电感特性随磁场变化响应机制及测试系统搭建

2020-10-09李喜玲毕四军隋文波

实验技术与管理 2020年1期

李喜玲，毕四军，隋文波

（1. 兰州大学磁学与磁性材料教育部重点实验室，甘肃兰州 730000；2. 兰州大学物理学国家级实验教学示范中心，甘肃兰州 730000；3. 兰州大学特殊功能材料与结构设计教育部重点实验室，甘肃兰州 730000）

电感器的特性具有阻止交流电通过而让直流电顺利通过的特性，它与电阻器或电容器能组成高通或低通滤波器、移相电路及谐振电路等，在电子线路中起着非常重要的作用[1-5]。随着微电子集成电路的发展，电感器的微型化已成为必然的发展趋势。集成微电感可以制成片状滤波器、平面变压器。集成微电感是开发小体积、低重量、低造价、低功耗、低噪声、低失真和高频化通信终端设备所必不可少的射频无源器件。一个理想的电感要求其磁路是闭合的，具有代表性的解决方法是使用磁芯结构使磁通泄漏减到最小。国际上一些研究成果表明，磁芯的引入是实现高性能、高集成度及低成本 RF 微电感的一种非常有前景的方法[6-8]。

而磁性材料的磁特性随外加磁场的响应非常灵敏，研究电感特性随磁场变化的响应机制具有很重要的应用价值及研究意义。目前对于微米量级电感常用的测试仪器是阻抗分析仪和矢量网络分析仪。阻抗分析仪常用来测试GHz 以下的频段，对于GHz 以上的频段测试通常是采用矢量网络分析仪与探针台连接来进行测试[9]。本文基于原有矢量网络分析仪和探针台对薄膜电感测试系统，增加磁场测试的功能，并编写自动化测试软件，从而测试在不同磁场下制备在YIG片子上的薄膜电感的高频性能随磁场的响应特性。

1 电感计算原理

电感元件的电感是由互感和自感两部分组成的。本文分析平行导体的互感和自感(如图 1 所示)，并计算栅极型和螺旋型薄膜电感的电感值。

1.1 平行导体的互感和自感

图1 为平行导体示意图

图1 平行导体示意图

导体Ⅰ和Ⅱ，且导体Ⅰ的横截面积和长度分别为S1和l1，导体Ⅱ的横截面积和长度分别为S2和l2。根据诺埃曼公式，则导体Ⅰ和Ⅱ的互感M21为

导体I 的自感L11为

平行导体总的电感为

其中GMD 是几何平均距离。

对于相距为d的平行导体，如果w＞＞t，且d＞＞t，LM(l,w,d)可近似为

1.2 栅极型薄膜电感

图2 为栅极型薄膜电感的电感值示意图。假定栅极型线圈有N匝，由2N个平行导体组成，其总电感值LA是2N个导体的自感与互感的和：

图2 栅极型薄膜电感示意图

由式（1）可知，导体之间的互感受其周围介质的影响，如若把导体之间用磁性材料填充，则磁导率由μ0变为μ，则电感元件的总电感值也将得到很大的提高。

2 测试原理及设备

2.1 测试原理

薄膜电感是应用传输线理论进行测试的[10]，利用双端口法测试得到器件的4 个传输反射参数S，再根据导纳与 4 个S参数的关系，可以计算出器件的导纳，得到导纳之后再根据电感值与导纳的关系最后就能得到器件的参数性能。有

其中，S11为端口 2 匹配时端口 1 的反射系数；S22为端口1 匹配时端口2 的反射系数；S12为端口1 匹配时端口2 到端口1 的反向传输系数；S21为端口2 匹配时端口1 到端口2 的正向传输系数，Y11为第1 端口导纳，L为总电感，Lm为两根导线之间互感。

研究电感值随频率的变化关系，然后再通过电磁场控制系统对样品施加不同的磁场，就可研究在不同磁场下的电感值随频率的变化。从而可以直观地显示出电感特性随磁场变化的响应。

2.2 测试设备与方法

本文的薄膜电感测试系统由矢量网络分析仪与探针台连接组合而成，再加上电源控箱和电磁铁，将探针台的样品台底座整个拆除，把电磁铁安装上去，且电磁铁与电源控箱连接，从而可以通过改变电流大小实现改变磁场大小，将样品放置于电磁场的最中间区域，再通过电缆将探针台与矢量网络分析仪连接，整个测试系统如图3 所示。探针台测试样品及样品放置于电磁铁的位置局部放大图如图4 所示。其中矢网是安捷伦的PNAE8363B，探针台是EVERBEING PE-4，探头为GGB GSG 40A，针与针之间的间距是150 μm，测试时将针尖扎到样品上，保证针尖能够与样品触点充分接触即可。电感材料本文选择导电性好的金属材料Pt，以保证阻抗匹配，只有阻抗匹配，才能保证电磁波完全通过测试的器件。

图3 可加磁场的高频微波测试系统

图4 测试系统的局部放大图

2.3 系统校准

薄膜电感应用传输线理论进行测试，通过测量电感器件在不同频率下的功率反射系数与穿透系数来分析和计算电感特性。由于测试过程中需要很多连接线和各种接头，所以测试之前必须进行校准，把这些影响因素都扣除掉。通常采用 SOLT 校准法[11-15]，即短路（Short）、开路（Open）、负载（Load）以及穿透（Through）4 种校准器，校准完毕之后S12在整个频率段应该是趋于零分贝的，此时校准是成功的，就可以进行后续的测试工作。

3 实验及结果讨论

3.1 样品制备

在 YIG 片子上用金属 Pt 制备电感器件。首先在YIG 片子上涂抹一层光刻胶AZ601，涂胶机的转速设置为2000 转，然后再用激光直写仪曝光图形，曝光之后将片子放到显影液中，图形就会转移到光刻胶上，用磁控溅射制备一层厚度为 1 μm 的金属 Pt，应用Lit-off 工艺，将片子放到丙酮中，去除不需要的光刻胶，多余的金属Pt 也会相应脱落，这样就把图形转移到了金属Pt 上，从而得到所需的器件。用显微镜放大后薄膜电感如图5 所示，线条宽度为10 μm，线间距为20 μm 的栅极型薄膜电感器件。

图5 制备的薄膜电感

3.2 结果讨论

由于电感制备在YIG 片子上，YIG 片子实质就是镀有一层铁氧体材料的片子，由于其具有高绝缘的特性，所以可以将器件直接制备在片子上面，而不增加器件的损耗。另外，铁氧体材料的磁特性，相当于给电感器件增加了一层磁芯，器件在磁场的作用下，会引起器件性能的改变。测试时整个样品位于电磁铁的中间区域，在此区域内磁场大小相对均匀，在自动测量系统（见图 6）的面板上改变磁场大小，进行测试，测试结果见图7。由图7 可知，当磁场增加时，对电感器件的共振频率影响较大，随着磁场的增加电感值也有所增加，共振频率增大比较明显。在磁场为0 A/m 时，共振频率为2.5 GHz；当磁场增大到8.7933×104A/m（1105 Oe）时，共振频率也增大至4 GHz，大约增加了 60%。可见器件对磁场的响应非常灵敏，通过增加磁场显著地增大了器件的工作频率，这对器件的高频应用是非常好的一个指引。