DE102020127249A1

DE102020127249A1 - Galvanische hochfrequenzisolatoren

Info

Publication number: DE102020127249A1
Application number: DE102020127249.9A
Authority: DE
Inventors: Paul Lambkin; Baoxing Chen; Jinglin Xu; Ramji Lakshmanan
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2021-04-22
Also published as: US20210119670A1; US11152975B2; CN112670687B; CN112670687A

Abstract

Isolatoren für Hochfrequenzsignale, die zwischen zwei Schaltkreisen übertragen werden, die dazu ausgebildet sind, in unterschiedlichen Spannungsdomänen zu arbeiten, sind bereitgestellt. Die Isolatoren können Resonatoren aufweisen, die zum Arbeiten bei Hochfrequenzen mit hoher Transfereffizienz, hoher Isolationseinstufung und einer kleinen Substratgrundfläche in der Lage sind. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren bei einer Frequenz von nicht weniger als 20 GHz, nicht weniger als 30 GHz, nicht weniger als 65 GHz oder zwischen 20 GHz und 100 GHz, einschließlich eines beliebigen Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs, arbeiten. Die Isolatoren können Induktionsschleifen mit Schlitzen und Kondensatoren, die integral bei den Schlitzen gebildet sind, aufweisen. Die Größen und Formen der Induktionsschleifen und Kondensatoren können zum Steuern der Werte von Äquivalenzinduktivitäten und - kapazitäten der Isolatoren ausgebildet sein. Die Isolatoren sind mit unterschiedlichen Fertigungsprozessen, einschließlich zum Beispiel Mikrofertigungs- und PCB-Herstellungsprozessen kompatibel.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Anmeldung betrifft galvanische Isolatoren, die eine galvanische Isolation zwischen Schaltkreisen bereitstellen.
HINTERGRUND
Isolatoren stellen eine elektrische Isolation zwischen Schaltkreisen bereit, die miteinander kommunizieren. In manchen Situationen arbeiten Schaltkreise, die miteinander kommunizieren, mit unterschiedlichen Spannungen, beispielsweise einer bei einer relativ hohen Spannung und der andere bei einer relativ niedrigen Spannung. In manchen Situationen werden die Schaltkreise auf unterschiedliche elektrische Massepotentiale bezogen. Isolatoren können verwendet werden, um Schaltkreise in beiden dieser Situationen elektrisch zu isolieren. Das Verbinden mehrerer Isolatoren in Reihe kann eine Zunahme der Isolationsmenge zwischen den Schaltkreisen erhöhen.
KURZDARSTELLUNG
Isolatoren für Hochfrequenzsignale, die zwischen zwei Schaltkreisen übertragen werden, die dazu ausgebildet sind, in unterschiedlichen Spannungsdomänen zu arbeiten, sind bereitgestellt. Die Isolatoren können Resonatoren aufweisen, die zum Arbeiten bei Hochfrequenzen mit hoher Transfereffizienz, hoher Isolationseinstufung und einer kleinen Substratgrundfläche in der Lage sind. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren bei einer Frequenz von nicht weniger als 20 GHz, nicht weniger als 30 GHz, nicht weniger als 65 GHz oder zwischen 20 GHz und 100 GHz, einschließlich eines beliebigen Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs, arbeiten. Die Isolatoren können Induktionsschleifen mit Schlitzen und Kondensatoren, die integral bei den Schlitzen gebildet sind, aufweisen. Die Größen und Formen der Induktionsschleifen und Kondensatoren können zum Steuern der Werte von Äquivalenzinduktivitäten und - kapazitäten des Isolators ausgebildet sein. Die Isolatoren sind mit unterschiedlichen Fertigungsprozessen, einschließlich zum Beispiel Mikrofertigungs- und PCB-Herstellungsprozessen kompatibel.
Manche Ausführungsformen betreffen eine integrierte Isolatorvorrichtung. Die integrierte Isolatorvorrichtung weist Folgendes auf: ein Substrat, eine erste Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem ersten Schlitz, einen ersten Kondensator, eine zweite Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem zweiten Schlitz, und einen zweiten Kondensator. Die zweite Induktionsschleife ist galvanisch von der ersten Induktionsschleife isoliert. Der erste Kondensator weist eine erste und zweite Elektrode auf, die sich von dem ersten Schlitz erstrecken. Der zweite Kondensator weist eine dritte und vierte Elektrode auf, die sich von dem zweiten Schlitz erstrecken.
Manche Ausführungsformen betreffen eine integrierte Isolatorvorrichtung. Die integrierte Isolatorvorrichtung weist Folgendes auf: ein Substrat, eine erste und zweite Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem ersten bzw. zweiten Schlitz, einen ersten Kondensator, der sich von dem ersten Schlitz in einer ersten Richtung erstreckt, einen zweiten Kondensator, der sich von dem zweiten Schlitz in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung erstreckt, eine dritte und vierte Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem dritten bzw. vierten Schlitz, einen dritten Kondensator, der sich von dem dritten Schlitz in der zweiten Richtung erstreckt, und einen vierten Kondensator, der sich von dem vierten Schlitz in der ersten Richtung erstreckt. Die dritte und vierte Induktionsschleife sind elektrisch miteinander gekoppelt.
Manche Ausführungsformen betreffen ein System, das eine integrierte Vorrichtung einen Sender und einen Empfänger aufweist. Die integrierte Isolatorvorrichtung weist Folgendes auf: eine erste Induktionsschleife mit einem ersten Schlitz, eine zweite Induktionsschleife mit einem zweiten Schlitz, und einen ersten und zweiten Kondensator, die sich von dem ersten bzw. zweiten Schlitz erstrecken. Die zweite Induktionsschleife ist galvanisch von der ersten Induktionsschleife isoliert. Der Sender ist mit der ersten Induktionsschleife gekoppelt und zum Arbeiten in einer ersten Spannungsdomäne ausgebildet. Der Empfänger ist mit der zweiten Induktionsschleife gekoppelt und zum Arbeiten in einer von der ersten Spannungsdomäne verschiedenen zweiten Spannungsdomäne ausgebildet.
Figurenliste
Die begleitenden Zeichnungen sollen nicht maßstabsgetreu gezeichnet sein. In den Zeichnungen ist jede identische oder beinahe identische Komponente, die in verschiedenen Figuren veranschaulicht ist, durch eine gleiche Ziffer repräsentiert. Der Klarheit halber ist möglicherweise nicht jede Komponente in jeder Zeichnung beschriftet. In den Zeichnungen gilt:

1 ist ein vereinfachtes Schaubild eines Systems, das eine integrierte Isolatorvorrichtung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen.
2 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer integrierten Isolatorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen.
3A ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer alternativen Induktionsschleife der integrierten Isolatorvorrichtung aus 2 gemäß manchen Ausführungsformen.
3B ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer alternativen Induktionsschleife der integrierten Isolatorvorrichtung aus 2 gemäß manchen Ausführungsformen.
4 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer integrierten Isolatorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen.
5 ist eine vereinfachte Draufsicht einer integrierten Isolatorvorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen.
6A ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer integrierten Isolatorvorrichtung mit einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration gemäß manchen Ausführungsformen.
6B ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer integrierten Isolatorvorrichtung mit einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration gemäß manchen Ausführungsformen.
7A ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer integrierten Isolatorvorrichtung mit einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration gemäß manchen Ausführungsformen.
