一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及人工磁導(dǎo)體，特別涉及一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其所構(gòu)成的偶極子天線和單端電感。
【背景技術(shù)】
[0002]片上天線與片上螺旋電感等是組成射頻集成電路的重要無(wú)源元件，廣泛地應(yīng)用于低噪聲放大器、功率放大器、混頻器等電路模塊中。
[0003]采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的集成電路能夠大大降低成本。但CMOS工藝以硅材料為襯底，具有較高的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，高介電常數(shù)使片上天線輻射的大部分電磁能量以表面波的形式存在于硅襯底中，而硅襯底高電導(dǎo)率使得存在于表面波的電磁能量大部分以熱的形式耗散，從而導(dǎo)致CMOS工藝片上天線輻射效率低。
[0004]片上螺旋電感由于電流路徑為螺旋狀，在高頻下會(huì)感應(yīng)出漩渦電流，由于硅襯底的電導(dǎo)率偏高，漩渦電流通過硅襯底而傳導(dǎo)，導(dǎo)致片上螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，本發(fā)明提供一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其所構(gòu)成的偶極子天線和單端電感。
[0006]本發(fā)明的方案是:
[0007]一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括兩條呈十字型交叉、長(zhǎng)度相等的中心金屬條，兩條中心金屬條的交叉處通過金屬過孔接地，每條中心金屬條上還帶有若干一端與其所接觸的中心金屬條垂直的垂直金屬條，所述垂直金屬條的長(zhǎng)度是中心金屬條的一半，每條中心金屬條上的垂直金屬條數(shù)量相等，且呈中心對(duì)稱分布。
[0008]優(yōu)選的，位于兩條中心金屬條的十字型右上與左下部分的垂直金屬條為橫向金屬條，位于兩條中心金屬條的十字型左上與右下部分的垂直金屬條為縱向金屬條。
[0009]優(yōu)選的，位于兩條中心金屬條的十字型右上與左下部分的垂直金屬條為縱向金屬條，位于兩條中心金屬條的十字型左上與右下部分的垂直金屬條為橫向金屬條。
[0010]優(yōu)選的，所述蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為CMOS工藝結(jié)構(gòu)第一層或其他非頂層金屬構(gòu)成。
[0011]優(yōu)選的，所述中心金屬條和垂直金屬條的寬度為1.8-2.2微米，垂直金屬條之間的間隙與中心金屬條的寬度相等，中心金屬條的長(zhǎng)度為81-99微米。
[0012]一種加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的偶極子天線，所述偶極子天線由CMOS工藝結(jié)構(gòu)的頂層金屬構(gòu)成，分為兩個(gè)單臂，兩個(gè)單臂的中心處為饋點(diǎn)，所述CMOS工藝結(jié)構(gòu)的第一層金屬為由4 X 10個(gè)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選的，所述偶極子天線單臂長(zhǎng)為438.5-536.5微米，寬為11-14微米。
[0014]一種加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感，所述單端電感包括由CMOS工藝結(jié)構(gòu)的頂層金屬構(gòu)成的螺旋電感線，和由次頂層金屬構(gòu)成的金屬過線，所述CMOS工藝結(jié)構(gòu)的第一層金屬為3 X 3個(gè)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于螺旋電感線的正下方。
[0015]優(yōu)選的，所述螺旋電感線的外徑為252-308微米，螺旋電感線與過線寬為9_11微米，螺旋電感線的間距為0.8-1.2微米。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017](I)本發(fā)明提出的一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠與CMOS工藝兼容，在片上天線與硅襯底間起到電隔離的作用，并在特定頻段內(nèi)具有抑制表面波的特性，進(jìn)而提高片上天線輻射效率；
[0018](2)本發(fā)明提出的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不僅能夠提高片上天線輻射效率，而且能夠隔離片上螺旋無(wú)源元件的漩渦電流，提高片上螺旋無(wú)源元件的品質(zhì)因數(shù)。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明提出的蘑菇型人工磁導(dǎo)體單元結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2為加載本發(fā)明人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的偶極子天線版圖結(jié)構(gòu)；
[0021]圖3為傳統(tǒng)單端電感版圖結(jié)構(gòu)；
