TWI436382B - 應用磁力控制可活動式電感器的方法及其裝置 - Google Patents

Description

應用磁力控制可活動式電感器的方法及其裝置

本發明是關於一種控制可活動式電感器的方法及其裝置，特別是指一種應用磁力控制可活動式電感器的方法及其裝置。

晶片上電感器(on-chip inductor)乃是射頻積體電路(Radio Frequency Integrated Circuit,RFIC)中的重要元件，然而傳統上，由於平行於矽基板上的電感器彼此之間會產生寄生電容與損耗；且當電感器通電時，其所產生的磁場因方向垂直於矽基板而受到影響，降低了儲存能量的功效，並導致低品質因數(Quality Factor,Q)以及低自諧振頻率(Self-Resonant Frequency,f _res )，而使晶片上電感器不利產業上的應用。

一個理想的電感元件不會因為流經線圈的電流大小而改變敏感度，然而實際上，電感元件的內部電阻會使能量損耗，影響其品質，當Q值越高，表示電感元件的表現越接近理想的狀態。此外，f _res 代表一個電感元件工作頻率的上限，只有當工作頻率低於f _res 時，電感元件的表現才能有良好的表現，兩者越接近，則寄生電容的效果越明顯。

因此為了改善這種缺點，將電感器與基板分離以提高Q值以及f _res ，目前在微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)製程的領域中已可達到。如G.W.Dahlmann等人在IEEE MTT-S Digest,Phoenix,May,2001,pp.329-332中所提出的方法，利用銲料受熱後回融所產生的表面張力來抬升結構，且銲料固化後將可穩 定已抬升的結構，達成自組裝的效果。

然而前述的方法，不能精確的控制抬升的角度，電感元件的Q值以及相對應的f _res 也無法根據需要進行調整。

爰是之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，乃經悉心地試驗與研究，創作出本發明「應用磁力控制可活動式電感器的方法及其裝置」，以克服上述缺陷，以下為本案之簡要說明。

本發明之主要目的係提供一種應用磁力控制可活動式電感器的方法及其裝置，以改善習用方法所造成的缺失與不足。

本發明之另一目的係提供一種應用磁力的可活動式電感器，其包括一基板；一第一結構層，其位於該基板之上，其中該第一結構層的兩側各具有一轉軸；至少兩個固定結構，其位於該基板之上並與該轉軸相連接；以及一熱融層，其至少位於該等固定結構之上。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，更包括一金屬層，其位於該基板之上並與該等固定結構位於同一平面。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該熱融層的部份位於該金屬層之上。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，更包括一金屬層，其位於該基板之下。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該金屬層的材料係選自金、銀、銅、鎳、金合金、銀合金、銅合金及鎳合金其中之一。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該基板具有一傾斜角度。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該熱融層為一錫層或一錫合金層。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該第一結構層的形狀係選自平面、帶狀曲折及螺旋形其中之一。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該第一結構層的材料為一鐵磁性材料。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該第一結構層為一鎳層或一鎳合金層。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該第一結構層更包含一第二結構層。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該第二結構層的材料為一金屬材料。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該第二結構層的材料係選自金、銀、銅、金合金、銀合金及銅合金其中之一。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該基板係選自矽基板、玻璃基板、鍺/矽基板及印刷電路板其中之一。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該固定結構為一鉸鏈。

