微缝电感器的设计与品质因数优化分析

在无线和通信等高频应用领域，损失是关键参数。考虑到材料因素，空心比铁磁心好。但高磁导率的铁心有高电感，从而能减少特定应用场合所需的线圈匝数。人们已经提出了新颖的设计来减少磁心损失，如沿易磁化轴方向在磁心材料增加微缝（Microslit）。微缝所带来的参数可控制磁心的形状各向异性和静磁能，从而避免高频铁磁共振（Ferromagnetic Resonance，FMR）^[9]。这种设计通过确保磁路完全闭合，来显著降低涡流损失和漏磁通^[27]。减少漏磁通十分重要，因为它不仅不能增加有效电感，还会干扰电子电路。人们采用许多不同参数来表征微缝电感器的设计，以确保较高的品质因数。这些参数包括现有技术与微缝制造技术的兼容性、热应力和稳定性、与退磁和磁轴配置相关的易磁化轴方向、几何设计、漏磁通、寄生电容^[10]。

通过图形转移技术，可在铁磁薄膜上制备微缝电感器。最简单的图形含有沿易磁化轴方向分布的微缝（见图9.4a）。微缝的宽度和间距及磁心材料是重要参数，将决定各向异性的磁场、有效退磁场N_d、铁磁共振、电感和品质因数Q^[9]。

很多研究团队已经证实，含有微缝的电感磁心有更好的性能。Yamaguchi等人^[9]通过微图形沉积溅射法制造了厚约200nm的CoNbZr磁性薄膜。该薄膜除自身磁场强度10Oe^[1]外，还增加了增强型各向异性场70Oe。当微缝厚为200nm、宽20nm、间距4μm时，铁磁共振频率高达2.5GHz，同时品质因数也提高了。对微造型的FeAlO薄膜进行的类似研究工作表明。当微缝的宽度增加至2000nm时，在1GHz频率下，微缝电感器的品质因数从5.6增加到7.7。这是因为微缝有效地降低了电阻^[17]。

然而，上述单向造型（Patterning）的薄膜只利用了薄膜可用面积的一半。如果对其进行改进设计以利用更多的面积，则器件性能将进一步提高。图9.4b所示为改进型设计，它含有选择性的微造型过程，以形成双向的微丝阵列^[28]。选择性的微造型过程能将易磁化轴分解为两个方向，从而充分利用薄膜较大的形状各向异性。这种布置方式通过激发难磁化轴激活了整个薄膜。另外，这种方式进一步提高了铁磁共振频率。

图9.4 含有图案化微缝的电感磁心

a）沿易磁化轴的单向缝^[9] b）双向微缝结构（ⒸIEEE 2000）^[28]

这种微图形（Micropattern）的典型制作流程包括：先是磁性薄膜沉积，然后是用于微造型过程（Micropatterning）的离子铣销或者光刻过程。

Yamaguchi等人^[28]报道了通过离子铣销工艺在100～300nm厚的非结晶Co₈₅Nb₁₂Zr₃薄膜上制备双向微缝的过程。非结晶Co₈₅Nb₁₂Zr₃薄膜是通过射频磁控溅射而沉淀得到的。据报道，这种图形结构的矫顽磁场低至0.4～0.7Oe，而且有效各向异性场也得到了改善。对于100nm的薄膜，有效各向异性场高达30Oe。另外，频谱图也得到了改善。与无缝隙的垂直对齐的电感相比，微缝电感器的实际磁导率在更高频率下也不会衰减。与空心电感器相比，当微缝电感器含有5nm厚的Ti底基层时，微缝电感器的电感（7.5nH）增加了约11%。这种微缝电感器的品质因数（6.3）和空心电感大致相当。

据Baba等人报道_[29]，带有10μm线宽和1μm间距的双向图案薄膜电感器有更大的电感（8.2nH），该电感值是类似的单轴磁性薄膜电感器电感值的两倍。应该注意到，上述的电感值加倍是因为微缝宽度和其他参数发生变化导致的。

如前所述，微缝宽度是决定微缝电感器品质因数和电感值的参数之一^[28]。图9.5a、b所示为不同微缝宽度下，双向微缝电感器的品质因数和电感随频率的变化关系。同时，图中也对双向微缝电感器和空心电感器进行了比较。从图9.5a所示可以看出，在所有值得研究的频率范围内，磁心电感器的电感值比空心电感器高。在电感器中引入微缝，降低了电感器在低频率范围内的电感值，且随着微缝宽度的增加，电感值降低得也越大。然而，从图9.5b所示可以看出，微缝电感器的品质因数得到了显著提高，且随微缝宽度增加，品质因数进一步提高。

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图9.5 双向微缝CoNbZr薄膜磁特性（ⒸIEEE 2000）^[28]

a）电感值 b）品质因数

正交缝或者十字缝代替平行缝，也能提高可用磁薄膜面积的利用率^[11]。图9.6a、b分别给出了这两类微缝设计的示意图。

Yamaguchi等人^[11]研究了把上述设计应用在带有Co₈₅Nb₁₂Zr₃薄膜磁心的普通Al-Si螺旋线圈后形成的电感器。图9.7a、b给出了这些电感器的磁性能。从图9.7a所示可得出，没有微缝或带有十字微缝的电感器电感值比空心电感器大21%，其峰值电感频率达到1.3GHz。相比正交缝和平行缝电感器，十字缝电感器有最高的电感值。通过人为控制退磁场和静磁能量，铁磁共振频率转向更高的频率范围，同时涡流损耗也降低了。然而，由于其电阻值很大，从图9.7b所示可观察到品质因数的下降。

图9.6 微缝加工的电感（ⒸIEEE 2000）^[11]

a）正交缝 b）十字缝

图9.7 不同微缝结构电感器的磁特性（ⒸIEEE 2000）^[11]

a）电感值和频率的关系 b）品质因数和频率的关系