CN213691640U - 一种微型三维螺线管变压器以及数字隔离器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微型三维螺线管变压器以及数字隔离器，微型三维螺线管变压器包括两个结构相同且相互交错缠绕的螺线管、支撑螺线管的硅基和聚酰亚胺隔离层；每一个螺线管包括若干匝相互平行的线圈，且相邻的线圈间距一致，每一匝线圈包括上下两条长条形的水平导线以及与水平导线相连的两条圆柱形的竖直导线，上下两条水平导线在水平面上的投影为等腰三角形的两条等腰边，两个螺线管相邻的线圈之间由聚酰亚胺隔离层隔离开，每一个螺线管的首尾线圈都连接有处于硅基上表面的引脚。本实用新型的微型三维螺线管变压器允许初级、次级线圈之间的距离更大，电压隔离能力更强，且具有尺寸微小、结构强度高、性能优秀、制作成本低等优点。

Description

一种微型三维螺线管变压器以及数字隔离器

技术领域

本实用新型涉及数字隔离器技术领域，具体涉及一种微型三维螺线管变压器以及数字隔离器。

背景技术

数字隔离器可以在电路物理隔离、没有电流传导时，实现数据的传输，起到隔离电路两端电压、隔离环境噪声的作用，保护电路及重要元器件不被高电压损坏、稳定数据传输。数字隔离器在传统医疗、航空航天、军、民工业的控制系统、高压输电、电力维护以及电子设备接口中有重要应用。

在以往，光电隔离器在以上场合中占据了主要的市场。但光电隔离器存在寿命短、适用温度要求高、能耗高、延迟高、传输速率低、无法传递功率等缺点。电磁式数字隔离器(以下简称数字隔离器)可以完美解决光电隔离器的这些问题。

目前的数字隔离器中，都是片上螺旋变压器或者片上层叠变压器来实现电路隔离，并通过各种电路设计来提高性能，并没有以微型三维螺线管变压器为核心的。由于片上螺旋变压器或者层叠变压器存在着电压增益小、高电压增益(-3dB以上)频带窄、电感值与互感值小等问题，因此当通过增大初级线圈与次级线圈之间的距离来增加隔离性能时，变压器的性能会急剧下降，这时需要通过增加变压器的匝数来增加性能。但片上变压器与层叠变压器都是平面线圈，因此外层线圈的面积会越来越大，且对于变压器整体性能的收益会越来越低，最终造成数字隔离器体积过大，或者根本无法达到所设计的隔离要求，并且过窄的高电压增益频段容易带来变压器与编码解码电路不兼容，主流以片上变压器为核心的数字隔离器，聚酰亚胺隔离层只有20-40μm，隔离能力受限。

例如ANALOG DEVICES(ADI)公司的ADuM724X系列，就是以片上层叠式变压器为核心，以聚酰亚胺为隔离材料，匹配上合适的编码解码电路。ADI公司数字隔离器产品丰富，但无一例外，都采用了片上变压器，正如前文所述，片上变压器在隔离潜力、信号传输能力方面都存在问题，因此在发展更大电压隔离能力(7.5KVrms以上或者25KV ESD以上)的数字隔离器变得非常困难。

中国专利申请公开号为CN111446935A的差分信号放大电路、数字隔离器和数字接收器，公开号为CN111193507A的低抖动数字隔离器电路，以及公开号为CN109831202A的线性隔离器等，则都是采用OKK形式的编码解码方式，这种方式能耗较高，越来越不适应现如今电子设备要求的低能耗、高散热要求。

中国专利申请公开号为CN111521855A的一种抗干扰数字隔离器，采用上升沿、下降沿都是单脉冲的形式编码，这种编码方式一旦出现信号抖动，后续解码会完全错乱。

以上专利申请都是采用了某一种特定的电路，然后在电路上添加一些部分，优化数字隔离器的信号稳定以及丰富功能，并不兼容多种编码电路，并且这些电路都需要达到GHz的频率才能工作，电路设计难度较大，其核心变压器与电路的兼容能力弱。以ADI公司产品为例，目前都采用1ns脉冲波实现信号在变压器内的传输，这对电路设计带来不少麻烦。目前也没有人在核心隔离区域上有过创新型方案。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有数字隔离器的核心隔离变压器与低频外电路不容易兼容，并且难以适配多种编码解码电路，导致以片上变压器为核心的数字隔离器电压隔离、噪声隔离能力发展受限等问题，提供一种微型三维螺线管变压器以及数字隔离器。

