RU2614188C1 - Планарная индуктивность - Google Patents
Планарная индуктивность Download PDFInfo
- Publication number
- RU2614188C1 RU2614188C1 RU2015151513A RU2015151513A RU2614188C1 RU 2614188 C1 RU2614188 C1 RU 2614188C1 RU 2015151513 A RU2015151513 A RU 2015151513A RU 2015151513 A RU2015151513 A RU 2015151513A RU 2614188 C1 RU2614188 C1 RU 2614188C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thin film
- inductance
- additional thin
- electrical conductivity
- thickness
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 61
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 17
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 3
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012549 training Methods 0.000 description 2
- OUXCBPLFCPMLQZ-WOPPDYDQSA-N 4-amino-1-[(2r,3s,4s,5r)-4-hydroxy-5-(hydroxymethyl)-3-methyloxolan-2-yl]-5-iodopyrimidin-2-one Chemical compound C[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@H]1N1C(=O)N=C(N)C(I)=C1 OUXCBPLFCPMLQZ-WOPPDYDQSA-N 0.000 description 1
- OMOVVBIIQSXZSZ-UHFFFAOYSA-N [6-(4-acetyloxy-5,9a-dimethyl-2,7-dioxo-4,5a,6,9-tetrahydro-3h-pyrano[3,4-b]oxepin-5-yl)-5-formyloxy-3-(furan-3-yl)-3a-methyl-7-methylidene-1a,2,3,4,5,6-hexahydroindeno[1,7a-b]oxiren-4-yl] 2-hydroxy-3-methylpentanoate Chemical compound CC12C(OC(=O)C(O)C(C)CC)C(OC=O)C(C3(C)C(CC(=O)OC4(C)COC(=O)CC43)OC(C)=O)C(=C)C32OC3CC1C=1C=COC=1 OMOVVBIIQSXZSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000000699 topical effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F17/00—Fixed inductances of the signal type
- H01F17/02—Fixed inductances of the signal type without magnetic core
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Coils Or Transformers For Communication (AREA)
Abstract
Изобретение относится к пассивной элементной базе устройств радиотехники и связи и может найти широкое применение в различных усилителях, смесителях и RLC-фильтрах ВЧ и СВЧ диапазонов, радиоприемниках и радиопередатчиках и т.п. Технический результат: увеличение численных значений L планарной индуктивности, реализуемой как минимум в виде одного витка, расположенного на изолирующей подложке. Сущность: планарная индуктивность содержит как минимум один виток (1) из металлической пленки толщиной h1, расположенный на изолирующей подложке (2), первый (3) и второй (4) выводы интегральной индуктивности для ее включения в электронную схему. Во внутреннюю область витка (1) из металлической пленки толщиной h1 введена дополнительная тонкая пленка (5) толщиной h2<<h1 из материала, обладающего заданной электропроводностью и не имеющего электрического контакта с витком (1) планарной индуктивности. 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к пассивной элементной базе устройств радиотехники и связи и может найти широкое применение в различных усилителях, смесителях и RLC-фильтрах ВЧ и СВЧ диапазонов, радиоприемниках и радиопередатчиках и т.п.
В современных устройствах связи и телекоммуникаций в структуре «систем на кристалле» или «систем в корпусе» широко используются планарные индуктивности (L), которые (для повышения численных значений L) реализуются на диэлектрической подложке в виде многовитковых круглых, спиральных [1-4], квадратных [5-17] или более сложных геометрических форм, например ортогональных спиралей [18-24]. В ряде случаев интегральная индуктивность, предназначенная для СВЧ диапазона, выполняется в виде одного витка из напыляемой на подложку металлической пленки [25-33], образующей токовое кольцо. Однако такое конструктивно-технологическое решение уменьшает численное значение L до единиц наногенри (0,5-3,5 нГн для микронных геометрических размеров). Для получения в одном слое, например, L=2 нГн требуется площадь 100 мкм на 100 мкм, что соответствует поверхностной плотности индуктивности 0,2 Гн/м2 [34].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является интегральная индуктивность в виде одного витка (фиг. 1), представленная в учебном пособии «Автоматизированное проектирование интегральных катушек индуктивности для аналоговой микроэлектроники СВЧ диапазона: Ч.1 Разработка и анализ топологии индуктивного элемента на основе БиКМОП технологии в среде ADS2005A» / Д.Н. Конев, А.С. Будяков, Н.Н. Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 г., с. 37, рис. 9.4. Кроме этого, данная конструкция одновитковой интегральной индуктивности описана в других публикациях и патентах [25-33].