較佳地，本發明所提供之該可活動式電感器，其中該鉸鏈的材料為一金屬材料。

本發明之另一目的係提供一種應用磁力控制可活動式電感 器的方法，其步驟包括a.提供一基板；b.形成一第一結構層於該基板上，其中該第一結構層的兩側各具有一轉軸；c.形成至少兩個固定結構於該基板上，其中該等固定結構與該轉軸相連接；d.形成一熱融層，其至少位於該等固定結構上；e.以及提供一交變磁場，利用同性相斥的原理使該第一結構層透過該固定結構向上抬升。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，更包括步驟dl.將上述結構置於一金屬層上；e1.利用電磁感應的原理透過該金屬層加熱並軟化該熱融層；以及f.當該第一結構層抬升至某一角度時，取消該交變磁場，使該熱融層冷卻並固定該第一結構層的位置。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中步驟d1更包括步驟d2.使該基板形成一傾斜角度。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，更包括步驟b1.同時形成一金屬層於該基板上並與該固定結構位於同一平面；d1.其中部份該熱融層位於該金屬層上；e1.利用電磁感應的原理透過該金屬層加熱並軟化該熱融層；以及f.當該第一結構層抬升至某一角度時，取消該交變磁場，使該熱融層冷卻來固定該第一結構層的位置。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該金屬層的材料係選自金、銀、銅、鎳、金合金、銀合金、銅合金及鎳合金其中之一。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，更包括步驟d2.使該基板形成一傾斜角度：以及e2.改變該 交變磁場的大小或調整該交變磁場的位置。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，該熱融層為一錫層或一錫合金層。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該第一結構層的材料為一鐵磁性材料。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該第一結構層為一鎳層或一鎳合金層。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，該第一結構層的形狀係選自平面、帶狀曲折及螺旋形其中之一。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該第一結構層更包含一第二結構層。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該第二結構層的材料為一金屬材料。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該第二結構層的材料係選自金、銀、銅、金合金、銀合金及銅合金其中之一。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該基板選自矽基板、玻璃基板、鍺/矽基板及印刷電路板其中之一。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該固定結構為一鉸鏈。

較佳地，本發明所提供之應用磁力控制可活動式電感器的方法，其中該鉸鏈的材料為一金屬材料。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分了解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。

請參閱第一圖，其為本案第一實施例之可活動式電感器結構圖。該可活動式電感器包括一矽基板10，其上具有一第一結構層110，第一結構層110的兩側各具有一轉軸12，用以連接固定結構13，矽基板10上更具有一金屬層15，且金屬層15以及固定結構13之上具有一熱融層14，其中第一結構層110更具有一第二結構層111。

本發明是利用電鍍的製程在基板10來形成上述的結構層，然而這僅是一種較佳的實施方式，使用物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)亦是另一種可行的方案。首先在基板10上形成第一結構層110、第二結構層111、轉軸12以及金屬層15，接著再形成固定結構13，最後則是熱融層14。本發明所使用的製程皆是已知的技術，在此不作贅述。在此步驟之中，第一結構層110以及第二結構層111皆是平躺於基板上的狀態。基板10可使用矽基板、玻璃基板、鍺/矽基板及印刷電路板。第一結構層110係由鐵磁性的材料來構成，例如鎳或是鎳合金。固定結構13、金屬層15以及第二結構層111皆係由金屬材料來構成，例如金、銀、銅、鎳、金合金、銀合金、鎳合金或是銅合金。而構成熱融層14的材料，則是錫或是錫合金，用以作為銲料固定之後位置變動後的第一與第二結構層110、111。

請參閱第二圖(a)，其為本案第一實施例之可活動式電感器作動示意圖。接著將可活動式電感器置於一線圈之上以提供一交變磁場16，由於第一結構層110是由鎳所構成，故其具有的鐵磁性特質會使得第一結構層110自身成為一與交變磁場16同向的磁鐵，此時該第一結構層110從原本平躺的狀態，透過兩側作為一轉軸的功能而連接到固定結構13的轉軸12向上抬升，直到變成和磁力線平行為止。在此情況下，透過改變磁場的大小，或是調整磁場的位置，將可以自由控制抬升的角度。此外，固定結構13，也就是所謂的鉸鏈(hinge)，除了做為第一結構層110抬升時的樞紐外，更具有一定位的功能，使得第一結構層110在活動時，不至於漂離基板10或是偏離原本的位置。

同時，當該可活動式電感器處於一交變磁場16中時，由於電磁感應的原理，與交變磁場16切割面積最大的金屬層15會達到足夠融化熱融層14的溫度。請參閱第二圖(b)，其為本案第一實施例之可活動式電感器側視圖。此時若欲固定第一結構層110抬升的角度，將線圈移開以取消該交變磁場16，熱融層14將會重新回到固體的狀態以固定第一結構層110，達到與基板10分離的目的。

請參閱第三圖，其為本案第二實施例之可活動式電感器側視圖。當欲控制角度時，亦可直接將基板10抬升至一預期的傾斜角度，或是置於一有角度的平台上。此時所施加的交變磁場16將不需額外控制磁場大小，第一結構層110最後與垂直面的夾角將會等於基板與平面的夾角，接著移除交變磁場16的存在，熱融層14會冷卻並固定第一結構層110，具有特定角度的可活動式電感器便 得以完成。

