SE512699C2 - En induktansanordning - Google Patents

Description

15 20 25 30 512 699 2 Sammanfattning Uppfrnningen avser problemet att tillhandahålla en induktor som har ett fördelaktigt högt Q-värde. Närmare bestämt avser uppfinningen problemet att tillhandahålla ett induktansorgan som har låg resistiv förlust under tillhandahållande av ett högt induktansvärde.

Vidare avser uppfinningen problemet att tillhandahålla en integrerad-krets-induktor med íördelaktig prestanda vid höga frekvenser. Integrerade kretsinduktorer enligt den kända tekniken lider av speciellt låga Q-värden.

Ett ytterligare syfte med uppfinningen är att åstadkomma en integrerad kretsinduktor som fungerar vid frekvenser över 300 MHz med ett förbättrat Q-värde.

Dessa problem löses, enligt en utföringsfonn av uppfinningen, genom att tillhanda- hålla ett induktansorgan som innefattar en första och en andra anslutning och två ledare. Varje ledare bildar en loop mellan anslutningarna så att en ström som till- handahålles till den första anslutningen delas mellan ledarna. Varje ström genererar ett magnetfält. Ledama är så anordnade att det kombinerade magnetfaltet som gene- reras av ledarströmmarna i ett utrymme mellan ledama är större än det magnetfält som genereras av varje ledare för sig i det utrymmet.

Denna utformning medför fördelen att resistansvärdet för induktansanordníngen sänks eftersom - från elektrisk synvinkel - de två ledama är parallellkopplade.

Fördelaktigt nog har denna utformning också den överraskande effekten att tillhan- dahålla ett högt indukstansvärde. Detta är speciellt överraskande eftersom det är allmänt känt inom området elektroteknik att parallellkoppling av induktans leder till en lägre nettoinduktans enligt samma princip som reglerar parallellkoppling av resistans. 10 15 20 25 30 512 699 3 Induktansanordningen åstadkommer också en fördelaktigt ökad kvalitetsfaktor.

En ytterligare fördel som åstadkommes av induktansanordningen enligt utförings- former av uppfinningen är eliminering eller reduktion av elektromagnetisk inter- ferens med andra kretsar eller komponenter som är anordnade invid induktans- anordningen.

Figu_rbesltrivning För att förenkla förståelsen av föreliggande uppfinning kommer den att beskrivas medelst exempel och med hänvisning till de bifogade ritningama, i vilka: Fig. 1 är ett schematiskt ekvivalent schema av en induktor, enligt känd teknik, som har en induktiv och en resistiv impedans.

Fig. 2 är en vy ovanifrån av en induktansanordning enligt en utföringsforrn av upp- finningen.

Fig. 3 är en genomskämingsvy från sidan längs A-A, betraktat i riktningen för pilar- _ na A, av induktansanordningen som visas i fig. 2.

Fig. 4 är en vy ovanifrån av induktansanordningen som visas i fig. 2, innefattande illustration av magnetiska flödeslinjer.

Fig. 5 är en vy ovanifrån av ett induktansorgan enligt en andra utföringsfonn av uppfinningen.

Fig. 6 är en schematisk figur av en tredje utföringsform av induktansanordningen.

Fig. 7 är en genomskämingsvy från sidan av en induktansanordning liknande den som visas i fig. 2, när denna tillverkas enligt en fjärde utföringsform. tilll-vi iflllll iiiniitmu-i ä ml xwlll: i W i ,..., , ,_ irl t. I »trial I* l. i ~ i all' 10 15 20 25 30 512 699 Detaljerad beskrivning av utforingsfonner Fig. 2 är en vy ovanifrån av en induktansanordning 10 enligt en utforingsform av uppfinningen.

Induktansanordningen har ett par anslutningar 20 och 30 for mottagande av en elekt- risk signal. En forsta utsträckt ledare 40, formad som en loop, är kopplad mellan anslutningarna. En andra utsträckt ledare 50, som också är formad som en loop och kopplad mellan anslutningarna, är anordnad geometriskt parallellt med den första ledaren. Med hänvisning till flg. 2 är ledama kopplade till anslutningarna 20, 30 så att en ström som leds in i den forsta anslutningen 20 flödar i en forsta riktning, exempelvis medurs, genom den första loopen 40 och i den motsatta riktningen, exempelvis moturs, genom den andra loopen 50. Pilar på ledama i fig. 2 indikerar dessa strömriktningar.

