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Die Erfindung betrifft ein elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement.
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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einem elektrostatisch stimmbaren, magnetoelektrischen induktiven Bauelement nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs aus.
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Die Induktivität herkömmlicher Spulen lässt sich durch Hinzufügen eines Spulenkerns aus ferro- bzw. ferrimagnetischem Material verändern. Allerdings ist die Induktivität der Spule durch die Wahl des Spulenkerns festgelegt und somit nicht einstellbar.
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Aus „Electrostatically tunable magnetoelectric inductors with large inductance tunability" (Applied Physics Letters 94, 112508 (2009)) ist eine Spule bekannt, deren Induktivität sich mittels eines Spulenkerns, umfassend zwei magnetostriktive Schichten, die einen magnetostriktiven Kern bilden und ein Piezoelement mit elektrischer Kontaktierung, variieren lässt. Der magnetostriktive Kern und das Piezoelement werden durch Kleben mechanisch verbunden. Eine starke magnetoelektrische Kopplung im Spulenkern sorgt für eine durch die elektrische Spannung einstellbare magnetische Permeabilität. Das verwendete Piezoelement weist eine Dicke von etwa 0,5mm auf. Im Vergleich dazu sind die zwei magnetostriktiven Schichten jeweils nur etwa 23µm dick. Dadurch ist der Ausfüllungsgrad der Spule durch die magnetostriktiven Schichten sehr gering.
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Kern und Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gibt ein elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement an, das über eine variable Induktivität in einem großen Wertebereich verfügt. Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, den Ausfüllungsgrad der Spule mit dem magnetostriktiven Kern zu erhöhen und gleichzeitig eine Miniaturisierung des Aufbaus zu ermöglichen.
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Hierzu wird ein elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement, umfassend eine Spule, einen Spulenkern, umfassend einen magnetostriktiven Kern und ein Piezoelement mit elektrischer Kontaktierung, wobei das Piezoelement mit dem magnetostriktiven Kern gekoppelt ist und wobei eine mechanische Spannung und damit die magnetische Permeabilität des magnetostrikitven Kerns durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Piezoelement einstellbar ist, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Piezoelement in Dünnfilmtechnik ausgeführt ist, vorgeschlagen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Spulenkern aus einem magnetostriktiven Kern und einem Piezoelement gebildet.
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Bevorzugt wird das elektrostatisch stimmbare, magnetoelektrische induktive Bauelement bei der Realisierung als Mikro-Elektro-Mechanisches System (MEMS) auf einem Substrat ausgebildet. Alternative Ausführungsformen sind auch denkbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen elektrostatisch stimmbaren, magnetoelektrischen induktiven Bauelement wird das Piezoelement in Dünnfilmform gefertigt. Dadurch wird der Ausfüllungsgrad der Spule mit dem magnetostriktiven Kern erhöht. Somit ergibt sich eine Erweiterung des Wertebereichs, den die magnetische Permeabilität des Spulenkerns und damit die Induktivität der Spule annehmen können. Es wird eine mechanische Spannung und damit die magnetische Permeabilität des magnetostrikitven Kerns durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Piezoelement eingestellt. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Miniaturisierung der Anordnung in Dünnfilmtechnik ermöglicht wird, da der magnetostriktive Kern und das Piezoelement beispielsweise durch Sputtern direkt mechanisch miteinander verbunden werden können. Zudem wird durch die direkte mechanische Verbindung des magnetostriktiven Kerns mit dem Piezoelement die magnetoelektrische Kopplung verbessert, da keine haftvermittelnde Klebeschicht zwischen dem magnetostriktiven Kern und dem Piezoelement ausgebildet ist.
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Weiterführend kann die Spule ebenfalls in Dünnfilmtechnik, insbesondere lithographisch, ausgebildet werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass dies eine einfachere Herstellung und eine Miniaturisierung des elektrostatisch stimmbaren, magnetoelektrischen induktiven Bauelements erlaubt.
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Zusätzlich oder alternativ kann auch der magnetostriktive Kern in Dünnfilmtechnik ausgeführt sein, sodass seine Schichtdicke weniger als 10µm beträgt. Wird der magnetostriktive Kern aus mehreren magnetostriktiven Schichten gebildet, die vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten des Piezoelements mechanisch mit diesem verbunden sind, so beträgt die Schichtdicke jeder einzelnen magnetostriktiven Schicht vorzugsweise weniger als 10µm. Vorteilhaft ist, dass somit eine Miniaturisierung des elektrostatisch stimmbaren, magnetoelektrischen induktiven Bauelements möglich ist.
