一种MEMS回形螺线管变压器及其制造方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种MEMS回形螺线管变压器，包括：硅衬底、回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管；其中，回形软磁铁芯包裹在硅衬底内部，硅衬底上设置有第一螺旋孔道和第二螺旋孔道，且回形软磁铁芯的两个相对的边分别穿过第一螺旋孔道的中心和第二螺旋孔道的中心，第一螺线管及第二螺线管分别设置在第一螺旋孔道和第二螺旋孔道中。通过将变压器的回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管全部设置在硅衬底的内部，充分利用了硅衬底的厚度，得到的变压器的绕组横截面积更大，磁通量更高，使得变压器的电感值高；同时，硅衬底能够对回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管起到保护作用，提高了变压器的强度，抗冲击性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种MEMS回形螺线管变压器及其制造方法
本专利技术实施例涉及微机电系统(MEMS)
，更具体地，涉及一种MEMS回形螺线管变压器及其制造方法。
技术介绍
微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)微型变压器利用电磁感应原理把电能在两个电路之间传递，由磁芯和绕组构成，与常规变压器相比，磁芯尺寸大幅度缩小，绕组形式也有所改变。微型变压器在微型电子设备、信息设备上有广泛应用，可以起到电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压等作用。目前基于MEMS工艺的微型变压器主要分为两种，平面螺旋式与螺线管式。其中，平面螺旋式变压器的结构随着绕组匝数增多，线圈直径变大，沿铁芯的总磁通量并不能线性增加而是增加量逐渐减小，因此此种结构的匝数一般有限，导致此种变压器的总功率提升有瓶颈。螺线管式变压器克服了绕组匝数的限制，原则上可以进一步提高变压器总功率。但是，目前基于MEMS工艺的微型变压器大都是采用薄膜制造工艺，薄膜制造工艺是一种增材制造方法，故得到的微型变压器的绝大部分结构都是在衬底之上，导致变压器强度难以保证，抗冲击性差；同时采用薄膜制造工艺能够得到的垂直高度有限，使得变压器的绕组横截面积小，导致变压器的电感值低且磁通量小。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的MEMS回形螺线管变压器及其制造方法。一方面本专利技术实施例提供了一种MEMS回形螺线管变压器，包括：硅衬底、回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管；其中，所述回形软磁铁芯包裹在所述硅衬底内部，所述硅衬底上设置有第一螺旋孔道和第二螺旋孔道，且所述回形软磁铁芯的两个相对的边分别穿过所述第一螺旋孔道的中心和所述第二螺旋孔道的中心，所述第一螺线管及所述第二螺线管分别设置在所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中。进一步地，所述硅衬底分为上硅衬底和下硅衬底，所述回形软磁铁芯分为上铁芯和下铁芯，且所述上铁芯和所述下铁芯形状相同；所述上硅衬底的下表面设置有与所述上铁芯形状相对应的铁芯槽，所述下硅衬底的上表面设置有与所述下铁芯形状相对应的铁芯槽，所述上铁芯和所述下铁芯分别设置在对应的铁芯槽中，且所述上硅衬底的下表面和所述下硅衬底的上表面相互键合，使得所述上铁芯的下表面和所述下铁芯的上表面相互对准。进一步地，所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道分别包括多条第一水平沟槽、多条第二水平沟槽以及多个竖直通孔；所述第一水平沟槽设置在所述硅衬底的上表面，所述第二水平沟槽设置在所述硅衬底的下表面，所述竖直通孔贯通所述硅衬底的上表面和下表面；所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中的任一所述第一水平沟槽的首尾分别与两个竖直通孔连通，且所述两个竖直通孔分别与两个相邻的第二水平沟槽连通。