渐进型MEMS双层螺线管电感线圈及其集成化制备方法技术

渐进型MEMS双层螺线管电感线圈及其集成化制备方法，包括内外两层双层线圈以及衬底；本发明专利技术将单层MEMS螺线管电感线圈拓展为双层，拓展了MEMS电感线圈的维度，使其对空间利用率进一步提高，在电感值和品质因子的提高上有了突破；采用渐进型的绕组相比于传统的C型绕组方式，其在高频下的电容效应会被抑制，使其谐振频率进一步提高；使用纯MEMS的制备方法，降低单片线圈制作成本，采用MEMS工艺的方法使其可以与IC技术兼容，从而使其在封装应用上有比较好的IC兼容性；使用半导体材料作为其衬底相比于玻璃衬底，其散热效果会明显增强，对于MEMS功率器件而言对于积热问题通过与微半导体散热器集成来很好的解决。体散热器集成来很好的解决。

【技术实现步骤摘要】
渐进型MEMS双层螺线管电感线圈及其集成化制备方法


[0001]本专利技术涉及一种电子元器件的设计，尤其是涉及一种渐进型MEMS双层螺线管电感线圈及其集成化制备方法。

技术介绍

[0002]核磁共振(Nuclear Magnetic resonance)技术是对于样品采用检测外加磁场对于不同位置的原子核信号的差异从而分析样品中指定物质的含量及分布的无损检测技术。随着灵敏度和精确度的要求不断提高，采用传统的绕制线圈由于其绕制的误差以及绕组间距离无法很好控制等固有缺陷逐渐使其无法满足现有要求。另外在以电感绕组为核心器件的电磁器件，如磁通门传感器、微泵、微电机、微型能量收集器、微变压器、微隔离器等对于小型化集成化的要求日益提高后，采用体积更小，品质因子更高，发热更小的电感线圈的需求日益提高，新型MEMS线圈的设计呼之欲出。
[0003]采用微机电系统(Micro
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Electro
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Mechanical System,MEMS)技术，使用光刻(Optical Lithography)技术、深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching,DRIE)技术、硅硅直接键合(Silicon Direct Bonding,SDB)技术等MEMS技术加工的MEMS线圈可以克服手绕线圈的绕组误差的固有缺陷。
[0004]中国专利申请号CN202011454522.0提出一种使用MEMS平面矩形电感线圈设计的一种基于电磁感应原理的MEMS三轴能量收集器。其采用了平面的折行电感的布置，使用其作为振动能转换为电能的核心器件，其特征为采用若干纵横相交回旋的线圈，所有线圈绕组均在同一平面中，中间具有从平面伸入底面的连接线将线圈的内外圈连接。采用平面矩形或者圆形MEMS电感线圈是目前比较常用的一种MEMS线圈，其工艺简单，成本低。
[0005]中国专利申请号CN201410335299.6提出一种基于镓螺线管线圈与玻璃微流通道集成的探头及其制备方法。其采用的线圈，玻璃衬底主要由上层线圈槽、若干中层通孔、下层线圈槽构成，几层衬底之间采用键合工艺对准组合，而金属绕组采用熔点较低的镓浇铸而成。该种螺线管线圈可以很好的控制不同匝线圈之间的间距，在电感值方面相比于平面型线圈也有提高。
[0006]然而，现有技术存在如下缺陷：
[0007]1)采用平面思路设计的平面矩形或者圆形线圈其主要缺点是漏磁严重，在使用中也难以部署磁芯以实现线圈内磁通量的提高，虽然其制作流程简单但是在对磁性能要求比较高的NMR技术、微型磁通门传感器、微电机等应用中难以实现良好的效果。
