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DE102007024908A1 - Tunable inductor and use of the device - Google Patents

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DE102007024908A1
DE102007024908A1 DE200710024908 DE102007024908A DE102007024908A1 DE 102007024908 A1 DE102007024908 A1 DE 102007024908A1 DE 200710024908 DE200710024908 DE 200710024908 DE 102007024908 A DE102007024908 A DE 102007024908A DE 102007024908 A1 DE102007024908 A1 DE 102007024908A1
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Germany
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ferrite layer
multilayer body
ferrite
coil
permeability
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DE200710024908
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German (de)
Inventor
Dieter GÖTSCH
Richard Dr. Matz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Publication date
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Priority to PCT/EP2008/055445 priority patent/WO2008145478A2/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein abstimmbares induktives Bauelement, aufweisend mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper mit mindestens einer Ferritschicht mit ferritischem Material und mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule. Dabei ist eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist und ein Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann. Das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung ist beispielsweise ein integriertes Piezoelement. Verwendung findet das abstimmbare induktive Bauelement in Filter- oder Oszillatorschaltungen. Das Bauelement kann auch als Drucksensor zum Einsatz kommen.The invention relates to a tunable inductive component, comprising at least one ceramic multilayer body having at least one ferrite layer with ferritic material and at least one coil integrated in the volume of the multilayer body. In this case, a permeability of the ferrite layer is dependent on a mechanical stress acting on the ferrite layer, the coil integrated in the volume of the multilayer body such that an inductance of the coil is dependent on the permeability of the ferrite layer and a means for transmitting the mechanical stress to the ferrite layer present, so that the permeability of the ferrite layer can be adjusted. The means for transmitting the mechanical stress is, for example, an integrated piezoelectric element. Use finds the tunable inductor in filter or oscillator circuits. The component can also be used as a pressure sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein abstimmbares induktives Bauelement. Daneben wird eine Verwendung des Bauelements angegeben.The The invention relates to a tunable inductive component. Besides a use of the device is specified.

In einer elektronischen Schaltung der Leistungselektronik oder der Hochfrequenztechnik spielen induktive Bauelemente im Verbund mit kapazitiven Bauelementen eine wichtige Rolle. Die elektronische Schaltung ist beispielsweise ein Schwingkreis, ein Frequenzfilter, ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk oder eine Ladungspumpe.In an electronic circuit of the power electronics or the High-frequency technology is used in conjunction with inductive components capacitive components an important role. The electronic Circuit is, for example, a resonant circuit, a frequency filter, an impedance matching network or a charge pump.

Eine derartige elektronische Schaltung können mit jeweils einem festen Wert der induktiven und der kapazitiven Bauelemente grundsätzlich nur für einen begrenzten Frequenzbereich (feste Frequenzcharakteristik) optimal ausgelegt werden. Eine elektronische Schaltung mit veränderlicher Frequenzcharakteristik wäre aber allein aus Kostengründen begrüßenswert.A Such electronic circuit can each with a fixed value of the inductive and capacitive components in principle only for a limited frequency range (fixed frequency characteristic) optimally designed. An electronic circuit with variable Frequency characteristic would be but only for cost reasons welcomed.

Dazu gibt es Schaltungselemente mit abstimmbaren elektrischen Kenngrößen. Ein derartiges Schaltungselement ist beispielsweise eine abstimmbare (regelbare) Induktivität (Variometer). Ein derartiges Variometer besteht beispielsweise aus zwei ineinander liegenden elektrisch hintereinander geschalteten zylinderförmige Spulen. Eine Spule verfügt über eine Drahtwicklung. Die Drahtwicklung weist eine Anzahl von Windungen eines elektrischen Leiters zur Erzeugung eines magnetischen Flusses mittels des im elektrischen Leiter fließenden Stromes auf. Die Drahtwicklung dient auch der Erzeugung einer Spannung durch Änderung der magnetischen Induktion in der Drahtwicklung.To There are circuit elements with tunable electrical characteristics. Such a circuit element is for example a tunable (controllable) inductance (variometer). Such a variometer for example, consists of two nested electrical one after the other connected cylindrical coils. A Coil has a wire winding. The wire winding has a number of turns of an electrical conductor for generation a magnetic flux by means of flowing in the electrical conductor Electricity on. The wire winding also serves to generate a voltage by changing the magnetic induction in the wire winding.

Die innere der beiden Spulen kann zum Beispiel drehbar gelagert sein. Ein Maximum einer Gesamtinduktion wird dann erreicht, wenn die Windungsebenen der Windungen der beiden Spulen parallel und gleichsinnig vom Strom durchflossen werden. Fließen dagegen bei einer derartigen Anordnung der Spulen die Ströme gegenläufig, heben sich die resultierenden Induktivität der Spulen gegenseitig auf. Die Gesamtinduktion nimmt einen Minimalwert an. Ebenso würde eine relative koaxiale Verschiebung beider Spulen eine Änderung der Gesamtinduktion mit sich bringen.The inner of the two coils may be rotatably supported, for example. A maximum of total induction is achieved when the winding planes the windings of the two coils in parallel and in the same direction of the current be flowed through. Flow against it in such a Arrangement of the coils, the currents in opposite directions, lift the resulting inductance of the coils mutually on. The total induction assumes a minimum value. Likewise a relative coaxial displacement of both coils is a change in the Entail total induction.