7B ist eine vereinfachte Querschnittsansicht der integrierten Isolatorvorrichtung aus 7A über eine als 7B markierte Ebene hinweg gemäß manchen Ausführungsformen.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Systems, das eine integrierte Isolatorvorrichtung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen.
9A ist eine Draufsicht eines Systems, das eine integrierte Isolatorvorrichtung aufweist, gemäß manchen Ausführungsformen.
9B ist eine Querschnittsansicht des Systems aus 9A entlang einer als 9B markierten Linie gemäß manchen Ausführungsformen.
10 ist ein schematisches Diagramm, das eine portable elektronische Vorrichtung veranschaulicht, die eine integrierte Isolatorvorrichtung einbindet, gemäß manchen Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier sind Isolatoren beschrieben, die zum Arbeiten bei Hochfrequenzen mit hoher Transfereffizienz, hoher Isolationseinstufung und einer kleinen Substratgrundfläche in der Lage sind. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren bei einer Frequenz von nicht weniger als 20 GHz, nicht weniger als 30 GHz, nicht weniger als 65 GHz oder zwischen 20 GHz und 100 GHz, einschließlich eines beliebigen Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs, arbeiten. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren eine Transfereffizienz zwischen 10 % und 90 % aufweisen, einschließlich eines beliebigen Wertes oder Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren eine Isolationseinstufung zwischen 100 V und 2 kV aufweisen, einschließlich eines beliebigen Wertes oder Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren eine Substratgrundfläche zwischen (100 um)² und (1 cm)² aufweisen, einschließlich eines beliebigen Wertes oder Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs. Die Erfinder haben erkannt und verstanden, dass herkömmliche Isolatoren nicht bei solchen hohen Frequenzen arbeiten und gleichzeitig eine ausreichende Isolation und hohe Transfereffizienz bereitstellen können. Herkömmliche Versuche für Hochgeschwindigkeitsisolatoren weisen Induktivitäten (z. B. planare Spiralinduktivitäten) auf, die magnetisch miteinander gekoppelt werden, indem die Induktivitäten nahe zueinander angeordnet werden. Wenn Frequenzen zur Signalübertragung zwischen zwei Schaltkreisen in unterschiedlichen Spannungsdomänen zunehmen, halten jene herkömmlichen Isolatoren entweder eine Entfernung zwischen den Induktivitäten klein, um eine Transfereffizienz beizubehalten, aber opfern die Isolationseinstufung, oder erhöhen die Entfernung, um die Isolationseinstufung beizubehalten, aber opfern die Transfereffizienz.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen eine Isolatoreinrichtung und Verfahren für einen Hochfrequenzbetrieb mit hoher Transfereffizienz, hoher Isolationseinstufung und einer kleinen Substratgrundfläche bereit. Bei manchen Ausführungsformen können Isolatoren Isolatorkomponenten aufweisen, die zum Arbeiten mit einer gleichen Resonanzfrequenz abgestimmt sind, so dass die Isolatorkomponenten durch eine größere Entfernung separiert werden können, was eine hohe Isolationseinstufung bereitstellt, während eine hohe Transfereffizienz bei hohen Frequenzen beibehalten wird.
Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatorkomponenten eines Isolators Induktionsschleifen mit Schlitzen und Kondensatoren, die integral bei den Schlitzen gebildet sind, aufweisen, so dass die Isolatorkomponenten bei einer gewünschten Resonanzfrequenz arbeiten, die entsprechend einer gewünschten Betriebsfrequenz des Isolators konfiguriert werden kann. Bei manchen Ausführungsformen können die Induktionsschleifen zum Bereitstellen sowohl einer gewünschten Äquivalenzinduktivität der Isolatorkomponenten als auch einer gewünschten Substratgrundfläche ausgebildet sein. Bei manchen Ausführungsformen können die Kondensatoren in die Isolatorkomponenten Kapazitäten zusätzlich zu den intrinsischen internen Kapazitäten der Induktionsschleifen einführen, so dass die Isolatorkomponenten bei der gewünschten Resonanzfrequenz arbeiten. Bei manchen Ausführungsformen können die Kondensatoren derart ausgebildet sein, dass die Äquivalenzkapazität der Isolatorkomponenten unter Berücksichtigung der intrinsischen Kapazität der Induktionsschleifen einen gewünschten Wert zum Bereitstellen einer gewünschten Resonanzfrequenz der Isolatorkomponenten aufweist.
Bei manchen Ausführungsformen kann eine Induktionsschleife einen einzigen Bogen aufweisen. Der einzige Bogen kann einen Umfang aufweisen, der im Wesentlichen gleich einer Wellenlänge ist, die der gewünschten Resonanzfrequenz entspricht, bei der die Isolatorkomponenten arbeiten. Bei manchen Ausführungsform kann der Bogen Teil eines Kreises sein. Bei manchen Ausführungsformen kann eine Induktionsschleife einen ersten und zweiten Bogen aufweisen, um mit der gleichen Substratgrundfläche eine größere Induktivität als ein einziger Bogen oder mit einer kleineren Substratgrundfläche eine ähnliche Induktivität wie ein einziger Bogen zu erreichen. Der erste und zweite Bogen können konzentrisch sein. Sowohl der erste als auch zweite Bogen können ein Ende für einen Schlitz bereitstellen.
Bei manchen Ausführungsformen können die Kondensatoren der Isolatorkomponenten mit Paaren von Elektroden gebildet werden, die sich von Schlitzen jeweiliger Induktionsschleifen der Isolatorkomponente erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen können sich die Kondensatoren in einer gleichen Metallisierungsebene mit den jeweiligen Induktionsschleifen befinden, so dass die Notwendigkeit einer Unterquerungsmetallisierung, um Kondensatoren zu bilden, beseitigt wird. Bei manchen Ausführungsformen kann sich ein Kondensator von einem Schlitz einer jeweiligen Induktionsschleife zu einem Zentrum der jeweiligen Induktionsschleife hin erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen kann sich ein Kondensator von einem Schlitz einer jeweiligen Induktionsschleife von einem Zentrum der jeweiligen Induktionsschleife weg erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Kondensator ein Paar Elektroden aufweisen, die sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Kondensator ein Paar Elektroden aufweisen, die miteinander verschränkt sind, um zum Beispiel mit der gleichen Substratgrundfläche eine größere Kapazität als ein Paar paralleler Elektroden oder mit einer kleineren Substratgrundfläche eine ähnliche Kapazität wie ein Paar paralleler Elektroden zu erreichen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein System Schaltkreise aufweisen, die in unterschiedlichen Spannungsdomänen arbeiten. Bei manchen Ausführungsformen kann die Spannungsdifferenz zwischen den unterschiedlichen Spannungsdomänen höher als 400 V, höher als 600 V oder höher als 2 kV sein. Das System kann einen Isolator aufweisen, um eine galvanische Isolation zwischen den Schaltkreisen bereitzustellen, die in den unterschiedlichen Spannungsdomänen arbeiten. Der Isolator kann auch dazu ausgebildet sein, elektrischen Spannungsstoßereignissen, zum Beispiel in dem Bereich von 10 kV bis 20 kV, standzuhalten.
1 stellt ein solches System 100 einschließlich einer integrierten Isolatorvorrichtung 102 gemäß manchen Ausführungsformen dar. Die integrierte Isolatorvorrichtung 102 kann eine galvanische Isolation zwischen einem Sender 104 und einem Empfänger 106 bereitstellen, die in unterschiedlichen Spannungsdomänen arbeiten können, die zum Beispiel unterschiedlichen Versorgungsspannungen und/oder unterschiedlichen Referenzspannungen entsprechen können.
