ные структуры, путем удаления стенок GaAs подложки (Ribas et al, 1997). Применение микротехнологий позволяет снизить потери и паразитные эффекты при изготовлении подвешенных структур СВЧ устройств, таких как копланарные волноводы, элементы связи и индукторы (Chi, Rebeiz, 1997, Milanovic et al, 1997).

600 -

400 -

S 200

u -200

P.-600

-800

о iM эксперимент

i-is эксперимент

- - i-iM расчет

:- l-,s расчет

geoo

X 400

о 1-2Ы эксперимент ♦ Ljs эксперимент.

- - iM расчет ,

- tjs расчет , <

частота, ГГц

частота, ГГц

Рис. 4.15. Экспериментальные и расчетные зависимости реактивного сопротивления от частоты для индукторов на диэлектрической мембране (Lim и Ьгм) и на толстой кремниевой подложке {Lis и L2s)- Репродукция из книги R. Rodrigues, J.M. Dishman, F.D. 1.й Dickens, E.W. Whelan, 1980, ModeIing of two-dimensional spiral inductors)), IEEE Transactions Components, Hybrids, Manufacturing Technology 5: 535-541 с разрешения IEEE, ©1980 IEEE

Подвешенные GaAs/AlGaAs элементы, такие как меза-структу-ры, структуры в форме треугольных призм и свободные структуры, состоящие только из металлических и интерметаллических слоев, могут быть реализованы на GaAs подложке. Проведенные исследования показали, что подвешенные микрополосковые линии обладают большими характеристическим импедансом и фазовой скоростью. .Изготовленные на GaAs подложке микроиндукторы имеют лучшую добротность и более высокие резонансную частоту и входной импеданс. Достоинством GaAs устройств является возможность нанесения толстых слоев из золота, что позволяет реализовывать ВЧ линии передач и другие ВЧ компоненты. Основной недостаток GaAs структур - паразитная емкость в проводах и воздушных мостах. Уменьшение емкости линии, построенной на основе воздушного моста, повышает резонансную частоту спирального индуктора. Из рис. 4.16 видно, что при удалении 5 мкм слоя GaAs подложки под

устройством добротность индуктора повышается приблизительно на 150%, а резонансная частота - на 130%.

Улучшение добротности индуктора с подвешенными микрополосами

частота, ГГц

Рис. 4.16. Изменение добротности подвешенного планарного индуктора при применении разной глубины травления. Репродукция из книги R.P. Ribas, N. Bennouri, J.M. Karam, В. Courtois, 1997, GaAs MEMS design using 0.2 fim HEMT MMIC technology*. Proceedings of the Annual IEEE Gallium Arsenide Intefrated Circuit Symposium, IEEE, Piscataway, NJ, USA: 127-130 с разрешения IEEE, ©1997 IEEE

4.3.5. Способы улучшения добротности

Добротность является одной из основных характеристик индукторов. Для построения ВЧ схем, обладающих низкими вносимыми потерями и шумами, высоким коэффициентом усиления и хорошей ча-стотной.избирательностью, необходимы индукторы, имеющие большие значения индуктивности. Как правило, величина добротности является обратно пропорциональной конечному сопротивлению металлического слоя.

Последовательное сопротивление индукторов на высоких частотах становится комплексной функцией, а потери повышаются в результате индукционных токов и диэлектрических потерь. Оптимизацией разводки схемы можно улучшить добротность спиральных индукторов. Для этого ширину линии внутренней спирали делают

уже, чем ширину линии внешней спирали (Bahl, 1999, Lopez-Villegas et al, 2000). Учитывая омические потери при прохождении тока через проводник, а также магнитные потери из-за вихревых токов при составлении разводки схемы, можно также снизить последовательное сопротивление катушки. 3D винтообразные индукторы, изготовленные на многослойном керамическом многокристальном модуле (МСМ-С) (Sutono et al, 1999), индукторы из спиралей из двойных прямоугольников (Shin et al, 1999), самособирающиеся индукторы (Dahlmann, Yeatman, 2000, Fan et al, 1998), планарные спиральные индукторы с раздельно подвешенными полосками (Ribas et al, 2000), индукторы, подвешенные в воздухе, изготовленные методом селективного травления (Chang, Abidi, Gaitan, 1993, Lee et al, 2000), - примеры структур, обладающих сравнительно высокой добротностью. Исследования показали, что, изменяя разводку индуктора, можно на 22% увеличить его добротность (ВаЫ, 1999). Некоторые из приемов описаны в следующих разделах.

