CN101625920A - 电感器和滤波器 - Google Patents
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Abstract
谋求提供一种具有高结构强度和高Q值的电感器。电感器(10)具备气桥部(12)和气桥部(13)。气桥部(12)在基板(1)上的多个支撑位置(11)之间，以从基板(1)浮起的状态来架设。气桥部(13)在气桥部(12)上的多个支撑位置(11)之间，以从第1气桥部(12)浮起的状态来架设。由此并联连接气桥部(12)与气桥部(13)，分散电流，分别减低了气桥部(12)及气桥部(13)的各自之中的导体损失。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用在例如微波段或毫米波段中的无线通信或电磁波的接收发送中的电感器和滤波器。
背景技术
有利用使电极部分从基板浮起的气桥结构的电感器的技术(例如，参照专利文献1和2)。
在专利文献1中公开的电感器采用使凸形剖面的导体图案从基板浮起而形成，使导体图案的剖面面积增大的气桥(air bridge)结构。
在专利文献2中公开的电感器采用在基板上叠层第1层的导体图案和第2层的导体图案，将第1层的导体图案和第2层的导体图案串联连接的气桥结构。
这些电感器理想上只应具备电感成分，但在实际的电路中具有电阻成分，会产生电阻损失。与纯粹的电感器越接近，则作为电感器的特性值的Q值越大，因此优选Q值大的电感器。电感器的Q值，根据使用的频率(角频率ω)、电感成分L和电阻成分r，用以下公式表示。
Q＝ωL/r
专利文献1：日本国特许第3450713号公报
专利文献2：日本国特开2007-67236号公报
在微波/毫米波段等的高频率波段中，显著表现导体内的电流分布(表面效应)，由于电极的表面效应的影响，电感器的电阻成分增大。例如由于在2GHz波段使用了金电极时的趋表深度为δs＝1.7μm，比基于一般镀的电极厚度(例如约6μm以上)小，因此在电极表面厚度1.7μm的部分，电流集中，电感器的电阻成分r增大。
虽然在专利文献1中，使导体的剖面面积变大，但在高频率波段中，即使将导体的剖面面积变大，由于表面效应，也不太能抑制电阻成分r，不太能改善电感器Q值。
在专利文献2中，通过串联连接第1层的导体图案和第2层的导体图案，能增大合成的电感L，改善电感器的Q值。但是，在该结构中，为了抑制寄生电容量，在线圈间需要大的空气间隔，必须将上级的线圈配置在与电极厚度相比极高的位置上，因此很难小型化(薄型化(low-profile design))。再有，由于上级的线圈与下级的线圈只有一处连接，因此不能确保结构强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高结构强度和高Q值的电感器，和提供一种具备该电感器的滤波器。
本发明的电感器具备第1气桥电极和第2气桥电极。第1气桥电极，在基板上的多个支撑位置之间，以从基板浮起的状态被架设。第2气桥电极，在第1气桥电极上的多个支撑位置之间，以从第1气桥电极浮起的状态被架设。
在该结构中，通过并联连接第1及第2气桥电极，来增加第1及第2气桥电极的合计的表面面积。因此，即使产生表面效应，也能缓和电流集中，抑制电阻成分的增大，改善电感器的Q值。另外，由于由多个支撑位置支撑第1及第2气桥电极，因此结构强度高。
第1及第2气桥电极的电极厚度比电感器使用频率中的趋表深度大。假设只用1级气桥电极构成电感器时，即使使其电极厚度比电感器的使用频率中的趋表深度大，由于表面效应，也会减低电感器的Q值的提高効果。可是，在本结构中，由于缓和表面面积大的电流集中，能得到Q值高的电感器。
第2气桥电极支撑位置与第1气桥的支撑位置一致。由此，能更提高电感器的强度。
第2气桥电极的支撑位置也能从第1气桥的支撑位置错位。由此，能平坦化第2气桥电极的支撑位置上表面的形状。假设，第2气桥电极的支撑位置上表面的形状为向基板侧较大地沉入的形状，则其周边的电极表面彼此接近，放射电磁场集中，放射损失变大，若平坦则能抑制该损失。
基板优选为GaAs基板。GaAs基板的tanδ小，能抑制由基板引起的损失。
本发明的滤波器优选具备所述电感器。由此，能抑制电感器的电阻成分，构成***损失小的滤波器。
根据本发明，由于并联连接第1气桥和第2气桥，因此能缓和高频率波段中的电流集中，构成高强度、高Q值的电感器。
附图说明
图1是表示实施方式1的电感器的结构的图。
图2是表示同一电感器的电感器部的结构的图。
图3是说明仿真的图。
图4是表示实施方式2的电感器的结构的图。
图5是说明实施方式3的滤波器的图。
图中：
1-基板，
6A、6B-端子电极，
7-电感器部，
8-树脂层，
10、20-电感器，
