DE10006422A1

DE10006422A1 - Mini-Leistungsinduktivitäten

Info

Publication number: DE10006422A1
Application number: DE10006422A
Authority: DE
Inventors: Erich Kaifler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-02-14
Filing date: 2000-02-14
Publication date: 2000-07-20

Abstract

Durch Einsatz von flachen Windungen können die Abmessungen von Induktivitäten für Übertrager, Drosseln, Elektromagnete, Koppler etc. verkleinert werden. Die Bauart kann auch für ICs und in Verbindung mit Sensor-Bauelementen verwendet werden. Die Abmessungen ermöglichen auch den Einsatz von in diesem Sektor heute kaum verwendeten Matarialien hoher Permeabilität. Größere Leistungen können durch Verwendung mehrerer solcher Bauelemente (z. B. Parallelschaltung) erzielt werden. DOLLAR A Schlagworte: DOLLAR A Induktivitäten DOLLAR A Koppler DOLLAR A Drosseln DOLLAR A Geregelte Hubmagnete DOLLAR A Transormatoren DOLLAR A Wegstreckengeber DOLLAR A Sensoren DOLLAR A Galvanische Isolation DOLLAR A Elektromagnete ICs mit galvanisch isolierten Bereichen oder PINs.

Description

1. In vielen Fällen sind jedoch Windungen von Vorteil, die z. B. auf Halbleitern (etwa Silizium etc.) oder Saphir oder einem anderen isolierenden Material (Keramik etc.) einseitig, beidseitig, einschichtig oder mehrschichtig (Abb. 3 und 5) flach aufgebaut sind (Abb. 1). Es kommen dafür eine Reihe von Technologien in Frage, wie z. B. Diffusion, Implantation, Sputtern, Drucken etc. In diesen Techniken sind auch wesentlich kleinere Abmessungen für den Leitungsquerschnitt möglich, wobei heute Höhen (H) bis in den Nanometerbereich und darunter, und Breiten (B) bis in den Mikrometerbereich und darunter machbar sind (Abb. 2). Gleiches gilt für die Isolationsschichten. Es erübrigen sich technisch anspruchsvolle Wickelarbeitsgänge mit sehr dünnen Drähten.

2. Derartige Spulen, einschichtig oder mehrschichtig, können auch Teil eines Integrierten Schaltkreises sein, um z. B. einen galvanisch isolierten Eingang zu ermöglichen oder um einen Umformer auf dem Schaltkreis mit zu integrieren. Durch Bauformen wie in Abb. 1 gezeigt, werden sehr kleine Wege l_Fe und l_L für den Magnetfluß ϕ (Abb. 6) ermöglicht, die für die Induktivität der Spule entsprechend dem Zusammenhang

maßgeblich sind (Abb. 4). Die flache Spulenform ermöglicht für die magnetische Flußdichte "B" trotzdem einen rel. großen Querschnitt "A". Dadurch sind im Vergleich zu herkömmlichen Spulen, bei gleichen Werten bezüglich Induktion, Magnetfluß etc. wesentlich kleinere Abmessungen möglich. Hinzu kommt, daß Materialien mit höherer Permeabilität eingesetzt werden können. In Summe führt dies zu weit kleineren Induktivitäten als heute angeboten. Es entfällt zudem der Spulenkörper. Eine höhere Packungsdichte bei den Windungen ermöglicht auch rel. große Ströme. Ein definierter Luftspalt ist durch die Verwendung von Materialien hoher Permeabilität in Form dünner Schichten oder Folien möglich (Abb. 4).

In Fällen, die noch höhere Leistungen, Ströme etc. voraussetzen (Übertrager etc.), können mehrere der beschriebenen Induktivitäten parallel geschaltet werden.

3. Der Aufbau läßt sich auch als galvanisch isolierter Koppler verwenden (Abb. 5). Die Werte auf der Sekundärseite (U, I etc.) sind entsprechend den Windungszahlen in weiten Grenzen frei wählbar. Die magnetische Kopplung ist aufgrund der hohen Packungsdichte besser als bei Drahtspulen.

4. Ist eine noch engere magnetische Kopplung erwünscht, so ergibt sich wie bei herkömmlichen Verfahren die Möglichkeit eines ferromagnetischen Kreises. Um einen geschlossenen ferromagnetischen Kreis aus diversen Materialien wie z. B. Eisen, Cobalt, Nickel, anisotrope Ferrite, kunststoffgebundene Materialien etc., zu bilden, ist eine Bohrung im Substrat für die Windungen nötig (Abb. 6).

Dadurch ergibt sich zusätzlich zu den geringeren mechanischen Abmessungen der Vorteil, daß die verschiedensten, dem speziellen Verwendungszweck angemessenen Materialien mit z. B. hoher Permeabilität verwendet werden können, was weiter reduzierte Abmessungen bzw. bessere elektrische und magnetische Eigenschaften ermöglicht.