Ein dazu alternatives Variometer besteht aus zylinderförmigen Spulen, in deren Inneren jeweils ein Kern aus ferromagnetischem Kernmaterial angeordnet ist. Ein Kern einer Spule dient einer Vergrößerung der magnetischen Induktion. Das ferromagnetische Kernmaterial weist dazu, wie beispielsweise bei einem Ferrit, eine hohe Permeabilität auf. Alternativ dazu ist das ferromagnetische Kernmaterial elektrisch gut leitend. Dieses Kernmaterial ist ein Metall wie Kupfer und Aluminium. Durch eine axiale Bewegung der Kerne wird der magnetische Fluss vergrößert oder verkleinert.One this alternative variometer consists of cylindrical Coils, in each case inside a core of ferromagnetic Core material is arranged. A core of a coil serves to enlarge the magnetic induction. The ferromagnetic core material has to such as a ferrite, a high permeability on. Alternatively, the ferromagnetic core material is electrical good conductor. This core material is a metal such as copper and aluminum. An axial movement of the cores causes the magnetic flux enlarged or reduced.

Bezüglich der Ferrite ist aus H. Meuche, D. Lange, A. H. Nguyen, "The Impact of Pressure an Ferrits", EPCOS Components 3/2005, Seiten 35–38 , bekannt, dass die Permeabilität von Ferriten von einer auf das Ferrit einwirkenden mechanischen Spannung (Druck) abhängig ist.Regarding the ferrite is out H. Meuche, D. Lange, AH Nguyen, "The Impact of Pressure on Ferrite", EPCOS Components 3/2005, pages 35-38 It is known that the permeability of ferrites depends on a mechanical stress (pressure) acting on the ferrite.

Die oben dargestellten Ausführungsformen des Variometers sind aufgrund der Verwendung von makroskopischen, mechanischen Komponenten, die für die axiale Bewegung der Spulen oder Kerne notwendig sind, nur begrenzt geeignet für eine Miniaturisierung.The Embodiments of the variometer are shown above due to the use of macroscopic, mechanical components, which are necessary for the axial movement of the coils or cores, only limited suitable for miniaturization.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kompaktes, abstimmbares induktives Bauelement zur Verfügung zu stellen, das für eine Miniaturisierung geeignet ist.task It is the object of the present invention to provide a compact, tunable inductive To provide a component that is suitable for a Miniaturization is suitable.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein abstimmbares induktives Bauelement angegeben, aufweisend mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper mit mindestens einer Ferritschicht mit ferritischem Material und mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule. Dabei ist eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist und ein Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann.to The solution to the problem becomes a tunable inductive component indicated, comprising at least one ceramic multilayer body with at least one ferrite layer of ferritic material and at least a coil integrated in the volume of the multilayer body. In this case, a permeability of the ferrite layer is dependent from a mechanical stress acting on the ferrite layer, the coil is integrated in the volume of the multilayer body in such a way, that an inductance of the coil of the permeability the ferrite layer is dependent and a means for transmitting the mechanical stress is present on the ferrite layer, so that the permeability of the ferrite layer can be adjusted can.

Durch die Ausnutzung des Effekts der Druckabhängigkeit der Permeabilität von Ferriten wird die Induktivität des Bauelements variiert. Dabei wird folgender Zusammenhang ausgenutzt (vgl. H. Meuche et al. ):

Figure 00030001
By utilizing the effect of the pressure dependence of the permeability of ferrites, the inductance of the device is varied. The following relationship is exploited (cf. H. Meuche et al. ):
Figure 00030001

Dabei bedeuten ϭ die mechanische Spannung (Druck), μ(0) die Permeabilität bei keiner mechanischen Spannung. Hinter k verbirgt sich eine materialspezifische Größe. Bei einem Druck von einigen 10 MPa kann die Veränderung μ(ϭ) – μ(0) der Permeabilität der Ferritschicht einige 10% betragen.there mean ϭ the mechanical stress (pressure), μ (0) the permeability at no mechanical stress. Behind k hides a material-specific size. At a pressure of some 10 MPa, the change μ (ϭ) - μ (0) the permeability of the ferrite layer be some 10%.