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Vorzugsweise wird das Piezoelement mit einer Schichtdicke kleiner als 10µm ausgebildet, was vorteilhafterweise den Ausfüllungsgrad der Spule mit dem magnetostriktiven Kern erhöht. Dadurch wird der Wertebereich, den die Induktivtät annehmen kann, vergrößert.
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In einer weiterführenden Gestaltungsform wird der Spulenkern aus mehreren piezoelektrischen Schichten und mehreren magnetostriktiven Schichten gebildet. Der Vorteil einer solchen Schichtung ist, dass die mechanische Verspannung der magnetostriktiven Schicht in der Ausführungsform, bei der der Spulenkern aus mehreren piezoelektrischen Schichten und magnetostriktiven Schichten gebildet wird, bei gleicher elektrischer Spannung größer ist als bei dem Aufbau, der nur eine piezoelektrische Schicht und einen magnetostriktiven Kern umfasst. Dadurch wird der Wertebereich, den die Induktivität annehmen kann, vergrößert.
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Weiterhin kann der magnetostriktive Kern als Elektrode des Piezoelements eingesetzt werden, wodurch zusätzliche Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements eingespart werden. Beim Aufbau des Kerns aus mehreren Schichten können die magnetostriktiven Schichten jeweils als Elektroden des Piezoelements eingesetzt werden. Somit werden keine zusätzlichen Elektroden zur elektrischen Kontaktierung des Piezoelements benötigt.
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Zusätzlich oder alternativ wird die Spule zumindest teilweise vom Substrat getrennt ausgeführt, sodass die Spule und das Substrat zumindest teilweise entkoppelt sind. Hierbei wird die Spule über mindestens einer Kaverne „freigestellt“ über einem Substrat ausgebildet. Es ist von Vorteil, dass somit der Spulenkern keine mechanische Verbindung mit dem Substrat aufweist und folglich größere mechanische Verspannungen des magnetostriktiven Kerns möglich sind. Dadurch wird eine Vergrößerung des Wertebereichs, den die Induktivität annehmen kann, erzielt.
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Als Alternative zur Ausführungsform des Spulenkerns, umfassend einen magnetostriktiven Kern und ein Piezoelement, der sich komplett im Inneren der Spule befindet, wird das Piezoelement in einer Weiterbildung außerhalb der Spule angebracht und mechanisch mit dem sich im Inneren der Spule befindlichen magnetostriktiven Kern verbunden. In einer Variante in der der Spulenkern mehrschichtig aufgebaut ist, kann mindestens eine piezoelektrische Schicht außerhalb der Spule angebracht und mechanisch mit dem Spulenkern verbunden sein. Somit wird der Ausfüllungsgrad der Spule mit dem magnetostriktiven Kern erhöht. Dies führt zu einer Vergrößerung des Wertebereichs, den die Induktivität annehmen kann.
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Vorteilhaft werden das Piezoelement und der magnetostriktive Kern durch Sputtern oder eine andere Abscheidetechnik für Dünnschichten aufeinander aufgebracht, wodurch direkt eine mechanische Verbindung erzeugt wird. Der Vorteil ist, dass auf eine Klebeschicht bzw. eine zusätzliche Materialschicht verzichtet werden kann. Dies ermöglicht eine einfachere Herstellung und eine Erhöhung des Ausfüllungsgrades der Spule mit dem magnetostriktiven Kern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
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Es zeigen
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1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement, welches auf einem Substrat angeordnet ist,
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2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement, dessen Spulenkern mehrere Schichten umfasst,
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3 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement, welches über einem Substrat freigestellt ist,
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4 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement, wobei das Piezoelement außerhalb der Spule angebracht ist.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 wird ein erfindungsgemäßes elektrostatisch stimmbares, magnetoelektrisches induktives Bauelement 8, das auf einem Substrat 4 ausgebildet ist, im Schnitt dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Spule 1 in Dünnfilmtechnik gefertigt und mit einer Passivierung 5 als Schutzschicht versehen, die vorzugsweise durch Sputtern auf die Spule 1 und das Substrat 4 aufgebracht wird. Die Passivierung 5 isoliert die Spule 1 elektrisch gegen das Substrat 4 und den Spulenkern 6. Die Spule 1 mit der Passivierung 5 umschließt einen Hohlraum, der von dem Spulenkern 6 zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig ausgefüllt wird. Die Spule 1 mit der Passivierung 5 und dem Spulenkern 6 ist auf einem Substrat 4 ausgebildet. Der Spulenkern 6 umfasst einen magnetostriktiven Kern 3, der hier insbesondere durch eine erst magnetostriktive Schicht 3a und eine zweite magnetostriktive Schicht 3b gebildet wird. Des Weiteren umfasst der Spulenkern 6 ein Piezoelement 2, das in diesem Ausführungsbeispiel eine piezoelektrische Schicht 2a, 2b umfasst. Die erste magnetostriktive Schicht 3a ist zwischen der Oberseite des Piezoelements 2 und der Passivierung 5 der Spule 1 aufgebracht. Die zweite magnetostriktive Schicht 3b ist zwischen der Unterseite des Piezoelements 2 und der Passivierung 5 der Spule 1 angeordnet. Soweit nicht anders erwähnt, wird in der nachfolgenden Beschreibung davon ausgegangen, dass der Spulenkern 6 aus einem magnetostriktiven Kern 3 und einem Piezoelement 2 besteht. Die mechanische Verbindung des magnetostriktiven Kerns 3 und des Piezoelements 2 wird dadurch erreicht, dass die piezoelektrischen Schicht 2a, 2b und die magnetostriktiven Schichten 3a, 3b vorzugsweise durch Sputtern aufeinander aufgebracht werden.
