[发明专利]一种集成微带环行器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及微波技术和微波单片集成电路，具体涉及一种能应用于微波集成电路的集成微带磁性环行器及其制备方法。

背景技术

环行器是微波电路系统中必不可少的器件之一，它可以用作为微波通信中的分路元件；在测试设备中可作为定向耦合器、隔离器；在参量放大器中可提高放大器的增益带宽；在雷达和微波系统中用作双工器。

从环行器发展趋势来看，小型化、高频段、超宽带是今后的发展方向，因而微带环行器成为当前环行器研究的主要对象。就微带环行器来说，要实现小型化需要从减小其横向尺寸和纵向尺寸入手。其中可以通过使用双Y结的金属微带线，高介电常数的基片，连接端口“不用接头”，靠引线或中心导体延伸线与其他电路连接，以及改变引出端方向使结构更紧密，从而减小横向尺寸。而要减小纵向尺寸则可以从减小偏置场永磁体的厚度和基片的厚度这两方面考虑，采用各向异性场内场较大的M型钡铁氧体可以减小偏置场永磁体的厚度，以达到降低环行器纵向尺寸的目的。

但是目前高性能的且能与微波单片集成电路工艺兼容的钡铁氧体薄膜的制备却是个难点。更为重要的是目前微波技术已向毫米波技术发展，而传统的铁氧体器件由于饱和磁化强度低，需要大的偏置磁场才可以工作到更高频段更难满足微波器件小型化、轻量化、集成化的要求。比如饱和磁化强度为1750高斯的钇铁石榴石(YIG)铁氧体材料，其工作频率到16.9GHz需要的外加磁场为5000奥斯特。

由此可见，开发新型自偏置磁性材料是新一代小型化、集成化、轻量化微带环行器的迫切需求。在这方面比利时学者Luc Piraux领导的研究小组做了许多工作，他们利用铁磁金属材料饱和磁化强度高，其铁磁共振频率远高于铁氧体(比如铁金属在没有外加磁场的情况下，其铁磁共振频率为17.2GHz)，为了在微波频率下，解决由于趋肤效应电磁波不能在金属磁性材料中传播的难题，将铁磁金属材料做成线径小于趋肤效应的纳米线阵镶嵌在多孔聚碳酸脂模板中，成功在此基片上制备了工作频率为26GHz的微带环行器。但实验表明，由于聚碳酸脂模板容易与化学溶液发生反应，不能用常规的光刻手段在其上制备器件所用的金属图形层，即Y结，更为重要的是，用这种模板制备的微带环行器，介电损耗大，不与微波单片集成电路工艺兼容。本发明正是正对这种介质基片介电损耗大，不能与微波单片集成电路工艺兼容的缺点而展开工作的。

发明内容

本发明提供一种集成微带环行器及其制备方法，所述集成微带环行器基于与微波集成电路工艺兼容新型的自偏置磁性介质，具有更小的体积和质量，具有更高的工作频率，其制备方法可与微波集成电路工艺相兼容。

本发明技术方案如下：

一种集成微带环行器，如图1所示，包括5层结构，从下往上依次是微波介质基片1、金属底电极2、纳米线铁磁复合介质3、绝缘层4和微带环行器Y结5；其中，所述纳米线铁磁复合介质3是一种包括铁磁金属31和三氧化二铝32的复合微波介质，其中所述三氧化二铝32是由金属铝经阳极氧化工艺形成的、具有纳米孔洞的多孔结构；所述铁磁金属31经电镀工艺填充于三氧化二铝32的纳米孔洞中。

上述方案中，所述铁磁金属31可以是单质金属强磁性材料铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)；也可以是各种配方的合金永磁材料FeCo、FeNi、FePt、CoPt或SmCo，其配方比由集成微带环行器的所需工作频率决定。

上述方案中，所述金属底电极2的材料可采用金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)。

上述集成微带环行器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在普通微波介质基片1沉积金属底电极2；金属底电极2材料为金(Au)、银(Ag)、或铜(Cu)。

步骤2：在金属底电极2表面制备纳米线铁磁复合介质3，具体包括：

步骤2-1：在金属底电极2表面沉积金属铝膜；

步骤2-2：对步骤2-1所沉积的金属铝膜进行阳极氧化处理，使铝膜氧化为具有纳米孔洞的、多孔结构的三氧化二铝。

步骤2-3：通过电镀工艺，在三氧化二铝的纳米孔洞中填充铁磁金属31，形成纳米线铁磁复合介质3；所述铁磁金属31可以是单质金属强磁性材料铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)；也可以是各种配方的合金永磁材料FeCo、FeNi、FePt、CoPt或SmCo，其配方比由集成微带环行器所需工作频率决定其配方比由集成微带环行器的工作频率决定。

步骤3：对步骤2所得纳米线铁磁复合介质3进行表面研磨处理，使纳米线铁磁复合介质3表面光滑、平整。

步骤4：在经步骤3表面研磨处理后的纳米线铁磁复合介质3表面沉积绝缘层4。