臺灣博碩士論文加值系統

摘要
微型變壓器的應用範圍十分廣泛，舉凡從無線通訊，高頻的IC設計與無線的能量傳輸等等都需要它。但隨著應用的領域不同，對元件的設計與需求，如傳輸的功率、能量可儲存的時間、傳輸距離的遠近、操作的頻段也大不相同。
本研究的目的是研製無線傳能的微型線圈應用於生醫領域。主要的研究項目可以歸納為三大類：元件製程、量測系統建立、利用高頻分析軟體模擬微波的參數特性。研究步驟包括：設計符合環境限制的線圈尺寸與結構、元件的製程規劃與材料的選擇、製程參數的調變與控制、阻抗分析儀與網路分析儀量測、量測平台的設計、模擬軟體的分析與量測值比較。實驗中使用的基材為pyrex 7740，支撐微型變壓器結構的為厚膜光阻SU8，並利用蒸鍍與電鍍銅技術完成線圈主體的製作。
本研究已完成8種尺寸線圈的研製與量測，各為線寬、線距比例為1比1與2比1；線圈匝數為7匝與10匝的線圈。以線寬100 μm、線距100 μm、匝數7匝的線圈為例，製作出線圈的電感值為313 nH，與理論值301 nH約有4 ％的誤差。在操作頻率為20 MHz，且兩相同尺寸的線圈間隔距離為0 mm時，兩線圈可傳遞能量的大小為-8 dB，當兩線圈距離為6.2 mm時，二次側線圈產生感應電壓為一次側的1 %。
本研究資料對進行生醫量測需使用的微型變壓器有妥善的製程規劃與測試結果，並對於判斷二次側線圈後的量測系統所需能量輸入與距離參數調變，有著極大的裨益。

目錄
摘要.……………………………………………………………………Ⅰ
誌謝.……………………………………………………………………Ⅱ
目錄.……………………………………………………………………Ⅲ
圖表索引.………………………………………………………………Ⅳ
第一章：簡介……………………………………………………………1
第二章：文獻回顧………………………………………………………4
2-1：電感相關文獻回顧.………………………………………4
2-2：變壓器相關文獻回顧……………………………………10
2-3：第一代微型變壓器研究回顧……………………………18
2-3-1 第一代線圈結構設計.………………………………18
2-3-2 第一代線圈製程規劃.………………………………19
2-3-3 第一代線圈實驗結果.………………………………20
第三章：實驗原理分析 ………………………………………………22
3-1：電感原理分析……………………………………………22
3-2：變壓器原理分析…………………………………………26
第四章：微型變壓器設計與製程規劃…………………………………30
4-1：微型變壓器元件設計..…………………………………30
4-2：微型變壓器製作流程..…………………………………32
4-3：變壓器的黃光製程………………………………………35
4-4：變壓器的電鍍製程………………………………………39
第五章：實驗結果分析討論 …………………………………………40
5-1：變壓器製程結果分析討論………………………………40
5-2：變壓器的電性與高頻參數之量測………………………57
5-2-1 電性量測設備與方法.………………………………57
5-2-2 電性量測結果與討論 ………………………………60
5-2-3 高頻量測設備與方法.………………………………65
5-2-4 高頻量測結果與討論 ………………………………68
5-2-5 線圈品質因數結果與討論 …………………………73
第六章：模擬結果分析…………………………………………………75
6-1：模擬軟體HFSS之簡介……………………………………75
6-2：HFSS使用的分析方法……………………………………76
6-3：HFSS分析流程……………………………………………77
6-4：HFSS模擬結果……………………………………………84
第七章：結論……………………………………………………………88
7-1：模擬與量測結果比較 ……………………………………88
7-2：本研究成果與貢獻 ………………………………………92
7-3：未來工作項目 ……………………………………………93
附錄 ……………………………………………………………………94
附錄一：電鍍技術分析…………………………………………94
附錄二：阻抗分析儀之量測程式………………………………98
附錄三：阻抗分析儀與網路分析儀之校正資料……………104
附錄四：微型變壓器距離參數調變量測值…………………105
附錄五：微型變壓器反射功率量測之smith chart ………110
附錄六：線圈等效電路Ls、Rs量測值 ………………………113
參考文獻………………………………………………………………121