Существенный недостаток известного устройства фиг. 1 состоит в том, что индуктивность (L) данной конструкции в диапазоне геометрических размеров от 20 до 100 мкм имеет малые значения (0,5-3,5 нГн). Это ограничивает области ее практического использования в «системах на кристалле». Функциональные зависимости L такой конструкции, представленные в упомянутом выше методическом пособии, показывают, что L зависит от диаметра витка и его ширины, но при этом не может быть существенно увеличена за счет изменения ее геометрических размеров в указанном диапазоне (20÷100 мкм).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении численных значений L планарной индуктивности, реализуемой как минимум в виде одного витка, расположенного на изолирующей подложке.
Поставленная задача достигается тем, что в планарной индуктивности, содержащей как минимум один виток (1) из металлической пленки толщиной h1, расположенный на изолирующей подложке 2, первый 3 и второй 4 выводы интегральной индуктивности для ее включения в электронную схему, предусмотрены новые конструктивные элементы - во внутреннюю область витка 1 из металлической пленки толщиной h1 введена дополнительная тонкая пленка 5 толщиной h2<<h1 из материала, обладающего заданной электропроводностью и не имеющего электрического контакта с витком 1 планарной индуктивности.
По существу в настоящем изобретении предлагается увеличить в 5-50 раз поверхностную плотность индуктивности путем расположения на той же площади кристалла дополнительной тонкой пленки 5. Причем толщина h2 этой пленки должна находиться в диапазоне от десятков до сотен нанометров. При других значениях толщины h2 заявляемый положительный результат не обеспечивается, т.к. он связан с наноразмерными эффектами.
На фиг. 1 представлен вид сверху типовой конструкции планарной индуктивности-прототипа. Здесь, а также на фиг. 2-5 приняты следующие обозначения: R - радиус дополнительной тонкой пленки 5, h2 - ее толщина; R1 - внутренний радиус витка 1 (токового кольца) из металлической пленки толщиной h1, R2 - внешний радиус витка 1 (токового кольца) из металлической пленки толщиной h1; 2 - изолирующая подложка (например, из сапфира); 3 и 4 - первый (3) и второй (4) выводы интегральной индуктивности для ее включения в электронную схему.
На фиг. 2 приведен вид сверху конструкции заявляемого устройства, которое использует известную топологию фиг. 1 одновитковой 1 индуктивности (одиночного токового кольца). Во внутреннюю область витка 1 из металлической пленки толщиной h1 введена дополнительная тонкая пленка 5 толщиной h2<<h1 из материала, обладающего заданной электропроводностью и не имеющего электрического контакта с витком 1 планарной индуктивности. При использовании такой индуктивности в мощных выходных каскадах величины R, h2, R1, R2 и h1 должны быть рассчитаны с учетом допустимого теплового энерговыделения.
На фиг. 3 индуктивность фиг. 2 представлена с объемным изображением изолирующей подложки.
На фиг. 4б дан разрез заявляемой конструкции фиг. 4а, соответствующей фиг. 2, по вертикальному сечению АВ. Замкнутыми кривыми со стрелками здесь схематически показаны силовые линии переменного магнитного поля для некоторого момента времени.
На фиг. 5 представлен отдельный чертеж дополнительной тонкой пленки 5 из фиг. 4б, который предназначен для аналитического расчета индуктивности L заявляемого устройства.
Планарная индуктивность фиг. 4 (фиг. 2) содержит как минимум один виток 1 из металлической пленки толщиной h1, расположенный на изолирующей подложке 2, первый 3 и второй 4 выводы интегральной индуктивности для ее включения в электронную схему. Во внутреннюю область витка 1 из металлической пленки толщиной h1 введена дополнительная тонкая пленка 5 толщиной h2<<h1 из материала, обладающего заданной электропроводностью и не имеющего электрического контакта с витком 1 (токовым кольцом) планарной индуктивности.
В соответствии с п. 2 формулы изобретения, заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 на фиг. 4 соответствует электропроводности меди. Это позволяет обеспечить частотнонезависимую планарную индуктивность L в диапазоне частот от 0,3 до 30 МГц.