I den utföringsforrn som visas i fig. 2 är den forsta ledarloopen väsentligen en fyr- kantig loop som har en forsta anslutning 60 och en andra anslutning 70. Den första loopen 40 är fyrkantforrnig och har yttre sidomått Dl x D2, där Dl = 250 mikro- _ meter och D2 = 250 mikrometer. Den forsta ledaren 40 har fyra räta sträckor, där den forsta sträckan 110 är ansluten till anslutningen 60, den andra sträckan 120 förbinder den forsta sträckan med den Uedje sträckan 130. Den tredje sträckan 130 är anordnad geometriskt parallellt med den forsta sträckan 110 på ett avstånd D1-2W från den första sträckan. Den fjärde sträckan 140 av den forsta ledaren förbinder den tredje sträckan 130 med anslutning 70.

Den andra loopen 50, också fyrkantformig, är anordnad väsentligen inom den 'första loopen 40, på ett avstånd S = 50 mikrometer från den forsta ledaren 40. Den andra fyrkantforrnade loopen 50 har yttennått D3 x D4, där D3 = 110 mikrometer och D4 = 110 mikrometer. Ledarna har en bredd W = 10 mikrometer. 10 15 20 25 30 512 699 5 Den andra ledaren har en första anslutning 80 och en andra anslutning 90. Med hän- visning till fig. 2 är den första anslutningen 80 anordnad på ett avstånd S, längs den första ledaren, frånden första anslutningen 60. Vid anslutningen 80 grenar sig leda- ren 50 från ledarens 40 första sträcka 110 i en väsentligen ortogonal riktning så att den löper på ett avstånd S längs den fjärde sträckan 140 av ledare 50. Sålunda har den andra ledaren 50 en första sträcka 150, som är riktad ortogonalt mot den första sträckan 110 av den första ledaren 40. Den andra sträckan 160 av ledare 50 löper parallellt med den tredje sträckan 130 av ledare 40 på ett avstånd S från denna. Den tredje sträckan 170 av ledare 50 löper parallellt med den andra sträckan 120 hos ledare 40. Den fjärde sträckan 180 av ledare 50 löper parallellt med den första sträckan 110 av ledare 40, och korsar över den första sträckan 150 innan den ansluter med sträckan 140 vid anslutning 90.

Fig. 3 är en sektionerad sidovy längs A-A betraktat i riktningen för pilarna A, av induktansanordningen 10 som visas i fig. 2. Induktansanordningen 10 är anordnad på ett substrat 200.

Ett lägre stycke 210 av den andra ledaren 50 är anordnad direkt på substratet 200.

Ovanför ledarstycket 210 finns ett dielektriskt lager 220 som isolerar denna från den _ fiärde sträckan 180 av ledare 50. På detta sätt passerar den första sträckan 150 under den fjärde sträckan 180 av ledare 50.

Ett första dielektriskt lager 215 är anordnat på substratet, mellan det dielektriska lagret 220 och substratet, och täcker substratet med undantag för läget för ledar- stycket 210. En via-öppning 230 i det dielektriska lagret 220 tillhandahåller en anslutning mellan ledarstycket 210 och den återstående delen av ledare 50.

På vänster sida av fig. 3 visas den första sträckan 110 av den första ledaren 40, och på höger sida av fig. 3 visas den tredje sträckan 130 av ledare 40. Ledarnas tjocklek är T = 1 mikrometer, såsom indikeras i fig. 3 och ledarna är gjorda av aluminium som har en konduktivitet om 3,5 * 107 S/m. 10 15 20 25 30 512 699 Den ovan beskrivna utföringsforrnen av induktansanordningen tillhandahåller ett resistansvärde om 1,3 ohrn vid 1 GHz, vilket är ungefär hälften av resistansvärdet för en enskild loop. Denna reduktion av resistans leder till ett ökat Q-värde för induktansanordningen, såsom diskuteras nedan.

Fig. 4 är en vy ovanifrån av induktansanordningen för att illustrera dess funktion.

En ström i; som matas in i anslutning 20 delas mellan ledarna 40 och 50 vid förgre- ningspunkten 80 så att en ström i; flödar in i ledare 40 och en ström i; flödar ini ledare 50.