[0008]2)采用螺线管式设计的三维线圈虽然解决了一部分漏磁问题，但是其设计思路是其难以制作成为传统绕制线圈式多层结构，限制了其在单位体积内的电感值的提高。如若想要增加其电感值，就必须在单匝线圈宽度和匝数上进行改变，而这样又增加了线圈的体积，使其无法达到较高的电感密度，发展双层以及多层线圈技术是大势所趋。
[0009]3)采用低熔点的金属作为线圈的本体，并采用液态金属进行浇铸的方法使其的载流能力无法太高，在微变压器、微电机、微隔离器等功率MEMS器件的核心电感设计方面，发
热是必须要考虑的一点。电流的热效应会使镓、铝等熔点较低的金属熔化从而使线圈失效，而采用玻璃衬底的方案也由于玻璃的熔点进一步限制了其可以浇铸的温度。若采用电镀金属的方式则可以很好的解决上述缺点。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提出一种采用MEMS工艺，双层绕组的，通孔电镀技术的易于集成加工的双层螺线管线圈及其制备方案。
[0011]为了解决现有技术中的不足以及达到上述目的，本专利技术公开一种渐进型MEMS双层螺线管电感线圈、制备方法及其电感元件，其技术方案如下：
[0012]渐进型MEMS双层螺线管电感线圈，包括内外两层的双层线圈以及衬底，其特征为：采用内、外各两层衬底作为渐进型双层线圈支撑。渐进型双层线圈在线圈导线布置上采用交叉渐进方式，即相邻两匝线圈本体分别位于内层和外层衬底上。外层线圈上下部分本体通过位于所有衬底上的MEMS工艺制作的外层通孔连接；内层线圈上下部分本体通过位于内层上、下衬底上的MEMS工艺制作的内层通孔连接；相邻匝内外线圈通过位于内、外层下衬底上相互平行的采用MEMS工艺制作的槽实现电连接；线圈本体通过多步通孔电镀(TSV)工艺制作。线圈与外部电连接通过位于外层衬底上的两个pad实现，同时在内层衬底内部采用MEMS技术制作软磁磁芯，软磁磁芯被双层线圈本体包裹。
[0013]本专利技术还公开一种渐进型MEMS双层螺线管电感线圈的制备方法，包括权利要求1
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3任一所述的渐进型MEMS双层螺线管电感双层线圈，其特征为：包括如下步骤：
[0014]步骤1，内层上、下衬底的制作；
[0015]步骤2，磁芯的制作；
[0016]步骤3，第一、二晶圆键合；
[0017]步骤4，内层线圈电镀减薄；
[0018]步骤5，外层上、下衬底的制作；
[0019]步骤6，外层线圈电镀减薄。
[0020]此外，本专利技术还公开一种电感元件，其特征为：包括上述的MEMS双层螺线管电感线圈的制备方法制备的双层线圈。
[0021]有益效果
[0022]将现有的单层MEMS螺线管电感线圈拓展为双层，极大拓展了MEMS电感线圈的维度，使其对于空间利用率进一步提高，在电感值的提高和品质因子的提高上有了新的突破。
[0023]采用渐进型的绕组相比于传统的C型绕组方式，其在高频下的电容效应会被很好的抑制，使其谐振频率可以进一步提高，从而用于射频MEMS的一些应用，例如高频变压器，NFC线圈等。相比于Z型绕组，其在相同体积的元件绕组下可以达到更高的谐振频率，从而拥有更高频率下的使用性能。而相比于传统绕制线圈的渐进型绕法很难保证相邻匝线圈准确分布在内外两层，而采用MEMS技术加工可以很好的解决上述问题。
[0024]使用纯MEMS的制备方法，可以提高加工的效率，降低单片线圈的制作成本，同时采用MEMS工艺的方法使其可以与IC技术兼容，从而使其在封装应用上有着比较好的IC兼容性。而使用半导体材料作为其衬底相比于玻璃衬底，其散热效果会明显增强，对于MEMS功率器件而言对于积热问题可以通过与微半导体散热器集成来很好的解决。
附图说明
[0025]图1为本专利技术Z型双层线圈衬底示意图；
