NL8701667A

NL8701667A - Dunne film transformator en magneetkop voorzien van een dergelijke transformator.

Info

Publication number: NL8701667A
Application number: NL8701667A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1989-02-01
Also published as: CN1030669A; DD294126A5; EP0300556A1; KR890002914A; JPS6437004A; US4927804A

Description

ΡΗΝ 12.187 1 * Λ η 'i Μ N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Dunne film transformator en magneetkop voorzien van een dergelijke transformator

De uitvinding heeft betrekking op een transformator met een magnetisch juk en tenminste een eerste electrische winding en tenminste een tweede eleotrisohe winding.

c

Dergelijke transformatoren zijn algemeen bekend en worden meestal toegepast om wisselspanningen van bepaalde waarden om te zetten in wisselspanningen van andere waarden. De bekende transformatoren omvatten een door een ijzeren kern gevormd magnetisch juk, waaromheen meestal een aantal eerste electrische windingen voor het vormen van een 10 primaire spoel en een aantal tweede electrische windingen voor het vormen van een secundaire spoel zijn aangebracht. De bekende transformatoren zijn relatief groot van afmetingen, hetgeen de transformatoren minder geschikt maakt voor toepassingen in geavanceeerde schakelingen waarin doorgaans kleine tot zeer kleine electrische, electronische of 15 magnetische componenten toegepast worden.

De uitvinding beoogt transformatoren met uitstekende eigenschappen te verschaffen, welke klein van afmetingen zijn en bijzonder geschikt zijn voor toepassing in of bij moderne schakelingen.

Een eerste transformator volgens de uitvinding heeft daartoe 20 het kenmerk, dat hij volgens een dunne filmtechniek uit een aantal lagen is samengesteld, waarbij een eerste magnetisch permeabele laag en een tweede magnetisch permeabele laag tezamen het magnetische juk vormen waarbinnen zich de uit electrisch geleidende lagen gevormde windingen uitstrekken, en waarbij tussen enerzijds de windingen en anderzijds 25 een deel van het magnetische juk een laag van een supergeleidend materiaal is aangebracht.

Onder een supergeleidend materiaal wordt hier verstaan een materiaal dat zich in een supergeleidende toestand bevindt en volledig of nagenoeg volledig het Meissnereffect vertoont. Om practisehe redenen 30 verdienen materialen die een relatief hoge kritische temperatuur heb- 8701667 ;fc s PHN 12.187 2 ben, bijvoorbeeld liggend boven de temperatuur waarbij stikstof bij normale druk vloeibaar wordt, de voorkeur. Geschikte materialen zijn bijvoorbeeld supergeleidende keramische materialen uit verbindingen van lanthaan, barium, koper en zuurstof, zoals La-|_xBaxCuOi}, met x liggend 5 tussen 0.15 en 0.6; lanthaan, strontium, koper en zuurstof, zoals La2_xSrxCu04, met x liggend tussen 0.15 en 0.2; yttrium, barium, koper en zuurstof, zoals YBa2Cu 3()7.,3, met d liggend tussen 0.0 en 1.0 of Yo.4Bao*6^u1·0^3*0» yttrium, barium, strontium, koper en zuurstof, zoals YBa2_xSrxCu30Q, waarbij een deel van de elementen gedeeltelijk 10 gesubstitueerd kan zijn, bijvoorbeeld zuurstof door fluor of strontium door calcium.

Door het Meissnereffect wordt voorkomen, dat tussen de zich aan weerszijden van de laag van een supergeleidend materiaal bevindende delen van de magnetisch permeabele lagen magnetische kortsluitstromen 15 ontstaan. Anders gezegd, het ontstaan van magnetische strooiflux tussen de eerste en de tweede magnetisch permeabele laag van het magnetische juk wordt door de aanwezige laag van een supergeleidend materiaal tegengegaan. Hierdoor kunnen grote potentiaalverliezen voorkomen worden, en kunnen de totale verliezen van de belaste transformator volgens de 20 uitvinding in hoofdzaak beperkt blijven tot verliezen als gevolg van de magnetische weerstand van het materiaal van het magnetische juk en de electrische weerstand van het materiaal van de windingen. Met behulp van de maatregelen volgens de uitvinding is derhalve een transformator met een hoog rendement bereikbaar. De transformator heeft als gevolg 25 van zijn opbouw uiteraard voorts het voordeel klein van afmetingen te zijn.

