DE10006422A1 - Mini-Leistungsinduktivitäten - Google Patents
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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 lFe und
lL 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 (lL) 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.
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 (11)
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.
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2000
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