4-3.5.1. Влияние воздушного зазора на соленоидный = индуктор

Для изготовления спиральных индукторов и индукторов из меандров подходят традиционные методы производства ИС. Но индукторы из меандров обладают низкой индуктивностью, а спиральные индукторы имеют проблемы с габаритами и управлением магнитным потоком. Этих недостатков лишены соленоидные индукторы. Однако из-за ограничений методов микрообработки очень сложно изготовить вокруг сердечника проводящую катушку. В работе (Kim, Allen, 1998) описан полностью интегрированный соленоидный индуктор с воздушным сердечником и медной катушкой, полученной гальваническим методом. Этот индуктор изготовлен традиционными методами поверхностной микрообработки с применением многослойной металл/полимерной технологии. Было показано, что такой индуктор обладает низкими паразитными емкостями. Также было обнаружено, что при наличии воздушного зазора между катушкой и подложкой влияние диэлектрической подложки ослабевает. На рис. 4.17 показан соленоидный индуктор с воздушным сердечником и воздушным зазором.

Индуктор изготовлен на подложке из оксида алюминия. Для формирования воздушного зазора между катушкой и подложкой введен запщтный слой. Опорная структура между подложкой и катушкой построена методами традиционной фотолитографии и жидкостного травления.

Рис. 4.17. Соленоидный индуктор с воздушным зазором. Репродукция из книги Y.J. Kim, M.G. Allen, 1998, Surface micromachined solenoid inductors for high frequency appUcations , IEEE Trans-* actions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Part С 21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Ha рис. 4.18 показаны экспериментальные зависимости добротности и индуктивности от частоты, определенные для перечисленных в таблице 4.1 индукторов. Сопротивление индукторов находилось в пределах 0.32... 1 Ом, а паразитные емкости - 13... 30 фФ.

Таблица 4.1. Характеристики индукторов A-F для рис. 4.18

На рис. 4.19 показана эквивалентная схема соленоидного индуктора, из которой видно, что его паразитная емкость, в основном, определяется емкостями между двумя проводниками. На рисунке: Ct - емкость между верхними проводниками, Сь - емкость между нижнимидроводниками, Сы - емкость между верхними и нижними проводниками, Сх - емкость между двумя диагональными линиями. Пренебрегая краевыми эффектами, выражения для вычисления емкостей можно записать в виде:

еА ejwb)

Ct = Сь = -г = -;

d S £(wa)

(4.13) (4.14)

(4.15)

где е - диэлектрическая проницаемость воздуха, а и 6 - ширина и высота проводящей линии, w - длина проводящей линии, h - расстояние по вертикали между верхней и нижней проводящей линиями, as - расстояние между проводниками.

5.0 хю 1.0x10°

частота, Гц (а)

1.5x10°

12x10-8

5.0 X 10

1.0x10°

1.5 X 10°

частота, Гц (б)

РйС. 4л8. Экспериментально определенные зависимости добротности (а) и индуктивности (б) от частоты для индукторов, перечисленных в таблице 4.1. Репродукция из книги Y.J. Kim, M.G. Alien, 1998, Surface mieromaehined solenoid inductors for high frequency ap-phcations , IEEE Transactions on Componets, Packaging and Manufacturing Technology, Part С 21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE

Рис. 4.19. Эквивалентная схема соленоидного индуктора для вычисления паразитной емкости С между проводниками катушки

1- Ох

На рис. 4.20 показано влияние расстояния по вертикали между верхними и нижними проводниками катушки h на величину паразитной емкости. Значение паразитной емкости определяется путем подстановки Ct, Сь,Сы и Сх, вычисленных по формулам (4.13)-(4.15), в программу моделирования схемы. На рис. 4.21 показана зависимость величины паразитной емкости от расстояния между двумя соседними проводниками. Из рисунка видно, что суммарная паразитная емкость резко уменьшается при изменении расстояния между соседними проводниками в диапазоне 10. ..30 мкм. Однако увеличение расстояния между витками ведет не только к снижению паразитной емкости, но и росту размеров индуктора и уменьшению величины индуктивности.

влияние высот сёряечшал (Ь)

О

40 60

высота сердечника, мкм

Рис. 4.20. Зависимость паразитной емкости от расстояния между верхними и нижними проводниками. Репродукция из книги Y.J. Kim, M.G. Allen, 1998, oSurface mieromaehined solenoid inductors for high frequency applications*, IEEE Transactions on Componets, Packaging and Manufacturing Technology, Part С 21(1): 26-33 с разрешения IEEE, ©1998 IEEE