Der Sender 104 kann Signale in verschiedenen Formaten empfangen, zum Beispiel digitale Daten mit On-Off-Keying(OOK)-Modulation. Der Sender 104 kann einen Eingangspuffer 124 aufweisen, um die empfangenen Signale rechtzeitig an eine Ansteuerung/einen Mischer 108 zu liefern. Die Ansteuerung/der Mischer 108 kann zum Abstimmen der Frequenz der empfangenen Signale wenigstens teilweise basierend auf einem Taktsignal (z. B. 30 GHz) von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO: Voltage-Controlled Oscillator) 110 ausgebildet sein. Der Sender 104 kann ein Anpassungsnetz (MN: Matching Network) 112 aufweisen, das zum Anpassen der Ausgangsimpedanz des Senders 104 an die Eingangsimpedanz der integrierten Isolatorvorrichtung 102 ausgebildet ist. Das Anpassungsnetz 112 kann zum Berücksichtigen parasitärer Effekte 114 ausgebildet sein, die durch zum Beispiel Eingangspads und Zwischenverbindungen zwischen dem Sender 104 und der integrierten Isolatorvorrichtung 102 verursacht werden. Das Anpassungsnetz 112 kann zum Bereitstellen eines angemessenen Gütefaktors (Q) einer ersten Isolatorkomponente 102a, die mit den Sender 104 gekoppelt ist, ausgebildet sein, um ein flaches Durchlassband zu erhalten, das ein Jitter reduzieren kann.
Die integrierte Isolatorvorrichtung 102 kann die erste Isolatorkomponente 102a, die mit dem Sender 104 gekoppelt ist, und eine zweite Isolatorkomponente 102b, die mit dem Empfänger 106 gekoppelt ist, aufweisen. Die erste und zweite Isolatorkomponente 102a und 102b können galvanisch voneinander isoliert und induktiv miteinander gekoppelt sein. Die erste und zweite Isolatorkomponente 102a und 102b können so positioniert sein, dass sie einander wenigstens teilweise überlappen, so dass die Isolatorkomponenten einen magnetischen Fluss von der einen zu der anderen induzieren können. Die erste und zweite Isolatorkomponente 102a und 102b können so ausgebildet sein, dass sie eine gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, so dass die Isolatorkomponenten in Resonanz arbeiten können und eine hohe Transfereffizienz zwischen einander bei hohen Frequenzen aufweisen.
Der Empfänger 106 kann Signale durch die zweite Isolatorkomponente 102b empfangen. Der Empfänger 106 kann ein Anpassungsnetz (MN) 116 aufweisen, das zum Anpassen der Ausgangsimpedanz der integrierten Isolatorvorrichtung 102 an die Eingangsimpedanz eines rauscharmen Verstärkers (LNA: Low Noise Amplifier) 118 ausgebildet ist. Das Anpassungsnetz 116 kann auch zum Berücksichtigen parasitärer Effekte ausgebildet sein. Das Anpassungsnetz 116 kann zum Bereitstellen eines angemessenen Q-Faktors der zweiten Isolatorkomponente 102b ausgebildet sein, die mit dem Empfänger 106 gekoppelt ist. Der LNA 118 kann mit einem Demodulator 120 ACgekoppelt sein. Der Empfänger 106 kann Daten durch einen Ausgangspuffer 122 ausgeben.
Bei manchen Ausführungsformen kann eine integrierte Isolatorvorrichtung vertikal gestapelte Isolatorkomponenten aufweisen. 2 stellt eine integrierte Isolatorvorrichtung 200 mit einer ersten Isolatorkomponente 214a und einer zweiten Isolatorkomponente 214b, die vertikal auf einem Substrat 204 gestapelt sind, gemäß manchen Ausführungsformen dar. Die erste Isolatorkomponente 214a und die zweite Isolatorkomponente 214b können durch eine Entfernung D galvanisch voneinander isoliert sein. Die Entfernung D kann derart gewählt werden, dass die Transfereffizienz zwischen der ersten und zweiten Isolatorkomponente ausreichend effizient ist, zum Beispiel mit einem Verlust von nicht mehr als 3 dB über eine Betriebsbandbreite der integrierten Isolatorvorrichtung 200 hinweg. Die Entfernung D kann auch derart gewählt werden, dass die integrierte Isolatorvorrichtung 200 hohen Spannungsdifferenzen und Spannungsstoßereignissen standhalten kann. Bei manchen Ausführungsformen kann die Entfernung D in dem Bereich von 20 µm bis 500 µm, in dem Bereich von 50 µm bis 300 µm oder in dem Bereich von 50 µm bis 100 µm liegen.
Die erste Isolatorkomponente 214a kann eine erste Induktionsschleife 202a und einen ersten Kondensator 210a aufweisen. Die erste Induktionsschleife 202a kann einen Bogen 216a aufweisen, der sich von einem ersten Ende 208a zu einem zweiten Ende 208b erstreckt. Der Bogen 216a kann Teil eines Kreises sein, der einen Radius r aufweist. Die Induktionsschleife 202a kann einen Schlitz 206 zwischen dem ersten Ende 208a und dem zweiten Ende 208b aufweisen, die durch die Breite w des Schlitzes voneinander separiert sind. Bei manchen Ausführungsformen können der Radius r und die Breite w derart gewählt werden, dass ein Umfang des Bogens 216a im Wesentlichen gleich einer Wellenlänge einer gewünschten Resonanzfrequenz der ersten Isolatorkomponente 214 ist. Bei manchen Ausführungsformen kann die Breite w des Schlitzes so gewählt werden, dass der Kondensator 210a integral mit dem Schlitz 206a gebildet wird, wobei zum Beispiel eine gewünschte Äquivalenzinduktivität des Bogens bereitgestellt wird. Bei manchen Ausführungsformen kann der Radius r in dem Bereich von 200 µm bis 600 µm liegen, damit die erste Isolatorkomponente 214a eine hohe Resonanzfrequenz aufweist. Bei manchen Ausführungsformen kann die Breite des Schlitzes w in dem Bereich von 2 µm bis 20 µm liegen.
Der erste Kondensator 210a kann eine erste Elektrode 212a, die sich von dem ersten Ende 208a erstreckt, und eine zweite Elektrode 212b, die sich von dem zweiten Ende 208b erstreckt, aufweisen. Die erste und zweite Elektrode 212a und 212b können sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken. Eine Entfernung d zwischen der ersten und zweiten Elektrode 212a und 212b kann im Wesentlichen gleich der Breite w des Schlitzes sein. Es versteht sich, dass die Auswahl der Breite w des Schlitzes eine Kapazität beeinflussen kann, die durch den integral bei dem Schlitz gebildeten Kondensator bereitgestellt wird. Die erste und zweite Elektrode 212a und 212b können sich für eine Länge L erstrecken, die so gewählt ist, dass eine Kapazität für die erste Isolatorkomponente 214a bereitgestellt wird, damit sie die gewünschte Resonanzfrequenz hat. Obwohl sich die erste und zweite Elektrode 212a und 212b von dem jeweiligen Schlitz 206a in dem veranschaulichten Beispiel weg erstrecken, versteht es sich, dass sich die Elektroden bei manchen Ausführungsformen in den Bogen 216a hinein erstrecken können. Obwohl sich die erste und zweite Elektrode 212a und 212b bei dem veranschaulichten Beispiel im Wesentlichen senkrecht zu einer Tangente des Bogens 216a bei dem Schlitz 206a erstrecken, versteht es sich, dass sich die Elektroden in beliebigen geeigneten Richtungen erstrecken können, die sich zum Beispiel in einem Winkel zu der Tangente des Bogens 216a bei dem Schlitz 206a erstrecken, so dass eine kompakte Substratgrundfläche erreicht wird.
