CN116234284A - 一种集成式薄膜噪声抑制器 - Google Patents

一种集成式薄膜噪声抑制器 Download PDF

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Abstract

本发明属于磁性功能材料与元器件领域，涉及高频抗电磁干扰技术，具体为一种集成式薄膜噪声抑制器。本发明将磁性薄膜分层，通过绝缘层的隔离，在传输线上集成多层软磁薄膜，通过软磁薄膜的磁损耗实现对噪声的抑制，能够在0‑6GHz频率范围内，形成单频点或多频点的集成式薄膜噪声抑制器。并提供了根据实际需要调整磁性膜材料种类或磁性膜厚度，进一步满足宽频电磁噪声抑制的优选方案。本发明结构和工艺简单，兼具了可集成、高性能、宽频带和高适用性的优点。

Description

一种集成式薄膜噪声抑制器
技术领域
本发明属于磁性功能材料与元器件领域，涉及高频抗电磁干扰技术，具体为一种集成式薄膜噪声抑制器。
背景技术
近年来，伴随着电子设备、通信设备的小型化和轻量化，装配于电子电路部件的安装密度变高。电子部件辐射产生的电波噪声引发如下问题，即在电子部件彼此间或电子电路彼此间产生电波干扰、磁场耦合而引起电子设备、通信设备的误动作。
为了防止该问题，在设备附件安装近场用薄膜噪声抑制器防止电波干扰与不需要的电磁耦合。这类薄膜噪声抑制器的衰减机制主要是由于磁性薄膜的铁磁共振损耗、涡流损耗和多层器件结构的L-C谐振损耗。
常用的电磁薄膜噪声抑制器的厚度为毫米级，如申请号为CN202011319586.X的专利公开的噪声抑制片，通常使用贴片的方式放置在电子电路附件，此类噪声抑制片形状自由度较高，被广泛的用作电子设备与通信设备应对噪声的部件。非集成式薄膜噪声抑制器的性能在厚度较薄时噪声抑制性能很差，为了保障其性能必须具有一定的厚度，因此随着电子设备集成度的提高，此类非集成式的噪声抑制片由于体积相对较大在小型化、集成化的电子设备的应用中受到很大的限制。
对于薄膜噪声抑制器，在磁性薄膜厚度相同的情况下，集成式薄膜噪声抑制器的功率损耗相较未集成的情况而言有明显的提升。现有的集成式薄膜噪声抑制器均常用共面波导或微带线与单层磁性薄膜相结合的方式制成，其体积较小但是噪声抑制频带较小，不能满足复杂的高频电磁环境。现有的多层膜噪声抑制器使用[铁磁层/反铁磁层]n交换耦合多层膜拓宽频带，利用薄膜自旋转移效应通过脉冲电流在保证噪声抑制性能的同时拓宽其噪声抑制频带。但其频带调制的方法较为复杂，使用场景受到诸多限制。
因此可集成、高性能、宽频带和高适用性的噪声抑制器成为目前行业急需解决的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有噪声抑制器在兼具可集成、高性能、宽频带和高适用性方面的问题，本发明提供了一种集成式薄膜噪声抑制器，将多层磁性薄膜与电子设备中的传输线进行集成，结构简单，能够较为方便的应用在集成化较高的电子电路中，且噪声抑制频带较宽、抑制效果佳。
一种集成式薄膜噪声抑制器，为多层薄膜结构，从下至上依次为介质基片、传输线、绝缘层和磁性薄膜层。
所述介质基片为绝缘介质，传输线为电导率大于103(S/cm)的导电材料。
所述磁性薄膜层为n个单元层从下至上堆叠而成，n≥2，单元层是下层共振吸收频率为f1的磁性膜和上层为隔离层的双层结构，f1为0.5GHz-10GHz；最终堆叠为共计n个单元层的磁性薄膜层，隔离层采用绝缘材料。
所述绝缘层将磁性薄膜层与微带线完全绝缘。
进一步的，所述磁性薄膜层采用磁控溅射的方式制备。
进一步的，所述传输线为微带线或共面波导，传输线的特征阻抗为50Ω以获得良好的阻抗匹配，传输线的噪声抑制性能在GHz频率下需低于10％保证有用信号正常传输。
目前有三种理论可以解释薄膜对噪声信号的衰减机制，分别如下
其一，铁磁共振损耗：当微波磁场的频率与铁磁性物质的磁化强度进动频率相同时，微波磁场中的能量被铁磁性物质最大程度的吸收，并通过阻尼作用将能量损耗。所以当一定频带范围内的微波信号通过时，铁磁共振现象会在某个频点发生，在铁磁共振频率一定范围内进行能量的吸收与损耗，实现对电磁噪声的抑制。
其二，涡流损耗：铁磁性薄膜在高频交变磁场下产生感生电流，磁场频率越大，感生电流越强。因此，在高频电磁场中，涡流损耗是不可避免的。并且涡流损耗的衰减发生在整个频率范围内，工作信号也会因此受到影响。
其三，L-C谐振损耗：本发明的设计集成式薄膜噪声抑制器的截面结构示意图图2可以看出，从上到下依次为，磁性薄膜/绝缘层/微带线/介质基片的多层结构。磁性薄膜是分布电感的主要来源，多层结构是分布电容的主要来源，通过改变绝缘层与磁性薄膜的厚度改变共振频率。
对于单层薄膜噪声抑制器，单纯增大薄膜厚度会造成薄膜各向异性场的减小并急剧恶化高频特性，因此本发明中将磁性薄膜分层，每一层磁性膜采用绝缘介质隔开保证磁性膜的层与层之间没有耦合，从而在增大薄膜噪声抑制器的总厚度时保证薄膜的高频特性不会有明显的下降。
进一步的，当磁性膜的材料单一时，所述磁性膜的厚度呈梯度渐变，通过梯度渐变结构增大薄膜噪声抑制器的频带，以有效增强薄膜噪声抑制器的性能。