В соответствии с п. 3 формулы изобретения, заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 на фиг. 4 соответствует электропроводности алюминия. Это позволяет обеспечить частотнонезависимую планарную индуктивность в диапазоне частот от 0,5 до 50 МГц.
В соответствии с п. 4 формулы изобретения, заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 на фиг. 4 соответствует электропроводности вольфрама. Это позволяет обеспечить частотнонезависимую планарную индуктивность в диапазоне частот от 1 до 100 МГц.
В соответствии с п. 5 формулы изобретения, заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 на фиг. 4 соответствует электропроводности никеля. Это позволяет обеспечить частотнонезависимую заявляемую планарную индуктивность в диапазоне частот от 1,2 до 120 МГц.
В соответствии с п. 6 формулы изобретения, заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 на фиг. 4 соответствует электропроводности нихрома. Это позволяет обеспечить частотнонезависимую планарную индуктивность в диапазоне частот от 20 МГц до 2 ГГц.
В соответствии с п. 7 формулы изобретения, заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 на фиг. 4 соответствует электропроводности электронного кремния. Это позволяет обеспечить частотнонезависимую планарную индуктивность в диапазоне частот от 20 Ггц до 2 ТГц.
Рассмотрим факторы, позволяющие получить более высокие значения L в предлагаемой планарной индуктивности (фиг. 4, фиг. 5).
Индуктивность конструкции L (фиг. 4, фиг. 5) относительно первого 3 и второго 4 выводов складывается из двух составляющих
где Lк - индуктивность витка 1 (токового кольца), расчет которой можно выполнить на основе графиков, представленных в упомянутом выше учебном пособии;
Lф - потоковая индуктивность дополнительной тонкой пленки 5, расчет которой представлен ниже.
Предположим, что дополнительная тонкая пленка 5 (сплошная, проводящая, немагнитная) находится во внешнем однородном переменном магнитном поле, направленном по оси z, которое имеет только одну компоненту 
(фиг. 5). Это внешнее для дополнительной тонкой пленки 5 магнитное поле создается витком 1 (токовым кольцом), а его зависимость от времени имеет вид
Для простоты предполагаем, что однородное в пространстве магнитное поле B0=const не зависит от цилиндрических координат системы (r, ϕ, z) и ограничено в радиальном направлении внешним радиусом цилиндра R дополнительной тонкой пленки 5, а в аксиальном направлении - толщиной дополнительной тонкой пленки 5, обозначенной через h2.
На фиг. 5 показаны направления векторов и силовых линий внешнего переменного магнитного поля относительно оси дополнительной тонкой пленки 5, а также направления азимутальной компоненты вектора плотности тока Фуко, имеющей единственную компоненту jϕ, для некоторого момента времени.
При такой ориентации переменное магнитное поле будет порождать в дополнительной тонкой пленке 5 вихревое электрическое поле, напряженность которого 
имеет только одну компоненту.
Впервые экспериментальное доказательство существования такой возможной ориентации вихревого электрического поля было обнаружено при создании бетатронов - индукционных ускорителей электронов [35]. В них ускорение электронов осуществляется вихревым электрическим полем, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности. В ускорителе они формируются электромагнитом специальной формы (см., например, [35]), а в заявляемом устройстве - дополнительной тонкой пленкой 5 строго определенной толщины h2<<h1.
Компоненты полей в системе фиг. 4 (фиг. 5) связаны между собой первым уравнением Максвелла, записанным в проекциях цилиндрической системы координат (r, ϕ, z)
где σ=±1 - уточняющий знаковый множитель. Он включает в себя две возможные ориентации ротора вихревого электрического поля по отношению к исходному направлению вектора В0. Как показывают эксперименты, проведенные американскими технологами [36], значение σ=-1 возникает в цилиндрических пленках с толщиной десятки и сотни нанометров. В таких сверхтонких пленках токи Фуко формируют частотнонезависимую положительную индуктивность Lф, которая приводится к выводам 3 и 4 интегральной индуктивности, проявляя свои неожиданные парамагнитные свойства.
Значение σ=+1 реализуется при протекании токов Фуко в проводящих цилиндрах в макроскопических масштабах, которые проявляют свои естественные диамагнитные свойства. Высота проводящего цилиндра h2 дополнительной тонкой пленки 5 при этом должна быть больше его радиуса R и значительно превышать 1 мкм.