[0026]图2为本专利技术Z型双层线圈实体示意图
[0027]图3为本专利技术应用双层线圈泵体整体；
[0028]图4为本专利技术应用双层线圈的微泵俯视图；
[0029]图5为本专利技术应用双层线圈的齿轮式微泵磁路布置图；
[0030]图6步骤1工序13)后第二晶圆示意图；
[0031]图7步骤5工序3)后的晶圆整体示意图；
[0032]图8步骤5工序4)后的晶圆整体示意图；
[0033]图9步骤5工序8本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.渐进型MEMS双层螺线管电感线圈，包括内外两层的双层线圈以及衬底，其特征为：采用内、外各两层衬底作为渐进型双层线圈支撑；渐进型双层线圈在线圈导线布置上采用交叉渐进方式，即相邻两匝线圈本体分别位于内层和外层衬底上；外层线圈上下部分本体通过位于所有衬底上的MEMS工艺制作的外层通孔连接；内层线圈上下部分本体通过位于内层上、下衬底上的MEMS工艺制作的内层通孔连接；相邻匝内外线圈通过位于内、外层下衬底上相互平行的采用MEMS工艺制作的槽实现电连接；线圈本体通过多步通孔电镀(TSV)工艺制作；线圈与外部电连接通过位于外层衬底上的两个pad实现，同时在内层衬底内部采用MEMS技术制作软磁磁芯，软磁磁芯被双层线圈本体包裹。2.根据权利要求1所述的渐进型MEMS双层螺线管电感线圈，其特征为：所述衬底分为四层：从下往上分别为外层下衬底(10)、内层下衬底(20)、内层上衬底(30)、外层上衬底(40)；其中，位于外层上衬底上的外层上线圈槽(41)通过位于外层上衬底(40)上的通孔(42)、位于内层上衬底(30)上的外层通孔(32)、位于内层下衬底(20)上的外层通孔(24)、以及位于外层下衬底(10)上的通孔(11)与位于外层下衬底(10)上的外层下线圈槽(12)连通；位于内层上衬底(30)上的内层上线圈槽(31)通过位于内层上衬底(30)上的内层通孔(34)以及位于内层下衬底(20)上的内层通孔(22)与位于内层下衬底(20)上的内层下线圈槽(23)连通；位于内层上衬底(39)上的上磁芯槽(33)与位于内层下衬底(20)上的下磁芯槽(21)位置相对，共同组成双层线圈的磁芯槽；上述外层下衬底(10)、内层下衬底(20)、内层上衬底(30)、外层上衬底(40)在通孔上位置相互对应。双层线圈内外交替，渐进前行，共同组成内外绕组。3.根据权利要求1所述的渐进型MEMS双层螺线管电感线圈，其特征为：所述的MEMS双层螺线管电感双层线圈以硅基或以柔性基底作为主要基础衬底的MEMS双层螺线管电感双层线圈。4.渐进型MEMS双层螺线管电感线圈的制备方法，包括权利要求1
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3任一所述的MEMS双层螺线管电感双层线圈，其特征为：包括如下步骤：步骤1，内层上、下衬底的制作；步骤2，磁芯的制作；步骤3，第一、二晶圆键合；步骤4，内层线圈电镀减薄；步骤5，外层上、下衬底的制作；步骤6，外层线圈电镀减薄。5.根据权利要求4所述的渐进型MEMS双层螺线管电感线圈的制备方法，其特征为：所述步骤2磁芯的制作包括如下内容：1)将经过步骤1制作的第一、二晶圆分别进行Piranha溶液清洗；2)将第一晶圆反面磁芯槽处进行图案化溅射钛或金金属层；在上述图案化位置继续溅射或采用化学镀方式得到一层铁或镍金属层；...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐天彤，李海旺，王文斌，陶智，雷凯博，路浩楠，朱凯云，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：