1 引言
随着集成电路技术的迅猛发展，实现小型化最困难的电感器和变压器这一类磁性元件的小型化技术也取得了多方面的突破。但是，至今在磁性元件和电子电路的集成技术方面的进展并不能令人们满意。这是因为传统使用的块状磁性元件的尺寸受到限制，设计成平面薄型基片比较困难。本文介绍的使用铁基超微晶磁心的双螺线薄膜电感器是磁性元件小型化的一款优选，基本的技术特性是超微晶磁心具有优良的软磁性能。
2 设计制造
本产品采用三维有限之法(3DFEM)进行设计模拟，用铜材作为导体，以Fe-Zr-C-N超微晶材料制作磁心，利用其优良的软磁特性。电感器的网格用一种被称为自适应网格生成法的工艺制成。生成这种网格是为了能在较大的误差能量范围内获得合适的误差率。
磁心材料的磁导率用一种8位数字线圈测量法(8-figure coil method)测得，电导率则是用4点探头测量法(4-point probe method)测出。电感器的尺寸为4mm×8mm，线圈和磁心的材料厚度分别为5μm和2μm，线宽60μm。缝隙宽40μm；线圈和磁心之间的绝缘材料采用了1μm厚度的薄膜光刻胶。在模拟测试时，电感器的接线柱伸出到了所使用容器的外表面。容器外表面的边界条件用Neumann条件赋值，而偏置电流被调整为1mA。图1所示为电感器模型的示意图。
磁心是使用无功射频(RF)磁控管溅镀法将超微晶铁基合金溅射在2吋的玻璃基片上制成薄膜，再用化学蚀刻法制成磁心形状；最后，为了得到适合的软磁性能，磁心应在550℃的温度下退火30分钟。绝缘材料层是由光刻胶在200℃的温度下固化形成的。
线圈是电镀法加工而成。本文设计制作的薄膜电感器的结构有两个相同为5匝的螺旋线。为了改善电感器的互感，要调整线圈内的电流使其方向相反。两个线圈之间的连接线是用与线圈用导线相同尺寸的铜带。在双螺线线圈中，选用Fe-Ze-C-N超微晶合金做磁心，电感器的电感量和电阻值是用网络分析仪(HP192)进行测量的。
3 测试结果与讨论
图2所示为双螺线薄膜电感器的磁场（磁感应强度B）分布情况。电感器内部区域的B场幅值大于外部的B场幅值。这表明，因互感的增大，总的电感值将增加。此外，在电感器的边缘部位，B场则突然减小，这意味着大部分漏磁通是经过磁心进入到电感器中的。
图3所示为模拟样品的和制成品电感器的电感值与频率关系的特性曲线。图中可见，在频率为1MHz时，计算的电感值为1170nH，大于1MHz后，电感值逐渐缓慢减小，并至10MHz时为1084nH。可见，在10MHz之前，Fe-Zr-C-N铁基超微晶磁心的损耗非常小，而且所产生的电感值下降主要是由磁心的铁损引起的。在1MHz时，电感器被实测到的电感值是800nH。计算值和实测值的不同被认为是由两个因素造成的：第一个因素是线宽被增加了。原因是为了利用光刻胶制作电镀用模板，它所花费的时间比在半导体工艺过程中花费的时间要长得多，在这个过程中，将造成上面的带线被加宽。加工后电感器上面的带线宽度的为70um。其总的电感值可由以下方程式求得：
Ltotal=∑Ms[li， li-(Wc+tc)e-1.5]+2∑∑Ms[lsp(i)， lsp(j)]
其中：
     

而

式中的Wc为线宽，dc为线间缝隙，tc为线厚度
由此可见，随着带线宽度的增加，电感器总的电感值将减小。因为与模拟的电感器比较，其自感和互感都减小了。
制成品的电感器的电感值比模拟的电感器的电感值减小的第二个因素是，在磁心的边缘，磁心材料经化学蚀刻变成了圆形，而这种形状将在磁心边缘部位产生局部的去磁效应，这种局部的去磁效应则会导致磁心磁导率的下降，因此使制成品电感器的电感值减小。
图4所示为制成品电感器和模拟电感器的品质因数与频率关系的特性曲线。图中示出了在1MHz频率时计算得出的品质因数和测量得到的品质因数分别为0.2和1.1。品质因数受电阻变化的影响。对于制成品的电感器来说，由于磁心边缘部位的带线厚度减小，其电阻值增大；此外，线圈到通路以及通路到连接桥存在接触电阻。所以制成品电感器的电阻值大于模拟电感器的电阻值。在1MHz时，模拟电感器和制成品电感器的电阻值分别为7Ω和3Ω。因此，在整个工作频率范围内，制成品电感器的品质因数要低于计算的值。