Полагая в (3), что
из уравнения (4) получим уравнение, связывающее Е0(r) и В0
где r - радиус текущей точки наблюдения в цилиндрической системе координат, который может изменяться в диапазоне 0÷R.
Решение уравнения (5) для Е0(r) имеет вид
где С1 - постоянная величина.
В решении (6) избавимся от особенности при r→0, полагая C1=0. Это условие приводит к тому, что при В0=0 величина E0=0. Из (6) видно, что азимутальная компонента вектора напряженности вихревого электрического поля - линейная функция радиуса r с масштабом
В масштабе напряженности учтено соотношение 
. Тогда (6) с учетом (7) при 0≤r≤R имеет вид
Электрическое поле в проводящем цилиндре из дополнительной тонкой пленки 5 создает вихревые токи Фуко, плотность тока которых имеет такое же направление в пространстве 
. Плотность токов Фуко рассчитывается из дифференциального закона Ома
где ρ - удельное электрическое сопротивление дополнительной тонкой пленки 5.
Из (9) видно, что плотность тока Фуко в однородной проводящей среде ρ=const также является линейной функцией радиуса r и также зависит от времени, как и Eϕ
где j0(r) связано с масштабом плотности тока
соотношением
Из соотношения (11) видно, что при прочих равных условиях масштаб плотности тока может достигать больших значений на высоких частотах для проводящей среды с малым значением удельного сопротивления ρ. Это будет приводить к нагреву проводящей пленки на высокой частоте.
Вихревой ток, индуцированный во всей дополнительной тонкой пленке 5, может быть получен из интегрирования плотности тока в цилиндрических координатах
где 
- масштаб индукционного тока.
Плотность вихревых токов Фуко (10) создает в пространстве цилиндра дополнительной тонкой пленки 5 собственное магнитное поле 
. Это магнитное поле отклика вещества на внешнее воздействие для исходной ориентации вихревых токов в цилиндрической системе координат имеет одну проекцию В1z. Направление проекции B1z во всех точках цилиндра противоположно внешнему магнитному полю В0. В этом и заключается основная причина диамагнетизма, проявляемого токами Фуко.
Распределение магнитного поля отклика вещества можно рассчитать из второго уравнения Максвелла, записанного в цилиндрической системе координат (r, ϕ, z):
Интегрируя (15) для начального условия B1z(0) с учетом (10), получим
где
масштаб индукции магнитного поля отклика вещества. Его можно связать с индукцией внешнего магнитного поля безразмерным параметром β
который указывает на влияние магнетизма токов Фуко:
где
- масштаб частоты системы фиг. 4. Из (18) видно, что магнетизм токов Фуко слабо проявляет себя при B→0 и его влияние велико на высоких частотах, когда β>>1. При значении β=1 масштабы индукций магнитных полей одинаковы. Как видно из (20), масштаб частоты системы фиг. 4 не зависит от толщины дополнительной тонкой пленки 5.
Исследуем индуктивные свойства дополнительной тонкой пленки 5. Найдем ее потоковую индуктивность из соотношения
где под <Ф> будем понимать суммарный средний за полупериод поток, пересекающий проводящую дополнительную тонкую пленку 5, который формируется внешним переменным магнитным полем В0 и магнитным полем отклика вещества В1. Под значением <i> будем понимать среднее значение переменного тока одного направления за полупериод. Тогда коэффициент пропорциональности между ними (LФ) будет играть роль средней потоковой индуктивности дополнительной тонкой пленки 5.
Поток внешнего переменного магнитного поля имеет вид
а поток переменного магнитного поля отклика вещества вычисляется из соотношения
Среднее значение суммарного потока за полупериод имеет вид
где
причем
Подставляя (25) и (26) в (24) с учетом связи (21), получим
Из (27) следует, что средняя за полупериод потоковая индуктивность Lф дополнительной тонкой пленки 5 не зависит от частоты и может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Как показывают эксперименты, величины R и h2 должны соответствовать элементарному токовому вихрю, который возбуждается в дополнительной тонкой пленке 5. При соотношении h2<R толщина дополнительной тонкой пленки 5 h2 будет совпадать с толщиной элементарного токового вихря в дополнительной тонкой пленке 5 только для случая, когда толщина дополнительной тонкой пленки 5 h2 меньше одного микрона. При этих условиях реализуется положительная частотно-независимая потоковая индуктивность, а вихревые токи Фуко проявляют свои неожиданные парамагнитные свойства.
