专利名称：微机械变压器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机械变压器及其制作方法，属于智能微型器件领域。
背景技术：
近二十年来，微机电系统(M五MS)技术取得了飞速发展。目前的一个研究趋势是系统级芯
片C^欲m o" a cfe;p， soc)，将各种微传感器、微制动器、控制电路、通讯系统以及能源系统
集成在单个芯片上，来提高系统性能、有效降低系统体积和制造成本。其中能源系统至关重 要，为其他组件提供工作所需的能量。变压器是一种重要的电压转换元件，在能源系统中有 着广泛应用。
现有的基于MEMS技术的微机械变压器都是电感耦合式的。利用电磁感应原理，采用主 /次线圈配置结构。线圈既有平面螺旋形的("^ Co"/ o" Micro Jkfec/z朋/ca/
Co< fEC7r」，2005， 7953-7957)，也有三维螺线管形的(乂 Mfcroe/ecfTOwec/z. Sj^.， ，05, 朋6-W; '/ ￡/ecfra" Dev/c^ Meering (7五1XM义2卵(5， /取7-4)。然而，电感耦合式的微机械变压 器不仅结构设计复杂、占用较大芯片面积。对于三维螺线管形而言，其制作工艺也相当困难。
发明内容
为了克服现有的电感耦合式微机械变压器在结构设计、体积、制作工艺等方面的不足， 本发明提出了一种新型的微机械变压器及其制作工艺。该变压器采用电容耦合方式，利用静 电感应工作原理。
参阅图l，本发明提出的微机械变压器包括第一导体1、第二导体2、第三导体3、基底 4和锚点6;第三导体3位于基底4上，与外界地相连；第一导体l与第二导体2均通过锚点 6悬置于基底4上，第一导体1输入电压P^，第二导体2输出感应电压K"&。第一导体l、 第二导体2与第三导体3两两之间构成平板电容。
多级变压器，作为本发明提出的微机械变压器的特例，由更多通过锚点6悬置于基底4 上的导体构成，任一悬置导体与第三导体3之间、相邻两悬置导体之间均构成平板电容。
第一导体l、第二导体2、第三导体3分别通过输入焊盘8、输出焊盘9、接地焊盘7与 外界相连。 '
第一导体1和第二导体2的材料为半导体导电材料。
参阅图2，为本发明提出的微机械变压器的等效电路模型，第一导体1与第二导体2、第一导体1与第三导体3以及第二导体2与第三导体3之间的等效电容分别记为C/2、Cu和C力。
则根据基本的电路原理，可知感应电压K，^c和输入电压J^之间的关系如公式(l)所示
L =~^~J7 (1)
Ci2 +^23
其中，系数 Q2 为微机械变压器的电压转换率。
C12 + C23
参阅图3，本发明提出的微机械变压器的制作方法包括如下步骤 步骤l:在基底4的表面生长一层金属薄膜，并刻蚀出图形，形成第三导体3; 步骤2:在结构材料5的一侧刻蚀出锚点6;
步骤3:将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点6键合在一起，并将结构材料5减薄至所 需厚度；
步骤4:对结构材料5进行刻蚀，得到第一导体1和第二导体2，形成微机械变压器。
本发明提出的新型微机械变压器具有结构设计简单、工艺成熟、体积小等优点，同时很 容易扩展成多级变压器，在设计片上型多输出、复杂能源系统领域具有较好的应用前景
图l本发明提出的微机械变压器的基本结构原理图
图2本发明提出的微机械变压器的等效电路模型 图3本发明提出的微机械变压器的制作工艺流程 图4实施例1中的微机械变压器结构示意图 图5实施例2中的微机械变压器结构示意图 图6实施例2中的微机械变压器的等效电路模型 图7实施例2中的微机械变压器的制作工艺流程
其中1 _第一导体；2 _第二导体；3 —第三导体；4 一基底；5 —结构材料；6 — 锚点；7 —接地焊盘；8 —输入焊盘；9 一输出焊盘；10 —输出焊盘；11 —第四导 体
具体实施方式
， 实施例1
参阅图4，本实施例中的微机械变压器的基本结构由第一导体l、第二导体2、第三导体 3、基底4和锚点6组成；第三导体3位于基底4上，通过接地焊盘7与外界地相连；第一导体1与第二导体2均通过锚点6悬置于基底4上，第一导体1由输入焊盘8输入电压K ，第 二导体2由输出焊盘9输出感应电压J^^c。第一导体l、第二导体2与第三导体3两两之间 构成平板电容；基底4材料为玻璃。
参阅图2，为本实施例提出的微机械变压器的等效电路模型，第一导体1与第二导体2、 第一导体1与第三导体3以及第二导体2与第三导体3之间的等效电容分别记为Cu、 Cu和 C23。则根据基本的电路原理，可知感应电压K油c和输入电压^之间的关系如公式(2)所示
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，系数 。12 为微机械变压器的电压转换率。 C[2 + C23
参阅图3，本实施例中的微机械变压器的制作方法包括如下步骤 步骤l:在玻璃基底4的表面生长一层金膜，并刻蚀出图形，形成第三导体3、接地焊盘7、 输入焊盘8和输出焊盘9;