对于磁性层厚度总相同的梯度渐变式噪声抑制器与磁性层厚度固定的多层膜噪声抑制器，由于磁性层总厚度相同，不同薄膜噪声抑制器的性能变化较小。梯度渐变式噪声抑制器由于不同磁性膜层厚度不同，每一层薄膜具有不同的铁磁共振吸收频率导致不同磁性层噪声抑制带宽不同，因此梯度渐变式噪声抑制器具有更宽的噪声抑制频带。
进一步的，所述磁性薄膜层中单元层的磁性膜选用不同的材料，通过不同材料的铁磁共振峰频率不同，使得可任意选取所需频率，以进一步扩宽整体磁性薄膜层的频带。
本发明通过绝缘层的隔离，在传输线上集成多层软磁薄膜，通过软磁薄膜的磁损耗实现对噪声的抑制。能够在0-6GHz频率范围内，形成单频点或多频点的集成式薄膜噪声抑制器。本发明可根据实际需要调整(磁性膜的材料种类或磁性膜的厚度)噪声抑制频段，能够满足宽频范围内对电磁噪声进行抑制的要求。同时克服了传统的抗电磁干扰(EMI)器件的结构复杂与非集成式薄膜噪声抑制器体积较大的缺点。集成式薄膜噪声抑制器能够在Ghz频带内对噪声进行衰减而不影响有用信号，满足了对噪声谐波进行抑制的需求。通过结合薄膜技术和微电子光刻工艺可以实现集成式薄膜噪声抑制器的制作，工艺简单，容易实现。
综上所述，本发明结构简单，满足在高集成度下对噪声进行抑制的需求，且噪声抑制频段较宽，工艺简单。
附图说明
图1为本发明的噪声衰减原理及结构俯视图；
图2为本发明的截面结构示意图；
图3为实施例中特征阻抗为50Ω的微带线模型；
图4为实施例1的集成式薄膜噪声抑制器仿真模型；
图5为实施例1样品的传导噪声抑制性能(Ploss/Pin)随层数n变化的仿真结果；
图6为实施例1样品的S21随层数n的变化关系；
图7为实施例2样品的传导噪声抑制性能仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
一种集成式薄膜噪声抑制器，从下至上依次为介质基片、微带线、绝缘层和磁性薄膜层。其结构俯视图及对高频噪声的衰减示意图如图1所示，截面示意图如图2所示。
实施例1
集成式FeCoB多层薄膜噪声抑制器
新建HFSS工程，建立微带线模型，如图3所示。通过仿真优化，确定了微带线参数，使得其特征阻抗为50Ω，满足阻抗匹配的条件。其中，介质基片为FR_4(相对介电常数＝4.4)，厚度为100μm；微带线的金属材料为长10mm，宽196μm，厚18μm的Cu。
在设计好的微带线传输线上通过SiO2层绝缘，集成FeCoB多层磁性薄膜。其模型结构如图4所示，截面结构如图2所示。绝缘层长9.2mm，宽9.2mm，厚0.2μm。为了保证在工艺实现时能够充分绝缘，磁性薄膜的尺寸不超过绝缘层，因此FeCoB多层薄膜的尺寸确定为长9mm，宽9mm，单层厚度为90nm。设置磁性薄膜材料参数，磁导率带入测试所得磁谱。
然后分配波端口激励源，在本实施例中，设置求解频率为3Ghz，在0.5～6Ghz，范围内进行扫频，运行仿真。
图5为本实施例设计的FeCoB多层膜噪声抑制器的传导噪声抑制性能(Ploss/Pin)随层数n变化的仿真结果，图6为FeCoB多层膜噪声抑制器的S21随层数n的变化关系。由图5和图6中仿真双端口S参数结构可以看到，本实施例的器件结构具有非常好的噪声抑制性能。
对于集成式微带线噪声抑制器，当磁性薄膜选用FeCoB多层膜时，可以看到当FeCoB的层数增加时，Ploss/Pin会出现一个共振峰，吸收频率在4.5-5Ghz之间，噪声抑制性能最高达到82.5％，共振峰的频率会随着层数的增强而逐渐减小。
实施例2
集成式FeCoB与FeNi多层薄膜噪声抑制器
取n＝4，将实施例1中FeCoB多层膜置换形成FeCoB/SiO2/FeNi/SiO2/FeCoB/SiO2/FeNi/SiO2的4层膜，其他三维尺寸与实施例1中FeCoB薄膜相同。图7为本实施例采用两种材料的FeCoB和FeNi多层薄膜噪声抑制器的传导噪声抑制性能仿真结果。仿真结果说明设计得到的集成式微带线噪声抑制器相比FeCoB多层膜噪声抑制器提升了在低频下的噪声抑制能力，具有较大的噪声抑制带宽。
实施例3
梯度渐变式FeCoB多层薄膜噪声抑制器
实施例3与实施例1其他模型参数均相同，将磁性薄膜置换为磁性层厚度梯度渐变的FeCoB多层膜。FeCoB多层膜选用三层膜(n＝3)，厚度依次为135nm、90nm与45nm。对于磁性层厚度总相同的梯度渐变式噪声抑制器与磁性层厚度固定的多层膜噪声抑制器，由于磁性层总厚度相同，不同薄膜噪声抑制器的性能变化较小。梯度渐变式噪声抑制器由于不同磁性层厚度不同，每一层薄膜具有不同的铁磁共振吸收频率导致不同磁性层噪声抑制带宽不同，因此梯度渐变式噪声抑制器具有更宽的噪声抑制频带。
通过以上实施例可见，本发明将磁性薄膜分层，通过绝缘层的隔离，在传输线上集成多层软磁薄膜，通过软磁薄膜的磁损耗实现对噪声的抑制，能够在0-6GHz频率范围内，形成单频点或多频点的集成式薄膜噪声抑制器。并提供了根据实际需要调整磁性膜材料种类或磁性膜厚度，进一步满足宽频电磁噪声抑制的优选方案。本发明结构和工艺简单，兼具了可集成、高性能、宽频带和高适用性的优点。