Если толщина дополнительной тонкой пленки 5 h2>1 мкм и условие h2<R не выполнено, то возможны случаи, когда проводящий цилиндр из дополнительной тонкой пленки 5 находится либо в состоянии отрицательной частотно-независящей индуктивности (токи Фуко проявляют свои диамагнитные свойства наиболее сильно в макроскопических масштабах), либо в состоянии частотно-зависимой динамической индуктивности, которая обращается в нуль на двух характеристических частотах [37-40].
В таблице 1 приведены значения потоковой индуктивности Lф, рассчитанные из (21), которые можно реализовать в системе на кристалле для дополнительной тонкой пленки 5 радиусом R=50 мкм.
При этом удельное сопротивление дополнительной тонкой пленки 5 не влияет на величину индуктивности между выводами 3 и 4, а изменяет только частотный диапазон, в котором такая индуктивность будет оставаться постоянной. Данный диапазон частот можно оценить из условия 0,1
*<<10 *, где * - масштаб частоты системы (20) «виток 1 (токовое кольцо) - дополнительная тонкая пленка 5».
Значения масштаба частоты, зависящего от удельного сопротивления дополнительной тонкой пленки 5, рассчитанные из соотношения (20), представлены в таблице 2.
Из таблиц 1 и 2 видно, что использование, например, алюминия при напылении дополнительной тонкой пленки 5 радиусом R=50 мкм и толщиной h2=100 нм позволяет получить вносимую индуктивность дополнительной тонкой пленки 5 Lф=50 нГн, приведенную к выводам 3 и 4 заявляемой интегральной индуктивности. Такая дополнительная тонкая пленка 5 будет обеспечивать частотно-независимую индуктивность в диапазоне частот от 0,5 до 50 МГц.
Применение дополнительной тонкой пленки 5 из нихрома для тех же геометрических размеров позволит обеспечить постоянство индуктивности в диапазоне от 20 МГц до 2 ГГц и так далее (см. табл. 2).
В современных СВЧ микросхемах приемлемой для многих применений величиной интегральной индуктивности является значение в 10 нГн. В таблице 3 приведены толщины h2 дополнительной тонкой пленки 5 в нанометрах и соответствующий ей радиус R в микрометрах, который дает данное фиксированное значение индуктивности дополнительной тонкой пленки 5 в 10 нГн.
Расчеты для толщины дополнительной тонкой пленки 5 больше 500 нм не приводятся в связи с тем, что элементарный токовый вихрь в дополнительной тонкой пленке 5 в таком случае может оказаться нестабильным и перейти в другое частотно-зависимое состояние динамической индуктивности.
Данные табл. 3 указывают на возможность дальнейшего уменьшения площади, занимаемой интегральной индуктивностью с предлагаемой конструкцией. Такое уменьшение может привести к достижению предельных значений поверхностной плотности индуктивности вплоть до 9,8 Гн/м2.
Результаты компьютерного моделирования, представленные в таблицах 1 и 2, подтверждают решение поставленной в заявке задачи: при изменении толщины дополнительной тонкой пленки 5 от 50 нм до 350 нм заявляемая индуктивность изменяется в диапазоне от 100 до 14 нГн, что значительно лучше (в 5-50 раз) максимальной индуктивности одновитковых известных конструкций, достигаемых в одном слое [34].
Учитывая формулу (1), заметим, что фактическая индуктивность L системы «виток 1 (токовое кольцо) - дополнительная тонкая пленка 5» фиг. 4 будет несколько больше рассчитанного в табл. 1. Это объясняется тем, что к вносимой индуктивности Lф дополнительной тонкой пленки 5 (Lп) обязательно добавится индуктивность витка 1 (токового кольца) (Lк), которое для геометрических размеров порядка 50 мкм не превышает значения 1 нГн вплоть до значений частоты порядка 1 ГГц.
Таким образом, предлагаемая конструкция интегральной индуктивности имеет существенные преимущества в сравнении с известными техническими решениями. За счет обнаруженных наноэффектов она позволяет реализовать в 5÷50 раз более высокие значения индуктивности, но только при строго определенных значениях толщин h2<<h1. С другой стороны, выбор материала, из которого создается дополнительная тонкая пленка 5, позволяет «сдвигать» в заданный частотный диапазон рабочий диапазон частот заявляемой индуктивности.