11、21-支撑位置，
12、13、23-气桥部，
12A、13A-接种(seed)层，
12B、13B-镀层。
具体实施方式
以下，参照各附图说明本发明的实施方式。
图1是表示实施方式1的电感器的结构的图，(A)是上表面图，(B)是B-B剖面图，(C)是基板表面的平面图。
该电感器10为在2GHz波段利用的电感器，具备：基板1，树脂层8，电感器部7和端子电极6A、6B。这里，作为基板1，使用相对介电常数εr＝12.9、介电损耗因数tanδ＝2.4×10-4、基板厚度100μm的GaAs半导体基板。电感器部7由以上表面形状为内径约300μm、绕数1.5、电极宽度约30μm的螺旋状构成的导体图案形成。树脂层8为聚酰亚胺(PI)或苯并环丁烯(BCB)等的绝缘性树脂材料，在包含基板1的表面的电感器部7的形成区域的范围中，以厚度约25μm而形成。端子电极6A、6B连接电感器部7的两端而形成。
图2是表示电感器10的电感器部7的结构的图，(A)是电感器部7的扩大平面图，(B)是电感器部7的B-B剖面图，(C)是电感器部7的C-C剖面图，(D)是电感器部7的D-D剖面图。
电感器部7具备：在相对于对基板1垂直方向上叠层的气桥部12，和气桥部13。气桥部12、13的各自的电极厚度约6μm、空气间隔平均约4μm，分别具备接种层12A、13A和镀层12B、13B。接种层12A、13A和镀层12B、13B利用光刻法等的薄膜细微加工处理而构成，接种层12A、13A由钛等组成，镀层12B、13B由σ＝4.1×107S/m的金组成。
气桥部13在支撑位置11与气桥部12导通，在其它的位置上为从气桥部12浮起的电极结构。气桥部12在支撑位置11上连接到基板上，在其它的位置上为从基板1浮起的电极结构。这里，在支撑位置11构成为大致圆柱形状地设置的筒状，其直径为30μm。
在该电感器10中，气桥部12、13的电极厚度为约6μm，但由于在2GHz波段的金的趋表深度为δs＝1.7μm，因此通过表面效应，分别在气桥部12、13的各自的表面附近集中流过电流。
可是，电感器的Q值依存于电感器的表面面积，由于并联连接气桥部12、13，则气桥部12、13的合计的表面面积大，因此电流分别分散流过气桥部12、13，能抑制基于表面效应的电流集中。因此，能抑制基于表面效应的端子电极6A、6B间的电阻的增大，而将电感器的Q值维持在高值。
另外，由于用多个支撑位置11分别支撑气桥部12、13，因此在平面内的同一点为相同电位，不产生寄生电容量。因此，即使气桥部12、13的空气间隔与电极宽度、电极厚度、支撑位置的直径相比小，气桥部12、13间的寄生电容量也不增大。另外，由于用多个支撑位置11分别支撑气桥部12、13，因此能确保气桥部12、13的强度。
另外，在本结构中，由于能实现电感器的高Q化，因此即使不将螺旋电感器的内径或电极宽度变大，也能实现所希望的高Q值。因此，与通过将螺旋电感器的内径或电极宽度变大来实现高Q化的结构相比，能抑制电感器的占有面积，实现电感器的小型化。
另外，在本实施方式中，表示了将电感器部7的上表面形状作为螺旋状的例子，但也能根据必要的电感值、尺寸制约等变更其绕数或内径、电极宽度、电极厚度、空气间隔。另外，电感器的上表面形状也能是多角形线状或直线状。另外，气桥部的级数在2级以外，也能是3级或4级。
另外，基板1除了使用GaAs基板之外，也能使用以下基板：Si基板、在Si基板上实施高电阻处理的高电阻Si基板、SiO2基板、玻璃基板、Al2O3(氧化铝，蓝宝石)基板等，只要是能使用薄膜处理的基板即可。另外，也能不必设置树脂层8。
下面，说明为了将基于本发明的结构的Q值与比较例相比进行的仿真。
图3是表示与电感器的Q值相关的仿真结果的图，(A)是在仿真中使用的电感器的上表面的图，(B)是表示同一电感器的Q值的频率特性的图。
在仿真中，将电感器的绕数设为0.5，绕数之外的设定与实施方式1相同，测定出以下的5个例子的Q值。
比较例1：1层的固态(non-floating)电极(电极厚度：6μm)
比较例2：1层的气桥电极(电极厚度：6μm)
比较例3：1层的气桥电极(电极厚度：12μm)
本构成例1：2层的气桥电极(电极厚度：6μm)
本构成例2：3层的气桥电极(电极厚度：6μm)
仿真的结果，在2GHz上的Q值如下。
比较例1：Q＝27
比较例2：Q＝28
比较例3：Q＝30
本构成例1：Q＝35
本构成例2：Q＝34
在本构成例1及2中，电感器的Q值与比较例相比，能改善25％以上。另外，本构成例2相对于气桥电极的剖面面积相同的比较例3也能将电感器的Q值改善约17％。根据以上的仿真结果，通过本发明的効果，也可确认能够改善电感器的Q值。
下面，说明本发明的实施方式2。