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Die Herstellung der Spule 1 mit der Passivierung 5 und dem Spulenkern 6 kann insbesondere mithilfe der nachfolgenden Verfahrensschritte erfolgen. Zunächst wird die erste Passivierungsschicht 5a1 auf dem Substrat 4 abgeschieden und anschließend eine erste Metallschicht in einem Abscheideprozess auf die erste Passivierungsschicht 5a1 aufgebracht. Anschließend erfolgt eine Strukturierung der ersten Metallschicht, insbesondere werden metallische Streifen aus der ersten Metallschicht 1a auf der ersten Passivierungsschicht 5a1 ausgebildet. Danach wird eine zweite Passivierungsschicht 5a2 auf die metallischen Streifen aus der ersten Metallschicht 1a und die darunterliegende erste Passivierungsschicht 5a1 abgeschieden. Somit werden die metallischen Streifen aus der ersten Metallschicht 1a vollständig von der Passivierung 5 umschlossen. In einem nächsten Schritt wird der Spulenkern 6 aufgebracht. Hierbei werden der magnetostriktive Kern 3 und das Piezoelement 2, beispielsweise in der in 1 dargestellten Schichtenfolge, abgeschieden und somit miteinander und mit der Passivierung 5 mechanisch verbunden. Anschließend werden der Spulenkern 6 und die angrenzende zweite Passivierungsschicht 5a2 vorzugsweise durch ätzen geöffnet, sodass die Enden der von der Passivierung 5 bedeckten metallischen Streifen aus der ersten Metallschicht 1a freiliegen. Nachfolgend wird eine dritte Passivierungsschicht 5b1 auf den geöffneten Spulenkern 6 abgeschieden. Die dritte Passivierungsschicht 5b1 wird wiederum im Bereich der Enden der metallischen Streifen aus der ersten Metallschicht 1a geöffnet, sodass diese freiliegen. Anschließend wird eine zweite Metallschicht abgeschieden, sodass die Öffnungen in der zweiten Passivierungsschicht 5a2, der dritten Passivierungsschicht 5b1 und dem Spulenkern 6 mit der zweiten Metallschicht ausgefüllt werden. Dadurch werden metallische Verbindungen 9 zwischen den metallischen Streifen aus der ersten Metallschicht 1a und der zweiten Metallschicht hergestellt. Abschließend wird die zweite Metallschicht in Form von metallischen Streifen 1b strukturiert und darauf eine vierte Passivierungsschicht 5b2 abgeschieden. Die metallischen Streifen aus der ersten Metallschicht 1a und die metallischen Streifen aus der zweiten Metallschicht 1b, die durch die metallischen Verbindungen 9 verbunden sind, bilden somit die Spule 1, die vollständig von der Passivierung 5 umschlossen wird. Die vierte Passivierungsschicht 5b2 kann zumindest teilweise geöffnet werden, um einen Kontakt nach außen herzustellen. Das Abscheiden kann beispielsweise durch Sputtern, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden aus der Oberseite und der Unterseite des Piezoelements 2 Elektroden 7 aufgebracht, wie dies in 4, dort Bezugszeichen 7, zu sehen ist und nach außen geführte elektrische Kontakte zum Anlegen einer elektrischen Spannung ausgebildet (in der Zeichnung nicht zu sehen). Diese Elektroden 7 sind in 1 nicht dargestellt, da alternativ oder ergänzend die erste magnetostriktive Schicht 3a und die zweite magnetostriktive Schicht 3b als Elektroden 7 des Piezoelements 2 verwendet werden können. Aus diesem Grund wird auch in 2 und 3 auf das Einzeichnen der Elektroden verzichtet. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die oberseitig und unterseitig des Piezoelements 2 angebrachten, nach außen geführten elektrischen Kontakte erfährt das Piezoelement 2 eine mechanische Kraft. Die daraus resultierende Verformung des Piezoelements 2 in x- und z-Richtung wird als mechanische Spannung auf den magnetostriktive Kern 3 übertragen, da das Piezoelement 2 und der magnetostriktive Kern 3 mechanisch aneinander gekoppelt sind. Im magnetostriktiven Kern 3 verändert sich durch die mechanische Spannung die Ausrichtung der Weiß’schen Bezirke. Damit verändern sich seine magnetischen Eigenschaften, insbesondere ändert sich die magnetische Permeabilität. Durch Einstellen einer elektrischen Spannung wird somit die Induktivität der Spule 1 festgelegt. Eine Veränderung der elektrischen Spannung führt folglich zu einer Variation der Induktivität.
