技术方案：一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其分为非对称式平面螺旋电感与对称式平面螺旋电感。非对称式平面螺旋电感的输入端口与最外圈金属连接，金属宽度由外向内依次减小并呈螺旋结构向内缩进以提升品质因数，每圈金属之间有相同的间距，最内圈金属与输出端口由通孔连接。对称式平面螺旋电感的输入与输出端口均与最外圈金属连接，相邻圈金属不在同一层以减小寄生参数，每圈金属的宽度由外向内依次缩减，每圈金属之间有相同的间距，不同层的金属由通孔连接。通过调整最内圈多边形的高度与宽度之比即伸缩率，就可以控制整个平面螺旋电感的形状。
进一步的，平面螺旋电感结构伸缩后的电感值由如下公式计算：
Figure BDA0003582349060000021
其中，L0为已知规则平面螺旋电感的电感值；C1(N)与C2(N)为与圈数N有关的系数，
Figure BDA0003582349060000022
Wmax为最大线宽，Wmin为最小线宽，
Figure BDA0003582349060000023
Dinh为最内圈多边形的高度，Dinw为最内圈多边形的宽度，S为线距。
进一步的，平面螺旋电感结构的直流电感值由平面螺旋电感的几何参数计算，公式如下：
Figure BDA0003582349060000024
其中，
Figure BDA0003582349060000025
Figure BDA0003582349060000026
K1、K2、K3为与电感结构相关的常数项；Doutw为最外圈多边形的宽度，Douth为最外圈多边形的高度；Dinh为最内圈多边形的高度，Dinw为最内圈多边形的宽度，μ0为真空中的磁导率。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的可伸缩平面螺旋电感结构，具有如下贡献：
(1)电感的形状由伸缩率控制，可以适应任意矩形区域以优化电路布局从而提升面积使用率；
(2)在合理范围内进行压缩时，平面螺旋电感可以占据更小的面积；
(3)推导的经验公式可以由规则状态电感值求伸缩状态电感值；
(4)拓展Wheeler公式可以由电感几何参数估计其直流电感值。
附图说明
图1为传统的规则平面螺旋电感；
图2为描述可伸缩平面螺旋电感用所的几何参数；
图3为拉伸状态的非对称平面螺旋电感以及压缩状态的对称平面螺旋电感；
图4为平面螺旋电感的电感值、品质因数随压缩率的变化情况；
图5为已知规则平面螺旋电感值求伸缩后电感值的经验公式验证；
图6为拓展Wheeler公式验证。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
电感是射频电路的重要组成部分，振荡器、混频器等电路都包含了电感。而平面螺旋电感具有结构简单、易集成的优势，在集成电路中有着广泛的应用。传统的平面螺旋电感结构如图1所示，主体形状为正多边形，例如正四边形、正六边形、正八边形等，描述传统平面螺旋电感的几何参数有线宽W、线距S、内径Din以及圈数N等，根据电感拓扑结构是否对称分为单端螺旋电感和对称螺旋电感。此类平面螺旋电感结构简单，复杂度低，但在实际的电路设计中可用的面积往往并不是正多边形，因此规则的正多边形电感不利于空间分配，容易造成空间上的浪费。
考虑到这一点，可以赋予传统螺旋电感结构更多的维度从而改变它的形状。可变螺旋电感的结构如图2所示，相比于传统螺旋电感，螺旋电感的形状由最内圈多边形的高度Dinh和最内圈多边形的宽度Dinw同时控制，定义伸缩率
Figure BDA0003582349060000031
当γ＝1时，此时的螺旋电感退化为传统的正多边形电感，当γ>1时，此时的螺旋电感处于拉伸状态，电感的面积与金属总长度均进一步增加，同时金属占整个面积的比重减小；当γ<1时，此时的螺旋电感处于压缩状态，电感的面积与金属总长度均进一步减小，同时金属占整个面积的比重增大。图3展示了处于拉伸状态的单端螺旋电感以及处于压缩状态的对称螺旋电感，它有一个信号输入端 Input以及一个信号输出端Output，Via为金属之间的过孔。此外，当金属宽度由外向内依次缩减时可以有效提升电感的品质因数，因此用可变线宽替代恒定线宽，线宽由最大线宽Wmax和最小线宽Wmin决定。
可变螺旋电感的形状可以由最大线宽、最小线宽、线距S、圈数N、内径宽度Dinw和伸缩率γ描述。通过调整螺旋电感的伸缩率就可以轻松改变它的形状从而使它可以适应任意矩形区域，这将为布局工作带来极大的便利。