一种微型三维螺线管变压器，包括两个结构相同且相互交错缠绕的螺线管、支撑所述螺线管的硅基和聚酰亚胺隔离层；

每一个所述螺线管包括若干匝相互平行的线圈，且相邻的所述线圈间距一致，每一匝所述线圈包括上下两条长条形的水平导线以及与所述水平导线相连的两条圆柱形的竖直导线，上下两条所述水平导线在水平面上的投影为等腰三角形的两条等腰边，两个所述螺线管相邻的线圈之间由所述聚酰亚胺隔离层隔离开，每一个所述螺线管的首尾线圈都连接有处于所述硅基上表面的引脚。

相应地，本实用新型还提供一种数字隔离器，包括编码电路、解码电路和如上所述的微型三维螺线管变压器；

所述编码电路与所述微型三维螺线管变压器中的一个螺线管的一对引脚连接，所述解码电路与所述微型三维螺线管变压器中的另一个螺线管的一对引脚连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所提出的微型三维螺线管变压器以及数字隔离器解决了现有数字隔离器的核心隔离变压器与低频外电路不容易兼容，并且难以适配多种编码解码电路的问题，以及现有的光电隔离器低寿命、高温敏、高能耗、无法传输能量的缺点，现有以片上变压器为核心的数字隔离器电压隔离、噪声隔离能力发展受限的问题。本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的微型三维螺线管变压器充分利用上垂直空间，变压器的单个电感、品质因数远高于平面线圈，三匝线圈的电感就可以达到50-100nH；

(2)由于微型三维螺线管变压器中螺线管相互交错缠绕，耦合系数高于平面线圈，可达0.8以上；高电压增益频带宽，可达50MHz-2GHz，因此当数字隔离器工作环境不需要高速数据传输时，可以采用较低频的编码解码电路，以降低电路设计和制作成本；当数字隔离器的工作环境需要高速数据传输时，可以采用产生高频脉冲的编码、解码电路，即该变压器可同时兼容低频、高频的工作环境要求，可以兼容多种编码解码方式；

(3)由于微型三维螺线管变压器所具有的传输性能的优势，因此允许初级、次级线圈之间的距离更大，主流以片上变压器为核心的数字隔离器，聚酰亚胺隔离层只有20-40μm，隔离能力受限，本实用新型隔离层至少可达100μm，以此微型三维螺线管变压器为核心制作的数字隔离器的隔离电压可以达到20KVrms，并且还存在着更大的隔离电压潜力；

(4)在增大初级、次级线圈间距以增大电压隔离能力时，若要满足良好的传输性能，就需要增多线圈匝数。但片上变压器由于外圈面积越来越大，因此增加线圈匝数的效果会越来越弱，但三维螺线管变压器不会有这个问题。这也是本实用新型具有更大电压隔离潜力的一个原因。同时，在同样隔离能力的数字隔离器中，本实用新型的面积要小于现有数字隔离器。目前ADI公司LTM2810型号的数字隔离器可以实现7.5KVrms的电压隔离，其面积22mm*6.25mm*2.06mm，而本实用新型可以实现20KVrms隔离能力的微型三维螺线管变压器，其面积只有1.5mm*1mm*1mm，有望在长度10mm甚至5mm内的大小内实现整个数字隔离器的封装；