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Die Spule 1 wird vorzugsweise aus Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge der Spule 1 1mm, die Breite 100µm, die Höhe 10µm und sie weist 50 Windungen auf. Das Piezoelement 2 wird vorzugsweise aus der Gruppe der nachfolgenden Materialien ausgewählt: Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobat / Bleititanat (PMN-PT), Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Wismut-Ferrit (BiFeO3) oder Kalium-Natrium-Niobat (KNN). Der magnetostriktive Kern 3 wird beispielsweise durch folgende magnetostriktiven Materialien gebildet: Terfenol-D, Galfenol, Kobalt-Eisen-Bor (CoFeB), Samarium-Kobalt (SmCo), Nickel-Eisen (NiFe) oder Heusler Legierungen. Vorzugsweise wird der Spulenkern 6, wie in 1 abgebildet, aus einem Piezoelement 2, das eine piezoelektrische Schicht 2a, 2b umfasst und zwei magnetostriktiven Schichten 3a, 3b gebildet. Die zwei magnetostriktiven Schichten 3a, 3b dienen vorzugsweise als Elektroden 7 der piezoelektrischen Schicht 2a, 2b. Die magnetische Permeabilität in der Materie setzt sich aus der Permeabilität des Vakuums und der Permeabilitätszahl zusammen. Die Permeabilitätszahl nimmt vorzugsweise Werte im Bereich von 1 bis ca. 5·105 an. Die Induktivität der Spule 1 kann mithilfe der Formel für eine lange Zylinderspule bestimmt werden. Sie ist proportional zur Fläche der Spule 1, zum Quadrat der Anzahl der Windungen, zur magnetischen Permeabilität und zur inversen Länge der Spule 1. In einer bevorzugten Ausführungsform ergeben sich für die Induktivität der Spule 1 somit Werte im Bereich von etwa 0,1 bis 1000µH. Der Spulenkern 6 wird insbesondere so ausgelegt, dass eine möglichst kleine Spannung für die Änderung der Induktivität der Spule 1 benötigt wird. Vorzugsweise sollte die Spannung, die an das Piezoelement 2 angelegt wird, 20V nicht übersteigen. Induktive Bauelemente mit einer einstellbaren Induktivität sind beispielsweise im Bereich der Hochfrequenz Filter (RF-Filter), insbesondere im MHz-Bereich, von Vorteil. Des Weiteren werden induktive Bauelemente mit einer einstellbaren Induktivität vorteilhaft in einstellbaren LC-Gliedern zur Kompensation der Kapazität und in elektrischen Phasenschiebern eingesetzt.
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Das Ausführungsbeispiel in 2 unterscheidet sich von der 1 lediglich im Aufbau des Spulenkerns 6. Der magnetostriktive Kern 3 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch drei magnetostriktive Schichten 3a, 3b, 3c und das Piezoelement 2 durch zwei piezoelektrische Schichten 2a, 2b gebildet. Eine dritte magnetostriktive Schicht 3c ist zwischen der Unterseite der ersten piezoelektrischen Schicht 2a und der Oberseite der zweiten piezoelektrischen Schicht 2b ausgebildet. Die erste magnetostriktive Schicht 3a ist zwischen der Passivierung 5 der Spule 1 und der Oberseite der ersten piezoelektrischen Schicht 2a aufgebracht. Die zweite magnetostriktive Schicht 3b ist zwischen der Unterseite der zweiten piezoelektrischen Schicht 2b und der Passivierung 5 der Spule 1 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die mechanische Verspannung der magnetostriktiven Schicht 3a, 3b bei gleicher elektrischer Spannung größer, als bei dem Aufbau, der in 1 gezeigt ist. Der technische Aufwand zur Herstellung eines mehrschichtigen Spulenkerns 6, wie er in 2 abgebildet ist, im Vergleich zu einem dreischichtigen Spulenkern 6, wie er in 1 dargestellt ist, ist mit gängigen Herstellungsprozessen erhöht, da hierbei die Elektroden 7 parallel geschaltet werden. Daher sollte zwischen dem Prozessaufwand und der benötigten elektrischen Spannung abgewogen werden.