Die Ferritschicht fungiert als Ferritkern der Spule. Der ferromagnetische Kern beeinflusst essentiell den magnetischen Fluss der Spule. Gegenüber einer baugleichen Spule, die sich an der Luft befindet, liegt die Induktivität in erster Näherung um den Faktor der Permeabilität der Ferritschicht höher. Eine Abnahme der Permeabilität der Ferritschicht bewirkt folglich eine proportionale Abnahme der Induktivität der Spule und umgekehrt. Mit der Erfindung ist ein kompaktes, integriertes, abstimmbares induktives Bauelement zugänglich. Die Integration führt zu einem hohen Maß an Miniaturisierung. Die grundlegende Struktur ermöglicht die elektrische Abstimmung einzelner oder verkoppelter Spulen, wie sie z. B. in einem Transformator vorliegen. Dadurch sind Induktivitäten und das Übertragungsverhalten von Transformatoren steuerbar.The Ferrite layer acts as a ferrite core of the coil. The ferromagnetic Core essentially influences the magnetic flux of the coil. Across from an identical coil, which is located in the air, is the inductance to a first approximation by the factor of permeability the ferrite layer higher. A decrease in permeability The ferrite layer thus causes a proportional decrease in the Inductance of the coil and vice versa. With the invention is a compact, integrated, tunable inductive component accessible. The integration leads to a high Level of miniaturization. The basic structure allows the electrical tuning of individual or coupled coils, such as they z. B. present in a transformer. As a result, inductors and the transmission behavior of transformers controllable.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Spule in die Ferritschicht eingebettet. Die Spule kann dabei teilweise oder vollständig in die Ferritschicht eingebettet sein. Denkbar ist auch, dass die Spule in mehrere Ferritschichten eingebettet ist. Durch diese Art der Anordnung ist sichergestellt, dass die Ferritlage als Ferritkern der Spule fungiert und die oben beschriebene Korrelation zwischen äußerem Druck auf die Ferritschicht und der Induktivität der Spule auftritt.According to one special embodiment, the coil is embedded in the ferrite layer. The coil can partially or completely in the Embedded ferrite layer. It is also conceivable that the coil embedded in several ferrite layers. By this kind of Arrangement ensures that the ferrite layer as a ferrite core the coil functions and the correlation described above between external Pressure on the ferrite layer and the inductance of the coil occurs.

Besonders vorteilhaft ist es, die Spule spannungsfrei einzubetten. Dies bedeutet, dass eine Variationsbreite der Permeabilität des ferritischen Materials voll ausgeschöpft werden kann.Especially It is advantageous to embed the coil stress-free. This means, that a variation in the permeability of the ferritic Material can be fully exploited.

Das Ferrit ist beispielsweise eine Oxidkeramik mit der allgemeinen Summenformel MIIFeIII 2O4 (bzw. MIIO·Fe2O3). MII ist ein zweiwertiges Metall, beispielsweise Cobalt oder Eisen. Insbesondere weist das Ferrit mindestens ein aus der Gruppe Mangan und/oder Zink ausgewähltes Metall auf. Das Ferrit ist ein MnZn-Ferrit. Ferrite im Allgemeinen und MnZn-Ferrite im Speziellen zeigen von sich aus im spannungsfreien Zustand (ϭ = 0 MPa) eine hohe Permeabilität μ(0) aus dem Bereich von 100 bis 1000.The ferrite is, for example, an oxide ceramic with the general empirical formula M II Fe III 2 O 4 (or M II O.Fe 2 O 3 ). M II is a divalent metal, for example cobalt or iron. In particular, the ferrite has at least one selected from the group manganese and / or zinc metal. The ferrite is a MnZn ferrite. Ferrites in general and MnZn ferrites in particular show a high permeability μ (0) in the range of 100 to 1000 in the stress-free state (ϭ = 0 MPa).

Zur Übertragung der mechanischen Spannung auf das ferritische Material beziehungsweise auf die Ferritschicht des keramischen Mehrschichtkörpers können verschiedene Bauteile oder Techniken verwendet werden. Beispielsweise ist im Mehrschichtkörper Material mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verarbeitet. Durch Temperaturerhöhung kommt es zu einer Verspannung und damit zum Aufbau eines Drucks. Wenn dafür gesorgt wird, dass dieser Druck auf die Ferritschicht einwirken kann, führt dies, wie oben beschrieben, zu einer Änderung der Permeabilität der Ferritschicht und damit zu einer Änderung der Induktivität der Spule.For transmission the mechanical stress on the ferritic material respectively on the ferrite layer of the ceramic multilayer body Different components or techniques can be used. For example, in the multi-layer body material with different processed thermal expansion coefficient. By temperature increase it comes to a tension and thus to build up a pressure. If it is ensured that this pressure on the ferrite layer act, this leads, as described above, to a change the permeability of the ferrite layer and thus to a change the inductance of the coil.

In einer besonderen Ausgestaltung weist das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung mindestens ein Piezoelement auf. Ein Piezoelement besteht aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht und beidseitig an der piezoelektrisch aktiven Schicht angebrachte Elektrodenschichten. Die piezoelektrische aktive Schicht weist insbesondere piezokeramisches Material (Piezokeramik) auf. Durch elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten wird ein elektrisches Feld in die piezoelektrisch aktive Schicht eingekoppelt. Aufgrund des elektrischen Feldes kommt es zu einer Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Schicht. Wird nun das Piezoelement mit der Ferritschicht so Verbunden, dass die Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Schicht als Druck auf die Ferritschicht übertragen wird, so wird in der Ferritschicht ein Druck aufgebaut, der zur Änderung der Permeabilität führt. Denkbar ist dabei, dass die Ferritschicht zwischen einem Piezoelement und einem Widerlager eingeklemmt ist. Durch die Ansteuerung des Piezoelements wird der Druck aufgebaut. Ebenso kann die Ferritschicht mit der Spule zwischen zwei Piezoelementen angeordnet bzw. eingeklemmt sein.In a special embodiment, the means for transmitting the mechanical stress on at least one piezoelectric element. A piezo element consists of a piezoelectrically active layer and on both sides Electrode layers attached to the piezoelectrically active layer. The piezoelectric active layer has in particular piezoceramic Material (piezoceramic) on. By electrical control of the electrode layers becomes an electric field in the piezoelectric active layer coupled. Due to the electric field, it comes to a Expansion change of the piezoelectric layer. Becomes now the piezoelectric element with the ferrite layer connected so that the Expansion change of the piezoelectric layer as pressure is transferred to the ferrite layer, so is in the ferrite layer built up a pressure that changes the permeability leads. It is conceivable that the ferrite layer between a piezoelectric element and an abutment is clamped. By the Actuation of the piezo element, the pressure is built up. Likewise the ferrite layer is arranged with the coil between two piezo elements or be trapped.