Die erste Induktionsschleife 202a kann mehr als den in 2 gezeigten einzelnen Bogen 216a aufweisen. 3A und 3B stellen alternative Induktionsschleifen 302A und 302B für die erste Isolatorkomponente 214a der integrierten Isolatorvorrichtung 200 gemäß manchen Ausführungsformen dar. Die Induktionsschleife 302A kann einen ersten Bogen 304a und einen zweiten Bogen 304b aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen können der erste Bogen 304a und der zweite Bogen 304b konzentrisch sein. Der erste Bogen 304a kann sich von einem ersten Ende 306a zu einem zweiten Ende 306b erstrecken. Der zweite Bogen 304b kann sich von einem dritten Ende 308a zu einem vierten Ende 308b erstrecken. Die Breite w des Schlitzes kann durch das erste Ende 306a und das dritte Ende 308a definiert sein. Bei manchen Ausführungsformen kann das zweite Ende 306b von dem ersten 306a durch eine größere Entfernung als die Breite w des Schlitzes separiert sein, wie zum Beispiel bei der in 3A veranschaulichten Induktionsschleife 302A. Bei manchen Ausführungsformen kann das zweite Ende 306b von dem ersten 306a durch eine Entfernung im Wesentlichen gleich der Breite w des Schlitzes separiert sein, wie zum Beispiel bei der in 3B veranschaulichten Induktionsschleife 302B. Die Induktionsschleifen 302A und 302B können eine gleiche Äquivalenzinduktivität wie die in 2 veranschaulichte Induktionsschleife 202a mit einer kompakteren Substratgrundfläche bereitstellen. Die Induktionsschleifen 302A und 302B stellen eine größere Äquivalenzkapazität als die in 2 veranschaulichte Induktionsschleife 202 mit dem einzigen Bogen 216a bereit, so dass die Länge L der Elektroden 212a und 212b reduziert werden kann, was Substratgrundfläche spart.
Der erste Kondensator 210a kann verschieden von dem in 2 gezeigten Parallelkondensator bemessen und geformt sein. 4 stellt einen alternativen Kondensator 410a für die erste Isolatorkomponente 214a der integrierten Isolatorvorrichtung 200 gemäß manchen Ausführungsformen dar. Der Kondensator 410a kann eine erste Elektrode 412a aufweisen, die sich von einem ersten Ende 408a eines Schlitzes 406a erstreckt. Der Kondensator 410a kann eine zweite Elektrode 412b aufweisen, die sich von einem zweiten Ende 408b des Schlitzes 406a erstreckt. Die erste und zweite Elektrode 412a und 412b können miteinander verschränkt sein. Bei dem veranschaulichten Beispiel weisen die erste und zweite Elektrode 412a und 412b Finger 404a bzw. 404b auf. Die Finger 404a und 404b sind in einer Richtung senkrecht zu der Länge der Finger abwechselnd angeordnet. Der Kondensator 410a kann eine gleiche Kapazität wie der erste Kondensator 210a (2) mit einer kompakteren Substratgrundfläche bereitstellen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann die zweite Isolatorkomponente 214b eine zweite Induktionsschleife 202b und einen zweiten Kondensator 210b aufweisen. Die zweite Induktionsschleife 202b kann einen zweiten Bogen 216b und einen zweiten Schlitz 206b aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann der zweite Bogen 216b wenigstens teilweise mit dem ersten Bogen 216a der ersten Isolatorkomponente 214a überlappen, so dass die erste und zweite Isolatorkomponente 214a und 214b induktiv miteinander gekoppelt sein können. Bei manchen Ausführungsformen kann sich der zweite Kondensator 210b in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Richtung erstrecken, in der sich der erste Kondensator 210a erstreckt. Obwohl die zweite Isolatorkomponente 214b bei dem veranschaulichten Beispiel als die erste Isolatorkomponente 214a um 180 Grad im Uhrzeigersinn drehend geformt ist, versteht es sich, dass die zweite Isolatorkomponente 214b von der ersten Isolatorkomponente 214a verschieden geformt und bemessen sein kann.
Bei manchen Ausführungsformen kann eine integrierte Isolatorvorrichtung Isolatorkomponenten aufweisen, die in einer gleichen Ebene angeordnet sind, was eine Fertigung der integrierten Isolatorvorrichtung mit einer einzigen Metallisierungsschicht ermöglicht. 5 stellt eine Draufsicht einer integrierten Isolatorvorrichtung 500 mit einer ersten Isolatorkomponente 514a und einer zweiten Isolatorkomponente 514b, die in einer gleichen Ebene auf einem Substrat 504 angeordnet sind, gemäß manchen Ausführungsformen dar. Die erste Isolatorkomponente 514a kann eine erste Induktionsschleife 502a und einen ersten Kondensator 510a aufweisen. Die erste Induktionsschleife 502a kann einen ersten Bogen 516a aufweisen, der sich von einem ersten Ende 508a zu einem zweiten Ende 508b erstreckt. Die erste Induktionsschleife 502a kann einen zweiten Bogen 516b aufweisen, der sich von einem dritten Ende 508c zu einem vierten Ende 508d erstreckt. Das erste Ende 508a und das dritte Ende 508c können einen Schlitz 506a definieren. Der erste Kondensator 510a kann eine erste Elektrode 512, die sich von dem ersten Ende 508a erstreckt, und eine zweite Elektrode 512b, die sich von dem dritten Ende 508c erstreckt, aufweisen. Die zweite Isolatorkomponente 514b kann eine zweite Induktionsschleife 502b und einen zweiten Kondensator 510b aufweisen. Die zweite Induktionsschleife 502b kann einen dritten Bogen 516c und einen vierten Bogen 516d aufweisen. Die Bögen 516a bis 516d können abwechselnd in der Ebene angeordnet sein.
Bei manchen Ausführungsformen kann eine integrierte Isolatorvorrichtung eine Rücken-an-Rücken-Konfiguration aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann eine integrierte Isolatorvorrichtung mit einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration eine erste Isolatorkomponente, die mit einem in einer ersten Spannungsdomäne arbeitenden ersten Schaltkreis gekoppelt ist, und eine zweite Isolatorkomponente, die mit einem in einer zweiten Spannungsdomäne arbeitenden Schaltkreis gekoppelt ist, aufweisen. Die erste Isolatorkomponente und die zweite Isolatorkomponente können galvanisch voneinander isoliert sein. Die erste Isolatorkomponente und die zweite Isolatorkomponente können durch mehrere Isolatorkomponenten, zum Beispiel wenigstens zwei Isolatorkomponenten, induktiv miteinander gekoppelt sein, um eine höhere Isolationseinstufung mit den kumulativen Isolationseigenschaften der wenigstens zwei Isolatorkomponenten zu erreichen. Die Isolatorkomponenten einer integrierten Isolatorvorrichtung können so ausgebildet sein, dass sie eine gleiche Resonanzfrequenz aufweisen, so dass Energieübertragungen durch die mehreren Isolatorkomponenten eine hohe Transfereffizienz, zum Beispiel mit einem Verlust von weniger als 3 dB, über eine große Betriebsbandbreite hinweg aufrechterhalten können. 6A-7B stellen integrierte Isolatorvorrichtungen mit einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration gemäß manchen Ausführungsformen dar.