进一步地，还包括四个引脚和四个引脚槽；所述四个引脚槽设置在所述硅衬底的上表面，所述四个引脚槽中的两个引脚槽分别与所述第一螺旋孔道的首尾连通，所述四个引脚槽中的另外两个引脚槽分别与所述第二螺旋孔道的首尾连通，所述四个引脚分别设置在所述四个引脚槽中。进一步地，所述回形软磁铁芯由铁镍合金材料或铁钴合金材料制作而成。进一步地，所述第一螺线管和所述第二螺线管由金属铜制作而成。另一方面本专利技术实施例提供了一种MEMS回形螺线管变压器的制造方法，包括：步骤1，分别制作上硅衬底和下硅衬底；其中，制作所述上硅衬底包括：对第一预设厚度的第一硅片进行第一次热氧化；根据第一螺旋孔道及第二螺旋孔道的结构和相对位置，分别在经第一次氧化后的所述第一硅片的上表面、内部和下表面硅深刻蚀出多条平行的第一水平沟槽、多个竖直通孔的上半部分以及铁芯槽；对经硅深刻蚀得到的所述第一硅片进行第二次热氧化，得到所述上硅衬底；制作所述下硅衬底包括：对第一预设厚度的第二硅片进行第一次热氧化；根据第一螺旋孔道及第二螺旋孔道的结构和相对位置，分别在经第一次氧化后的所述第二硅片的上表面、内部和下表面硅深刻蚀出铁芯槽、多个竖直通孔的下半部分及多条平行的第二水平沟槽；对所述第二硅片进行第二次热氧化，得到所述下硅衬底；步骤2，分别在所述上硅衬底和所述下硅衬底的铁芯槽内电镀形成上铁芯和下铁芯；步骤3，将所述上硅衬底的上表面和所述下硅衬底的下表面相对设置，且使所述上铁芯的下表面和所述下铁芯的上表面相互对准后，将所述上硅衬底和所述下硅衬底低温键合，键合后的所述上硅衬底和所述下硅衬底中形成所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道；步骤4，在所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中电镀形成第一螺线管和第二螺线管，即得到MEMS回形螺线管变压器。进一步地，所述在所述上硅衬底的铁芯槽内电镀形成上铁芯，具体包括：将带有铁芯槽图案的金属掩膜版与所述上硅衬底的下表面上的铁芯槽配准后，将所述金属掩膜版紧贴在所述上硅衬底的下表面；在所述上硅衬底的下表面磁控溅射第二预设厚度金属镍或金属钴作为种子层后，在所述上硅衬底的铁芯槽内电镀第三预设厚度的铁镍合金或铁钴合金即得到上铁芯；相应地，所述在所述下硅衬底的铁芯槽内电镀形成下铁芯，具体包括：将带有铁芯槽图案的金属掩膜版与所述下硅衬底的上表面上的铁芯槽配准后，将所述金属掩膜版紧贴在所述下硅衬底的上表面；在所述下硅衬底的上表面磁控溅射第二预设厚度金属镍或金属钴作为种子层后，在所述下硅衬底的铁芯槽内电镀第三预设厚度的铁镍合金或铁钴合金即得到下铁芯。进一步地，所述在所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中电镀形成第一螺线管和第二螺线管，具体包括：在所述下硅衬底的下表面磁控溅射第四预设厚度的金属钛作为中间层，并在所述中间层上磁控溅射第五预设厚度的金属铜作为种子层，再在所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道的第二沟槽和竖直通孔内电镀金属铜直至金属铜填充至第一沟槽的下平面的位置；在所述上硅衬底的上表面磁控溅射金属铜作为种子层后，电镀金属铜直至所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道完全被金属铜填满，即得到所述第一螺线管和所述第二螺线管。进一步地，所述制作所述上硅衬底包括还包括：根据四个引脚的结构和位置，在经第一次氧化后的所述第一硅片的上表面硅深刻蚀出四个引脚槽；相应地，在步骤S4中还包括：在所述四个引脚槽中电镀形成所述四个引脚。本专利技术实施例提供的一种MEMS回形螺线管变压器及其制造方法，通过将变压器的回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管全部设置在硅衬底的内部，充分利用了硅衬底的厚度，得到的变压器的绕组横截面积更大，磁通量更高，使得变压器的电感值高；同时，硅衬底能够对回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管起到保护作用，提高了变压器的强度，抗冲击性能好。