接著請參閱第四圖，其為本案第三實施例之可活動式電感器結構圖。該可活動式電感器包括一矽基板20，其上具有一第一結構層210，第一結構層210的兩側各具有一轉軸22，用以連接固定結構23，該固定結構23之上具有一熱融層24，其中第一結構層210更具有一第二結構層211。

同樣的，第一結構層210目前仍是平躺於基板20上的狀態，接著請參閱第五圖(a)及第五圖(b)，其分別為本案第三實施例之可活動式電感器作動示意圖及結構側視圖。將上述所有的結構層置於一金屬層25之上，該金屬層25的材料可為鎳、銅、鎳合金或銅合金等。接著提供一交變磁場26，應用感應加熱的原理使整個金屬層25溫度上升，而其上的結構層將因此受熱，此時熱融層24將會融化，而當向上抬升的第一結構層210達到所希望的角度時，再移除交變磁場26，固化熱融層24以完成本案的可活動式電感器。相較於第一實施例，金屬層25並不是包含在整個可活動式電感器之中，因此可以減少面積，增加其應用的範圍。

此外，亦可應用第二實施例的方法於本實施例中，將金屬層25抬升至一預期的傾斜角度，或是置於一有角度的平台上，再給予一交變磁場26，具有特定角度的可活動式電感器將能簡單的完成。

利用本發明所提出的方法，可活動式電感器將具有自組裝的機制，同時若改變第一結構層與基板之間的夾角，電感器的Q值以及f _res 亦會隨之變動，故這兩者的數值可以隨意調整，因此得以根據實際的需要來加以更動角度。下表顯示出三種角度下，對應 的Q值及f _res 。

請參閱第六圖，其為不同結構下的Q值以及頻率的關係圖。曲線31是測量具有10μm鎳的第一結構層110的電感器之Q值；曲線32則是相同狀況下的模擬Q值；曲線33是結合1μm鎳的第一結構層110及9μm銅的第二結構層111的電感器之模擬Q值。由圖可知，曲線33最高可達到10.6的Q值，因此在本發明中，較佳的是包含銅的第二結構層111，其最能增進電感元件的功效。

此外，作為主要電感結構的第一及第二結構層110、111，其外觀可為一整個平面、帶狀曲折或是螺旋形的結構層，且其形狀並無特定的限制，可為方形、長方形或圓形等等。同時曲折數以及其結構是否為單一平面亦沒有規範，端視實際需要而定。

綜上所述，本案最主要的目的，在於提出一種應用磁力來自由控制電感元件抬升的角度並使其具有自組裝機制的方法及其裝置，同時達成可調變Q值以及f _res 的功效。本案實為一難得一見、值得珍惜的罕見發明，惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施列，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍。

10‧‧‧基板

110‧‧‧第一結構層

111‧‧‧第二結構層

12‧‧‧轉軸

13‧‧‧固定結構

14‧‧‧熱融層

15‧‧‧金屬層

16‧‧‧交變磁場

20‧‧‧基板

210‧‧‧第一結構層

211‧‧‧第二結構層

22‧‧‧轉軸

23‧‧‧固定結構

24‧‧‧熱融層

25‧‧‧金屬層

26‧‧‧交變磁場

31‧‧‧測量的Q值曲線

32‧‧‧模擬的Q值曲線

33‧‧‧模擬的Q值曲線

第一圖：本案第一實施例之可活動式電感器結構圖。

第二圖(a)：本案第一實施例之可活動式電感器作動示意圖。

第二圖(b)：本案第一實施例之可活動式電感器側視圖。

第三圖：本案第二實施例之可活動式電感器側視圖。

第四圖：本案第三實施例之可活動式電感器結構圖。

第五圖(a)：本案第三實施例之可活動式電感器作動示意圖。

第五圖(b)：本案第三實施例之可活動式電感器側視圖。

第六圖：不同結構下的Q值以及頻率的關係圖。

10‧‧‧基板

110‧‧‧第一結構層

111‧‧‧第二結構層

13‧‧‧固定結構

14‧‧‧熱融層

15‧‧‧金屬層

16‧‧‧交變磁場

Claims (29)