(5)本实用新型中的微型三维螺线管变压器尺寸微小、结构强度高、性能优秀并且制作成本低；

(6)通过特定的曝光图案，可以实现三维螺线管变压器内大部分硅基底的去除，并在不影响性能情况下，留下部分内部的硅柱以及与竖直导线相接的硅基底，支撑去除大量硅基后的螺线管线圈，保证初、次级线圈的相对位置，即保证了聚酰亚胺隔离材料的填充厚度；并通过在边缘切割的方式，阻止初级线圈和次级线圈通过硅相连的途径，只由聚酰亚胺填充材料相连，从而实现填充有聚酰亚胺隔离材料的微型三维螺线管变压器的制作。

附图说明

图1为微型三维螺线管变压器的立体图；

图2为微型三维螺线管变压器的俯视图；

图3为微型三维螺线管变压器的侧视图；

图4为制备硅基螺线管变压器的工艺流程图；

图5为去除部分硅基后的硅基螺线管变压器的上表面曝光图；

图6为去除部分硅基后的硅基螺线管变压器的整体立体图；

图7为去除部分硅基后的硅基螺线管变压器中线圈及支撑硅柱的立体图；

图8为编码电路的结构示意图；

图9为编码电路的编码时序图；

图10为解码电路的结构示意图；

图11为解码电路的解码时序图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本实用新型的技术方案进行详细描述。

在其中一个实施例中，本实用新型提供一种微型三维螺线管变压器，该微型三维螺线管变压器包括：1.螺线管；2.硅基；3.聚酰亚胺隔离层。

如图1所示，微型三维螺线管变压器包括两个结构相同且相互交错缠绕的螺线管(分别为螺线管1与螺线管2)，硅基(图1中未示出)用于支撑螺线管，每一个螺线管包括若干匝相互平行的线圈，且相邻的线圈间距一致，每一匝线圈包括上下两条长条形的水平导线以及与水平导线相连的两条圆柱形的竖直导线，上下两条水平导线在水平面上的投影为等腰三角形的两条等腰边，两个螺线管相邻的线圈之间由聚酰亚胺隔离层隔离开，每一个螺线管的首尾线圈都连接有处于硅基上表面的引脚(ped)。

微型三维螺线管变压器是三维线圈，就如在大尺寸下绕磁性形成的线圈类似。每一个螺线管包括若干匝相互平行的线圈，每一匝线圈包括上下两条长条形的水平导线，以及与水平导线相连的两条圆柱形的竖直导线，两条水平导线加上两条竖直导线共同构成一匝线圈。每一匝线圈通过水平导线和竖直导线与前后匝线圈相连。

其中每匝线圈的上下表面上的两条水平导线，在水平面上的投影，可以认为是等腰三角形的两条等腰边。这种形状的设定，保证所设计的三维螺线管变压器的所有水平导线相邻边的间距都是一样的，最优化结构的尺寸设计。

微型三维螺线管变压器包含螺线管1和螺线管2，螺线管1与螺线管2是相互交错缠绕的，即螺线管1的相邻线圈中间有一匝螺线管2的线圈，螺线管2的相邻线圈中间有一匝螺线管1的线圈，并且螺线管1与螺线管2的所有线圈相互平行，相邻的线圈间距一致。

螺线管1和螺线管2的首尾线圈都连接有处于硅基上表面的ped，ped用于和电路直接相联，电路与ped的连接方式包括但不限于引线键合。

微型三维螺线管变压器不包含铁芯结构，螺线管1与硅基底上表面首尾两匝线圈上的ped共同构成了微型三维螺线管变压器的初级线圈，螺线管2与硅基底上表面首尾两匝线圈上的ped共同构成了微型三维螺线管变压器的次级线圈。初级线圈与次级线圈之间由隔离材料聚酰亚胺隔离开，聚酰亚胺隔离层的厚度直接决定微型三维螺线管变压器以及以微型三维螺线管变压器为核心的数字隔离器的性能，而本实用新型的微型三维螺线管变压器允许初级线圈、次级线圈之间有更大的距离，可以提高数字隔离器的隔离电压。

