[发明专利]适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电磁器件、磁传感器件中的磁芯膜，具体涉及一种适用于片上螺线管电感的高耦合因子闭合磁路磁芯膜结构及其制备方法。

背景技术

随着便携式、可穿戴设备的快速发展和应用，对电子元器件的集成化、低功耗提出了更高的要求。功率薄膜电感作为磁能储能元件，与电能储能元件配合可实现很多功能，如滤波、阻抗变换以及振荡器、电压调节器等，还可以在射频识别(RFID)系统中作为天线实现信息的发送和接收等。

目前，新一代甚高频(VHF)及超高频(UHF)片上薄膜功率电感普遍采用磁芯薄膜以降低宝贵的片上面积并提高电感功率密度，磁芯薄膜需要具有高饱和磁化强度、高磁导率、高电阻率、低磁芯损耗。无论是螺旋形、螺线管型，还是跑道型片上电感，为保证合适的截止频率、降低磁滞损耗、提高饱和电流特性，均会采用单轴各向异性磁芯膜，且电感激发磁场的方向与磁芯膜的难磁化方向平行，即难轴激发。此外，为了提高供电能力，往往需要构建多相耦合片上电感，通过反向抵消电路纹波，提升饱和电流特性。虽然矩形螺线管型电感可以构建成两相耦合电感，或者扩展成任意多相的耦合电感，但由于单轴各向异性的存在，使得多相耦合电感中螺线管电感之间的耦合系数非常低。

为了提高耦合因子，研究人员采用各种方法制备“准各向同性”磁芯膜，美国哥伦比亚大学报道的一种多层化磁芯膜(美国专利US2014167898-A1)，该磁芯膜由上下两部分垂直交叉单轴各向异性磁膜堆叠而成，申请号为201310739941.2的中国专利公开了一种多层化磁芯膜，其每一层都具有面内单轴各向异性，且层与层成一定夹角，最终形成准各向同性磁芯膜。然而，由于多层单轴各向异性磁膜堆叠而成的准各向同性磁芯膜实际上有部分层处于易轴激发状态，既没有充分利用磁导率，电感又容易饱和。A.El-Ghazaly等(A.El-Ghazaly,N.Sato,R.M.White,S.X.Wang,Achieving Isotropic Permeability for Integrated Inductors.Magnetics,IEEE Trans.Magn.,Vol.51(11),2801904,Nov.2015.)利用坡莫合金在临界厚度以上会表现垂直各向异性的特点，通过增加单层坡莫合金薄膜厚度的方法及图形化技术，制备了一种面外垂直各向异性、面内各向同性的磁芯膜。该磁芯膜具有高的磁导率，但其饱和磁化场很低，因此仅适用于小信号处理电感。N.Sato等(N.Sato,A.El-Ghazaly,R.M.White,and S.X.Wang,Domain structure of micro-patterned CoZrTa with 45degree induced anisotropy for isotropic high permeability,IEEE Trans.Magn.,Vol.51(11),2801704,Nov.2015.)公开了一种矩形螺线管型电感，其单轴各向异性磁芯膜与矩形长边和短边均呈45o角，是一种较好的磁芯膜，但研究发现，在图形化磁芯膜中存在较多的磁畴，即这种磁芯膜不利于单轴各向异性的稳定存在，容易造成较大的高频磁滞损耗。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜及其制备方法。本发明闭合磁路磁芯膜中位于长边的两个单轴各向异性磁芯膜，使得两侧电感处于难轴激发，具有高的饱和电流特性，位于短边的两个各向同性磁芯膜，使磁力线弯曲形成闭合回路，提高了耦合因子；闭合的磁路结构及较高的耦合因子，使得基于本发明磁芯膜的电感的感值有显著地提高，实现了矩形螺线管耦合电感中超过100nH/mm²的电感面密度。

本发明的技术方案如下：

一种适用于片上螺线管电感的闭合磁路磁芯膜，包括两个各向同性矩形磁芯膜和两个各向异性矩形磁芯膜，所述各向同性矩形磁芯膜的长与闭合磁路磁芯膜短边的宽度相等，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为70～420μm。

优选地，所述各向同性矩形磁芯膜的宽度b为100～180μm。

进一步地，所述各向异性矩形磁芯膜采用原位加磁场电镀法、原位加磁场溅射法、倾斜溅射法、成分梯度溅射法或者溅射之后磁场退火法等方法制得。

进一步地，所述各向同性矩形磁芯膜采用直接溅射法或直接电镀法制得。

进一步地，所述闭合磁路磁芯膜的厚度为1～10μm。

一种多相耦合电感，其特征在于，包括n个上述闭合磁路磁芯膜及绕制于磁芯膜之上的螺线管线圈。