Источники информации
1. Патент CN 101707478 В, fig. 3а, fig. 4а.
2. Mohan, S.S. Simple accurate expressions for planar spiral inductors / S.S. Mohan, M.d.M. Hershensen, S.P. Boyd, T.H. Lee // IEEE J. Solid-State Circuits, Oct. 1999. - Vol.34. - Pp. 1419-1424 DOI: 10.1109/4.792620. fig. Id.
3. Rejaei, B. A predictive model for Si-based circular spiral inductors / B. Rejaei, J. L. Tauritz, P. Snoeij. // Proc. Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, 1998. - Pp.148-154 DOI: 10.U09/SMIC.1998.750210. fig. 1.
4. Патент US 5760456, fig. 1.
5. Kyranas Α., Papananos Y. Passive On-Chip Components for Fully Integrated Silicon RF VCOs / A. Kyranas, Y. Papananos // Active and Passive Electronic Components. 2002. - Vol.25. - Iss. 1. - Pp.83-95 DOI: 10.1080/08827510211281. fig. 2.
6. Патент US 7512389, fig. 1.
7. Mohan, S.S. Simple accurate expressions for planar spiral inductors / S.S. Mohan, M.d.M. Hershensen, S.P. Boyd, T. H. Lee // IEEE J. Solid-State Circuits, Oct. 1999. - Vol.34. - Pp.1419-1424 DOI: 10.1109/4.792620. fig. la.
8. Патент US 5892425, fig. 1.
9. Cao, Y. Frequency-independent equivalentcircuit model for on-chip spiral inductors / Y. Cao, R. A. Groves, X. Huang, N. D. Zamdmer, J.-O. Plouchart, R. A. Wachnik, T.-J. King, C. Hu // IEEE J. Solid-State Circuits, Mar. 2003. - Vol.38. - Pp.419-426 DOI: 10.1109/JSSC.2002.808285. fig. 1a, fig. 2a.
10. Kuhn, W.B. Analysis of Current Crowding Effects in Multiturn / W.B. Kuhn, N.M. Ibrahim, // IEEE Microwave Theory and Techniques, 2001. - Vol.49. Is. 1. - Pp. 31-38, DOI: 10.1109/22.899959. fig. 3.
11. Патент US 6201287 В1, fig. 10.
12. Патентная заявка US 2001/0045616 A1, fig. 2.
13. Патент US 5559360, fig. 2.
14. Патент US 5635892, fig. 1b.
15. Патентная заявка US 2008/0174398, fig. 1.
16. Патентная заявка US 2009/0261444 A1, fig. 1a.
17. Патентная заявка US 2008/0048760, fig. 1.
18. Kyranas Α., Papananos Y. Passive On-Chip Components for Fully Integrated Silicon RF VCOs / A. Kyranas, Y. Papananos // Active and Passive Electronic Components. 2002. - Vol.25. - Iss. 1. - Pp. 83-95 DOI: 10.1080/08827510211281, fig. 2.
19. Патентная заявка US 2003/0230675 A1, fig. 2.
20. Delatte, P. A low-power 5 GHz CMOS LC-VCO optimized for highresistivity SOI substrates / P. Delatte, G. Picun, L. Demeus, P. Simon, and D. Flandre. // in Proc. Eur. Solid-State Circuit Conf., Grenoble, France, 2005. - Pp. 395-398. DOI: 10.1109/ESSCIR.2005.1541643, fig. 3b.
21. Mohan, S.S. Simple accurate expressions for planar spiral inductors / S.S. Mohan, M.d.M. Hershensen, S.P. Boyd, T. H. Lee // IEEE J. Solid-State Circuits, Oct. 1999. - Vol.34. - Pp. 1419-1424 DOI: 10.1109/4.792620, fig. 1c.
22. Crois, J. An analytical model of planar inductors on lowly doped silicon substrates for analog design up to 3 GHz / J. Crois, P. Kinget, J. Craninckx, and M. Steyeart, // Symp.VLSI Circuits Dig. Tech. Papers, 1996. - Pp.28-29 DOI: 10.1109/VLSIC. 1996.507703, fig. 1b.
23. Патентная заявка US 2010/0117737 A1, fig. 6.