[0022]圖4為加載本發(fā)明人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感版圖結(jié)構(gòu)；
[0023]圖5為本發(fā)明所述【具體實(shí)施方式】的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射相頻特性曲線；
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射幅頻特性曲線；
[0025]圖7為傳統(tǒng)單端電感與加載本發(fā)明人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感的品質(zhì)因數(shù)比較圖；
[0026]圖8為傳統(tǒng)單端電感與加載本發(fā)明人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感的電感值比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]如圖1所示，本發(fā)明所揭示的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括兩條呈十字型交叉、長(zhǎng)度相等的中心金屬條I，兩條中心金屬條的交叉處通過金屬過孔接地，每條中心金屬條上還帶有若干一端與其所接觸的中心金屬條垂直的垂直金屬條2，所述垂直金屬條的長(zhǎng)度是中心金屬條的一半，每條中心金屬條上的垂直金屬條數(shù)量相等，且呈中心對(duì)稱分布。除中心金屬條外，其余金屬條互不相交。位于兩條中心金屬條的十字型右上與左下部分的垂直金屬條為橫向金屬條，位于兩條中心金屬條的十字型左上與右下部分的垂直金屬條為縱向金屬條(或者位于兩條中心金屬條的十字型右上與左下部分的垂直金屬條為縱向金屬條，位于兩條中心金屬條的十字型左上與右下部分的垂直金屬條為橫向金屬條)。
[0028]所述蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為CMOS工藝結(jié)構(gòu)第一層或其他非頂層金屬構(gòu)成。所述中心金屬條和垂直金屬條的寬度w統(tǒng)一選擇為2微米，垂直金屬條之間的間隙s與中心金屬條的寬度相等，也為2微米，中心金屬條的長(zhǎng)度dl = 90微米。蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的蘑葫型人工磁導(dǎo)體單元長(zhǎng)度d = 96微米。
[0029]如圖2所示，本實(shí)施例提供了一種加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的偶極子天線，所述偶極子天線由CMOS工藝結(jié)構(gòu)的頂層金屬構(gòu)成，分為兩個(gè)單臂3，兩個(gè)單臂的中心處為饋點(diǎn)4，所述CMOS工藝結(jié)構(gòu)的第一層金屬為由4 X 10個(gè)上述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。所述偶極子天線單臂長(zhǎng)為487.5微米，寬為12.5微米。
[0030]圖3所示為傳統(tǒng)的單端電感結(jié)構(gòu)，所述單端電感包括由CMOS工藝結(jié)構(gòu)的頂層金屬構(gòu)成的螺旋電感線5，和由次頂層金屬構(gòu)成的金屬過線6。圖4提供了一種加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感，除包括上述螺旋電感線和金屬過線外，所述CMOS工藝結(jié)構(gòu)的第一層金屬為3X3個(gè)上述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于螺旋電感線的正下方。所述螺旋電感線的外徑為280微米，螺旋電感線與過線寬為10微米，螺旋電感線的間距為2微米。
[0031]利用電磁場(chǎng)仿真軟件，對(duì)本發(fā)明的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了仿真。圖5與圖6分別顯示本發(fā)明實(shí)施例的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的反射相頻與幅頻特性曲線，其中相位參考平面選擇在頂層金屬上。由圖5可以看出，反射相位在-90度至90度范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的頻率為51.5GHz至66.8GHz，反射相位為零對(duì)應(yīng)的頻率為59.3GHz。由此可知該結(jié)構(gòu)人工磁導(dǎo)體可以用于60GHz毫米波片上天線設(shè)計(jì)，可用帶寬為15.3GHzo
[0032]本發(fā)明技術(shù)不僅能夠用片上天線，而且能夠用來(lái)提高片上螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)。圖7顯示了傳統(tǒng)單端電感與加載本發(fā)明技術(shù)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)比較。由圖7可以看出，與相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)單端片上電感相比(Q最大值12.5/1.3GHz)，新技術(shù)單端電感最高品質(zhì)因數(shù)(Q最大值15.9/2.1GHz)提高了 27.7%。圖8顯示了傳統(tǒng)單端電感與加載本發(fā)明技術(shù)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)螺旋電感的電感值比較。由圖8可以看出，加載本發(fā)明技術(shù)人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)片上螺旋電感感值影響不大。