Een gunstige uitvoeringsvorm van de transformator, die een nog hoger rendement kan hebben, heeft het kenmerk, dat de electrisch geleidende lagen welke de eerste en tweede windingen vormen een super- 30 geleidend materiaal omvatten. In deze uitvoeringsvorm wordt gebruik gemaakt van het verschijnsel, dat de electrische weerstand van een zich in een supergeleidende toestand bevindend materiaal nul of nagenoeg nul is. In deze uitvoeringsvorm is daardoor een belangijke vermindering van de electrische of ohmse weerstand van de windingen bereikbaar en der-35 halve een aanzienlijke vermindering van de warmte-ontwikkeling.

8701667 £ * PHN 12.187 3

De beschreven doelstelling van de uitvinding kan ook bereikt worden met een tweede transformator volgens de uitvinding, die gekenmerkt is, doordat hij volgens een dunne filmtechniek uit een aantal lagen is samengesteld, waarbij een eerste magnetisch permeabele laag en 5 een tweede magnetisch permeabele laag tezamen het magnetische juk vormen waarbinnen zich de uit electrisch geleidende lagen van een supergeleidend materiaal gevormde windingen uitstrekken, waarbij althans binnen het magnetische juk de afstand tussen de naast elkaar liggende windingen van een supergeleidend materiaal klein is ten opzichte van de breedte van de windingen.

Deze transformator volgens de uitvinding heeft het voordeel, dat de supergeleidende windingen geen of slechts een zeer geringe elec- trische weerstand vertonen, waardoor bij belasting potentiaalverliezen in de windingen niet of nauwelijks optreden. Voorts heeft deze trans-15 formator het voordeel, dat de op zeer kleine afstand van elkaar liggende windingen binnen het magnetische juk als het ware een supergeleidend schild vormen, dat magnetische strooiflux tussen de eerste en de tweede magnetisch permeabele laag van het magnetische juk tegen gaat. Hierdoor kunnen grote potentiaalverliezen voorkomen worden, en kunnen de totale 20 verliezen van deze belaste transformator in hoofdzaak beperkt blijven tot verliezen als gevolg van de magnetische weerstand van het materiaal van het magnetische juk. Bij voorkeur zal een afstand tussen de windingen genomen worden die kleiner is dan de helft van de breedte van de afzonderlijke windingen. Ook deze transformator heeft uiteraard, even-25 als de eerder beschreven transformator volgens de uitvinding het voordeel klein van afmetingen te zijn.

Transformatoren worden ook toegepast bij magneetkoppen met een of meer inductieve overdrachtselementen voor het transformeren van met magnetische informatie geassocieerde wisselspanningen. De transfor-30 matoren volgens de uitvinding zijn vanwege hun gunstige eigenschappen bij uitstek geschikt om in combinatie met een dergelijke magneetkop gebruikt te worden. Is de magneetkop bovendien van het dunne film type, dan biedt de uitvinding de verrassende mogelijkheid om de transformatoren de magneetkop als één eenheid uit te voeren. Derhalve heeft de uit-35 vinding tevens betrekking op een dunne film magneetkop met tenminste 8701667 '5i >» PHN 12.187 4 een inductief overdrachtselement en een vlak voor magnetische fluxkop-peling van het overdrachtselement met een magnetisch registratiemedium, omvattende een eerste magnetisch permeabele laag en een tweede magnetisch permeabele laag, welke tezamen een magnetisch juk vormen met een 5 aan het genoemde vlak aanwezige overdrachtsspleet, waarbij de genoemde lagen zich aan weerszijden van het overdrachtselement uitstrekken.