图4是表示实施方式2的电感器的结构图，(A)是上表面图，(B)是B-B剖面图，(C)是C-C剖面图，(D)是D-D剖面图。这里，在与上述结构相同的结构上附加了相同的标记，省略说明。
本实施方式的电感器20的上级的气桥部23与下级的气桥部12间的连接位置与实施方式1的电感器10不同。
具体来说，气桥部23在支撑位置21与气桥部12导通，在其它的位置上为从气桥部12浮起的电极结构。气桥部23的支撑位置21从气桥部12的支撑位置11上错位，在支撑位置21构成为直径30μm的大致圆柱形状的筒状。
该电感器20通过包含镀处理的以下的示意处理来制造。
处理1：首先，在基板1上形成抗蚀剂，通过曝光及去除抗蚀剂在支撑位置11设置开口。
处理2：接着，在抗蚀剂上及开口内形成构成气桥部12的镀电极。
处理3：接着，在其上再形成抗蚀剂，通过曝光及去除抗蚀剂在支撑位置21设置开口。
处理4：接着，在抗蚀剂上及开口内形成构成气桥部23的镀电极。
通过以上的示意处理，形成电感器20的气桥部12及气桥部23。
这时，由处理2形成的气桥部12的、支撑位置11的上表面与周围相比更沉入基板侧。另外，由处理4形成的气桥部23的、支撑位置21的上表面也比周围更沉入基板侧。假设，支撑位置11与支撑位置21不错位，则气桥部23的上表面将极大地沉入基板侧，电极表面的不连续性变大。这样，在该位置，部分电极表面彼此接近，产生放射电磁场的集中，放射损失变大。因此，在本实施方式中，通过使支撑位置21与支撑位置11错位，从而平坦化气桥部23的上表面，减低放射损失，将电感器高Q化。
另外，处理3中的曝光时，在气桥部12上表面的沉入基板侧的位置开口抗蚀剂的情况下，通过气桥部12上表面的沉入，焦点距离错位，有曝光不足或过度曝光的担心。这样，有气桥部12及气桥部23的连接不良或产生不必要的短路的情况，而通过本实施方式所示的将支撑位置11与支撑位置21错位，由此在气桥部12的平坦的上表面部分形成支撑位置21，能减轻所述的不良产生。
下面，根据图5说明实施方式3的滤波器的结构。
图5(A)是本实施方式的滤波器的电路图，同一图(B)是说明同一滤波器的频率特性的图。
该滤波器由电容C1～C6和电感L1～L3构成。电容C4和电感L1构成输入级的LC并联共振电路。电容C5和电感L2构成中间级的LC并联共振电路。电容C6和电感L3构成输出级的LC并联共振电路。另外，输入级的LC并联共振电路与中间级的LC并联共振电路用相互电容C1耦合。中间级的LC并联共振电路与输出级的LC并联共振电路用相互电容C2耦合。输入级的LC并联共振电路与输出级的LC并联共振电路用跨越的耦合电容C3耦合。
这里，图5(B)表示滤波器的通过特性S21的仿真结果。在同一图中，用实线表示作为电感L1～L3使用高Q(Q＝40)的电感器的情况，用波状线表示作为电感L1～L3使用比较对象的低Q(Q＝30)的电感器的情况。
使用高Q的电感器的滤波器，其通过波段内的2.5GHz的***损失为-1.51dB，2.7GHz的***损失为-1.31dB，使用低Q的电感器的滤波器，其通过波段内的2.5GHz的***损失为-2.33dB，2.7GHz的***损失为-1.83dB。因此，能确认在使用高Q的电感器的滤波器中***损失小。另外，本构成例与比较例通过波段的下限几乎相等，能确认使用高Q的电感器的情况下滤波器的Q值高。
另外，在同一滤波器中，通过输入输出级的共振电路间的跨越耦合，在通过波段的低波段侧产生衰减极，在该衰减极(约2.17GHz)的衰减量，使用高Q的电感器的例子为-27.27dB，使用低Q的电感器的例子为-23.97dB，能确认通过采用高Q的电感器，其衰减量变深了。
如上所述，通过由本发明的电感器构成电感L1～L3，作为高Q的电感器，能确认减低了电感L1～L3中的导体损失，能抑制滤波器的***损失。
Claims (6)
1.一种电感器，具备：
第1气桥电极，在基板上的多个支撑位置之间，以从所述基板浮起的状态被架设；
第2气桥电极，在所述第1气桥电极上的多个支撑位置之间，以从所述第1气桥电极浮起的状态被架设。
2.根据权利要求1所述的电感器，其特征在于，
所述第1及第2气桥电极的电极厚度比电感器使用频率下的趋表深度大。
3.根据权利要求1或2所述的电感器，其特征在于，
所述第2气桥电极的支撑位置与所述第1气桥的支撑位置一致。
4.根据权利要求1或2所述的电感器，其特征在于，
所述第2气桥电极的支撑位置与所述第1气桥的支撑位置错位。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的电感器，其特征在于，
所述基板为GaAs半导体基板。
6.一种滤波器，其特征在于，
具备权利要求1～5中任一项所述的电感器。
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