本实施例中微型三维螺线管变压器的制备方法有多种，例如在单一硅晶圆上制作和分成两块硅晶圆制作，在单一硅晶圆上和两块硅晶圆上制备微型三维螺线管变压器的过程都包括步骤：在硅基上制备螺线管和引脚，得到硅基螺线管变压器；去除硅基螺线管变压器中的部分硅基；填充聚酰亚胺。下面分别对各个步骤进行详细说明。通过以下加工方法，能得到尺寸微小、结构强度高、性能优秀并且制作成本低的微型三维螺线管变压器。

步骤一：在硅基上制备螺线管和引脚，得到硅基螺线管变压器。

1、在单一硅晶圆上制作

(1)在硅片上表面曝光上水平槽和四个ped，硅片下表面曝光下水平槽；

(2)先后在硅片上、下表面曝光垂直通孔，上垂直通孔和下垂直通孔的曝光要精确对准，垂直通孔在水平槽两端，直径略小于水平槽宽度，保证一定的对准误差，使其全在水平槽内部；

(3)先后在硅片上、下表面刻蚀垂直通孔，使得垂直通孔刻通或者接近刻通；

(4)洗去保护水平槽的SiO₂，在硅片上表面刻蚀出水平槽与ped，下表面刻蚀出水平槽；

(5)清洗掉保护硅片表面的光刻胶，得到完整的螺旋通道；

(6)热氧化，在螺旋通道所有表面生成氧化层；

(7)采用真空电镀，在螺旋通道内致密填充上铜；

(8)采用机械化学抛光(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)方法除去硅片表面多余的铜，至此，在硅基上制备螺线管和引脚完成，得到硅基螺线管变压器。

2、分成两块硅晶圆制作

采用两层硅键合方式在硅基上制备螺线管和引脚，得到硅基螺线管变压器的过程可参考中国专利申请公开号为CN109599249A的一种MEMS回形螺线管变压器及其制造方法，不同点在于，本实用新型制作过程中省略铁芯槽内电镀铁芯这一过程。

步骤二：去除硅基螺线管变压器中的部分硅基。该步骤包括以下步骤：

(1)清洗步骤一得到的硅基螺线管变压器，在硅基螺线管变压器的上、下表面分别热氧化生成氧化层；

(2)在氧化后的硅基螺线管变压器的上、下表面分别涂胶并曝光，暴露出需要去除的硅基的图案；暴露出的硅基表面由图5中的空白部分表示；

(3)先后刻蚀曝光后的硅基螺线管变压器的上、下表面，直到图案对应的硅基被全部刻蚀去除，在去除部分硅基后的硅基螺线管变压器中，螺线管四周未去除的硅基包裹在螺线管的外圈，硅基与每一匝线圈的竖直导线以及引脚相接，水平导线的两边与正中间都有一根硅柱(如图7所示)，硅柱连接对应的上、下水平导线。由于隔离材料厚度对于数字隔离器的性能影响巨大，因此这样的工艺与结构可以保证在去除大部分硅基后，初、次级线圈的间距与设计时保持一致，并且线圈结构依然有足够的强度，保证后续工艺的正常进行。

步骤三：填充聚酰亚胺。聚酰亚胺(Polyimide，简写为PI)，是综合性能最佳的有机高分子材料之一，其耐高温达400C以上，长期使用温度范围-200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，介电常数为4.0，介电强度可达300KV/mm，并且机械性能优秀，非常适合当作数字隔离器的隔离材料。在去除硅基螺线管变压器中的部分硅基后，向去除部分硅基后的硅基螺线管变压器填充聚酰亚胺隔离材料，填充聚酰亚胺隔离材料的过程具体包括以下步骤：

采用涂胶、浸泡或者旋涂中的任意一种方式，用聚酰亚胺填充满整个去除部分硅基后的硅基螺线管变压器，并加热使聚酰亚胺凝固；

使用机械化学抛光方法对填充后的硅基螺线管变压器进行表面减薄及抛光，暴露出引脚；

切除与抛光后的硅基螺线管变压器周围相连的硅基，使线圈之间的硅连接通路断开，并且使两个螺线管相邻的线圈之间都有聚酰亚胺隔离层，最终得到微型三维螺线管变压器。

下面实施例提供一种具体尺寸的微型三维螺线管变压器及其制作工艺，在本实施例中，每一个螺线管的线圈匝数为3匝，相邻的线圈的间距(即相邻的水平导线的间距)为100μm，水平导线的宽度为60μm，竖直导线的直径为50μm，变压器螺旋线圈宽800μm，加上ped的宽度后微型三维螺线管变压器的整体宽度为1100μm，整体高度为1000μm，由以上参数，确定微型三维螺线管变压器的整体长度为1150μm。本实施例中微型三维螺线管变压器的俯视图和侧视图分别如图2和图3所示。