Een dergelijke magneetkop is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 4.239.587 (PHN 8861; herewith incorporated by reference) en kan toegepast worden in inrichtingen voor het registreren en/of uit-10 lezen van informatie op een magnetische laag. Dergelijke inrichtingen kunnen bestemd zijn voor industriële toepassingen, bijvoorbeeld infor-matie-opslag inrichtingen met magnetische schijven, trommels of banden, of voor consumententoepassingen, bijvoorbeeld videorecorders. De bekende magneetkop heeft twee op een substraat aangebraohte lagen van NiFe, 15 die samen een magnetisch juk vormen. Een voorste deel van het magnetische juk, dat bedoeld is voor fluxkoppeling met een registratiemedium is voorzien van een overdrachtsspleet. Een achterste deel van het juk vormt de verbindingsplaats van de beide genoemde lagen. Om de verbin-dingsplaats is een van het magnetische juk geisoleerde vlakke winding 20 van electrisch geleidend materiaal aangebracht, welke het inductieve overdrachtselement vormt.

De uitvinding beoogt nu voorts een magneetkop van het hierboven aangeduide soort te verschaffen, welke voorzien is van een geïntegreerde transformator.

25 De magneetkop volgens de uitvinding heeft ten opzichte van de bekende magneetkop als kenmerk, dat behalve een eerste electrisch geleidende laag voor het vormen van het overdrachtselement voorts nog een tweede electrisch geleidende laag aanwezig is, welke tezamen met de eerste electrisch geleidende laag en het magnetische juk een van de 30 reeds beschreven transformatoren volgens de uitvinding vormt.

De magneetkop volgens de uitvinding kan vervaardigd worden als een meerlaags dunne filmstructuur, eventueel aangebracht op een substraat. Sputter-technieken, foto-etstechnieken, galvanische afzet-processen en opdamptechnieken kunnen worden gebruikt om de meerlagen-35 structuur te realiseren. De uitvinding heeft het voordeel, dat met 8701667 $ jr PHN 12.187 5 slechts een kleine aanpassing van het fabricageproces van de bekende magneetkop een dunne film magneetkop verkregen kan worden, waarin een transformator van hoog rendement aanwezig is. Het gebruik van een afzonderlijke transformator is in dat geval derhalve overbodig.

5 Een gunstige uitvoeringsvorm van de magneetkop heeft het kenmerk, dat zich in de overdrachtsspleet een laag van een supergeleidend materiaal uitstrekt tot aan het vlak voor magnetische fluxkoppe-ling van het overdrachtselement met een magnetisch registratiemedium.

De in de spleet aanwezige laag van een supergeleidend materiaal voor-10 komt door zijn magnetische afscherming het ontstaan van strooiflux tussen de eerste en tweede magnetisch permeabele laag, ter plaatse van de spleet. Het resultaat van de in deze uitvoeringsorm toegepaste maatregel is derhalve een zeer hoog rendement van de magneetkop.

De uitvinding zal bij wijze van voorbeeld nader toegelicht 15 worden aan de hand van de tekening, waarin,

Fig. 1 een schematisch bovenaanzicht van een uitvoeringsvorm van de transformator volgens de uitvinding is,

Fig. 2 een schematische doorsnede volgens de pijlen II-II in figuur 1 is, 20

Fig. 3 een schematische doorsnede volgens de pijlen III-III in figuur 1 is,

Fig. 4 een schematisch bovenaanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van de magneetkop volgens de uitvinding is,

Fig. 5 een schematische doorsnede volgens de pijlen V-V in 25 figuur 4 is, en

Fig. 6 een schematische doorsnede van een tweede uitvoeringsvorm van de magneetkop volgens de uitvinding is.

De in de figuren 1, 2 en 3 getekende transformator volgens de uitvinding vormt een geheel met een substraat 1 van een niet-elec-30 trisch geleidend materiaal, zoals glas, en kan vervaardigd worden als een meerlaags dunne filmstructuur, aangebracht op het substraat 1.

