本論文致力於設計具高品質因子(High-quality-factor)之懸浮式微型電感器，並建立元件的等效電路模型，以進一步完成最佳化設計。此外，利用兩套商業軟體(Ansoft HFSS及Agilent ADS)分析各項幾何參數及基板材料對電感器品質因子的影響。本論文所設計之懸浮式微型電感器主要是由GSG底電極、支撐銅柱及懸浮式螺旋銅導線等三部份所構成。
由本研究的模擬結果可知，懸浮式微型電感器的品質因子將隨著懸浮高度、懸浮銅導線的厚度及寬度增加而上升，且隨著懸浮銅導線的圈數、線寬及外徑增加而下降；不同形狀的螺旋銅導線對微型電感器品質因子的影響也將在此論文中討論。本論文之模擬結果大致上皆能與理論預測值吻合。
最後，本論文以模擬結果為基礎，成功建立方型與圓型懸浮式微電感器之電感值經驗公式，以快速預測元件的電感值；與模擬結果及實際量測結果比較，該公式之精準度可分別高達到94-95%與90%。

This paper aims to design a high-quality-factor suspending micro-inductor and to establish its equivalent circuit model for performance optimization. Two commercial software (Ansoft HFSS and Agilent ADS) are adopts to analysis the influences of quality factor on the geometric parameters and substrate materials. The designed micro-inductors are constructed by one bottom GSG electrode, two supporting copper vias and a spiral suspending copper conducting layer.
As the simulated results of this research, the quality factor of the suspending micro-inductor is increased with the height of air gap, the thickness and width of suspending copper conducting layer and decrease with the number of turns, line space and outer diameter of suspending copper conducting layer. The influences of different shapes of the spiral suspending copper conducting layers on the quality factor of micro-inductors were also investigated. The simulation results well match to the theoretical prediction.
Finally, this thesis has successfully derived two experiential formulas based on the analysis results to estimate quickly the inductance of the suspending micro-inductors with circular and square shape. Compared with the simulation results and realistic measurement results, these experiential formulas demonstrate 94-95% and 90% accuracies respectively.

目錄
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI

第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 3
1-3 研究動機及目的 4
1-4 論文架構 5
第二章 懸浮式微型電感器之理論介紹 7
2-1 螺旋電感器之理論介紹 7
2-2 螺旋電感器之等效電路模型 8
2-2-1 串聯電感 9
2-2-2 串聯電阻 12
2-2-3 寄生電容 13
2-2-4 基材寄生效應 14
2-3 螺旋電感器之品質因子 16
2-4 螺旋電感器之自我共振頻率 19
2-5 螺旋電感器的損耗 21
2-5-1 金屬導線的損耗 21
2-5-2 接近效應的損耗 22
2-5-3 矽基材的損耗 23
2-5-4 輻射性的損耗 24
第三章 懸浮式微型電感器之設計與模擬 25
3-1 建立模型之重要性 25
3-2 懸浮式微型電感器之設計流程 27
3-2-1 設計流程 27
3-2-2 設計平台 28
3-3 懸浮式微型電感器之結構設計 29
3-4 懸浮式微型電感器之模擬參數設定 30
3-5 懸浮式微型電感器之光罩設計 33
3-6 去埋入(De-embedded)介紹 35
第四章 結果與討論 37
4-1 幾何與材料參數對元件特性之影響分析 37
4-1-1 外徑模擬結果分析 37
4-1-2 線寬模擬結果分析 39
4-1-3 線距模擬結果分析 41
4-1-4 圈數模擬結果分析 43
4-1-5 懸浮高度模擬結果分析 45
4-1-6 電感器導線厚度模擬結果分析 47
4-1-7 電感器外形模擬結果分析 49
4-1-8 基板材料模擬結果分析 51
4-2 懸浮式微型電感器之電感值經驗公式的建立 53
4-3 經驗公式與模擬結果及量測結果之驗證 59
第五章 結論與建議 62
5-1 結論 62
5-2 建議 65
參考文獻 67