1. 一種應用磁力的可活動式電感器，其包括：一基板；一第一結構層，其位於該基板之上，其中該第一結構層的兩側各具有一轉軸，且該第一結構層的材料為一鐵磁性材料；至少兩個固定結構，其位於該基板之上並與該轉軸相連接；一金屬層，其位於該基板之上或該基板之下；以及一熱融層，其至少位於該等固定結構之上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中當該金屬層位於該基板之上時，該金屬層與該等固定結構位於同一平面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之可活動式電感器，其中該熱融層的部份位於該金屬層之上。
4. 如申請專利範圍第2項所述之可活動式電感器，其中該金屬層的材料係選自金、銀、銅、鎳、金合金、銀合金、銅合金及鎳合金其中之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該基板具有一傾斜角度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該熱融層為一錫層或一錫合金層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該第一結構層的形狀係選自平面、帶狀曲折及螺旋形其中之一。
8. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該第一結構層為一鎳層或一鎳合金層。
9. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該第一結 構層更包含一第二結構層。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可活動式電感器，其中該第二結構層的材料為一金屬材料。
11. 如申請專利範圍第10項所述之可活動式電感器，其中該第二結構層的材料係選自金、銀、銅、金合金、銀合金及銅合金其中之一。
12. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該基板係選自矽基板、玻璃基板、鍺/矽基板及印刷電路板其中之一。
13. 如申請專利範圍第1項所述之可活動式電感器，其中該固定結構為一鉸鏈。
14. 如申請專利範圍第13項所述之可活動式電感器，其中該鉸鏈的材料為一金屬材料。
15. 一種應用磁力控制可活動式電感器的方法，其包括下列步驟：a.提供一基板；b.形成一第一結構層於該基板上，其中該第一結構層的兩側各具有一轉軸，且該第一結構層的材料為一鐵磁性材料；c.形成至少兩個固定結構於該基板上，其中該等固定結構與該轉軸相連接；c1.形成一金屬層於該基板之上或該基板之下；d.形成一熱融層，其至少位於該等固定結構上；以及e.提供一交變磁場，利用同性相斥的原理使該第一結構層透過該固定結構向上抬升。
16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中當該金屬層位於該基板之下時，該方法更包括下列步驟： d1.將具有該第一結構層、該轉軸、該等固定結構及該熱融層之該基板置於該金屬層上；e1.利用電磁感應的原理透過該金屬層加熱並軟化該熱融層；以及f.當該第一結構層抬升至某一角度時，取消該交變磁場，使該熱融層冷卻來固定該第一結構層的位置。
17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，更包括下列步驟：d2.使該基板形成一傾斜角度；以及e2.改變該交變磁場的大小或調整該交變磁場的位置。
18. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中當該金屬層位於該基板之上時，該方法更包括下列步驟：b1.同時形成該金屬層於該基板上並與該固定結構位於同一平面；d1.其中部分該熱融層位於該金屬層上；e1.利用電磁感應的原理透過該金屬層加熱並軟化該熱融層；以及f.當該第一結構層抬升至某一角度時，取消該交變磁場，使該熱融層冷卻並固定該第一結構層的位置。
19. 如申請專利範圍第16項或第18項所述之方法，其中該金屬層的材料係選自金、銀、銅、鎳、金合金、銀合金、銅合金及鎳合金其中之一。
20. 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包括下列步驟：d2.使該基板形成一傾斜角度；以及e2.改變該交變磁場的大小或調整該交變磁場的位置。
21. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該熱融層為一錫層或一錫合金層。
22. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該第一結構層為一鎳層或一鎳合金層。
23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該第一結構層的形狀係選自平面、帶狀曲折及螺旋形其中之一。
24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該第一結構層更包含一第二結構層。
25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中該第二結構層的材料為一金屬材料。
26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該第二結構層的材料係選自金、銀、銅、金合金、銀合金及銅合金其中之一。
27. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該基板係選自矽基板、玻璃基板、鍺/矽基板及印刷電路板其中之一。
28. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該固定結構為一鉸鏈。
29. 如申請專利範圍第28項所述之方法，其中該鉸鏈的材料為一金屬材料。