Das Piezoelement oder die Piezoelemente sind derart ausgelegt, dass ein für die Änderung der Permeabilität notwendiger Druck auf die Ferritschicht aufgebaut werden kann. Dazu ist eine Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen vorgesehen. Es wird ein Vielschichtaktor verwendet. Bei einem Vielschichtaktor sind viele Piezoelemente übereinander gestapelt. Der Vielschichtaktor wird beispielsweise in einem Co-Firing(Co-Sintering)-Prozess aus übereinander gestapelten, mit Elektrodenmaterial bedruckten keramischen Grünfolien hergestellt. Ein derartiger Vielschichtaktor eignet sich besonders für den Aufbau und für die Übertragung hoher Drücke.The Piezo element or the piezo elements are designed such that one for the change of permeability necessary pressure can be built on the ferrite layer. To is a plurality of stacked piezoelectric elements intended. A multilayer actuator is used. In a multilayer actuator Many piezo elements are stacked on top of each other. The multilayer actuator becomes superimposed, for example, in a co-firing (co-sintering) process stacked ceramic green sheets printed with electrode material produced. Such a multilayer actuator is particularly suitable for construction and for transmission high pressures.

Das Piezoelement oder das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht kann extern zum keramischen Mehrschichtkörper angeordnet sein. Vorzugsweise ist aber neben der Spule auch das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung im Mehrschichtkörper integriert. Vorzugsweise ist daher das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert. Das Mittel zum Übertragen ist integrativer Bestandteil des Mehrschichtkörpers. Das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung kann dabei teilweise oder vollständig im Mehrschichtkörper integriert sein. Diese Ausführungsform bietet sich beispielsweise dann an, wenn die Ferritschicht zwischen zwei Piezoelementen mit Piezokeramik angeordnet ist.The Piezoelectric element or the means for transmitting the mechanical Stress on the ferrite layer can be external to the ceramic multilayer body be arranged. Preferably, however, in addition to the coil and the Means for transmitting the mechanical stress in the multilayer body integrated. Preferably, therefore, the means for transmitting the mechanical stress in the volume of the multilayer body integrated. The means of transmission is more inclusive Component of the multilayer body. The means of transmission The mechanical stress can be partially or completely be integrated in the multilayer body. This embodiment offers, for example, when the ferrite layer between two piezo elements with piezoceramic is arranged.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist lediglich ein Piezoelement Bestandteil des keramischen Mehrschichtkörpers. Hier ist ein externes Widerlager vorgesehen. Dieses externe Widerlager kann dabei von einem Gehäuse des Mehrschichtkörpers gebildet sein. Das Gehäuse ist dabei so ausgestaltet und mit dem Mehrschichtkörper verbunden, dass innerhalb der Ferritschicht der notwendige mechanische Druck aufgebaut werden kann, beispielsweise durch elektrische Ansteuerung des integrierten Piezoelements. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung ein Gehäuse des Mehrschichtkörpers auf. Das Gehäuse fungiert als Druckgehäuse.According to one Another embodiment is merely a piezoelectric element Component of the ceramic multilayer body. Here is provided an external abutment. This external abutment can in this case of a housing of the multilayer body be formed. The housing is designed and so connected to the multilayer body that within the Ferrite layer of the necessary mechanical pressure are built up can, for example, by electrical control of the integrated Piezo element. In a particular embodiment therefore has the Means for transmitting the mechanical stress a housing of the multilayer body. The housing acts as a pressure housing.