圖目錄
圖1-1 無線通訊系統之RF前端模組 2
圖1-2 外接式被動元件之系統圖 3
圖2-1 螺旋電感器電路模型： (a)剖面示意圖；(b)等效電路圖 8
圖2-2 方形螺旋電感示意圖 9
圖2-3 (a)不重疊之兩導線；(b)部分重疊之兩導線；(c)完全重疊之兩導線 11
圖2-4 懸浮式微型電感器之等效電路圖： (a)Port2未接地； (b)Port2接地 17
圖2-5 懸浮式微型電感器頻率響應： (a)電感值與頻率關係圖；(b)史密斯圖 20
圖2-6 肌膚效應示意圖 22
圖2-7 接近效應示意圖 23
圖2-8 基板損耗示意圖 24
圖3-1 懸浮式微型電感器之設計流程圖 28
圖3-2 懸浮式微型電感器之結構設計圖 29
圖3-3 螺旋電感器之：(a)上平面佈局設計圖；(b)側視結構設計圖 30
圖3-4 電感佈局mesh分割示意圖 32
圖3-5 三種不同形狀之螺旋電感器： (a)圓形； (b)八角形；(c)方形 33
圖3-6 懸浮式微型電感器之製程光罩圖：(a)光罩#1：定義懸浮式微電感之底電極；(b)光罩#2：定義懸浮式微電感之銅柱；(c)光罩#3：定義懸浮式微電感之圖形；(d)懸
浮式微型電感器之完整光罩佈局圖 34
圖3-7 (a) 懸浮式微型電感器之佈局圖；(b) GSG探針墊佈局圖 35
圖3-8 模擬時之懸浮式微型電感器與GSG探針墊並聯示意圖 36
圖3-9 去埋入法(De-embedding)模型示意圖 36
圖4-1 玻璃基板中方形螺旋電感外徑模擬結果：(a) 電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c) 品質因子與頻率關係圖 38
圖4-2 玻璃基板中方形螺旋電感線寬模擬結果：(a) 電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 40
圖4-3 玻璃基板中方形螺旋電感線距模擬結果：(a)電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 42
圖4-4 玻璃基板中方形螺旋電感圈數模擬結果：(a)電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 44
圖4-5 玻璃基板中方形螺旋電感懸浮高度模擬結果： (a)電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 46
圖4-6 玻璃基板中方形螺旋電感厚度模擬結果：(a)電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 48
圖4-7 玻璃基板中方形螺旋電感外形模擬結果：(a)電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 50
圖4-8 玻璃基板中方形螺旋電感外形模擬結果：(a)電感值與頻率關係圖；(b)串聯電阻值與頻率關係圖；(c)品質因子與頻率關係圖 52
圖4-9 懸浮式微電感器高頻特性量測系統 59
圖4-10 四個不同尺寸之螺旋電感器之模擬與量測結果比較圖：(a) type A；(b) type B；(c) type C；(d) type D 61

表目錄
表3-1 矽基板上懸浮式微型電感器的模擬參數 31
表3-2 玻璃基板上懸浮式微型電感器的模擬參數 31
表3-3 HFSS中模擬參數設定比較表 32
表4-1 玻璃基板中方形螺旋電感外徑模擬數據 38
表4-2 玻璃基板中方形螺旋電感線寬模擬數據 40
表4-3 玻璃基板中方形螺旋電感線距模擬數據 42
表4-4 玻璃基板中方形螺旋電感圈數模擬數據 44
表4-5 玻璃基板中方形螺旋電感懸浮高度模擬數據 46
表4-6 玻璃基板中方形螺旋電感器厚度模擬數據 48
表4-7 玻璃基板中螺旋電感外形模擬數據 50
表4-8 各基板材料中方形螺旋電感模擬數據 52
表4-9 方形懸浮式微型電感器之模擬數據：(a)矽基板；(b)玻璃基板 55
表4-10 方形懸浮式微型電感器之電感值公式誤差比較 56
表4-11 圓形懸浮式微型電感器之模擬數據：(a)矽基板；(b)玻璃基板 56
表4-12 圓形懸浮式微型電感器之電感值公式誤差比較表57
表4-13 模擬參數變化誤差值驗證表 58
表4-14 模擬與量測結果比較表 60
表4-15 經驗公式與量測之電感值比較表 60

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