[1] K. Finkenzeller, “RFID HANDBOOK”Germany,1999;Translated by Rachel Waddington Swadlincote, UK.
[2] Joachim N. Burghartz, “Integrated Multilayer RF Passive in Silicon Technology” Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, 1998. Digest of Papers. 1998, Ann Arbor, MI, USA.
[3] Y. Koutsoyannopoulos, Y. Papananos, S. Bantas, C. Alemanni “Novel Si Integrated Inductor and Transformers Structures
for RF IC design”,ISCAS'99.Proceedings,pp.573 —576,1999, Orlando, FL, USA
[4] Kiat T. Ng, Behzad Rejaei, Tom R. de Kruijff, Mehmet Sonyuer and Joachim N. Burghartz, “Analysis of Generic Spiral-Coil RF Transformers on Silicon” Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, 2000. Digest of Papers. 2000, Garmisch, Germany.
[5] Renato P.Ribas, Jerome Lescot, Jean-Louis Leclercq, Jean Michel Karam and Fabien Ndagijimana “Micromachined Microwave Planar Spiral Inductors and Transformers” ,IEEE Trans. Magn.,Aug.2000
[6] Sunderarajan S. Mohan, C Patrick Yue, Maria del Mar Hershenson, S. Simon Wong, and Thomas H. Lee “Modeling and Characterization of On-Chip Transformers”IEEE Trans .Aug.1998
[7] Yong-Jun Kim and Mark G.Allen, “Surface Micromachined Solenoid Inductors for High Frequency Applications”,IEEE Trans. Magn.,Jan.1998.
[8] 楊逸梅，（2001），微型無線能量與信號傳輸元件之研製，國立清華大學工程與系統科學研究所碩士論文
[9] Ali M. Niknejad, and Robert G. Meyer “Analysis, Design, and Optimization of spiral Inductor and Transformers for Si RF IC”,IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 33, pp. 1470-1482, October 1998.
[10] D. Bonefacic and J. Bartolic “Compact Active Integrated Antenna with Transistor Oscillator and Line Impedance Transformer”,ELECTRONICS LETTERS 31st Aug.,2000, vol.36, pp. 1519-1521.
[11] S.C. Tang, S. Y.(Ron)Hui and Henry Shu-Hung Chung “Coreless Planar Printed-Circuit-Board(PCB) Transformer-A Fundamental Concept for Signal and Energy Transfer” ,IEEE Trans. Magn.,Sep.2000.
[12] L.M. Redondo, E.Margato, J.Fernando Silva “Low-voltage semiconductor topology for kV pulse generation using a leakage flux corrected step-up transformer” ,IEEE Trans. Magn.,Aug.2000.
[13] Demetrios A. Tziousvaras, Vice Chairman, George Alexander and Douglas Dawson ”Mathematical Models for Current, Voltage, and Coupling Capacitor Voltage Transformers” ,IEEE Trans. Magn.,Sep.2000.
[14] U.D. Annakkage, Ming Yu, P.G. McLaren, E. Dirks and A.D. Parker “Simulation of a Differential Current Protection Scheme Involving Multiple Current Transformers” IEEE Trans. Power Delivery,April.2000
[15] 李炳鈞，高頻結構模擬軟體（Ansoft HFSS）進階應用研習會教材，中華民國電腦輔助工程協會，民國九十一年六月。
[16] 張正宏，射頻網路分析儀之原理與實驗，民國八十九年十月二十三日，P2。
[17] James W. Nilsson, Susan A. Riedel “Electric Circuits” fifth edition, 1996, pp.591-604.
[18] HP 4194A Impedance/Gain-Phase Analyzer Operation Manual.
[19] THOMAS H. LEE “THE DESIGN OF CMOS RADIO-FREQUENCY INTEGRATED CIRCUIT”NEW TORK, 1998, pp.47-52.
[20] Arend Zwaneveld ,Jort Wever “Measuring the dielectric
constant and the dielectric losses of SU-8 as a function
of the baking and exposing process at different frequency”
University of Leeds Department of Electronic and Electrical Engineering Institute of Microwaves and photonics ,
February / March 2000.