李喜玲，畢四軍，隋文波

（1. 蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2. 蘭州大學(xué) 物理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，甘肅 蘭州 730000；3. 蘭州大學(xué) 特殊功能材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

電感器的特性具有阻止交流電通過而讓直流電順利通過的特性，它與電阻器或電容器能組成高通或低通濾波器、移相電路及諧振電路等，在電子線路中起著非常重要的作用[1-5]。隨著微電子集成電路的發(fā)展，電感器的微型化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。集成微電感可以制成片狀濾波器、平面變壓器。集成微電感是開發(fā)小體積、低重量、低造價(jià)、低功耗、低噪聲、低失真和高頻化通信終端設(shè)備所必不可少的射頻無源器件。一個(gè)理想的電感要求其磁路是閉合的，具有代表性的解決方法是使用磁芯結(jié)構(gòu)使磁通泄漏減到最小。國(guó)際上一些研究成果表明，磁芯的引入是實(shí)現(xiàn)高性能、高集成度及低成本 RF 微電感的一種非常有前景的方法[6-8]。

而磁性材料的磁特性隨外加磁場(chǎng)的響應(yīng)非常靈敏，研究電感特性隨磁場(chǎng)變化的響應(yīng)機(jī)制具有很重要的應(yīng)用價(jià)值及研究意義。目前對(duì)于微米量級(jí)電感常用的測(cè)試儀器是阻抗分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。阻抗分析儀常用來測(cè)試GHz 以下的頻段，對(duì)于GHz 以上的頻段測(cè)試通常是采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與探針臺(tái)連接來進(jìn)行測(cè)試[9]。本文基于原有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針臺(tái)對(duì)薄膜電感測(cè)試系統(tǒng)，增加磁場(chǎng)測(cè)試的功能，并編寫自動(dòng)化測(cè)試軟件，從而測(cè)試在不同磁場(chǎng)下制備在YIG片子上的薄膜電感的高頻性能隨磁場(chǎng)的響應(yīng)特性。

1 電感計(jì)算原理

電感元件的電感是由互感和自感兩部分組成的。本文分析平行導(dǎo)體的互感和自感(如圖 1 所示)，并計(jì)算柵極型和螺旋型薄膜電感的電感值。

1.1 平行導(dǎo)體的互感和自感

圖1 為平行導(dǎo)體示意圖

圖1 平行導(dǎo)體示意圖

導(dǎo)體Ⅰ和Ⅱ，且導(dǎo)體Ⅰ的橫截面積和長(zhǎng)度分別為S1和l1，導(dǎo)體Ⅱ的橫截面積和長(zhǎng)度分別為S2和l2。根據(jù)諾埃曼公式，則導(dǎo)體Ⅰ和Ⅱ的互感M21為

導(dǎo)體I 的自感L11為

平行導(dǎo)體總的電感為

其中GMD 是幾何平均距離。

對(duì)于相距為d的平行導(dǎo)體，如果w＞＞t，且d＞＞t，LM(l,w,d)可近似為

1.2 柵極型薄膜電感

圖2 為柵極型薄膜電感的電感值示意圖。假定柵極型線圈有N匝，由2N個(gè)平行導(dǎo)體組成，其總電感值LA是2N個(gè)導(dǎo)體的自感與互感的和：

圖2 柵極型薄膜電感示意圖

由式（1）可知，導(dǎo)體之間的互感受其周圍介質(zhì)的影響，如若把導(dǎo)體之間用磁性材料填充，則磁導(dǎo)率由μ0變?yōu)棣?，則電感元件的總電感值也將得到很大的提高。

2 測(cè)試原理及設(shè)備

2.1 測(cè)試原理

薄膜電感是應(yīng)用傳輸線理論進(jìn)行測(cè)試的[10]，利用雙端口法測(cè)試得到器件的4 個(gè)傳輸反射參數(shù)S，再根據(jù)導(dǎo)納與 4 個(gè)S參數(shù)的關(guān)系，可以計(jì)算出器件的導(dǎo)納，得到導(dǎo)納之后再根據(jù)電感值與導(dǎo)納的關(guān)系最后就能得到器件的參數(shù)性能。有

其中，S11為端口 2 匹配時(shí)端口 1 的反射系數(shù)；S22為端口1 匹配時(shí)端口2 的反射系數(shù)；S12為端口1 匹配時(shí)端口2 到端口1 的反向傳輸系數(shù)；S21為端口2 匹配時(shí)端口1 到端口2 的正向傳輸系數(shù)，Y11為第1 端口導(dǎo)納，L為總電感，Lm為兩根導(dǎo)線之間互感。

研究電感值隨頻率的變化關(guān)系，然后再通過電磁場(chǎng)控制系統(tǒng)對(duì)樣品施加不同的磁場(chǎng)，就可研究在不同磁場(chǎng)下的電感值隨頻率的變化。從而可以直觀地顯示出電感特性隨磁場(chǎng)變化的響應(yīng)。

