本文报道了一种新的实现可调谐螺线管电感采用液体基电感变化技术。该概念利用了材料磁导率变化,直接修改了线圈内的自感磁流密度,从而产生了电感值的变化。核心是由一个允许液体流通的通道形成的。为这项技术提出的液体具有铁磁行为,称为铁磁流体,其磁导率高于单位。为了评估该技术,设计了两种不同类型的螺线管电感,并进行了仿真和测试。这两种结构是线绕和线键式螺线管电感。在三维电磁分析工具中模拟结构,然后制作、测试和测量。采用铁磁流体EMG 901,以线粘合为基础的电感在310 MHz时的品质因数为12.7,调谐率为81%。铁磁流控型EMG 901在300mhz频率下的最大调谐率为90.6%,品质因数为31.3。线绕型和线结型的最大调谐范围分别为83.5%和56.2%。测量结果表明,该技术具有很高的调谐范围、高质量因子和连续调谐能力。


相关论文以题为“Fabrication and Characterization of Ferrofluidic-Based Wire-Wound and Wire-Bonded Type Inductor for Continuous RF Tunable Inductor”发表在《Applied Sciences》上。


新型可调式螺线管电感器,可搭载于小型通信设备上!


随着无线通信的发展,特别是市场对小型通信设备的需求,人们对集成的、成本更低、效率更高的电子元器件产生了极大的兴趣和需求。可调谐电容器是唯一已知的技术,可以利用这些难以置信的市场机会。最近,对电感器可调谐特性的需求增加,特别是在射频(RF)应用,以创建标准的可重构无线系统使用单一微型化片上解决方案。这包括离散和微型机电系统(MEMS)电感在射频收发器广泛应用,如压控振荡器(VCO),低噪声放大器(LNA),无线匹配网络,多波段过滤器,多波段射频电路,射频功率放大器,以及可重构天线。除了在这些射频应用中使用可调谐电感器外,其可变功能的存在还可以补偿温度或频率漂移、由于过程变化引起的系统性能以及由于组件老化引起的故障。然而,制造这种器件的研究还处于起步阶段,同时获得高电感调谐范围和高品质因数非常具有挑战性。


先前的工作提出了各种离散电感调谐技术,如开关匝、开关互感、基于双模效应的变耦合和开关磁场。不幸的是,观测到的调谐范围很窄,加上获得的质量因数很低。后来,该领域的研究转向了MEMS技术,其中可调谐电感有时基于自组装可变电感、变压器型交错螺旋或堆叠线圈电感。虽然制造这种类型的MEMS是成本有效的由于单层金属利用,但获得的质量因数是低的,因为皮肤效应。至于其他类型的MEMS可调技术,控制开关电感,热致动器控制间距的主要和次要线圈,和电感器调谐的双压电晶片零件驱动,这些机制受到一些限制,比如discrete-step调优能力,降低调谐范围,高制造成本。这项工作的目标是设计一种新的可调谐电感具有高调谐范围和高品质因数的射频应用微流体。它是通过对流体行为的操纵和精确控制来实现的,从而改变电感的特性,从而改变电感值。


线绕电感器


研究人员在FR-4印刷线路板(PCB)上制作了线绕电感的原型。图1显示了一个实现的线绕电感的图像。采用绝缘铜线作为线圈,因其导电性高,提高了线圈的质量因数和柔韧性,便于形成线圈。此外,利用微管和聚二甲基硅氧烷(PDMS)实现了内通道。设计的线绕电感为10匝,内径1 mm,线厚0.5 mm。电磁磁芯是由一个1毫米的微管实现。图1a为用于创建微通道模具的微管,图1b、c分别为设备尺寸和使用微通道PDMS完成的线绕电感的尺寸。


新型可调式螺线管电感器,可搭载于小型通信设备上!


