不同磁芯材料在微电感中的应用

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:648

（上海交通大学微纳米科学技术研究院，薄膜与微细技术教育部重点实验室，上海200030）

摘要：叙述了坡莫合金，铁氧体和非晶、纳米晶软磁等材料用作微电感磁芯的磁性材料的特性及其对微电感性能的影响，如电感量和q值。并介绍了螺线管型微电感的制作工艺过程。

关键词：磁芯材料；为电感；电感量；q值

中图分类号：tn55 文献标识码：a 文章编号：1003-353x（2005）10-0058-04

1 引言

近年来便携式电子产品向小型化和微型化发展，并以大爆炸的形式进入人们的生活。磁性器件如电感器件及由它构成的电源变压器、dc-dc变换器、振荡器、滤波器、放大器和调谐器等是电子线路中必不可少的重要元器件[1～3]。因此研制高性能、高效率和高电感量的微型化磁性薄膜微电感器件，已成为世界各国研究人员的热门话题。衡量电感器件的两个重要物理参数为电感量和q值。而电感量的表达式为[1]

式中，μ0和μr分别为真空磁导率和磁芯材料的相对磁导率；n为线圈的匝数；ac为磁芯的横截面积；ic为磁芯的长度。

q值，即品质因子，实质上是表征电感器件的能量损耗情况。其值越大，损耗越小。它的定义为

从式(1)可以看出，电感量l取决于磁芯的物理特性(电感器件的几何尺寸)和磁芯材料的磁导率，并与其成正比，因此磁芯材料的选择对提高电感器件的性能是极其关键的。作为磁芯材料，要求具有如下的物理性能，以获得优越的器件性能：①高磁导率μ来获得大电感量；②高饱和磁感应强度bs以保证高饱和电流；③低的矫顽力hc，hc值越低，其损耗越小；④高电阻率以降低涡流损耗。根据设计要求和用途的不同，微电感器件可使用各种磁芯材料来满足不同的需求。目前，主要有三种类型的磁性材料，即坡莫合金、铁氧体、非晶和纳米晶软磁材料应用于微电感的制造。

2 磁芯材料

2．1 坡莫合金

坡莫合金是由35%～85%ni-fe(并进一步添加mo，cu，w等)系合金组成的高磁导率材料群的通称，具有较高的磁导率和很小的矫顽力，因而广泛用于电子器件的各种铁芯和磁屏蔽部件等，是一种重要的软磁材料[4]。为提高磁导率和磁感应强度值。世界许多国家都进行了大量研究。如添加元素nb提高了合金磁导率值μ，降低了矫顽力hc但磁感应强度值bs却降低不多。目前作为电感器件的磁芯材料(坡莫合金)成分一般为ni78fe22左右，通过电镀方式获得。在这个成分范围内，该合金的各向异性常数k和λs接近于零，能获得最大的磁导率。该磁芯材料在低频使用时，能获得高的电感量；当频率升高时，由于磁导率随着频率的升高而降低，所以电感量下降。笔者通过电镀的方式获得了如图1所示的坡莫合金磁芯结构。经测试，在1mhz时，其电感量达到04μh；文献报道[s]，当频率达1ghz时，电感量为几个纳亨。park等人[6]研究了ni80fe22和ni50fe50两种成分合金材料对螺线管电感性能的影响，结果发现，使用ni80fe20的器件具有更高的电感量。坡莫合金以其优越的磁性性能将在很长一段时间内成为电感器件的重要磁芯材料之一。

2．2 铁氧体

铁氧体是由铁和其他一种或多种金属组成的复合氧化物，如ni-zn，mn-zn，cu-zn等几种类型。其合成方法主要有：喷雾热解法、醇盐水解法、水热合成法、微乳液法、共沉淀法、溶胶-凝胶法。相对于软磁材料，铁氧体材料作为磁芯的优点是它的高电阻率，而别的性能均不如软磁材料。低频时，它的饱和磁导磁化强度是软磁合金的1／5；但高频时，或弱磁场时，高μ铁氧体由于其损耗小，使得电感器件能保持高的电感量。正因为这种特性促使人们对铁氧体和si衬体ic集成工艺进行深入的研究。

通常铁氧体磁芯是通过球磨机，印刷术技术将预先制作的铁氧体粉末和聚合物混合体甩到基体上，然后在几百℃到800℃对该混合体进行烘焙。一般情况下，该方法获得的铁氧体的磁导率μ为20～30。随着高频无线电技术的要求，人们采用溅射法和脉冲激光沉积法制作铁氧体薄膜。一般来说，采用测射方法获得的薄膜高度无序或非晶态，表现出很差的磁性性能，薄膜常需要在沉积后高于1 000℃退火。而脉冲激光沉积法获得的高质量(m