Zur Integration der verschiedenen Bauelemente können verschiedene Technologien zur Herstellung von keramischen Mehrschichtkörpern eingesetzt werden. Besonders geeignet ist die LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics)-Technologie, mit deren Hilfe niedrig schmelzende und elektrisch hoch leitfähige Metalle wie Silber oder Kupfer zur Integration von elektrischen Bauelementen in einem Co-Firing-Prozess eingesetzt werden. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher mindestens eine Lage des Mehrschichtkörpers Glaskeramik auf. Glaskeramik eignet sich durch eine niedrige Dichtbrandtemperatur aus. Beispielsweise beträgt die Dichtbrandtemperatur unter 900°C. Bevorzugt ist der gesamte Mehrschichtkörper aus Schichten mit Glaskeramik aufgebaut. Der Mehrschichtkörper ist in LTCC-Technologie hergestellt. Dies kann auch für den Fall eines integrierten Piezoelements vorgesehen sein. Hier weist die piezoelektrisch aktive Keramikschicht auch Glaskeramik auf. Aber auch andere keramische Mehrschichttechnologien sind denkbar, beispielsweise HTCC (High Temperature Cofired Ceramics). Dies kann beispielsweise im Hinblick auf die Integration des Piezoelements vorteilhaft sein. Piezokeramische Materialien wie Bleizirkonattitanat (PZT) werden bei höheren Temperaturen von über 1100°C gesintert.to Integration of different components can be different Technologies for the production of ceramic multilayer bodies be used. Particularly suitable is the LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) technology, with the help of low-melting and electric highly conductive metals such as silver or copper for integration used by electrical components in a co-firing process become. In a particular embodiment, therefore, at least a layer of the multilayer body on glass ceramic. ceramic is suitable for a low sealing temperature. For example the sealing firing temperature is below 900 ° C. The entire multilayer body is preferably made of layers constructed with glass ceramic. The multilayer body is in LTCC technology produced. This can also be true for the case be provided an integrated piezoelectric element. Here, the piezoelectrically active ceramic layer also on glass ceramic. But Other ceramic multilayer technologies are conceivable, for example HTCC (High Temperature Cofired Ceramics). This can be, for example be advantageous in terms of the integration of the piezoelectric element. Piezoceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT) at higher temperatures of over 1100 ° C sintered.

Verwendung findet das abstimmbare induktive Bauelement überall dort, wo Induktivitäten in einem weiten Regelungsbereich verwendet werden. Daher findet das Bauelement insbesondere in einer elektrischen Schaltung Verwendung, die aus der Gruppe Filterschaltung und Oszillatorschaltung ausgewählt ist. Das abstimmbare induktive Bauelement kann allgemein in Frequenz agilen Systemen (Frequency Agile Systems) eingesetzt werden. Ebenso ist mit dem induktiven Bauelement ein Schaltungselement zugänglich, das als Hardware-Komponente im das Konzept Software Defined Radio, SDR, eingesetzt werden kann.use finds the tunable inductive component everywhere, where inductors are used in a wide range of control become. Therefore, the device finds particular in an electrical circuit Use that from the group filter circuit and oscillator circuit is selected. The tunable inductor can generally in frequency agile systems (Frequency Agile Systems) be used. Likewise, with the inductive component Circuit element accessible as a hardware component in the concept software defined radio, SDR, can be used.

Darüber hinaus findet das induktive Bauelement insbesondere Anwendung als Drucksensor. Dafür wird die beschriebene Druck-Induktions-Korrelation genutzt. In Abhängigkeit vom äußeren Druck ändern sich die Permeabilität der Ferritschicht und damit die Induktion der Spule. Es wird lediglich dafür gesorgt, dass der äußere Druck auf die Ferritschicht einwirken kann. Eine Anwendung des induktiven Bauelements als Temperatursensor ist ebenfalls denkbar. Dabei treten durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im keramischen Mehrschichtkörper in Abhängigkeit von der Temperatur mechanische Spannungen, die auf die Ferritschicht übertragen werden und so zu einer Änderung der Permeabilität der Ferritschicht führen.About that In addition, the inductive component is used in particular as Pressure sensor. This is the described pressure-induction correlation used. Depending on the outside Pressure change the permeability of the ferrite layer and thus the induction of the coil. It's just for that taken care that the external pressure on the ferrite layer can act. An application of the inductive component as a temperature sensor is also possible. In doing so, through the use of materials with different thermal expansion coefficients in the ceramic Multi-layer body as a function of temperature mechanical stresses transmitted to the ferrite layer and so to a change in permeability lead the ferrite layer.

Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben:

  • – Das abstimmbare induktive Bauelement ist kompakt und enthält keine mechanisch bewegten Komponenten. Insbesondere trifft das bei der Verwendung von Piezoelementen zu, die im Mehrschichtkörper integriert sind.
  • – Das induktive Bauelement ist miniaturisierbar, da die Spule zum Beispiel mit Hilfe der LTCC-Technologie planar zwischen Ferritschichten integriert werden kann und piezoelektrisch aktive Lagen durch Co-Sintern ebenfalls integriert oder auch nachträglich außen am Mehrschichtkörper angebracht werden können.
  • – Hochpermeable Ferrite wie MnZn-Verbindungen ermöglichen eine hohe Anfangsinduktivität im spannungsfreien Zustand und damit einen weiten Abstimmbereich.
  • – Bei Verwendung des induktiven Bauelements als Drucksensor wird ein hoher Berstdruck erzielt, da an Stelle der druckabhängigen Bewegung einer dünnen Membran die druckabhängige Permeabilität einer relativ dicken Ferritschicht gemessen wird.
In summary, the following advantages of the invention should be emphasized:
  • - The tunable inductor is compact and contains no mechanical moving components. This is particularly true when using piezoelectric elements that are integrated in the multilayer body.
  • - The inductive component is miniaturized, since the coil can be integrated planar, for example by means of LTCC technology between ferrite layers and piezoelectrically active layers also integrated by co-sintering or can be retrofitted outside the multi-layer body.
  • - High permeability ferrites such as MnZn compounds allow a high initial inductance in the de-energized state and thus a wide tuning range.
  • - When using the inductive component as a pressure sensor, a high bursting pressure is achieved, since instead of the pressure-dependent movement of a thin membrane, the pressure-dependent permeability of a relatively thick ferrite layer is measured.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazu gehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreue Abbildung dar.Based several embodiments and the associated Figures, the invention is explained in more detail below. The figures are schematic and not to scale Illustration.