制作工艺如下：

首先，在硅基上制备螺线管和引脚，得到硅基螺线管变压器，其加工工艺如下，其工艺流程图如图4所示：

(1)首先采用1000μm厚双抛硅片。采用高电阻率硅片以提高整体结构绝缘性，减少高频下涡流损失。硅片热氧化，生成双面2μm厚热氧化层。

(2)涂覆光刻胶，硅基底上表面曝光水平槽以及ped结构，下表面曝光水平槽，显影去除曝光部分光刻胶。

(3)使用BOE溶液去除曝光位置的二氧化硅，使用piranha溶液，去除光刻胶。

(4)第二次涂胶，在硅基底的上下表面曝光竖直通孔图案，显影。通孔图案完全在水平槽内部，并处于水平槽两端，上下通孔位置精确对准。

(5)硅深刻蚀上表面硅通孔，深度480-500μm时，停止上表面刻蚀；刻蚀下表面硅通孔，同样在480μm-500μm时停止刻蚀。此时光刻胶做掩膜。

(6)使用piranha溶液，去除所有光刻胶。

(7)分别硅深刻蚀上下表面的水平槽与ped结构，至60μm深，此时保证竖直通孔完全导通，至此完成硅基底的去除。此时SiO₂做掩膜。

(8)热氧化，形成2μm厚氧化层。

(9)在硅片下表面磁控溅射100nm金属钛为中间层(在图4中未体现这一厚度)，随后溅射500nm金属铜作为种子层。

(10)电镀金属铜，使电镀铜从底部填充到顶部水平槽下平面位置，结束下表面。

(11)上表面磁控溅射500nm金属铜。

(12)电镀金属铜，使得上表面全部结构被电镀铜完全覆盖，完成螺旋线圈的铜填充。

(13)使用CMP进行上下表面金属铜减薄，直到金属铜减薄至与硅片热氧化层表面相同高度停止，随后CMP抛光表面，完成硅基上微型三维螺线管变压器的制作。

其次，去除硅基以及填充聚酰亚胺，图5-图7分别为去除部分硅基后的硅基螺线管变压器的上表面曝光图、整体立体图和局部立体图：

(1)清洗硅片，热氧化在硅片上、下表面生成2μm氧化层。

(2)上、下表面分别涂胶，曝光，暴露出需要去除的硅基的表面。暴露出的硅基表面由图5中的空白部分表示，显影。Ped距离切割线75μm，竖直导线与硅基连接部分长度350μm，如图5所示。

(3)从硅片上表面深刻蚀，直到下水平导线的底部。

(4)从下表面深刻蚀，直到上水平导线的底部。完成三维螺线管变压器硅基的去除。

(5)采用涂胶、浸泡或者旋涂等方式将去除部分硅基后的硅基螺线管变压器上空余部分填充满聚酰亚胺，加热凝固，加热凝固的具体工艺以实际采用的聚酰亚胺材料的热固工艺为准。

(6)使用CMP进行上表面减薄，随后CMP抛光表面，暴露出接线的ped。

(7)按照图5中所示的切割线对抛光后的硅基螺线管变压器进行切割，切断变压器初级线圈与次级线圈之间的硅连接通路，此时初级线圈与次级线圈之间只有聚酰亚胺隔离层连接，至此填充有聚酰亚胺隔离材料的微型三维螺线管变压器加工完成。