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种MEMS回形螺线管变压器的立体结构示意图；图2为本专利技术实施例中上硅衬底的立体结构示意图；图3为本专利技术实施例中下硅衬底的立体结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的实例中一种MEMS回形螺线管变压器的制造过程的步骤(1)至(6)的截面示意图；图5为本专利技术实施例提供的实例中一种MEMS回形螺线管变压器的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，包括：硅衬底、回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管；其中，所述回形软磁铁芯包裹在所述硅衬底内部，所述硅衬底上设置有第一螺旋孔道和第二螺旋孔道，且所述回形软磁铁芯的两个相对的边分别穿过所述第一螺旋孔道的中心和所述第二螺旋孔道的中心，所述第一螺线管及所述第二螺线管分别设置在所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中。

【技术特征摘要】
1.一种MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，包括：硅衬底、回形软磁铁芯、第一螺线管及第二螺线管；其中，所述回形软磁铁芯包裹在所述硅衬底内部，所述硅衬底上设置有第一螺旋孔道和第二螺旋孔道，且所述回形软磁铁芯的两个相对的边分别穿过所述第一螺旋孔道的中心和所述第二螺旋孔道的中心，所述第一螺线管及所述第二螺线管分别设置在所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中。2.根据权利要求1所述的MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，所述硅衬底分为上硅衬底和下硅衬底，所述回形软磁铁芯分为上铁芯和下铁芯，且所述上铁芯和所述下铁芯形状相同；所述上硅衬底的下表面设置有与所述上铁芯形状相对应的铁芯槽，所述下硅衬底的上表面设置有与所述下铁芯形状相对应的铁芯槽，所述上铁芯和所述下铁芯分别设置在对应的铁芯槽中，且所述上硅衬底的下表面和所述下硅衬底的上表面相互键合，使得所述上铁芯的下表面和所述下铁芯的上表面相互对准。3.根据权利要求1所述的MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道分别包括多条第一水平沟槽、多条第二水平沟槽以及多个竖直通孔；所述第一水平沟槽设置在所述硅衬底的上表面，所述第二水平沟槽设置在所述硅衬底的下表面，所述竖直通孔贯通所述硅衬底的上表面和下表面；所述第一螺旋孔道和所述第二螺旋孔道中的任一所述第一水平沟槽的首尾分别与两个竖直通孔连通，且所述两个竖直通孔分别与两个相邻的第二水平沟槽连通。4.根据权利要求1所述的MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，还包括四个引脚和四个引脚槽；所述四个引脚槽设置在所述硅衬底的上表面，所述四个引脚槽中的两个引脚槽分别与所述第一螺旋孔道的首尾连通，所述四个引脚槽中的另外两个引脚槽分别与所述第二螺旋孔道的首尾连通，所述四个引脚分别设置在所述四个引脚槽中。5.根据权利要求1所述的MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，所述回形软磁铁芯由铁镍合金材料或铁钴合金材料制作而成。6.根据权利要求1所述的MEMS回形螺线管变压器，其特征在于，所述第一螺线管和所述第二螺线管由金属铜制作而成。7.一种如权利要求1-6任一项所述的MEMS回形螺线管变压器的制造方法，其特征在于，包括：步骤1，分别制作上硅衬底和下硅衬底；其中，制作所述上硅衬底包括：对第一预设厚度的第一硅片进行第一次热氧化；根据第一螺旋孔道及第二螺旋孔道的结构和相对位置，分别在经第一次氧化后的所述第一硅片的上表面、内部和下表面硅深刻蚀出多条平行的第一水平沟槽、多个竖直通孔的上半部分以及铁芯槽；对经硅深刻蚀得到的所述第一硅片...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶智，李海旺，徐天彤，吴瀚枭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11