24. Патентная заявка US 2009/0261452 A1, fig. 1.
25. W. Fong, N. H. Design of wide-band CMOS VCO for multiband wireless LAN applications / N. H. W. Fong, J.-O. Plouchart, N. Zamdmer, D. Liu, L. Wagner, C. Plett, and N. G. Tarr. // IEEE J. Solid-State Circuits, Aug. 2003. - Vol.38. - No. 8. - Pp.1333-1342 DOI: 10.1109/JSSC.2003.814440. fig. 1a.
26. Патент US 7310039, fig. 1.
27. Greenhouse, H.M. Design of planar rectangular microelectronic inductors // IEEE Trans. PHP, 1974. - Vol.10. - Pp.101-109 DOI: 10.1109/TPHP. 1974.1134841, fig. 5.
28. Tang, С.-С. Miniature 3D inductors in standard CMOS process / C.-C. Tang, C.-H. Wu, and S.-I. Liu, // IEEE J. Solid-State Circuits, Apr. 2002. - Vol.37. - No. 4. - Pp. 471-4180 DOI: 10.1109/4.991385, fig. 3 (фрагмент M4).
29. Патент US 7259625 B2, fig. 2.
30. Патент US 5313662, fig. 3.
31. Патент US 6310387, fig. 1b.
32. Патентная заявка US 2004/0103522 A1, fig. 1a.
33. Патентная заявка US 2005/0140447 A1, fig. 1.
34. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. Под ред. канд. техн. наук В.И. Эннса. М.: Горячая линия - Телеком. 2005, с. 455.
35. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1978 г.
36. Widjaja A. and Sarangan A. Method for Fabrication Thin Film Structures with Negative Inductance. Case #: UD-488. US-Patent Pending; Publication # 20090261936. Inventor: Agus-Widjaja, et al.
37. Сапогин В.Г., Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г., Сапунцов Н.Е., Нестюрина Е.Е. Индуктивность сплошного проводящего цилиндра с азимутальной плотностью вихревого тока в низкочастотной области. Фундаментальные исследования. №11 (часть 3), 2013. С. 441-446.
38. Сапогин В.Г., Прокопенко Н.Н., Марчук В.И., Манжула В.Г., Будяков А.С. Индуктивные свойства микроскопического проводящего кольца с плотностью вихревого тока азимутального направления. Нано- и микросистемная техника. 2014, №1. С. 22-26.
39. Сапогин В.Г., Прокопенко Н.Н., Сапунцов Н.Е. Индуктивность цилиндрической пленки с азимутальной плотностью вихревого тока. Материалы международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Т.П. Саратов, Россия, 25-26 сентября 2014 г. С. 358-365.
40. Vladimir G. Sapogin, Nikolay N. Prokopenko and Ludmila K. Sapogina. Solution of Solitary Current Inductor's "Cutoff Frequency Problem" for EHF Applications. The International IEEE Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS-2015). David Intercontinental Hotel, 2-4 november 2015, Tel Aviv, Israel. 978-1-4799-7473-3/15/$31.00 ©2015 IEEE. 107774.pdf.
Claims (7)
1. Планарная индуктивность, содержащая как минимум один виток (1) из металлической пленки толщиной h1, расположенный на изолирующей подложке (2), первый (3) и второй (4) выводы интегральной индуктивности для ее включения в электронную схему, отличающаяся тем, что во внутреннюю область витка (1) из металлической пленки толщиной h1 введена дополнительная тонкая пленка (5) толщиной h2<<h1 из материала, обладающего заданной электропроводностью и не имеющего электрического контакта с витком (1) планарной индуктивности.
2. Планарная индуктивность по п. 1, отличающаяся тем, что заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 соответствует электропроводности меди.
3. Планарная индуктивность по п. 1, отличающаяся тем, что заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 соответствует электропроводности алюминия.
4. Планарная индуктивность по п. 1, отличающаяся тем, что заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 соответствует электропроводности вольфрама.
5. Планарная индуктивность по п. 1, отличающаяся тем, что заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 соответствует электропроводности никеля.
6. Планарная индуктивность по п. 1, отличающаяся тем, что заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 соответствует электропроводности нихрома.
