基于MEMS平面變壓器螺旋電感的研究及設(shè)計(jì).pdf

1、變壓器的主要用途是信號與能量之間的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)代科學(xué)信息技術(shù)對變壓器提出了體積小、損耗小、可靠性高、可集成化和自動化生產(chǎn)的要求。隨著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，平面變壓器體積小、質(zhì)量輕、變壓比大、耦合系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)凸現(xiàn)，在軍事、航空、通信，特別是對體積和質(zhì)量要求較高領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。最近十幾年，隨著MEMS加工技術(shù)中的鍵合技術(shù)、表面微加工技術(shù)和體微加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，大大推動了MEMS片上螺旋電感和平面變壓器的研究發(fā)展。
　　本課題

2、來源于綿陽某研究所的某軍事預(yù)研項(xiàng)目。課題要求平面變壓器體積不得大于3×3cm2，輸入電壓27V，輸出電壓不低于2000V。該項(xiàng)目主要用于完成瞬間升壓，以激活某發(fā)生器?？紤]變壓比（匝數(shù)比）較高，本課題采用三級變壓的結(jié)構(gòu)形式，本文只針對第一級變壓進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，變壓比為1：5。
　　本文從硅基片上電感的研究分析開始，針對片上電感的三大性能指標(biāo)電感量L、品質(zhì)因數(shù)Q和自諧振頻率f做了計(jì)算和模擬，并用軟件Ansoft Maxwell對硅基片上

3、電感進(jìn)行模擬仿真。通過結(jié)果對比，得出線圈寬度與中心孔寬度的比值不大于1.5的情況下，環(huán)形電流對中心孔的磁通量貢獻(xiàn)最大。為了充分利用電流產(chǎn)生的磁通量，結(jié)合MEMS工藝加工技術(shù)，第一級平面變壓器采用S-P-S疊層結(jié)構(gòu)并安裝EI錳鋅鐵氧體磁芯。每層線圈基于一個(gè)硅片，然后三個(gè)硅片上下依次疊合，焊接引線并封裝，最后安裝鐵氧體磁芯。通過Ansoft Maxwell對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，變壓效率可達(dá)百分之八十一。結(jié)構(gòu)確定后對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱分析并加工制

4、造。
　　本文根據(jù)平面變壓器結(jié)構(gòu)，按照微機(jī)械加工工藝中體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和鍵合技術(shù)，采用硅作為基底，并濺射掩蔽層，減少襯底損耗。平面變壓器平面過大，磁場彌散（Pervasive）嚴(yán)重，為了能提供完整的磁回路，應(yīng)用EI微型磁芯置入平面螺旋電感之中，能夠有效地解決了磁場彌散問題，提高了平面變壓器的工作效率。實(shí)現(xiàn)MEMS平面多層螺旋電感的一個(gè)主要困難是金屬層之間的絕緣，掩蔽問題。在硅表面和導(dǎo)線間濺射良好的絕緣材料得益于MEMS