本实施例所提出的微型三维螺线管变压器可以兼容多种编码解码电路，并且可以兼容高频(GHz以上)和低频(100MHz以下)的电路，即具有很宽的高电压增益频带。

在另一个实施例中，本实用新型提供一种以微型三维螺线管变压器为核心的数字隔离器，该数字隔离器包括：1.编码电路；2.微型三维螺线管变压器；3.解码电路。其中微型三维螺线管变压器的结构及其制备方法可以参照前述实施例中的描述，此处不再赘述。

编码电路可采用但不限于以下数字隔离器的编码方式：1.利用振荡电路的On-off编码电路；2.将控制信号的上升沿、下降沿分别编码成双脉冲和单脉冲的编码方式；3.将控制信号的上升沿、下降沿分别编码成正、反脉冲波的编码方式。

解码电路与编码电路相对应，例如编码电路采用振荡电路的On-off模式，解码电路就可采用全桥整流电路来解码；编码电路采用上升沿双脉冲、下降沿单脉冲的编码方式，解码电路可采用脉冲计数器来解码。

编码电路和解码电路分别与微型三维螺线管变压器的ped连接，可选地，编码电路和解码电路分别与微型三维螺线管变压器的ped通过引线键合连接。

由于本实用新型采用微型三维螺线管变压器为数字隔离器的核心，而微型三维螺线管变压器的高电压增益范围大，因此可以适配多种编码解码电路，允许编码电路、解码电路的多样、多频段。

作为一种具体的实施方式，如图8所示，编码电路包括第一延迟电路TD1、第二延迟电路TD2、异或门、与门、或门以及第一反相器。待编码的输入信号in分别接入第一延迟电路TD1、异或门和与门的一个输入端，第一延迟电路TD1的输出信号S1分别接入异或门的另一个输入端和第一反相器的输入端，第一反相器的输出信号

接入与门的另一个输入端，与门的输出信号S3接入第二延迟电路TD2，异或门的输出信号S2和第二延迟电路TD2的输出信号S4共同输入或门的输入端，或门的输出端输出编码信号F至微型三维螺线管变压器。本实施方式的编码电路能够实现将输入信号的上升沿编码成双脉冲、下降沿编码成单脉冲的编码方式，从而实现信号在变压器内的传输。

图9是编码电路的编码时序图，由图可知，第二延迟电路TD2的延迟时间Δt2应该是第一延迟电路TD1的延迟时间Δt1加上两个脉冲之间的间隔。当Δt1＝10ns，Δt2＝20ns时，编码电路将输入信号in编码成上升沿双脉冲、下降沿单脉冲，脉冲宽度为10ns，双脉冲间隔为10ns的可以在变压器内传输的信号F。

进一步地，如图10所示，解码电路包括第一触发器、第二触发器、第三触发器、第三延迟电路TD3、第四延迟电路TD4和第二反相器。微型三维螺线管变压器输出的待解码的编码信号F分别接入第一触发器的时钟端CK1和第二触发器的时钟端CK2，第一触发器的信号输出端Q1经过第三延迟电路TD3以及第二反相器后分别接入第一触发器的复位端RESET1和第三触发器的时钟端CK3，第一触发器的信号输出端Q1的输出信号S5还经过第四延迟电路TD4分别接入第二触发器的信号输入端D2和复位端RESET2，第二触发器的信号输出端Q2接入第三触发器的信号输入端D3，第三触发器的信号输出端Q3作为输出端输出解码后的信号out，即是解码后的信号，第一触发器的信号输入端D1和第三触发器的复位端RESET3均接入VDD信号。以上各个触发器都是当复位端RESET信号为1时正常运行，复位端RESET信号为0时输出端Q输出为0。

图11是解码电路的解码时序图，由图可知，第三延迟电路TD3形成的延迟时间Δt3即为RESET1和Q1信号的脉冲宽度，Q1经过第四延迟电路TD4后形成的信号，要将F信号双脉冲的第二个上升沿ESET1信号的第一个上升沿包裹在内，即要满足：Δt1<Δt3<Δt4<2*Δt1，Δt2＝2*Δt1，式中，Δt3为第三延迟电路TD3的延迟时间，Δt4为第四延迟电路TD4的延迟时间。这样经过第一触发器后，可以形成只有第一个脉冲有效的检测信号Q1；Q1经过第四延迟电路TD4，形成只有第二个脉冲才有效的检测信号Q2，相当于只有输入信号in上升沿编码而成的双脉冲，才能够让Q2产生脉冲；将Q2输出至D3，CK3信号第一个脉冲上升沿时，D3高电平，第二个脉冲上升沿时，D3低电平。这样就完成了解码工作。