6A stellt eine integrierte Isolatorvorrichtung 600 dar, die eine erste Isolatorkomponente 614a aufweisen kann, die mit einem ersten Schaltkreis (z. B. Sender 104) gekoppelt ist, der in einer ersten Spannungsdomäne arbeitet. Die integrierte Isolatorvorrichtung 600 kann eine zweite Isolatorkomponente 614b aufweisen, die mit einem zweiten Schaltkreis (z. B. Empfänger 106) gekoppelt ist, der in einer zweiten Spannungsdomäne arbeitet. Die erste Isolatorkomponente 614a und die zweite Isolatorkomponente 614b können galvanisch voneinander isoliert sein.
Die erste Isolatorkomponente 614a kann eine erste Induktionsschleife 602a und einen ersten Kondensator 610a aufweisen. Die erste Induktionsschleife 602a kann einen ersten Schlitz 606a aufweisen. Der erste Kondensator 610a kann integral bei dem ersten Schlitz 606a gebildet sein. Die erste Induktionsschleife 602a kann zwei Bögen aufweisen. Zwei Elektroden des ersten Kondensators 610a können sich von jeweiligen Bögen erstrecken, die durch jeweilige Leiterbahnen 618a und 618b mit jeweiligen Pads 620a und 620b gekoppelt sein können. Die Pads 620a und 620b können mit dem ersten Schaltkreis (z. B. Sender 104) gekoppelt sein. Der erste Kondensator 610a kann sich von dem ersten Schlitz 606a in einer ersten Richtung erstrecken, die zum Beispiel zu einer Öffnung zwischen den zwei Bögen der ersten Induktionsschleife 602a zeigt. Die Leiterbahnen 618a und 618b können sich von der Öffnung zwischen den zwei Bögen zu den jeweiligen Pads 620a und 620b erstrecken. Es versteht sich, dass die Leiterbahnen 618a und 618b von den zwei Elektroden der zwei Elektroden des ersten Kondensators 610 verschieden sind. Zum Beispiel können die Leiterbahnen 618a und 618b an einem Ende, das mit den Pads 620a und 620b gekoppelt ist, durch eine Entfernung sp voneinander beabstandet sein. Die Entfernung sp kann derart ausgebildet sein, dass sie Layoutgestaltungsregeln erfüllt, die verhindern, dass die zwei Pads 620a und 620b einander kurzschließen. Die Entfernung sp kann größer als die Breite w eines Schlitzes sein.
Die zweite Isolatorkomponente 614b weist eine zweite Induktionsschleife 602b und einen zweiten Kondensator 610b auf. Die zweite Induktionsschleife 602b kann einen zweiten Schlitz 606b aufweisen. Der zweite Kondensator 610b kann integral bei dem zweiten Schlitz 606b gebildet sein. Die zweite Induktionsschleife 602b kann zwei Bögen aufweisen. Zwei Elektroden des zweiten Kondensators 610b können sich von jeweiligen Bögen erstrecken, die durch jeweilige Leiterbahnen mit jeweiligen Pads 622 gekoppelt sein können. Die Pads 622 können mit dem zweiten Schaltkreis (z. B. Empfänger 106) gekoppelt sein. Der zweite Kondensator 610b kann sich von dem zweiten Schlitz 606a in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung erstrecken, die zum Beispiel zu einer Öffnung zwischen den zwei Bögen der zweiten Induktionsschleife 602b zeigt.
Die erste Isolatorkomponente 614a und die zweite Isolatorkomponente 614b können durch eine dritte und vierte Isolatorkomponente 614c und 614d, die elektrisch miteinander kurzgeschlossen sein können, induktiv miteinander gekoppelt sein. Die erste Isolatorkomponente 614a kann wenigstens teilweise mit der dritten Isolatorkomponente 614c überlappen. Die zweite Isolatorkomponente 614b kann wenigstens teilweise mit der vierten Isolatorkomponente 614d überlappen. Obwohl die erste Isolatorkomponente 614a und die zweite Isolatorkomponente 614b bei dem in 6A veranschaulichten Beispiel durch zwei Isolatorkomponenten induktiv miteinander gekoppelt sind, versteht es sich, dass die erste Isolatorkomponente 614a und die zweite Isolatorkomponente 614b durch mehr als zwei Isolatorkomponenten induktiv miteinander gekoppelt sein können, so dass zum Beispiel eine höhere Isolationseinstufung mit den kumulativen Isolationseigenschaften der erhöhten Anzahl an Isolatorkomponenten erreicht wird.
6B stellt eine integrierte Isolatorvorrichtung 600B dar, die eine erste Isolatorkomponente 634a und eine zweite Isolatorkomponente 634b aufweisen kann. Bei dem veranschaulichten Beispiel sind die erste Isolatorkomponente 634a und die zweite Isolatorkomponente 634b durch sechs Isolatorkomponenten 634c-634h induktiv miteinander gekoppelt. Die Isolatorkomponenten 634c und 634d sind elektrisch miteinander kurzgeschlossen und elektrisch von den anderen Isolatorkomponenten 634a, 634b, 634e-634h isoliert. Die Isolatorkomponenten 634e und 634f sind elektrisch miteinander kurzgeschlossen und elektrisch von den anderen Isolatorkomponenten 634a-634d, 634g, 634h isoliert. Die Isolatorkomponenten 634g und 634h sind elektrisch miteinander kurzgeschlossen und elektrisch von den anderen Isolatorkomponenten 634a-634f isoliert.
Unter erneuter Bezugnahme auf 6A können die erste Isolatorkomponente 614a und die zweite Isolatorkomponente 614b in einer ersten Ebene auf einem Substrat angeordnet sein. Die dritte Isolatorkomponente 614c und die vierte Isolatorkomponente 614d können in einer zweiten Ebene auf dem Substrat angeordnet sein. Die dritte Isolatorkomponente 614c und die vierte Isolatorkomponente 614d können durch zum Beispiel eine oder mehrere Leiterbahnen 612 elektrisch miteinander kurzgeschlossen sein. Die dritte Isolatorkomponente 614c und die vierte Isolatorkomponente 614d können elektrisch von der ersten und zweiten Isolatorkomponente 614a und 614b isoliert sein. Obwohl sich die erste Ebene bei dem veranschaulichten Beispiel oberhalb der zweiten Ebene befindet, versteht es sich, dass sich die erste Ebene bei manchen Ausführungsformen unterhalb der zweiten Ebene befinden kann. Obwohl die integrierte Isolatorvorrichtung 600 Isolatorkomponenten aufweist, die auf einem einzigen Substrat gefertigt sind, wie veranschaulicht ist, versteht es sich, dass die integrierte Isolatorvorrichtung 600 Isolatorkomponenten aufweisen kann, die auf unterschiedlichen Substraten gefertigt und durch zum Beispiel Bondtechnologien miteinander gekoppelt sind. Zum Beispiel können die erste und dritte Isolatorkomponente 614a und 614c auf einem Substrat gefertigt werden und können die zweite und vierte Isolatorkomponente 614b und 614d auf einem anderen Substrat gefertigt werden. Die dritte und vierte Isolatorkomponente 614c und 614d können durch Bonddrähte elektrisch miteinander kurzgeschlossen sein.