1 und 2 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines abstimmbaren induktiven Bauelements mit einem keramischen Mehrschichtkörpers im seitlichen Querschnitt. 1 and 2 each show a section of a tunable inductive component with a ceramic multilayer body in the lateral cross-section.

3 zeigt einen Ausschnitt eines abstimmbaren induktiven Bauelements mit einem keramischen Mehrschichtkörpers im seitlichen Querschnitt, das als Drucksensor verwendet wird. 3 shows a section of a tunable inductor with a ceramic multilayer body in the lateral cross section, which is used as a pressure sensor.

4 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität zweier jeweils separat in einem keramischen Mehrschichtkörper integrierter Spulen von einem äußeren Druck. 4 shows the dependence of the inductance of two separately integrated in a ceramic multilayer body coils of an external pressure.

Beispiel 1:Example 1:

Das abstimmbare induktive Bauelement 100 ist ein monolithisch mit Piezoelementen 3 und 4 integriertes Variometer, bestehend aus einem keramischen Mehrschichtkörper 1 mit magnetisch aktiven Ferritschichten 2 und piezoelektrisch aktiven Schichten 3c und 4c. Die Piezoelemente fungieren als Mittel zum Übertragen von mechanischer Spannung auf die Ferritschichten. Die Ferritschichten weisen MnZn-Ferrit auf, wobei die Ferritschichten eine relative Permeabilität von beispielsweise 500 aufweisen.The tunable inductive component 100 is a monolithic with piezo elements 3 and 4 integrated variometer, consisting of a ceramic multilayer body 1 with magnetically active ferrite layers 2 and piezoelectrically active layers 3c and 4c , The piezoelectric elements act as means for transmitting mechanical stress to the ferrite layers. The ferrite layers comprise MnZn ferrite, the ferrite layers having a relative permeability of, for example, 500.

Über die jeweils beidseitig an den piezoelektrisch aktiven Schichten angeordneten Elektrodenschichten 3a, 3b, 4a und 4b kann eine elektrische Steuerspannung zur Auslenkung der Piezoelemente angelegt werden. Dabei müssen die inneren Elektrodenschichten 3b und 4a zwecks besserer mechanischer Verbindung der Schichten 2, 3c und 4c nicht notwendigerweise großflächig ausgeführt sein, sondern können Öffnungen enthalten.Via the electrode layers arranged on both sides of the piezoelectrically active layers 3a . 3b . 4a and 4b An electrical control voltage for deflection of the piezo elements can be applied. In doing so, the inner electrode layers must 3b and 4a for better mechanical connection of the layers 2 . 3c and 4c not necessarily be designed over a large area, but may contain openings.

In die Ferritschichten ist über die vertikalen Durchkontaktierungen 5a und 6a mit den äußeren Kontaktflächen 5b und 6b eine kontaktierbare Spule (Leitungselement) 7 eingebettet. Die Kontaktflächen 8 und 9 dienen der Zuführung der Steuerspannung für die Elektrodenschichten der Piezoelemente, wobei aus Symmetriegründen 3a und 4b sowie 3b und 4a vorteilhafterweise auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Durch den piezoelektrischen Effekt kommen dabei die piezoelektrisch aktiven Schichten 3c und 4c unter mechanische Spannung, die sie auf Grund der monolithischen Integration mit den Ferritschichten teilweise auf diese übertragen, so dass die magnetische Permeabilität in der Umgebung der Spule 7 abnimmt und folglich die Induktivität der Spule abnimmt.In the ferrite layers is over the vertical vias 5a and 6a with the outer contact surfaces 5b and 6b a contactable coil (line element) 7 embedded. The contact surfaces 8th and 9 serve to supply the control voltage for the electrode layers of the piezoelectric elements, wherein for reasons of symmetry 3a and 4b such as 3b and 4a advantageously be at the same electrical potential. The piezoelectric effect results in the piezoelectrically active layers 3c and 4c Under stress, they transfer due to the monolithic integration with the ferrite layers partially on these, so that the magnetic permeability in the environment of the coil 7 decreases and consequently decreases the inductance of the coil.

In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform sind zwischen den Ferritschichten 2 mehrere lateral oder vertikal benachbarte und magnetisch verkoppelte Spulen integriert, deren Koppelkoeffizient sich ebenfalls über die Druckabhängigkeit der Permeabilität der Ferritlagen abstimmen lässt.In another embodiment, not shown here, between the ferrite layers 2 integrated laterally or vertically adjacent and magnetically coupled coils whose coupling coefficient can also vote on the pressure dependence of the permeability of the ferrite layers.