[0033]本發(fā)明技術(shù)也可以應(yīng)用于片上螺旋變壓器等其他片上螺旋無(wú)源元件。
[0034]上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明主要技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)所做的修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括兩條呈十字型交叉、長(zhǎng)度相等的中心金屬條，兩條中心金屬條的交叉處通過金屬過孔接地，每條中心金屬條上還帶有若干一端與其所接觸的中心金屬條垂直的垂直金屬條，所述垂直金屬條的長(zhǎng)度是中心金屬條的一半，每條中心金屬條上的垂直金屬條數(shù)量相等，且呈中心對(duì)稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于:位于兩條中心金屬條的十字型右上與左下部分的垂直金屬條為橫向金屬條，位于兩條中心金屬條的十字型左上與右下部分的垂直金屬條為縱向金屬條。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于:位于兩條中心金屬條的十字型右上與左下部分的垂直金屬條為縱向金屬條，位于兩條中心金屬條的十字型左上與右下部分的垂直金屬條為橫向金屬條。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為CMOS工藝結(jié)構(gòu)第一層或其他非頂層金屬構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述中心金屬條和垂直金屬條的寬度為1.8-2.2微米，垂直金屬條之間的間隙與中心金屬條的寬度相等，中心金屬條的長(zhǎng)度為81-99微米。
6.一種加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的偶極子天線，其特征在于:所述偶極子天線由CMOS工藝結(jié)構(gòu)的頂層金屬構(gòu)成，分為兩個(gè)單臂，兩個(gè)單臂的中心處為饋點(diǎn)，所述CMOS工藝結(jié)構(gòu)的第一層金屬為由4X 10個(gè)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的偶極子天線，其特征在于:所述偶極子天線單臂長(zhǎng)為438.5-536.5微米，寬為11-14微米。
8.一種加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感，其特征在于:所述單端電感包括由CMOS工藝結(jié)構(gòu)的頂層金屬構(gòu)成的螺旋電感線，和由次頂層金屬構(gòu)成的金屬過線，所述CMOS工藝結(jié)構(gòu)的第一層金屬為3 X 3個(gè)權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)位于螺旋電感線的正下方。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的加載了蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的單端電感，其特征在于:所述螺旋電感線的外徑為252-308微米，螺旋電感線與過線寬為9-11微米，螺旋電感線的間距為0.8-1.2微米。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括兩條呈十字型交叉、長(zhǎng)度相等的中心金屬條，兩條中心金屬條的交叉處通過金屬過孔接地，每條中心金屬條上還帶有若干一端與其所接觸的中心金屬條垂直的垂直金屬條，所述垂直金屬條的長(zhǎng)度是中心金屬條的一半，每條中心金屬條上的垂直金屬條數(shù)量相等，且呈中心對(duì)稱分布。本發(fā)明提出的一種蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠與CMOS工藝兼容，在片上天線與硅襯底間起到電隔離的作用，并在特定頻段內(nèi)具有抑制表面波的特性，進(jìn)而提高片上天線輻射效率；本發(fā)明提出的蘑菇型人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不僅能夠提高片上天線輻射效率，而且能夠隔離片上螺旋無(wú)源元件的漩渦電流，提高片上螺旋無(wú)源元件的品質(zhì)因數(shù)。
【IPC分類】H01Q1-38, H01L23-64, H01Q9-20, H01L23-58
【公開號(hào)】CN104733441
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510130717
【發(fā)明人】韓波, 宋有才, 劉華明, 劉德方, 劉爭(zhēng)艷
【申請(qǐng)人】阜陽(yáng)師范學(xué)院
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月23日