Die dritte Isolatorkomponente 614c kann eine dritte Induktionsschleife 602c und einen dritten Kondensator 610c aufweisen. Die dritte Induktionsschleife 602c kann einen dritten Schlitz 606c aufweisen. Der dritte Kondensator 610c kann integral bei dem dritten Schlitz 606c gebildet sein. Die dritte Induktionsschleife 602c kann zwei Bögen aufweisen. Zwei Elektroden des dritten Kondensators 610c können sich von jeweiligen Bögen erstrecken. Der dritte Kondensator 610c kann sich von dem dritten Schlitz 606c in der zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung erstrecken.
Die vierte Isolatorkomponente 614d kann eine vierte Induktionsschleife 602d und einen vierten Kondensator 610d aufweisen. Die vierte Induktionsschleife 602d kann einen vierten Schlitz 606d aufweisen. Der vierte Kondensator 610d kann integral bei dem vierten Schlitz 606d gebildet sein. Die vierte Induktionsschleife 602d kann zwei Bögen aufweisen. Zwei Elektroden des vierten Kondensators 610d können sich von jeweiligen Bögen erstrecken, die jeweils durch die eine oder die mehreren Leiterbahnen 612 mit den zwei Bögen der dritten Induktionsschleife 602c gekoppelt sein können. Der vierte Kondensator 610c kann sich von dem vierten Schlitz 606d in der ersten Richtung erstrecken.
7A stellt eine integrierte Isolatorvorrichtung 700 mit einer Rücken-an-Rücken-Konfiguration gemäß manchen Ausführungsformen dar. Die integrierte Isolatorvorrichtung 700 kann eine erste Isolatorkomponente 714a, die dazu ausgebildet ist, mit einem ersten Schaltkreis (z. B. dem Sender 104) gekoppelt zu werden, und eine zweite Isolatorkomponente 714b, die dazu ausgebildet ist, mit einem zweiten Schaltkreis (z. B. dem Empfänger 106) gekoppelt zu werden, aufweisen. Die erste und zweite Isolatorkomponente 714a und 714b können galvanisch voneinander isoliert sein und durch eine dritte und vierte Isolatorkomponente 714c und 714d induktiv miteinander gekoppelt sein.
Bei dem veranschaulichten Beispiel weist jede der Isolatorkomponenten 714a-714d eine Konfiguration ähnlich der Isolatorkomponente 302B (3B) auf. Die erste und zweite Isolatorkomponente 714a und 714b weisen einen ersten und zweiten Kondensator 710a bzw. 710b auf. Der erste und zweite Kondensator 710a und 710b erstrecken sich in entgegengesetzte Richtungen und von jeweiligen induktiven Schleifen weg. Die dritte und vierte Isolatorkomponente 714c und 714d sind durch Elektroden eines dritten Kondensators 710cd elektrisch miteinander kurzgeschlossen. Es versteht sich, dass Zwischenverbindungen, wie etwa Leiterbahnen und Pads, zur einfachen Veranschaulichung nicht gezeigt sind.
7B stellt eine Querschnittsansicht der integrierten Isolatorvorrichtung 700 über eine in 7A als 7B markierte Ebene hinweg gemäß manchen Ausführungsformen dar. Die integrierte Isolatorvorrichtung 700 kann auf einem Substrat 720 gefertigt und von dem Substrat 720 durch eine Isolationsschicht 722 isoliert werden. Die Isolationsschicht 722 kann eine geeignete Dicke, wie etwa zwischen 3 µm und 10 µm (z. B. 5,5 µm), aufweisen. Die vierte Isolatorkomponente 714d kann sich in einer ersten Metallisierungsschicht 742 befinden und durch eine Isolationsschicht 724 bedeckt sein. Die Isolationsschicht 724 kann eine geeignete Dicke, wie etwa zwischen 3 µm und 10 µm (z. B. 5 µm), aufweisen. Ein oder mehrere Pads 732 können sich in der ersten Metallisierungsschicht 742 befinden und zum Bereitstellen eines Zugangs zu der vierten Isolatorkomponente ausgebildet sein. Die erste Metallisierungsschicht 742 kann aus einem geeigneten Material, wie etwa Gold, gefertigt sein und kann eine geeignete Dicke, wie etwa zwischen 2 µm und 9 µm (z. B. 4 µm), aufweisen. Die zweite Isolatorkomponente 714b kann sich in einer zweiten Metallisierungsschicht 744 befinden und durch eine Isolationsschicht 730 bedeckt sein. Ein oder mehrere Pads 734 können sich in der zweiten Metallisierungsschicht 744 befinden und zum Bereitstellen eines Zugangs zu der zweiten Isolatorkomponente ausgebildet sein. Die zweite Metallisierungsschicht 744 kann aus einem geeigneten Material gebildet sein, das der ersten Metallisierungsschicht 742 ähnlich oder verschieden von dieser sein kann. Die zweite Metallisierungsschicht 744 kann eine geeignete Dicke aufweisen, die der ersten Metallisierungsschicht 742 ähnlich oder verschieden von dieser sein kann. Die zweite und vierte Isolatorkomponente 714b und 714d können durch eine oder mehrere Isolationsschichten voneinander isoliert sein. Bei dem veranschaulichten Beispiel können die zweite und vierte Isolatorkomponente 714b und 714d durch zwei Isolationsschichten 726 und 728 voneinander isoliert sein. Die Isolationsschichten 726 und 728 können eine geeignete kombinierte Dicke, wie etwa zwischen 20 µm und 500 µm (z. B. 50 µm), aufweisen. Die Isolationsschichten 726 und 728 können ähnliche oder unterschiedliche Dicken aufweisen. Obwohl Beispiele für Materialien mit Dicken in 7B veranschaulicht sind, versteht es sich, dass die Beispiele nicht beschränkend sind.
Die hier beschriebenen integrierten Isolatorvorrichtungen können mit verschiedenen Fertigungsprozessen kompatibel sein, einschließlich zum Beispiel Mikrofertigungs- und Leiterplatten(PCB)-Herstellungsprozessen. Es versteht sich, dass eine hier beschriebene Induktionsschleife die Verwendung verschiedener Fertigungsprozesse ermöglicht, weil hier beschriebene Induktionsschleifen einfacher als herkömmliche Isolatoren (z. B. Spiralinduktivitäten) sind und dementsprechend mit Technologien gefertigt werden können, wie etwa PCB-Prozessen, die lockerere Gestaltungsregeln haben. 8 stellt ein Isolatorsystem 800, das unter Verwendung eines Umverteilungsschicht(RDL: Redistribution Layer)Prozesses gefertigt wird, gemäß manchen Ausführungsformen dar. 9A-9B stellen ein Isolatorsystem 900, das unter Verwendung einer Vorrichtung in einem Kapselungsprozess gefertigt wird, gemäß manchen Ausführungsformen dar.
8 stellt eine Querschnittsansicht des Isolatorsystems 800 gemäß manchen Ausführungsformen dar. Das Isolatorsystem 800 kann Dies 802, 804 und 806 aufweisen, die an einem Substrat 814 (z. B. einem Wafer) angebracht sind. Der erste Die 802 kann eine integrierte Isolatorvorrichtung, wie hier beschrieben, aufweisen. Der zweite Die 804 kann einen ersten Schaltkreis aufweisen, der in einer ersten Spannungsdomäne arbeitet (z. B. den Sender 104). Der dritte Die 806 kann einen zweiten Schaltkreis aufweisen, der in einer zweiten Spannungsdomäne arbeitet (z. B. den Empfänger 106). Die Dies können durch eine Isolationsschicht 808 voneinander isoliert und durch eine Umverteilungsschicht 812 miteinander gekoppelt sein. Die Isolationsschicht 808 kann aus einem geeigneten Material, wie etwa einem Laminat, gebildet sein. Die Umverteilungsschicht 812 kann aus einem geeigneten Material, wie etwa Gold, gebildet sein. Wenigstens ein Teil der Umverteilungsschicht 812 kann durch eine Isolationsschicht 816, wie etwa Polyimid, bedeckt sein. Ein oder mehrere Pads 818 können sich in der Umverteilungsschicht 812 befinden.