7. Планарная индуктивность по п. 1, отличающаяся тем, что заданная электропроводность материала дополнительной тонкой пленки 5 соответствует электропроводности электронного кремния.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015151513A RU2614188C1 (ru) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Планарная индуктивность |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015151513A RU2614188C1 (ru) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Планарная индуктивность |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2614188C1 true RU2614188C1 (ru) | 2017-03-23 |
Family
ID=58452968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015151513A RU2614188C1 (ru) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Планарная индуктивность |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2614188C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1023410A1 (ru) * | 1981-08-13 | 1983-06-15 | Предприятие П/Я В-2965 | Индуктивный элемент |
| US5396101A (en) * | 1991-07-03 | 1995-03-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Inductance element |
| US20060220737A1 (en) * | 2005-04-05 | 2006-10-05 | International Business Machines Corporation | High q monolithic inductors for use in differential circuits |
| US20080048760A1 (en) * | 2006-07-29 | 2008-02-28 | Samir El Rai | Monolithically integratable circuit arrangement |
| WO2011073908A1 (en) * | 2009-12-17 | 2011-06-23 | Nxp B.V. | On chip integrated inductor and manufacturing method therefor |
-
2015
- 2015-12-01 RU RU2015151513A patent/RU2614188C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1023410A1 (ru) * | 1981-08-13 | 1983-06-15 | Предприятие П/Я В-2965 | Индуктивный элемент |
| US5396101A (en) * | 1991-07-03 | 1995-03-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Inductance element |
| US20060220737A1 (en) * | 2005-04-05 | 2006-10-05 | International Business Machines Corporation | High q monolithic inductors for use in differential circuits |
| US20080048760A1 (en) * | 2006-07-29 | 2008-02-28 | Samir El Rai | Monolithically integratable circuit arrangement |
| WO2011073908A1 (en) * | 2009-12-17 | 2011-06-23 | Nxp B.V. | On chip integrated inductor and manufacturing method therefor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Thal | New radiation $ Q $ limits for spherical wire antennas | |
| Liu et al. | A novel wireless power transfer system with double intermediate resonant coils | |
| Kim et al. | Highly efficient WPT system with negative impedance converter for Q-factor improvement | |
| Liang et al. | Duality principle of characteristic modes for the analysis and design of aperture antennas | |
| Batel et al. | Sensitivity of negative impedance converter circuit with respect to PCB design effects | |
| Pham et al. | Enhanced efficiency of asymmetric wireless power transmission using defects in 2D magnetic metamaterials | |
| Hong et al. | Novel broadband rectenna using printed monopole antenna and harmonic‐suppressed stub filter | |
| Hejazi et al. | Accurate distributed inductance of spiral resonators | |
| RU2614188C1 (ru) | Планарная индуктивность | |
| Talekar et al. | Wideband tunable radio frequency integrated circuit inductors integrated with domain-patterned permalloy | |
| Qian et al. | New AC resistance calculation of printed spiral coils for wireless power transfer | |
| RU2523932C1 (ru) | Плоская катушка индуктивности с повышенной добротностью | |
| Yoon et al. | High Q-factor WPT system with negative impedance converter | |
| Wong et al. | Integration of wireless coil and Bluetooth antenna for high charging and radiation efficiencies | |
| Sapogin et al. | Solution of solitary current inductor's “cutoff frequency problem” for EHF applications | |
| Tang et al. | Simple CAD formula for inductance calculation of square spiral inductors with grounded substrate by duality and synthetic asymptote | |
| Rahimi et al. | Magnetically tunable nano-superlattice metaconductors for RF applications | |
| JP6412104B2 (ja) | 効率的な広帯域受動ジャイレータ | |
| Hsu | Improving the quality factor of a broadened spiral inductor with arithmetic‐progression step width | |
| Ma | Inductively loaded segmented loop antenna by using multiple radiators | |
| Pahlavani et al. | Numerical and analytical investigation of the effects of dimensional parameters on mutual inductance of helical-shaped YBCO superconducting variable inductors | |
| Banerjee | Fundamental Physics of Planar Inductors, Embedded Planar Transformers, and Planar (Patch) Antennas | |
| Yin et al. | Model description and parameter extraction of on‐chip spiral inductors for MMICs | |
| Tumma et al. | High-quality factor multipath differential fractal inductor for wireless applications | |
| Kim et al. | Plasma and electrical characteristics depending on an antenna position in an inductively coupled plasma with a passive resonant antenna |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171202 |