步骤2:在掺杂硅结构材料5的一侧刻蚀出10pm高的锚点6;
步骤3:将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点6键合在一起，并将掺杂硅结构材料5减 薄至30)irn厚；
步骤4:对掺杂硅结构材料5进行刻蚀，得到第一导体1和第二导体2，形成微机械变压器。 实施例2
参阅图5，本实施例中的微机械变压器为双级结构，由第一导体l、第二导体2、第四导 体ll、第三导体3、基底4和锚点6组成。第三导体3位于基底4上，通过接地焊盘7与外 界地相连；第一导体l、第二导体2与第四导体11均通过锚点6悬置于基底4上，第一导体 1由输入焊盘8输入电压^，第二导体2由输出焊盘9输出感应电压Fw^，第四导体ll由 输出焊盘10输出感应电压K涵c2。第一导体l、第二导体2、第四导体ll与第三导体3两两 之间构成平板电容。基底4材料为硅。
参阅图6，为本实施例提出的微机械变压器的等效电路模型，第一导体1与第二导体2、 第一导体1与第三导体3、第二导体2与第三导体3、第二导体2与第四导体11以及第四导 体11与第三导体3之间的等效电容分别记为C72、 C/3、 C23、 C2/和C/.3。则根据基本的电路 原理，可知第1级感应电压J^rf^和输入电压^之间的关系如公式(3)所示
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，系数 Q2 为微机械变压器的第l级电压转换率。 C12 +c23第2级感应电压F,ww和输入电压F,"之间的对应关系如公式(4)所示
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，系数 ^!'为微机械变压器的第2级电压转换率。<formula>formula see original document page 6</formula>
参阅图7，本实施例中的微机械变压器的制作方法包括如下步骤 步骤l:在硅基底4的表面生长一层铝膜，并刻蚀出图形，形成第三导体3、接地焊盘7、输 入焊盘8、输出焊盘9和输出焊盘10;
步骤2:在导电砷化镓结构材料5的一侧刻蚀出15pm高的锚点6;
步骤3:将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点6键合在一起，并将导电砷化镓结构材料5 减薄至5(^m厚；
步骤4:对导电砷化镓结构材料5进行刻蚀，得到第一导体l、第二导体2和第四导体11，
形成两级微机械变压器。
权利要求
1.一种微机械变压器，其特征在于包括第一导体(1)、第二导体(2)、第三导体(3)、基底(4)和锚点(6)；所述的第三导体(3)位于基底(4)上，与外界地相连；第一导体(1)与第二导体(2)均通过锚点(6)悬置于基底(4)上，第一导体(1)输入电压，第二导体(2)输出感应电压；第一导体(1)、第二导体(2)与第三导体(3)两两之间构成平板电容。
2. —种如权利要求1所述的微机械变压器，其特征在于所述的变压器还包括更多通过锚点(6)悬置于基底(4)上的导体，任一悬置导体与第三导体(3)之间、相邻 两悬置导体之间均构成平板电容。
3. —种如权利要求1所述的微机械变压器，其特征在于所述的第一导体(1)通过输 入焊盘(8)与外界地相连；所述的第二导体(2)通过输入焊盘(8)输入电压；所 述的第三导体(3)通过接地焊盘(7)输出感应电压。
4. 一种如权利要求1任一所述的微机械变压器，其特征在于所述的第一导体(1)和第二导体(2)的材料为半导体导电材料。
5. —种制作如权利要求1所述的微机械变压器的制作方法，其特征在于包括以下步 骤步骤l:在基底(4)的表面生长一层金属薄膜，并刻蚀出图形，形成第三导体 (3);步骤2:在结构材料(5)的一侧刻蚀出锚点(6);步骤3:将由步骤1和步骤2得到的结构通过锚点(6)键合在一起，并将结构材 料(5)减薄至所需厚度；'步骤4:对结构材料(5)进行刻蚀，得到第一导体(1)和第二导体(2)，形成 微机械变压器。
全文摘要
本发明公开了一种微机械变压器及其制作方法，属于智能微型器件领域。该微机械变压器的第三导体3位于基底4上，与外界地相连；第一导体1与第二导体2均通过锚点6悬置于基底4上，第一导体1输入电压V<sub>in</sub>，第二导体2输出感应电压V<sub>induc</sub>。各导体两两之间构成平板电容。此外，该变压器还可以通过更多悬置导体的形式得到多级变压器。该微机械变压器可以通过以下工艺过程得到基底上生长薄膜、刻蚀、结构材料上刻蚀锚点、键合、减薄、刻蚀结构材料。本发明提出的新型微机械变压器具有结构设计简单、工艺成熟、体积小等优点，同时很容易扩展成多级变压器，在设计片上型多输出、复杂能源系统领域具有较好的应用前景。
文档编号B81B7/02GK101538003SQ200910022029
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者乔大勇, 苑伟政, 虞益挺 申请人:西北工业大学