图4展示了4个不同的可变螺旋电感的直流电感(LDC)与最大品质因数(Q) 随着伸缩率(Deformation Ratio)的变化情况，它们的几何参数如表1所示。不难看出，在拉伸平面螺旋电感时，电感的尺寸和金属线长度都在增大，电感的寄生参数和损耗增加，因此电感值会一直增大，品质因数减小。而在压缩平面螺旋电感时，由于电感的尺寸和金属线长度都在减小，且负互感会增大，因此直流电感值会一直减小。在品质因数未达到峰值时，尺寸缩小造成电感的寄生参数和损耗减少为主要影响，在这一阶段品质因数会逐步增大，直到原本距离较远的金属靠得过近产生新的不可忽视的寄生电容，此时品质因数会逐渐减小。
表1
电感1 电感2 电感3 电感4
结构 单端四边形 单端八边形 对称六边形 对称八边形
W<sub>max</sub>(um) 8.60 2.01 6.30 3.21
W<sub>min</sub>(um) 4.56 2.00 2.80 3.20
S(um) 2.35 1.11 1.50 0.60
圈数 1 2.5 4 2
D<sub>inw</sub>(um) 29.80 55.40 49.60 43.20
当已知规则平面螺旋电感的电感值L0时，伸缩后的电感值可以由如下公式计算：
Figure BDA0003582349060000041
其中，C1(N)与C2(N)为与圈数N有关的系数，在本结构中，
Figure BDA0003582349060000042
Figure BDA0003582349060000043
C1(N)与C2(N)可能会随工艺变化。该公式的验证如图5所示，随机抽取3组平面螺旋电感的几何参数，具体参数如表2所示，比较伸缩率在0.1至 3之间变化时的仿真电感值Sim与用上述公式计算出的预测电感值Pre。
表2
编号 类型 W<sub>max</sub>(um) W<sub>min</sub>(um) S(um) D<sub>inw</sub>(um) N RMSE(nH)
1 非对称四边形 8.6 4.56 2.35 29.8 1 0.0116
2 非对称八边形 2.01 2 1.11 55.4 2.5 0.1446
3 对称六边形 6.3 2.8 1.5 49.6 4 0.0767
拓展Wheeler公式可以根据平面螺旋电感的几何参数粗略估计其直流电感值，公式如下：
Figure BDA0003582349060000051
其中，
Figure BDA0003582349060000052
Figure BDA0003582349060000053
K1、K2、K3为与电感结构相关的常数项，K1、K2的取值列举在表3中。
表3
K<sub>1</sub> K<sub>2</sub>
四边形螺旋电感 2.34 2.75
六边形螺旋电感 2.33 3.82
八边形螺旋电感 2.25 3.55
系数K3主要用于区分非对称结构螺旋电感以及对称结构螺旋电感。由于对称结构螺旋电感相对于非对称结构螺旋电感有更多的负互感，因此在相同的几何参数下其直流电感值会更小，其取值为
Figure BDA0003582349060000054
该公式的验证如下。将螺旋电感结构分为单端四边形、单端六边形、单端八边形以及对称四边形、对称六边形和对称八边形，每种结构各随机采集250组样本，且每个样本的自谐振频率均大于10GHz。螺旋电感的线宽为2-10um，线距为0.1-10um，最大面积200*200um2，圈数1-5圈，伸缩率为0.1-3，使用Virtuoso 与SMIC 40nm CMOS工艺对螺旋电感进行建模。验证的结果如图6所示，相对误差由|Lsim-Lpre|/Lsim计算得到，其中Lsim为CadenceEMX仿真得到的直流电感值，Lpre为公式(2.7)计算得到的直流电感值。可以看出，拓展Wheeler公式在各种结构下的直流电感值估计平均相对误差均小于10％。
可以看出，不论是L′还是L″在计算电感值时都有不错的准确度，可以为伸缩的平面螺旋电感设计提供帮助。需要注意的是，L′适用于已知规则平面螺旋电感直流电感值求伸缩状态电感值的情况，而L″适用于已知电感几何参数估计其直流电感值的情况。

Claims (7)

1.一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，其形状通过调整其最内圈多边形的高度与宽度之比而改变，从而适应任意矩形区域以提高面积使用率。
2.根据权利要求1所述的一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，所述平面螺旋电感为非对称式平面螺旋电感，其输入端口与最外圈金属连接；每圈金属之间有相同的间距；最内圈金属与输出端口由通孔连接。
3.根据权利要求2所述的一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，所述非对称式平面螺旋电感的金属宽度由外向内依次减小并呈螺旋结构向内缩进。
4.根据权利要求1所述的一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，所述平面螺旋电感为对称式平面螺旋电感，其输入与输出端口均与最外圈金属连接；相邻圈金属不在同一层；每圈金属之间有相同的间距；不同层的金属由通孔连接。