In einer weiteren, hier ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform sind einzelne oder mehrere piezoelektrische Elemente bzw. piezoelektrisch aktive Schichten innen zwischen den Ferritschichten integriert. Auf diese Weise werden bei Ansteuerung der Elektrodenschichten dieser Piezoelemente lokal mechanische Spannungen in die Ferritschichten eingebracht.In another, not shown here embodiment are single or multiple piezoelectric elements or piezoelectric active layers integrated inside between the ferrite layers. On This way, when the electrode layers are activated, they become Piezo elements cause local mechanical stresses in the ferrite layers brought in.

Beispiel 2:Example 2:

Eine alternative Ausführungsform sieht anstelle der Piezoelemente als Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung einfache, thermisch verspannte dielektrische Schichten im Verbund mit den Ferritschichten vor. Dabei können in Abhängigkeit von der Dicke der dielektrischen Schichten relativ zur Dicke der Ferritschichten mechanische Spannungen im Ferrit von deutlich über 100 MPa auftreten, z. B. 160 MPa (1600 bar) mit einer beobachteten Abnahme der Permeabilität um 90% von 500 auf 50 und in Folge davon mit einer Abnahme der Induktivität von 2 μH auf 0,2 μH bei 180 μm dielektrischer Dicke und 810 μm Ferritdicke. Die Konstante k (vgl. Gleichung 1) wurde dabei zu k = 10–4 MPa–1 ermittelt.An alternative embodiment provides, instead of the piezoelectric elements as means for transmitting the mechanical stress, simple, thermally stressed dielectric layers in combination with the ferrite layers. In this case, depending on the thickness of the dielectric layers relative to the thickness of the ferrite layers, mechanical stresses in the ferrite of well over 100 MPa occur, for. 160 MPa (1600 bar) with an observed decrease in permeability of 90% from 500 to 50 and consequently with a decrease in inductance from 2 μH to 0.2 μH at 180 μm dielectric thickness and 810 μm ferrite thickness. The constant k (see equation 1) was determined to be k = 10 -4 MPa -1 .

Beispiel 3:Example 3:

In einer weiteren Ausführungsform ist im Vergleich zum Beispiel 1 das untere Piezoelement 4 fortgelassen und durch ein allseitiges Druckgehäuse 10 ersetzt worden. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, dass das obere Piezoelement 3 für die Übertragung der mechanischen Spannung auf die Ferritschichten 2 monolithisch mit diesen im keramischen Mehrschichtkörper integriert ist. Vielmehr kann es ein separates Element sein, das zusammen mit dem Keramikkörper 1 in das Druckgehäuse gelegt wird, bevor dieses durch einen Deckel verschlossen wird. Zum Betrieb als Variometer wird die untere Elektrodenschicht 3b mit Hilfe der Durchkontaktierung 9 gegenüber dem Druckgehäuse 10 elektrisch vorgespannt. Nach dem Stand der Technik können Piezokeramiken bei unterdrückter Längenänderung Drucke von einigen kN/cm2 bzw. einigen 100 bar erzeugen, z. B. 400 bar bei üblichen Piezoaktoren für Kfz-Einspritzventile. Die Spannung im Ferrit kann außerdem konstruktiv leicht um das Zwei- bis Dreifache gesteigert werden, wenn der Querschnitt des Piezoaktors entsprechend größer als der des Ferrit-Gegenstückes gewählt wird. Demnach können die oben beschriebenen Effekte im Bereich von 1000 bar auch in dieser Bauform erzielt werden.In a further embodiment, in comparison to example 1, the lower piezo element 4 omitted and by an all-sided pressure housing 10 been replaced. As a result, it is no longer necessary that the upper piezo element 3 for the transmission of the mechanical stress to the ferrite layers 2 monolithically integrated with these in the ceramic multilayer body. Rather, it can be a separate item be that together with the ceramic body 1 placed in the pressure housing before it is closed by a lid. For operation as a variometer, the lower electrode layer 3b with the help of the via 9 opposite the pressure housing 10 electrically biased. According to the prior art piezoelectric ceramics can at suppressed change in length of a few prints kN / cm 2 or produce some 100 bar, for example. B. 400 bar in conventional piezo actuators for automotive fuel injection valves. The stress in the ferrite can also be easily increased by two to three times in terms of design if the cross section of the piezoelectric actuator is chosen to be correspondingly larger than that of the ferrite counterpart. Accordingly, the effects described above in the range of 1000 bar can also be achieved in this design.

Beispiel 4:Example 4:

In der Ausführung gemäß 3 fehlt auch das obere Piezoelement 3. Stattdessen ist das Gehäuse 10 oben durch eine flexible Membran 11 abgedichtet, die bei äußerer Belastung entweder unmittelbar oder über mechanische Zwischenelemente bzw. Kraftübersetzungen Druck auf die Ferritschichten 2 ausübt. Ein Druckausgleich erfolgt dabei auf der unbelasteten Seite über den Kanal 12. Die dadurch hervorgerufene Veränderung der Induktivität der Spule 7 stellt ein Maß für den äußeren Druck dar. Das Element arbeitet somit als Drucksensor.In the execution according to 3 is missing also the upper piezo element 3 , Instead, the case is 10 above by a flexible membrane 11 sealed under external load either directly or via mechanical intermediate elements or force translations pressure on the ferrite layers 2 exercises. Pressure equalization takes place on the unloaded side via the duct 12 , The resulting change in the inductance of the coil 7 represents a measure of the external pressure. The element thus operates as a pressure sensor.