9A stellt eine Draufsicht des Isolatorsystems 900 gemäß manchen Ausführungsformen dar. 9B stellt eine Querschnittsansicht des Systems 900 entlang einer in 9A als 9B markierten Linie gemäß manchen Ausführungsformen dar. Das Isolatorsystem 900 kann eine integrierte Isolatorvorrichtung 902 gemäß beliebigen hier beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Die integrierte Isolatorvorrichtung 902 kann in einer Leiterplatte 910 gebildet werden. Die integrierte Isolatorvorrichtung 902 kann eine erste Isolatorkomponente 902a, die in einer ersten Metallisierungsschicht der PCB gebildet ist, und eine zweite Isolatorkomponente 902b, die in einer zweiten Metallisierungsschicht der PCB gebildet und galvanisch von der ersten Isolatorkomponente 902a isoliert ist, aufweisen. Das Isolatorsystem 900 kann Dies 904 und 906 aufweisen. Der erste Die 904 kann einen ersten Schaltkreis aufweisen, der in einer ersten Spannungsdomäne arbeitet (z. B. den Sender 104). Der zweite Die 906 kann einen zweiten Schaltkreis aufweisen, der in einer zweiten Spannungsdomäne arbeitet (z. B. den Empfänger 106). Der erste und zweite Die 904 und 906 können durch zum Beispiel Lötkugeln und/oder eine oder mehrere PCB-Metallisierungsschichten mit der integrierten Isolatorvorrichtung 902 gekoppelt sein. Der erste und zweite Die 904 und 906 können durch eine Vergussschicht 908 bedeckt sein, die aus einem geeigneten Material, wie etwa Polyimid, gebildet ist.
Integrierte Isolatorvorrichtungen der hier beschriebenen Typen können in verschiedenen Vorrichtungen und Umgebungen verwendet werden. Zum Beispiel können die integrierten Isolatorvorrichtungen zur Isolation in Medizinausrüstungssystemen, Industrieausrüstungssystemen, physikalischen Messsystemen oder persönlicher oder portabler elektronischer Ausrüstung verwendet werden. 10 ist ein schematisches Diagramm, das eine nichtbeschränkende Anwendung eines integrierten Isolatorsystems in der Umgebung einer tragbaren elektronischen Vorrichtung gemäß manchen Ausführungsformen zeigt. Ein integriertes Isolatorsystem 1000 kann in einer portablen elektronischen Vorrichtung 1001 verwendet werden, um Leistung über eine Isolationsbarriere hinweg sowohl mit hoher Transfereffizienz als auch einer hohen Isolationseinstufung bei hohen Betriebsfrequenzen zu übertragen. Die portable elektronische Vorrichtung 1001 kann ein Smartphone, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein Tablet oder eine andere portable Vorrichtung sein. Andere solche Vorrichtungen können integrierte Isolatorsysteme der hier beschriebenen Typen nutzen.
Obwohl 10 ein Beispiel für eine portable elektronische Vorrichtung 1001 veranschaulicht, die Aspekte der vorliegenden Anmeldung einbindet, sind andere Verwendungen möglich. Zum Beispiel können ein oder mehrere integrierte Isolatorsysteme 1000 in einem Kraftfahrzeug oder einem medizinischen Instrument eingesetzt werden. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung können implementiert werden, um eine hohe Transfereffizienz und eine hohe Isolationseinstufung bei hohen Betriebsfrequenzen bereitzustellen.
Verschiedene Ausführungsformen wurden als Isolatoren mit isolierenden Materialien bereitstellend beschrieben, die verschiedene Permittivitätswerte aufweisen können. Die speziellen Permittivitätswerte der Materialien sind nicht beschränkend, da verschiedene Materialien mit relativ höheren und niedrigeren Permittivitätswerten verwendet werden können. Jedoch werden nun nichtbeschränkende Beispiele bereitgestellt. Nichtbeschränkende Beispiele für die dielektrischen Materialien mit höherer Permittivität, die um Bögen der Induktionsschleifen, wie etwa die Isolationsschichten 724 und 730, verwendet werden können, schließen Siliciumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Strontiumtitanat (SrTiO₃), Bismutferrit (BiFeO₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Bariumstrontiumtitanat (BST) ein.
Ein nichtbeschränkendes Beispiel für die dielektrischen Materialien mit niedrigerer Permittivität, die in den Ausführungsformen der hier beschriebenen dielektrischen Gebiete, wie etwa den dielektrischen Gebieten 726 und 728 mit niedrigerer Permittivität, verwendet werden können, schließt Polyimid ein.
Beispiele für leitfähige Materialien, die zum Bilden von Isolatorkomponenten (z. B. Induktionsschleifen, Kondensatoren, Leiterbahnen) in Ausführungsformen der hier beschriebenen integrierten Isolatorvorrichtung verwendet werden können, schließen Gold und Kupfer oder ein beliebiges anderes geeignetes leitfähiges Material ein.
Beispiele für Substratmaterialien, die bei Ausführungsformen der hier beschriebenen Isolatorvorrichtung verwendet werden können, wie etwa die Substrate 204 und 720, schließen Silicium, Quarz und ein Laminat ein. Bei manchen Ausführungsformen kann das Substrat der integrierten Isolatorvorrichtung ein isolierendes Substrat sein.
Die hier beschriebenen integrierten Isolatorvorrichtungen können in verschiedenen Anwendungen (z. B. Industrie-, Medizin-, Verbraucheranwendungen) verwendet werden. Zum Beispiel können ein Datentransfer und/oder Leistungstransfer zwischen galvanisch isolierten Systemen mit den hier beschriebenen integrierten Isolatorvorrichtungen erzielt werden. Als ein Beispiel kann medizinische Ausrüstung in einem Raum, in dem eine medizinische Prozedur durchgeführt wird, galvanisch von einem Steuersystem in einem Steuerraum isoliert sein. Beispielsweise kann ein Teil medizinischer Bildgebungsausrüstung und/oder medizinischer Überwachungsgeräte in dem Raum, in dem die Prozedur durchgeführt wird, von einem System isoliert sein, das einen Betrieb der Bildgebungsausrüstung und/oder Anzeige steuert. Der Isolator kann ein(e) integrierte(s) Isolatorvorrichtung und/oder -system beliebiger der hier beschriebenen Typen sein und der isolierte Signalpfad kann analog oder digital sein.
Als ein anderes Beispiel kann industrielle Ausrüstung von einem Steuersystem, das die Ausrüstung steuert, isoliert sein. Zum Beispiel können Motoren mit hoher Leistung von Steuersystemen, die ihren Betrieb steuern, durch eine integrierte Isolatorvorrichtung der hier beschriebenen Typen isoliert sein. Die Steuersysteme können mit einer niedrigeren Leistung als die Motoren mit hoher Leistung, die durch die industrielle Ausrüstung verwendet werden, arbeiten. Der Isolator kann auf einer Leiterplatte angeordnet sein, auf der verschiedene Schaltkreiskomponenten, die mit den Motoren und/oder Steuerausrüstung verbunden sind, enthalten sind.