该解码电路的延迟时间由Δt1决定，延迟时间为两倍的Δt1。调整Δt1，并且满足上述延迟时间要求公式，能够得到不同脉冲宽度的编码结果。当脉冲宽度变小时，对各个延迟电路的延迟时间也需要更精确的控制。

进一步地，解码电路还包括设置在微型三维螺线管变压器和第一触发器之间的整形电路，该整形电路位于解码电路的开始侧，用于去除由于在变压器隔离区内传输导致的信号波动与毛刺，整形电路可以采用施密特整形电路或者三极管整形电路等实现。

本实用新型所提出的数字隔离器解决了现有的光电隔离器低寿命、高温敏、高能耗、无法传输能量的缺点，解决了现有以片上变压器为核心的数字隔离器电压隔离、噪声隔离能力发展受限的问题以及现有数字隔离器的核心隔离变压器与低频外电路不容易兼容，并且难以适配多种编码解码电路的问题。本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的微型三维螺线管变压器充分利用上垂直空间，变压器的单个电感、品质因数远高于平面线圈，三匝线圈的电感就可以达到50-100nH；

(2)由于微型三维螺线管变压器中螺线管相互交错缠绕，耦合系数高于平面线圈，可达0.8以上；高电压增益频带宽，可达50MHz-2GHz，因此当数字隔离器工作环境不需要高速数据传输时，可以采用较低频的编码解码电路，以降低电路设计和制作成本；当数字隔离器的工作环境需要高速数据传输时，可以采用产生高频脉冲的编码、解码电路，即该变压器可同时兼容低频、高频的工作环境要求，可以兼容多种编码解码方式；

(3)由于微型三维螺线管变压器所具有的传输性能的优势，因此允许初级、次级线圈之间的距离更大，主流以片上变压器为核心的数字隔离器，聚酰亚胺隔离层只有20-40μm，隔离能力受限，本实用新型隔离层至少可达100μm，以此微型三维螺线管变压器为核心制作的数字隔离器的隔离电压可以达到20KVrms，并且还存在着更大的隔离电压潜力；

(4)在增大初级、次级线圈间距以增大电压隔离能力时，若要满足良好的传输性能，就需要增多线圈匝数。但片上变压器由于外圈面积越来越大，因此增加线圈匝数的效果会越来越弱，但三维螺线管变压器不会有这个问题。这也是本实用新型具有更大电压隔离潜力的一个原因。同时，在同样隔离能力的数字隔离器中，本实用新型的面积要小于现有数字隔离器。目前ADI公司LTM2810型号的数字隔离器可以实现7.5KVrms的电压隔离，其面积22mm*6.25mm*2.06mm，而本实用新型可以实现20KVrms隔离能力的微型三维螺线管变压器，其面积只有1.5mm*1mm*1mm，有望在长度10mm甚至5mm内的大小内实现整个数字隔离器的封装；

(5)本实用新型中的微型三维螺线管变压器尺寸微小、结构强度高、性能优秀并且制作成本低；

(6)通过特定的曝光图案，可以实现三维螺线管变压器内大部分硅基底的去除，并在不影响性能情况下，留下部分内部的硅柱以及与竖直导线相接的硅基底，支撑去除大量硅基后的螺线管线圈，保证初、次级线圈的相对位置，即保证了聚酰亚胺隔离材料的填充厚度；并通过在边缘切割的方式，阻止初级线圈和次级线圈通过硅相连的途径，只由聚酰亚胺填充材料相连，从而实现填充有聚酰亚胺隔离材料的微型三维螺线管变压器的制作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种微型三维螺线管变压器，其特征在于，包括两个结构相同且相互交错缠绕的螺线管、支撑所述螺线管的硅基和聚酰亚胺隔离层；