2.2 測(cè)試設(shè)備與方法

本文的薄膜電感測(cè)試系統(tǒng)由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與探針臺(tái)連接組合而成，再加上電源控箱和電磁鐵，將探針臺(tái)的樣品臺(tái)底座整個(gè)拆除，把電磁鐵安裝上去，且電磁鐵與電源控箱連接，從而可以通過改變電流大小實(shí)現(xiàn)改變磁場(chǎng)大小，將樣品放置于電磁場(chǎng)的最中間區(qū)域，再通過電纜將探針臺(tái)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如圖3 所示。探針臺(tái)測(cè)試樣品及樣品放置于電磁鐵的位置局部放大圖如圖4 所示。其中矢網(wǎng)是安捷倫的PNAE8363B，探針臺(tái)是EVERBEING PE-4，探頭為GGB GSG 40A，針與針之間的間距是150 μm，測(cè)試時(shí)將針尖扎到樣品上，保證針尖能夠與樣品觸點(diǎn)充分接觸即可。電感材料本文選擇導(dǎo)電性好的金屬材料Pt，以保證阻抗匹配，只有阻抗匹配，才能保證電磁波完全通過測(cè)試的器件。

圖3 可加磁場(chǎng)的高頻微波測(cè)試系統(tǒng)

圖4 測(cè)試系統(tǒng)的局部放大圖

2.3 系統(tǒng)校準(zhǔn)

薄膜電感應(yīng)用傳輸線理論進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)量電感器件在不同頻率下的功率反射系數(shù)與穿透系數(shù)來分析和計(jì)算電感特性。由于測(cè)試過程中需要很多連接線和各種接頭，所以測(cè)試之前必須進(jìn)行校準(zhǔn)，把這些影響因素都扣除掉。通常采用 SOLT 校準(zhǔn)法[11-15]，即短路（Short）、開路（Open）、負(fù)載（Load）以及穿透（Through）4 種校準(zhǔn)器，校準(zhǔn)完畢之后S12在整個(gè)頻率段應(yīng)該是趨于零分貝的，此時(shí)校準(zhǔn)是成功的，就可以進(jìn)行后續(xù)的測(cè)試工作。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

3.1 樣品制備

在 YIG 片子上用金屬 Pt 制備電感器件。首先在YIG 片子上涂抹一層光刻膠AZ601，涂膠機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000 轉(zhuǎn)，然后再用激光直寫儀曝光圖形，曝光之后將片子放到顯影液中，圖形就會(huì)轉(zhuǎn)移到光刻膠上，用磁控濺射制備一層厚度為 1 μm 的金屬 Pt，應(yīng)用Lit-off 工藝，將片子放到丙酮中，去除不需要的光刻膠，多余的金屬Pt 也會(huì)相應(yīng)脫落，這樣就把圖形轉(zhuǎn)移到了金屬Pt 上，從而得到所需的器件。用顯微鏡放大后薄膜電感如圖5 所示，線條寬度為10 μm，線間距為20 μm 的柵極型薄膜電感器件。

圖5 制備的薄膜電感

3.2 結(jié)果討論

由于電感制備在YIG 片子上，YIG 片子實(shí)質(zhì)就是鍍有一層鐵氧體材料的片子，由于其具有高絕緣的特性，所以可以將器件直接制備在片子上面，而不增加器件的損耗。另外，鐵氧體材料的磁特性，相當(dāng)于給電感器件增加了一層磁芯，器件在磁場(chǎng)的作用下，會(huì)引起器件性能的改變。測(cè)試時(shí)整個(gè)樣品位于電磁鐵的中間區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)大小相對(duì)均勻，在自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（見圖 6）的面板上改變磁場(chǎng)大小，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖7。由圖7 可知，當(dāng)磁場(chǎng)增加時(shí)，對(duì)電感器件的共振頻率影響較大，隨著磁場(chǎng)的增加電感值也有所增加，共振頻率增大比較明顯。在磁場(chǎng)為0 A/m 時(shí)，共振頻率為2.5 GHz；當(dāng)磁場(chǎng)增大到8.7933×104A/m（1105 Oe）時(shí)，共振頻率也增大至4 GHz，大約增加了 60%?？梢娖骷?duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)非常靈敏，通過增加磁場(chǎng)顯著地增大了器件的工作頻率，這對(duì)器件的高頻應(yīng)用是非常好的一個(gè)指引。

圖6 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)截圖

圖7 不同磁場(chǎng)下的電感隨頻率的變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了薄膜電感測(cè)試系統(tǒng)加磁場(chǎng)測(cè)試的原理和方法，測(cè)試中采用擴(kuò)展的SOLT 校準(zhǔn)法對(duì)探針測(cè)試夾具進(jìn)行校準(zhǔn)，這種方法能扣除微波探針的高頻影響，并對(duì)制備在YIG 片子上的薄膜電感進(jìn)行測(cè)試，分析薄膜電感的高頻性能隨磁場(chǎng)的響應(yīng)特性。