本发明属于无源电子器件技术领域，涉及一种基于同轴硅通孔的三维变压器。
背景技术：
三维集成电路就是将多个同质、异质的芯片或电路模块在垂直方向堆叠起来，并利用硅通孔(through-silicon-via,tsv)实现不同层器件之间的电学连接,共同完成一个或多个功能,从而有效缩短全片内互连线的长度，并提高了器件密度。在三维集成电路中出于应力平衡、屏蔽噪声、散热等存在大量的冗余硅通孔。这些冗余硅通孔通常被用来制作射频无源器件，如：电感、电容、变压器和滤波器。占用芯片面积小是基于硅通孔的三维器件的一个显著优势，这也使得其在高集成度集成电路中具有应用潜力，因此在国内外得到了广泛的研究。传统的片式变压器为平面或者叠层结构，占用芯片面积较大，影响了高密度射频集成电路的集成度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于同轴硅通孔的三维变压器，解决了现有传统的片式变压器为平面或者叠层结构，占用芯片面积较大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于同轴硅通孔的三维变压器，包括硅衬底层，硅衬底层中设置有2×n的同轴硅通孔阵列，硅衬底层的一端连接有顶部介质层，另一端连接有底部介质层。
每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱，介质层，外侧环形金属以及绝缘层。
顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层，以及顶部第二金属层。
底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层，以及底部第一金属层。
顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端，同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属，构成了变压器的初级线圈。
顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端，同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属，构成变压器的次级线圈。
变压器的初级线圈设置有portp1、portp2两个端口，变压器的次级线圈设置有ports1、ports2两个端口，端口portp2、ports1、ports2的位置始终保持不变，通过调整portp1的位置可改变初级线圈的匝数，通过改变每列硅通孔的数量n来改变次级线圈的匝数。
端口portp1和ports2接地，端口ports1和portp2作为变压器的输入输出端口，输入输出端口位于变压器的两侧。
顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱以及外侧环形金属选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
本发明的有益效果是，同轴硅通孔的采用，使得本发明所需使用的硅通孔数量仅为2n,实现了小的芯片占用面积，这对提高射频电路的集成度是有利的。同时使用同轴硅通孔可以提高初级线圈与次级线圈之间的耦合，使变压器具有更低的损耗，改善了变压器的电学性能。
附图说明
图1为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的三维视图。
图2为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的顶部视图。
图3为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的局部连接视图。
图中，1.portp1,2.portp2，3.ports1，4.ports2，5.顶部第一金属层，6.顶部第二金属层，7.底部第一金属层，8.底部第二金属层，9.中心金属柱，10.介质层，11.外侧环形金属，12.绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种基于同轴硅通孔的三维变压器，如图1所示包括硅衬底层，硅衬底层中设置有2×n的同轴硅通孔阵列，硅衬底层的一端连接有顶部介质层，另一端连接有底部介质层。
如图2所示，每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱9，介质层10，外侧环形金属11以及绝缘层12。
顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层5，以及顶部第二金属层6。
底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层8，以及底部第一金属层7。
顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端，同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属，构成了变压器的初级线圈。
顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端，同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属，构成变压器的次级线圈。
变压器的初级线圈设置有portp11、portp22两个端口，变压器的次级线圈设置有ports13、ports24两个端口，端口portp22,ports13，ports24的位置始终保持不变，通过调整portp11的位置可改变初级线圈的匝数，通过改变每列硅通孔的数量n来改变次级线圈的匝数。
如图3所示，端口portp11和ports24接地，端口ports13和portp22作为变压器的输入输出端口，输入输出端口位于变压器的两侧。
顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱9以及外侧环形金属11选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层10由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层12使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
基于同轴硅通孔的三维变压器从器件结构来看，包括：
位于器件中部的硅衬底层，硅衬底层中制作有2×n的同轴硅通孔阵列，每个同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱，介质层，外侧环形金属以及绝缘层；
位于硅衬底层之上的顶部介质层，顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层，以及顶部第二金属层；
位于硅衬底层之下的底部介质层，底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层，以及底部第一金属层。
顶部第一金属层，同轴硅通孔的外侧环形金属，底部第一金属依次连接，构成了变压器的初级线圈。
顶部第二金属层，同轴硅通孔的中心金属柱，底部第二金属依次相连，构成变压器的次级线圈。
变压器的初次级线圈都有两个端口，分别为portp1,portp2,ports1，ports2。
端口portp2,ports1，ports2的位置始终保持不变，通过调整portp1的位置可改变初级线圈的匝数，通过改变每列硅通孔的数量n来改变次级线圈的匝数,从而实现具有不同匝数比的变压器。
变压器工作时，端口portp1，ports2接地，端口ports1，portp2作为变压器的输入输出端口，输入输出端口位于变压器的两侧，便于与外电路连接。
本事实例中，顶部、底部介质层可使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱以及外侧环形金属可选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层可由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；金属互联线使用的材料为铜或铝。
1.一种基于同轴硅通孔的三维变压器，其特征在于，包括硅衬底层，硅衬底层中设置有2×n的同轴硅通孔阵列，硅衬底层的一端连接有顶部介质层，另一端连接有底部介质层。
2.根据权利要求1所述的一种基于同轴硅通孔的三维变压器，其特征在于，每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱(9)，介质层(10)，外侧环形金属(11)以及绝缘层(12)。
3.根据权利要求2所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层(5)，以及顶部第二金属层(6)。
4.根据权利要求3所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层(8)，以及底部第一金属层(7)。
5.根据权利要求4所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端，同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属，构成了变压器的初级线圈。
6.根据权利要求5所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端，同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属，构成变压器的次级线圈。
7.根据权利要求6所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述变压器的初级线圈设置有portp1(1)portp2(2)两个端口，变压器的次级线圈设置有ports1(3)，ports2(4)两个端口，端口portp2(2),ports1(3)，ports2(4)的位置始终保持不变，通过调整portp1(1)的位置可改变初级线圈的匝数，通过改变每列硅通孔的数量n来改变次级线圈的匝数。
8.根据权利要求7所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述端口portp1(1)和ports2(4)接地，端口ports1(3)和portp2(2)作为变压器的输入输出端口，输入输出端口位于变压器的两侧。
9.根据权利要求4所述的一种基于tsv的嵌套式变压器，其特征在于，所述顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱(9)以及外侧环形金属(11)选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层(10)由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层(12)使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
技术总结