Mit einer gemäß 3 realisierten Ausführungsform konnte die Machbarkeit der Erfindung nachgewiesen werden. Das abstimmbare induktive Bauelement besteht aus dem keramischen Mehrschichtkörper 1 mit integrierter Spule 7. Der Mehrschichtkörper ist mit Hilfe der LTCC-Technologie hergestellt. Der Mehrschichtkörper ist zusammen mit einem Kraftaufnehmer (Dehnungsmessstreifen) in einen Schraubstock so eingespannt, dass die auf den Mehrschichtkörper ausgeübte Kraft unabhängig gemessen wird. Bei bekannter Fläche des Mehrschichtkörpers kann somit der Druck berechnet und direkt mit der beobachteten Änderung der Induktivität der integrierten Spule korreliert werden. Für zwei unterschiedlich große Spulen ergeben sich die in 4 dargestellten Abhängigkeiten der Induktivitäten vom äußeren Druck: Zu sehen sind die jeweiligen Messpunkte und die Anpassungskurven. Für die Anpassungskurven wurde die Materialkonstante k = 3 × k = 10–4 MPa–1 eingesetzt. Es resultiert eine Reduktion der Induktivitäten um 25% bei ϭ = 20 MPa (200 bar).With one according to 3 realized embodiment, the feasibility of the invention could be detected. The tunable inductive component consists of the ceramic multilayer body 1 with integrated coil 7 , The multilayer body is manufactured using the LTCC technology. The multi-layer body is clamped together with a force transducer (strain gauges) in a vice so that the force exerted on the multi-layer body force is measured independently. With a known area of the multilayer body, the pressure can thus be calculated and correlated directly with the observed change in the inductance of the integrated coil. For two different sized coils, the result in 4 shown dependencies of the inductances of the external pressure: You can see the respective measuring points and the fitting curves. The material constant k = 3 × k = 10 -4 MPa -1 was used for the fitting curves. This results in a reduction of the inductances by 25% at ϭ = 20 MPa (200 bar).

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  • - H. Meuche et al. [0011] H. Meuche et al. [0011]

Claims (11)

Abstimmbares induktives Bauelement (100), aufweisend – mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper (1) mit mindestens einer Ferritschicht (2) mit ferritischem Material und – mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule (7), wobei – eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, – die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert ist, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität des Ferritschicht abhängt, und – ein Mittel (3, 4, 10, 11) zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden ist, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann.Tunable inductive component ( 100 ), comprising - at least one ceramic multilayer body ( 1 ) with at least one ferrite layer ( 2 ) with ferritic material and - at least one coil integrated in the volume of the multilayer body ( 7 ), wherein - a permeability of the ferrite layer is dependent on a mechanical stress acting on the ferrite layer, - the coil is integrated in the volume of the multilayer body, that an inductance of the coil depends on the permeability of the ferrite layer, and - a means ( 3 . 4 . 10 . 11 ) for transferring the stress to the ferrite layer, so that the permeability of the ferrite layer can be adjusted. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Spule in die Ferritschicht eingebettet ist.Component according to claim 1, wherein the coil in the Embedded ferrite layer. Bauelement nach Anspruch 2, wobei die Spule spannungsfrei eingebettet ist.Component according to claim 2, wherein the coil is voltage-free is embedded. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das ferritische Material eine Mnzn-Verbindung aufweist.Component according to one of claims 1 to 3, wherein the ferritic material has a Mnzn connection. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung mindestens ein Piezoelement (3, 4) aufweist.Component according to one of claims 1 to 4, wherein the means for transmitting the mechanical stress at least one piezoelectric element ( 3 . 4 ) having. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert ist.Component according to one of claims 1 to 5, wherein the means for transmitting the mechanical stress integrated in the volume of the multilayer body. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung ein Gehäuse (10) des Mehrschichtkörpers aufweist.Component according to one of claims 1 to 6, wherein the means for transmitting the mechanical tension a housing ( 10 ) of the multilayer body. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mindestens eine Lage des Mehrschichtkörpers Glaskeramik aufweist.Component according to one of claims 1 to 7, wherein the at least one layer of the multilayer body Having glass ceramic. Bauelement nach Anspruch 8, wobei der Mehrschichtkörper in LTCC-Technologie hergestellt ist.Component according to claim 8, wherein the multilayer body manufactured in LTCC technology. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer elektrischen Schaltung, die aus der Gruppe Filterschaltung oder Oszillatorschaltung ausgewählt wird.Use of the component according to one of the claims 1 to 9 in an electrical circuit consisting of the group filter circuit or oscillator circuit is selected. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Drucksensor.Use of the component according to one of the claims 1 to 9 as a pressure sensor.
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