5. Eine Bohrung "B" (Abb. 6) kann jedoch aufwendig und teuer sein. Es wird deshalb oft eine Lösung vorzuziehen sein, die ohne geschlossenen Fe- Magnetkreis auskommt. Dieser techn. Vorgabe kommt der flache Aufbau der Spule entgegen (Abb. 6). Der notwendige Abstand für den Luftspalt (l_L) ist durch das Substrat mit den Windungen (S) gegeben. Bei Verwendung von Halbleitermaterial (z. B. Silizium) kann der Wert z. B. 200 µm betragen. Durch das magnetisch gut leitende Material (M) wird der Magnetfluß geführt.

6. Dabei kann der Magnetkreis auch z. B. durch kunststoffgebundene Materialien hoher Permeabilität geschlossen werden (Spritzguß, Lacke etc.), um teure, eng tolerierte Teile zu vermeiden (Abb. 7).

7. Der Magnetkreis kann beliebig geformt sein. Bei Verwendung eines U- förmigen Teiles sind z. B. auch auf einem Halbleiterchip Induktivitäten mit guten elektrischen und magnetischen Eigenschaften möglich (Abb. 8). Solche Induktivitäten können als Übertrager für die Stromversorgung, als Koppler, Drossel, Spannungswandler etc. verwendet werden.

8. Bei bewegten Teilen ist es oft nötig, einen Meßwert zur Definition der Position zu haben, um über einen Regelkreis entsprechend steuern zu können. Es kann deshalb von Vorteil sein, eine Spule mit einer Lage magnetfeldempfindlichen Materials zu versehen (Abb. 9) - Feldplattenmaterial (InSbINiSb) -. Dieses Material wird mit einer Dicke von z. B. einigen nm verwendet. In den beschriebenen Fällen kann damit die Induktivität mit dem Positionsgeber kombiniert, Miniaturisierung und Regelgenauigkeit etc. verbessern, ohne daß eine Leitungsführung zum bewegten Teil notwendig ist. Die Vormagnetisierung für eine bessere Empfindlichkeit der Feldplatten kann durch die Induktivität erfolgen. Der entsprechende Widerstandswert wird durch die Auswirkung der Position des bewegten, ferromagnetischen Materials überlagert (lateral oder vertikal). Der Sensor kann auch als Differential- Wegstreckengeber oder in Brückenschaltung etc. verwendet werden.

Die beschriebenen Mini-Leistungsinduktivitäten und Sensoren können in Teilen oder auch komplett aus dünnen Schichten oder Folien oder aufgebaut sein.

9. Für größere Wegstrecken können mehrere, der als Elektromagneten ausgelegten Mini-Induktivitäten nebeneinander angeordnet werden (Abb. 11). Durch die, mittels Steuerschaltung abwechselnd eingeschalteten Elektromagnete kann der Anker endlos (z. B. Kreis) vor und zurück bewegt werden.

Stand der Technik

Größere Induktivitäten für Drosseln, Koppler, Transformatoren, Elektromagnete, galvanische Isolationsspulen etc. werden heute meist mittels Kupferdrahtwicklungen und Eisenkernen realisiert. Beide Komponenten führen, zusammen mit dem Wickelkörper, zu unerwünscht großen mech. Abmessungen und zu hohem Gewicht. Hinzu kommt, daß der Eisenkern zur Vermeidung von Wirbelströmen und wegen der besonderen Voraussetzungen an Form und Material geschichtet wird (Schichtkerne, Bandkerne, Bandschichtkerne, z. B. M, -EI, -PU-Kernbleche). Die Montage ist auch bei Kleintransformatoren und Induktivitäten zeitaufwendig und teuer.

Claims

1. Induktivitäten, bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Spulen durch bearbeitete Schichten, z. B. in oder auf Halbleitern oder isolierenden Substraten, hergestellt werden.

2. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen beidseitig aufgebracht sind.

3. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen mehrlagig sind.

4. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit den Windungen in einem geschlossenen ferromagnetischen Kreis liegen (Abb. 4).

5. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener ferromagnetischer Kreis durch eine Aussparung im Substrat realisiert wird (Abb. 6).

6. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um einen geschlossenen ferromagnetischen Kreis mit Luftspalt handelt (Abb. 4).

7. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß für den ferromagnetische Kreis (bzw. Kreis mit Luftspalt) leicht formbare Materialien, z. B. kunststoffgebundene ferromagn. Materialien verwendet werden (Abb. 9).

8. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kreis U-förmig ist (Abb. 9).

9. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität mit einer oder mehreren Feldplatten-Schichten kombiniert wird (Abb. 10 und 11).

10. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten, nach Anspr. 1 bis 8, Teil eines integrierten Schaltkreises sind.

11. Induktivitäten bei denen die Spulen z. B. auf Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß auch der ferromagn. Kreis (mit und ohne Luftspalt) aus dünnen Schichten oder Folien bestehen.