Strömmen i; ger upphov till ett magnetfält nära ledaren med en riktning som illustre- ras av magnetflödeslinjen 240. På samma sätt ger strömmen i; upphov till ett mag- netfalt nära ledaren 50, med en riktning som illustrerats av magnetflödeslinje 250.

Såsom illustrerats i fig.4 superponeras de magnetiska flödena från de två ledarna i utrymmet mellan ledama på ett sådant sätt att det magnetiska flödet 240 samverkar med magnetflödet 250. Därigenom ökas det totala magnetflödet i utrymmet mellan ledarna. Med andra ord superponerar och förstärker magnetflödet som alstrats av strömmen i; och magnetflödet som alstrats av strömmen i; i utrymmet mellan _ ledarna.

Strömmen i; ger också upphov till ett magnetiskt fält längre bort från ledaren 40, såsom illustrerats av magnetflödeslinje 260. Magnetflödeslinje 270 illustrerar det magnetfält som genereras av ström i; i ledare 50. Ur fig. 4 inses att magnetfaltet på stort avstånd från ledare 40 kommer att vara motriktat magnetfaltet på stort avstånd från ledare 50. Sålunda blir nettomagnetfáltet effektivt reducerat, eller upphävt.

Detta medför fördelen att eliminera eller sänka effekten av elektromagnetisk inter- ferens med andra kretsar eller komponenter som är placerade invid en krets innefat- tande induktansanordningen 10. 10 15 20 25 512 699 7 Från elektromagnetisk faltteori erinras att den magnetiska faltstyrkan från en ström sjunker med avståndet r från ledaren i vilken strömmen flödar. Ur Fig. 4 förstås intuitivt att på ett avstånd, som är mycket större än avståndet S mellan ledarna, kom- mer det magnetfält som genereras av strömmen i; att närma sig värdet hos det mag- netfallt som genereras av strömmen i;, men med motsatt riktning, när amplituden hos strömmen i; är lika med amplituden hos i;. Sålunda kommer magnetfálten att släcka ut varandra och nettomagrietfältet på stort avstånd från induktansanordningen 10 närmar sig noll. Principen för denna effekt illustreras på högersidan av fig. 4, där en ring med en prick däri illustrerar en magnetflödeslinje som är riktad ut ur papperet mot läsaren, och en ring med ett X däri illustrerar en magnetflödeslinje riktad in i papperet. Strömmen i; genererar ett flöde CD; på ett avstånd r; från ledaren 40.

Strömmen i; alstrar ett flöde CD; på ett avstånd r; från ledaren 50. När r; - r; >> S så kommer flödena CD; och CD; att väsentligen utsläcka varandra eftersom de är unge- farligen av sarnrna värde och motriktade.

Kvalitetsfaktom Q för en krets definieras vanligen som förhållandet mellan kretsens reaktans och dess ekvivalenta serieresistans. För en krets som har en induktans och en serieresistans leder detta till följande uttryck: Q# wL/R (1) Jämfört med konventionella induktorer tillhandahåller induktansanordningen 10 ett högre Q~värde för ett visst induktansvärde. En aspekt av denna effekt kan förstås intuitivt från induktansanordningens utformning visad i fig. 4, med hänsyn tagen till serieresistansen hos ledama 40 och 50. Från elektrisk synvinkel kan ledarna 40 och 50 betraktas som två parallella resistorer. Nettoresistansen hos två parallella resis- torer är lägre än resistansen hos en individuell resistor. Med applicerande av den ovannämnda definitionen av kvalitetsfaktom på induktansanordningen 10 inses att en sänkning av resistansen leder till att nämnaren R får ett lägre värde, varigenom ”i .Min m.. . .l h ill um 10 15 20 25 512 699 8 Q-värdet ökar. Sålunda tillhandahåller induktansanordningen 10 ett högre Q-värde för en viss induktans.

Induktansvärdet L och resistansvärdet R och motsvarande Q-värde som tillhanda- hålles av induktansanordningen 10 kan beräknas genom att applicera Maxwells ekvationer på strukturen som beskrivs ovan med hänvisning till fig. 2 och 3. Ur Maxwells ekvationer inses att induktansvärdet kan erhållas såsom följer: L=Re[_[ÅJ-*arf]/12 (2) Vwil där Ä är vektorpotentialen; fi ' är komplexkonjugatet av slrömtätlietsvektorn; Vwi. är volymen hos den ledande spolen; och I är den inmatade strömmen i spolen; Resistanscn R hos induktansanordningen 10 kan erhållas från följande uttryck: R; [ I(.Ü*/o)dV]/I2 (3) Vaoil där o' är ledarens konduktivitet.