图1.(a)制作的带微管绕线感应器样机,(b)完整绕线结构尺寸(c)完整绕线感应器照片图像。


焊线电感器


所实现的导线键合电感如图2所示。线圈结构由两部分组成;在PCB和焊线上的铜痕迹如图2a所示。本工作所使用的PCB为ROGERS4003,介电厚度为0.8 mm,相对介电常数为3.38,损耗正切为0.0027,金属导体厚度为18×m,金属电导率为5.8×10 7 S/m。底座的金属宽度为250棱米,空间为250棱米。焊线为黄金,直径为25微米。


为了利用催化剂改变衬底性能从而改变电感值,将基于PDMS的微通道附着在PCB上,如图2b所示。金属厚度、匝数、匝间间距、匝径规格分别为250×m、10×m、250×m、25×m。


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图2.实现可调谐导线键合电感。(a)制作的线键式螺线管电感的显微照片。(b)用聚二甲基硅氧烷(PDMS)微通道制作的线键螺线管电感的显微照片。


可调谐电感器的特性


制造的绕线和粘接结构电感器包含两个端口连接到网络分析仪,采用超小型的A (SMA)连接器。将网络分析仪的端口连接器校准到端口的末端(校准到被测设备的端口),以消除端口及其对应连接器造成的插入和失配损失。用于这项工作的校准工具是SOLT,它是短的,开放的,负载和通过。线圈绕螺线管电感采用Rogers 4003层压板制作。


此外,为了消除PCB的连接器和线的影响,直到电感的头部,设计和制作了一个SOLT校准工具包使用FR-4 PCB。FR-4层压板是相同的材料用于制造螺旋电感。为此工作制作的校准试剂盒如图3所示。


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图3.(a)电感表征的校准试剂盒。(b)感应器特性的测量装置。


电感器分别在空态和铁磁流体注入通道时进行了测量。测量的s参数数据用于确定电感和质量因子。测量装置,包括用于测量电感和质量因子的网络分析仪和注入工具,如图3所示。首先测量线绕螺线管电感,当其通道是空的。然后将EMG901等铁磁流体逐渐注入通道,直至完全充满。这导致电感持续增加。当通道完全注入时,电感达到最大值。对另外三种不同磁导率和磁饱和度的铁磁流体进行了同样的处理。这两种结构都实现了该方法。


研究结果


在高频结构模拟器(HFSS)中对导线键合螺线管电感进行建模仿真,如图4a所示。可以看到,金属基础是实现在一个ROGERS4003电介质。建议使用相对介电常数3.55进行模拟。线键也被建模,以形成螺线管电感。两个励磁端口作为具有共同参考地的端子。在HFSS电磁仿真工具中设计了两种电感类型的三维螺线管电感。图4b为基础部分的键合线(桥)连接。本工作所使用的PCB为ROGERS4003,介电厚度为0.8 mm,相对介电常数为3.38,损耗正切为0.0027,金属导体厚度为18×107 S/m,金属电导率为5.8×107 S/m。底部的金属宽度为10mL,间距为10mL。焊线为金(Au),直径为25。在通道内注入铁磁流体,测量过程中铁磁流体在通道内保持静止。根据通道中液体的百分比对电感进行了表征。如3.2节所述,当颗粒被磁化时,铁磁流体被建模为固体磁棒。


利用模拟数据,可以得到测量结果与理想溶液之间的误差。图4a、b分别为线绕电感和线键合电感的模拟3D视图。


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图4.高频结构模拟器(HFSS)中设计的电感器3D视图(a)线绕电感器,(b)线键合电感器。


结论


研究人员研究了两种微流控电感结构的可调性:线绕电感和线键电感。采用高渗透性的油基铁流体作为微流体,这种液体通过微通道注入到机器人感应器结构中,以改变其渗透性,从而获得可调电感。对于线绕结构,EMG901铁磁流体在300MHz时的调谐范围最高,为90.6%,同时保持了最好的品质因子。在310mhz时,EMG901铁磁流体的线键结构可实现81%的调谐比,在MEMS过程中具有很高的应用潜力。因此,利用微流控技术可以实现高品质因数的可调谐电感。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/3776/htm


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