5.根据权利要求4所述的一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，所述对称式平面螺旋电感的每圈金属的宽度由外向内依次缩减。
6.根据权利要求1所述的一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，其伸缩后的电感值由如下公式计算：
Figure FDA0003582349050000011
其中，L0为已知规则平面螺旋电感的电感值；C1(N)与C2(N)为与圈数N有关的系数，C1(N)＝N,
Figure FDA0003582349050000012
Wmax为最大线宽，Wmin为最小线宽，
Figure FDA0003582349050000013
Dinh为最内圈多边形的高度，Dinw为最内圈多边形的宽度，S为线距。
7.根据权利要求1所述的一种可伸缩的平面螺旋电感结构，其特征在于，其直流电感值由平面螺旋电感的几何参数计算，公式如下：
Figure FDA0003582349050000014
其中，
Figure FDA0003582349050000015
Figure FDA0003582349050000016
K1、K2、K3为与电感结构相关的常数项；Doutw为最外圈多边形的宽度，Douth为最外圈多边形的高度；Dinh为最内圈多边形的高度，Dinw为最内圈多边形的宽度，μ0为真空中的磁导率。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115188559A (zh) * 2022-09-08 2022-10-14 东南大学 一种基于折纸结构的mems电感

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1489158A (zh) * 2002-09-13 2004-04-14 ��ʿͨ��ʽ���� 可调电感器及其电感的调节方法
EP2012244A1 (en) * 2007-07-06 2009-01-07 Seiko Epson Corporation Method for designing compact size inductors and compact size inductor thereof
CN103943460A (zh) * 2014-04-14 2014-07-23 中国电子科技集团公司第三十八研究所 拼接式平面螺旋电感的生成方法
CN204270776U (zh) * 2014-11-10 2015-04-15 厦门科塔电子有限公司 葫芦形平面螺旋式电感器
CN107039165A (zh) * 2016-02-04 2017-08-11 矢崎总业株式会社 绕组单元
CN108808883A (zh) * 2017-04-30 2018-11-13 南京理工大学 一种无线充电系统中的新型接收装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1489158A (zh) * 2002-09-13 2004-04-14 ��ʿͨ��ʽ���� 可调电感器及其电感的调节方法
EP2012244A1 (en) * 2007-07-06 2009-01-07 Seiko Epson Corporation Method for designing compact size inductors and compact size inductor thereof
CN103943460A (zh) * 2014-04-14 2014-07-23 中国电子科技集团公司第三十八研究所 拼接式平面螺旋电感的生成方法
CN204270776U (zh) * 2014-11-10 2015-04-15 厦门科塔电子有限公司 葫芦形平面螺旋式电感器
CN107039165A (zh) * 2016-02-04 2017-08-11 矢崎总业株式会社 绕组单元
CN108808883A (zh) * 2017-04-30 2018-11-13 南京理工大学 一种无线充电系统中的新型接收装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115188559A (zh) * 2022-09-08 2022-10-14 东南大学 一种基于折纸结构的mems电感
CN115188559B (zh) * 2022-09-08 2022-12-09 东南大学 一种基于折纸结构的mems电感

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