Med utnyttjande av ekvationema (2) och (3) i ekvation (1) erhålles Q-värdet för induktansanordningen 10.

I syfte att verifiera induktansanordningens 10 funktion på ett tidigt stadium, utförde uppfinnarna ett antal numeriska tredimensionella elektromagnetiska fáltsirnuleringar på en dator med användande av mjukvamverktyg som är välkända for fackmarmen, såsom analysmodulen ELECTRAT" och OPERA-MT" från Vector Fields Ltd i England. 10 15 20 25 30 512 699 En passiv induktansanordning 10 enligt uppfinningen är lämplig för att tillhanda- hålla i en integrerad krets. Enligt utfóringsfonnen som beskrivits ovan med hänvis- ning till ñg. 2 och 3, kan induktansanordningen 10 tillverkas med utnyttjande av konventionell tillverkningsteknik för kisel CMOS. Tillverkningsprocessen för induk- tansanordningen 10 är väsentligen densamma som den som används för tillverkning av konventionella spiralinduktorer. Det faktum att konventionella tillverkningstelcni- ker kan användas utan några förändringar och utan några extra aktiva kretsar betyder att tillverkningen av en integrerad version av induktansanordningen 10 kan utföras till låg kostnad.

Fig. 5 är en vy ovanifrån av en induktansanordning enligt en andra utforingsfonn av uppfinningen. En ström i, matas in i den första anslutningen 20 och vid en förgre- ningspunkt 280 delas denna till en andra ström i; och en tredje ström i3. Från för- greningspunkten 280 flödar den andra strömmen i; i en inre ledarloop 290 och den tredje strömmen i3 flödar i en yttre loop 300. Ett ledarstycke 310 förbinder anslut- ningen 30 med den inre loopen vid en förgreningspunkt 320. Mellan anslutningen 30 och fórgreningspurikten 320 passerar ledaren 310 över ledaren 300 vid 330. Den yttre loopledaren 300 är förbunden medförgreningspunkten 320 via en överpassage _ 340.

Fig. 6 är en schematisk representation av en tredje utföringsfonn av induktansanord- ningen. Den induktansanordning 350 som visas i ñg. 6 innefattar två ytterligare ledarloopar 360 och 370 inrymda i mitten av induktansanordningen som beskrivits med hänvisning till fig. 4 ovan. På detta sätt definieras fyra loopar, den ena inrymd i den andra, och en ström il som introduceras i anslutning 20 delas till fyra strömmar iz, i3, i4 och is. Dessa ledarloopar 40, 50, 360 och 370 är kopplade så att de magnet- fält som genereras av ledarströmmama sanunanfaller i utrymmet mellan två närlig- gande ledare. Med andra ord förstärks det magnetflöde som genereras av två närlig- gande plana ledare och som är riktat ortogonalt mot ledarplanet. »i|nn,n|||r.- i flirta-u .r .ta _ m i :::tl:*:i::i|~l;:- i m 1.» »H 10 15 20 25 30 512 699 10 Fig. 6 indikerar att en ström i, som matas in i den första anslutningen 20 delas till en ström i; och en ström i3' vid en förgreningspunkt 380. Strömmen i3' delas till en ström i; och en ström il' vid en forgreningspunkt 390. Strömmen il' matar de två inre loopama.

Enligt en ijärde utforingsforrn av uppfinningen reduceras serieresistansen for en individuell ledarloop. Detta åstadkommes genom att tillhandahålla tjockare metall- trådar som är realiserade medelst standardmâssig kiselteknologi genom att förbinda ett flertal metallager medelst via-forbindningar. Sådana multipla metallager med via- förbindningar beskrivs i artikeln "Microwave Inductors and Capacitors in Standard Multilevel Interconnect Silicon Technology" (IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, Vol. 44, No l, January 1996), vars innehåll härmed infor- livas i denna ansökan medelst hänvisning. På detta sätt kan en induktansanordning åstadkommas som har den geometri som visas i planvyn enligt fig. 2. Fig. 7 är en sektionerad sidovy längs A-A, och betraktat i riktningen enligt pilarna A, av en induktansanordning liknande den som visas i fig. 2, när den tillverkas enligt den fjärde utforingsformen.