Technieken en processen, zoals sputteren of opdampen, bekend uit de dunne filmtechniek, kunnen worden gebruikt om de meerlagenstruotuur te verwezenlijken. De meerlagenstruotuur omvat een eerste laag 3 van een 35 magnetisch permeabel materiaal, zoals een nikkel-ijzer legering of een 8701667 .»· PHN 12.187 6 ijzer-silicium-aluminium legering en een tweede laag 5 van een soortgelijk materiaal. De eerste magnetisch permeabele laag 3 is afgezet op het substraat 1 terwijl de tweede magnetisch permeabele laag 5 zodanig is aangebracht, dat de beide lagen 3 en 5 in de gebieden aangeduid met c 7 en 9A, 9B, 9C magnetisch met elkaar zijn verbonden en buiten die gebieden magnetisch van elkaar geisoleerd zijn. De lagen 3 en 5 vormen op deze wijze samen een magnetisch juk met een inwendige ruimte 11. Rondom het gebied 7 zijn een tweetal dunne electrisch geleidende lagen 13 en 15 van bijvoorbeeld koper, of goud, doch bij voorkeur van een superge-^ leidend materiaal zoals aangebracht, De laag 13 vormt in dit voorbeeld ongeveer één winding, die te beschouwen is als de primaire spoel van de transformator, terwijl de laag 15, die min of meer een spiraalvormig verloop heeft, ongeveer drie windingen vormt, die samen te beschouwen zijn als de secundaire spoel van de transformator. De 15 laag 13 is voorzien van twee aansluitvlakken 13A en 13B, waarmede niet getekende externe electrische geleiders verbonden kunnen worden. De laag 15 is slechts voorzien van één aansluitvlak 15A, doch maakt ter plaatse van een vlak 15B electrisch contact met een dunne extra laag 17 van een electrisch geleidend materiaal, die is voorzien vein een aan- 20 sluitvlak 17A. De laag 15 kan derhalve door middel van de aansluitvlak-ken 15A en 17A verbonden worden met verdere, niet getekende aansluitge-leiders.

De transformator volgens de uitvinding omvat een laag 21 van een supergeleidend materiaal, bijvoorbeeld een van de reeds eerder ge-25 noemde keramische materialen, die zich uitstrekt tussen enerzijds de electrisch geleidende lagen 13 en 15 en anderzijds de magnetisch permeabele laag 3· Om het onstaan van ongewenste kringstromen in de laag 21 tegen te gaan is in de laag 21 een onderbreking 23 aangebracht, die zich uitstrekt vanaf het min of meer centraal ten opzichte van de laag 30 21 gelegen gebied 7 tot aan een rand 21A van de laag 21. De onderbreking 23 kan gezien in de windingsrichting van de secundaire spoel smal zijn.

Tussen de opeenvolgende lagen 3, 21, 13, 15 en 5 zijn op op zichzelf bekende wijze isolatielagen aangebracht. De gezamenlijke iso-35 latielagen, die uit bijvoorbeeld kwarts en/of een fotolak kunnen zijn samengesteld, zijn aangeduid met het cijfer 25. Volledigheidshalve 8701667 * PHN 12.187 7 wordt opgemerkt, dat terwille van de duidelijkheid van figuur 1 aangenomen is, dat de lagen 5 en 25 transparant zijn.

De in de figuren 4 en 5 getoonde dunne film magneetkop volgens de uitvinding kan vervaardigd worden met behulp van bijvoorbeeld 5 sputtertechnieken, en/of opdamptechnieken. De getoonde magneetkop is samengesteld uit een aantal na elkaar aangebrachte dunne lagen, waarvan een eerste laag 103 van een magnetisch permeabel materiaal, zoals een NiFe legering (permalloy), een FeAISi legering (sendust) of een amorfe legering, afgezet is op een slijtvast, niet-electrisch geleidend sub-straat 101 van bijvoorbeeld glas of aluminiumoxide. De eerste laag 103 vormt met een tweede magnetische permeabele laag 105 een magnetisch juk met een aan een vlak 106 grenzende overdrachtspleet 108 met een spleet-lengte 1, een spleetbreedte w en een relatief grote spleethoogte h, en gebieden 107 en 109 waar de lagen 103 en 105 magnetisch met elkaar zijn 15 verbonden. Rondom het gebied 107 is een laag 113 van een electrisch geleidend materiaal aangebracht voor het vormen van een winding. De winding strekt zich tussen ruimtelijk van elkaar gescheiden delen van de lagen 105 en 107 uit, en vormt het inductieve overdrachtselement van de magneetkop. Rondom het gebied 109 is een spiraalvormiglopende laag 115 20 van electrisch geleidend materiaal aangebracht voor het vormen van een spoel, welke samen met de door de laag 113 gevormde winding en het door de lagen 103 en 105 gevormde juk een dunne film transformator vormt, waarbij bijvoorbeeld bij gebruik van de magneetkop als schrijfkop de laag 115 als primaire spoel en de laag 113 als secundaire spoel be-25 schouwd kunnen worden. De laag 115 is voorzien van een aansluitvlak 115A voor aansluiting op een eerste externe electrische geleider, en een doorverbindingsvlak 115B. De magneetkop heeft voorts een aansluitvlak 117A voor aansluiting op een tweede externe electrische geleider.