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Ein weiterführendes Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Hierbei wird das elektrostatisch stimmbare, magnetoelektrische induktive Bauelement 8 über einem Substrat 4 freigestellt. In dieser Ausführungsform weist das Substrat 4 in der Mitte eine Vertiefung auf, über der die Spule 1 freigestellt wird. Der Spulenkern 6 wird hier, wie in 1 gezeigt, durch eine erste magnetostriktive Schicht 3a, ein Piezoelement 2 und eine zweite magnetostriktive Schicht 3b gebildet. Alternativ kann insbesondere auch eine Spule 1 mit einem Spulenkern 6, der mehrere piezoelektrische Schichten 2a, 2b und magnetostriktive Schichten 3a, 3b, 3c umfasst, über dem Substrat 4 freigestellt werden. Ein mehrschichtiger Spulenkern 6 ist beispielsweise in 2 abgebildet. Der Spulenkern 6 weist keine mechanische Verbindung mit dem Substrat 4 auf. Somit sind größere mechanische Verspannungen des magnetostriktiven Kerns 3 möglich. Das Substrat 4 weist eine Dicke von etwa 500µm auf. Ist die Spule 1 mechanisch starr mit dem Substrat 4 verbunden, so muss das Piezoelement 2, welches vorzugsweise eine Dicke von weniger als 10 µm aufweist, nicht nur den Spulenkern 6 sondern auch das wesentlich dickere Substrat 4 verspannen. Wird die Spule 1 mit dem Spulenkern freigestellt über dem Substrat 4 aufgebracht, so entfällt dies. Folglich sind größere mechanische Verspannungen des magnetostriktiven Kerns 3 möglich.
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4 beschreibt eine weitere Ausführungsform, bei der das Piezoelement 2 außerhalb der Spule 1 angebracht ist. Auf der Oberseite und der Unterseite des Piezoelements 2 ist jeweils eine Elektrode 7 angebracht. Über diese kann eine elektrische Spannung an das Piezoelement angelegt werden. Das Piezoelement 2, die Passivierung 5 und der magnetostriktive Kern 3 werden beispielsweise durch Sputtern aufeinander aufgebracht. Dadurch wird eine mechanische Verbindung zwischen der Passivierung 5, dem magnetostriktive Kern 3 und dem Piezoelement 2 hergestellt. Dies bewirkt, dass der Spulenkern 6 vollständig aus dem magnetostriktiven Kern 3 hergestellt wird, was den Ausfüllungsgrad der Spule 1 mit dem magnetostriktiven Kern 3 erhöht. In einer hier nicht abgebildeten Variante wird der Spulenkern 6 mehrschichtig ausgebildet, wie er beispielsweise 2 zu entnehmen ist. Zusätzlich wird in diesem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite des Spule 1 zwischen der Passivierung 5 und dem Substrat 4 eine piezoelektrische Schicht 2a, 2b aufgebracht. Somit kann durch die zusätzliche piezoelektrische Schicht 2a, 2b bei gleicher Spannung eine höhere mechanische Verspannung erzielt werden, als in dem Ausführungsbeispiel in 2.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird insbesondere durch die Verwendung von Bufferschichten eine mechanische Vorspannung erzeugt mit Hilfe derer der Arbeitspunkt eingestellt wird. Die Bufferschichten werden bevorzugt zwischen dem Substrat 4 und der Spule 1 mittels Dünnschichtprozessen wie beispielsweise PVD oder CVD aufgebracht. Alternativ oder ergänzend kann die Passivierung 5 zusätzlich zu der Funktion der elektrischen Isolierung der Spule 1 vom Substrat 4 als Bufferschicht dienen. Durch das Anbringen von Bufferschichten wird eine nachträglich nicht verstellbare Vorverspannung des Piezoelements 2 erzeugt. Das heißt, dass das Piezoelement 2 nicht nur den Spulenkern 6 und je nach Ausführungsform zusätzlich das Substrat 4 sondern darüber hinaus noch die Bufferschichten verspannen muss. Durch die Wahl der Bufferschichten lässt sich somit der Arbeitspunkt einstellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Electrostatically tunable magnetoelectric inductors with large inductance tunability“ (Applied Physics Letters 94, 112508 (2009)) [0004]