Claims (5)

1.一种集成式薄膜噪声抑制器，其特征在于：为多层薄膜结构，从下至上依次为介质基片、传输线、绝缘层和磁性薄膜层；
所述介质基片为绝缘介质，传输线为电导率大于103(S/cm)的导电材料；
所述磁性薄膜层为n个单元层从下至上堆叠而成，n≥2，单元层是下层共振吸收频率为f1的磁性膜和上层为隔离层的双层结构，f1为0.5GHz-10GHz；最终堆叠为共计n个单元层的磁性薄膜层，隔离层采用绝缘材料；
所述绝缘层将磁性薄膜层与微带线完全绝缘。
2.如权利要求1所述集成式薄膜噪声抑制器，其特征在于：所述传输线为微带线或共面波导，传输线的特征阻抗为50Ω。
3.如权利要求1所述集成式薄膜噪声抑制器，其特征在于：当磁性膜的材料单一时，所述磁性膜的厚度呈梯度渐变，以增大薄膜噪声抑制器的频带。
4.如权利要求1所述集成式薄膜噪声抑制器，其特征在于：所述磁性薄膜层中单元层的磁性膜选用不同的材料，通过不同材料的铁磁共振峰频率不同，使得可任意选取所需频率，以进一步扩宽整体磁性薄膜层的频带。
5.如权利要求1所述集成式薄膜噪声抑制器，其特征在于：所述磁性薄膜层采用磁控溅射的方式制备。
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