高效制作简单的螺旋电感器设计与品质因数相关的参数分析

螺旋电感器因为效率高、制作过程简单而被广泛研究。因为这种电感器设计很容易获得大截面积的磁心，所以它的品质因数很高。很多研究者都研究过空心和磁心螺旋电感器。Yamaguchi等人报道了这种设计的各种变种，包括封闭磁路螺旋电感器^[10]、夹心螺旋电感^[16]、对顶铁磁性螺旋电感器^[17]、微缝螺旋电感^[9，10]和表面平坦化螺旋电感器^[11]。他们还报道了各种有更好性能的图形化螺旋电感器^[10]。人们已经研究了螺旋电感器的多种磁心，包括Co-Zr-Nb^[18]，Co-Fe-B^[19]，Co-Fe-B-N^[20]和Fe-Hf-N^[21]。据报道，这些电感器的品质因数均高于10。螺旋电感器可设计成正方形、六角形、八角形和圆形等各种形状^[22]。图9.1所示为其中一些形状的示意图。据报道，多边形螺旋电感器有更高的品质因数和更好的性能。

最近几年，射频技术将互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）当作使能技术。但导电基板的相关问题限制了电感器的使用。为了实现超高频应用，Hizon等人^[23]提出了单片螺旋电感器的多种多边形设计方案。图9.2给出了正方形和八角形电感器的性能对比关系。从中可以看出，八角形电感器的品质因数高于正方形，因为八角形螺旋电感器的串联电阻较小；另外八角形结构的并联电容更低，因为它中空结构更多。

螺旋电感器的电感L受许多参数影响，如线圈数N和填充比R_Fill。填充比定义为外径和内径之差与平均直径D_Avg的比值^[22]。L与N和R_Fill的关系如下：

L＝ρ_LND_Avgln（8R_Fill） （9.1）

式中，ρ_L为由材料决定的常数。因此，要保证器件的高性能，就必须对上述参数进行优化。

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图9.1 多边形螺旋电感器（ⒸIEEE 1999）^[22]

a）正方形 b）六角形 c）八角形

图9.2 3-nH正方形和八角形螺旋电感器品质因数的对比关系（ⒸIEEE 2005）^[23]