每一个所述螺线管包括若干匝相互平行的线圈，且相邻的所述线圈间距一致，每一匝所述线圈包括上下两条长条形的水平导线以及与所述水平导线相连的两条圆柱形的竖直导线，上下两条所述水平导线在水平面上的投影为等腰三角形的两条等腰边，两个所述螺线管相邻的线圈之间由所述聚酰亚胺隔离层隔离开，每一个所述螺线管的首尾线圈都连接有处于所述硅基上表面的引脚。

2.根据权利要求1所述的一种微型三维螺线管变压器，其特征在于，

每一个所述螺线管的线圈匝数为3匝，相邻的所述线圈的间距为100μm，所述线圈的宽度为800μm，所述水平导线的宽度为60μm，所述竖直导线的直径为50μm，所述微型三维螺线管变压器的整体宽度为1100μm，整体高度为1000μm，整体长度为1150μm。

3.一种数字隔离器，其特征在于，包括编码电路、解码电路和如权利要求1或2所述的微型三维螺线管变压器；

所述编码电路与所述微型三维螺线管变压器中一个螺线管的一对引脚连接，所述解码电路与所述微型三维螺线管变压器中另一个螺线管的一对引脚连接。

4.根据权利要求3所述的一种数字隔离器，其特征在于，所述编码电路包括第一延迟电路(TD1)、第二延迟电路(TD2)、异或门、与门、或门以及第一反相器；

待编码的输入信号分别接入所述第一延迟电路(TD1)、所述异或门和所述与门的一个输入端，所述第一延迟电路(TD1)的输出信号分别接入所述异或门的另一个输入端和所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出信号接入所述与门的另一个输入端，所述与门的输出信号接入所述第二延迟电路(TD2)，所述异或门的输出信号和所述第二延迟电路(TD2)的输出信号共同输入所述或门的输入端，所述或门的输出端输出编码信号至所述微型三维螺线管变压器。

5.根据权利要求4所述的一种数字隔离器，其特征在于，所述解码电路包括第一触发器、第二触发器、第三触发器、第三延迟电路(TD3)、第四延迟电路(TD4)和第二反相器；

所述微型三维螺线管变压器输出的待解码的编码信号分别接入所述第一触发器的时钟端(CK1)和所述第二触发器的时钟端(CK2)，所述第一触发器的信号输出端(Q1)经过所述第三延迟电路(TD3)以及所述第二反相器后分别接入所述第一触发器的复位端(RESET1)和所述第三触发器的时钟端(CK3)，所述第一触发器的信号输出端(Q1)还经过所述第四延迟电路(TD4)分别接入所述第二触发器的信号输入端(D2)和复位端(RESET2)，所述第二触发器的信号输出端(Q2)接入所述第三触发器的信号输入端(D3)，所述第三触发器的信号输出端(Q3)输出解码后的信号，所述第一触发器的信号输入端(D1)和所述第三触发器的复位端(RESET3)均接入VDD信号。

6.根据权利要求5所述的一种数字隔离器，其特征在于，

所述解码电路还包括设置在所述微型三维螺线管变压器和所述第一触发器之间的整形电路，所述整形电路为施密特整形电路或者三极管整形电路。

7.根据权利要求5或6所述的一种数字隔离器，其特征在于，

所述第一延迟电路(TD1)的延迟时间Δt1为10ns，所述第二延迟电路(TD2)的延迟时间为20ns，所述第三延迟电路(TD3)和所述第四延迟电路(TD4)的延迟时间满足下式：

Δt1<Δt3<Δt4<2*Δt1

式中，Δt3为所述第三延迟电路(TD3)的延迟时间，Δt4为所述第四延迟电路(TD4)的延迟时间。

8.根据权利要求3至6任意一项所述的一种数字隔离器，其特征在于，

所述编码电路和所述解码电路分别与所述微型三维螺线管变压器的引脚通过引线键合连接。

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