Andere Verwendungen der hier beschriebenen integrierten Isolatorvorrichtungen sind ebenfalls möglich, da jene beschriebenen Beispiele nichtbeschränkend sind.
Die Ausdrücke „näherungsweise“ und „etwa“ können so verwendet werden, dass sie bei manchen Ausführungsformen innerhalb von ±20% eines Zielwerts, bei manchen Ausführungsformen innerhalb von ±10% eines Zielwerts, bei manchen Ausführungsformen innerhalb von ±5% eines Zielwerts und bei manchen Ausführungsformen noch innerhalb von ±2% eines Zielwerts bedeuten. Die Ausdrücke „näherungsweise“ und „etwa“ können den Zielwert einschließen.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung betreffen Isolatoren für Hochfrequenzsignale, die zwischen zwei Schaltkreisen übertragen werden, die dazu ausgebildet sind, in unterschiedlichen Spannungsdomänen zu arbeiten. Die Isolatoren können Resonatoren aufweisen, die zum Arbeiten bei Hochfrequenzen mit hoher Transfereffizienz, hoher Isolationseinstufung und einer kleinen Substratgrundfläche in der Lage sind. Bei manchen Ausführungsformen können die Isolatoren bei einer Frequenz von nicht weniger als 20 GHz, nicht weniger als 30 GHz, nicht weniger als 65 GHz oder zwischen 20 GHz und 100 GHz, einschließlich eines beliebigen Wertebereichs innerhalb eines solchen Bereichs, arbeiten. Die Isolatoren können Induktionsschleifen mit Schlitzen und Kondensatoren, die integral bei den Schlitzen gebildet sind, aufweisen. Die Größen und Formen der Induktionsschleifen und Kondensatoren können zum Steuern der Werte von Äquivalenzinduktivitäten und -kapazitäten des Isolators ausgebildet sein. Die Isolatoren sind mit unterschiedlichen Fertigungsprozessen, einschließlich zum Beispiel Mikrofertigungs- und PCB-Herstellungsprozessen kompatibel.

Claims

Integrierte Isolatorvorrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat; eine erste Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem ersten Schlitz; einen ersten Kondensator, der eine erste und zweite Elektrode aufweist, die sich von dem ersten Schlitz erstrecken; eine zweite Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem zweiten Schlitz, wobei die zweite Induktionsschleife galvanisch von der ersten Induktionsschleife isoliert ist; und einen zweiten Kondensator, der eine dritte und vierte Elektrode aufweist, die sich von dem zweiten Schlitz erstrecken.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der erste und zweite Kondensator so bemessen sind, dass die erste und zweite Induktionsschleife in Resonanz bei einer Frequenz nicht niedriger als 1 GHz arbeiten können.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die erste und zweite Elektrode des ersten Kondensators über eine Länge erstrecken, damit die erste und zweite Induktionsschleife in Resonanz bei einer Frequenz nicht niedriger als 1 GHz arbeiten.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: sich der erste Kondensator von dem ersten Schlitz in einer ersten Richtung erstreckt, und sich der zweite Kondensator von dem zweiten Schlitz in einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung erstreckt.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste und zweite Elektrode des ersten Kondensators im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste und zweite Elektrode des ersten Kondensators miteinander verschränkt sind.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich die erste Induktionsschleife und die erste und zweite Elektrode des ersten Kondensators in einer ersten Metallisierungsschicht befinden.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich die zweite Induktionsschleife und die dritte und vierte Elektrode des zweiten Kondensators in einer von der ersten Metallisierungsschicht verschiedenen zweiten Metallisierungsschicht befinden.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich die zweite Induktionsschleife und die dritte und vierte Elektrode des zweiten Kondensators in der ersten Metallisierungsschicht befinden.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die erste Induktionsschleife einen ersten Bogen mit einem ersten Radius und einen zweiten Bogen mit einem von dem ersten Radius verschiedenen zweiten Radius aufweist, und der erste und zweite Bogen konzentrisch sind.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 10, wobei: sich die erste Elektrode des ersten Kondensators von dem ersten Bogen erstreckt, und sich die zweite Elektrode des ersten Kondensators von dem zweiten Bogen erstreckt.
Integrierte Isolatorvorrichtung, die Folgendes aufweist: ein Substrat; eine erste und zweite Induktionsschleife auf dem Substrat und mit einem ersten bzw. zweiten Schlitz; einen ersten Kondensator, der sich von dem ersten Schlitz in einer ersten Richtung erstreckt; einen zweiten Kondensator, der sich von dem zweiten Schlitz in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung erstreckt; eine dritte und vierte Induktionsschleife auf dem Substrat, wobei die dritte und vierte Induktionsschleife elektrisch miteinander gekoppelt sind und einen dritten bzw. vierten Schlitz aufweisen; einen dritten Kondensator, der sich von dem dritten Schlitz in der zweiten Richtung erstreckt, und einen vierten Kondensator, der sich von dem vierten Schlitz in der ersten Richtung erstreckt.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste Induktionsschleife galvanisch von der zweiten Induktionsschleife isoliert ist.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die dritte Induktionsschleife wenigstens teilweise mit der ersten Induktionsschleife überlappt.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei: die erste Induktionsschleife einen ersten Bogen mit einem ersten Radius und einen zweiten Bogen mit einem von dem ersten Radius verschiedenen zweiten Radius aufweist, und der erste und zweite Bogen konzentrisch sind.
Integrierte Isolatorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der erste Kondensator eine erste Elektrode, die sich von dem ersten Bogen erstreckt, und eine zweite Elektrode, die sich von dem zweiten Bogen erstreckt, aufweist.
System, das Folgendes aufweist: eine integrierte Isolatorvorrichtung, die Folgendes aufweist: eine erste Induktionsschleife mit einem ersten Schlitz, eine zweite Induktionsschleife mit einem zweiten Schlitz, wobei die zweite Induktionsschleife galvanisch von der ersten Induktionsschleife isoliert ist, und einen ersten und zweiten Kondensator, die sich von dem ersten bzw. zweiten Schlitz erstrecken; und einen Sender, der mit der ersten Induktionsschleife gekoppelt und zum Arbeiten in einer ersten Spannungsdomäne ausgebildet ist; und einen Empfänger, der mit der zweiten Induktionsschleife gekoppelt und zum Arbeiten in einer von der ersten Spannungsdomäne verschiedenen zweiten Spannungsdomäne ausgebildet ist.
System nach Anspruch 17, das Folgendes aufweist: ein Substrat, wobei sich die integrierte Isolatorvorrichtung, der Sender und der Empfänger auf dem Substrat befinden und durch eine oder mehrere Umverteilungsschichten gekoppelt sind.
System nach Anspruch 17 oder 18, das Folgendes aufweist: eine Leiterplatte, wobei sich die erste Induktionsschleife der integrierten Isolatorvorrichtung in einer ersten Metallisierungsschicht der Leiterplatte befindet, und wobei sich die zweite Induktionsschleife der integrierten Isolatorvorrichtung in einer zweiten Metallisierungsschicht der Leiterplatte befindet.
System nach Anspruch 19, wobei der Sender ein Integrierter-Schaltkreis(IC)-Chip ist, der auf der Leiterplatte montiert ist.