Utföringsformen enligt fig. 7 tillhandahåller en monolitisk integrerad mikrovågs- _. krets vari loopama tillverkas med användning av BiCMOS-teknologi. Såsom illustreras i ñg. 7 har kiselsubstratet fyra ledarlager med hänvisningsbeteckningama Ml, M2, M3 och M4. Substratet 400 är ett p-kiselsubstrat med oxid 410. I syfte att åstadkomma tjockare ledare, tillhandahålles vias 420 for att förbinda lagren Ml, M2, M3 och M4, såsom illustreras. Sålunda kan en induktansanordning med den geometn' som visas i fig. 2 och 3 åstadkommas med multipla ledarlager, därigenom ytterligare reducerande serieresistansen och ökande Q-värdet.

Fastän det ovannämnda explicit beskriver två loopar respektive fyra loopar inses att uppfinningen inte är begränsad till detta antal loopar. Genom att eliminera den innersta loopen i fig. 6, exempelvis, kan en induktansanordning med tre loopar åstadkommas. Altemativt kan ett ytterligare antal loopar anordnas runt loopen 40 10 512 699 11 eller inom loopen 370. Sålunda omfattar uppfinningen en multipelloop-induktans- anordning.

De fyrkantloopar som visas i figurema utgör enbart exempel. Det ligger också inom uppfinningen att tillhandahålla loopar med annan geometri, såsom hexagonala eller cirkulära ledarloopar.

Den beskrivna induktansanordningen kan också tillverkas på andra sätt inom ramen av patentkraven, såsom exempelvis med ledare på tjockñlmskretsar och turmfilrns- kretsar.

Claims (12)

10 15 20 25 30 512 699 12 Patentkrav

1. Ett induktansorgan (10) innefattande: en första och en andra anslutning (20, 30); och två ledare (40, 50), varvid varje ledare bildar en loop mellan anslutningarna (20, 30) så att en ström (il) tillhandahållen till den fiñrsta anslutningen delas mellan ledarna (40, 50); varvid varje ström (iz, i3) alstrar ett magnetfält (240, 250); kännetecknat av att ledarna är anordnade så att det kombinerade magnetfaltet som alstras av ledar- strömmarna (i2, i3) i ett utrymme mellan ledarna är större än det magnetfält som genereras av varje ledare i det utrymmet.

2. Induktansorganet enligt krav 1, varvid ledarna (40, 50) är utsträckta plana ledare.

3. Induktansorganet enligt krav 1 eller 2, varvid ledarna (40, 50) är anordnade väsentligen längsmed varandra.

4. Induktansorganet enligt något av kraven 1-3, varvid åtminstone en av ledarna (50; 290) är anordnad att överbrygga (210, 330, 340) sig själv åtminstone en gång.

5. Induktansorganet enligt krav 4, varvid den överbryggande ledaren (50) är anord- nad så att den bildar en vriden loop.

6. Induktansorganet enligt något av kraven 1-5, varvid strömmama i näraliggande ledare flödar i motsatta riktningar.

7. Induktansorganet enligt något av lcraven 1-6, innefattande mer än två ledarloopar (40, 50, 360, 370).

8. Induktansorganet enligt krav 7, varvid ledarna (40, 50, 360, 370) är kopplade så att de magnetfält som genereras av ledarströmmama superponeras i ett utrymme 10 15 512 699 13 mellan två närliggande ledare på ett sådant sätt att det supeiponerade magnetiska fältet är större än det magnetfält som genereras av varje ledarström för sig.

9. Induktansorganet enligt något av kraven 1-8, varvid de första och andra anslutningarna (20, 30) är anordnade i ömsesidig närhet.

10. En mikroelektronílckrets innefattande ett induktansorgan (10) enligt något av kraven 1- 9.

11. Ett integrerat kretssubstrat innefattande ett induktansorgan (10) enligt något av kraven 1-9. t

12. Det integrerade kretssubstratet enligt krav 1 1, innefattande: ett flertal ledarlager (M1, M2, M3, M4), varvid åtminstone en av loopledarna (40) omfattar åtminstone två av ledarlagren (M2, M3, M4) längs ett stycke av sin längd; varvid lagren är samrnanbundna medelst ett flertal via-förbindningar (420).