Het aansluitvlak 117A bevindt zich op een extra laag 117 van een elec-30 trisch geleidend materiaal, op welke laag 117 zich voorts een doorverbindingsvlak 117B bevindt. Een electrisch geleidende laag 119 overbrugt de afstand tussen de beide doorverbindingsvlakken 115B en 117B, en brengt daarmede de electrische verbinding tot stand tussen de laag 115 en het aansluitvlak 117A. Als electrisch geleidend materiaal voor de 35 electrisch geleidende lagen zijn bijvoorbeeld metalen zoals goud of ko- 6701667 PHN 12.187 8 per geschikt.

De overdrachtsspleet 108 is in dit voorbeeld gevormd door twee isolatielagen 125A en 125B van een electrisch isolerend materiaal, zoals SiOg, een zich daartussen uitstrekkende laag 121A van een super- 5 geleidend materiaal, en een derde isolatielaag 125C. De supergeleidende laag 121A strekt zich uit vanaf het vlak 106, waarin de magnetische fluxkoppeling plaatsvindt tussen het overdraohtselement en een magnetische registratiemedium, dat in de richting van de getekende pijl A langs de overdrachtsspleet verplaatst wordt, tot aan het gebied 107.

10 Vanaf het gebied 107 tot voorbij het gebied 109 bevindt zich een laag 121B van eveneens een supergeleidend materiaal. De totale supergeleidende laag bevindt zich derhalve tussen enerzijds de electrisch geleidende lagen 113 en 115 en de ruimtelijk van de laag 103 gescheiden magnetische permeabele delen van de laag 105 en anderzijds de magnetisch 15 permeabele laag 103. Als supergeleidend materiaal kan een van de reeds eerder genoemde materialen toegepast worden. Zoals in figuur 4 te zien is, zijn de lagen 121A en 121B zodanig gestructureerd, dat geen ongewenste kringstromen kunnen ontstaan. De isolatielagen 125A, 125B en 125C strekken zich uit vanaf het vlak 106 en vullen de ruimte tussen de 20 lagen 103 en 121A, 121B resp. de lagen 121A, 121B en de 105 op. Tussen de lagen 103 en 105 bevinden zich uiteraardplaatselijk nog meerdere dunne isolatielaagjes. Het totaal van deze isolatielaagjes is in figuur 5 met 125 aangeduid. Volledigheidshalve wordt vermeld, dat ten behoeve van een duidelijke weergave van de magneetkop in figuur 4 is aangeno-25 men, dat de lagen 105 en 125, 125A,B,C doorzichtig zijn.

Opgemerkt wordt, dat de aanwezige supergeleidende laag 121A

een grote spleethoogte h en een kleine spleetlengte 1 toestaat, zonder dat daardoor rendementsproblemen ontstaan. Een grote spleethoogte h is voor het bereiken van een lange levensduur bij dunne filmmagneetkoppen 30 zeer gewenst, terwijl een kleine spleetlengte 1 gewenst is voor het verbeteren van de resolutie van de magneetkop. Voorts wordt opgemerkt, dat op het substraat 101 in plaats van één vanzelfsprekend een aantal door magnetische permeabele lagen 103 en 105 gevormde magnetische jukken kunnen zijn aangebracht voor het vormen van een meerspoors dunne 35 filmmagneetkop volgens de uitvinding, geschikt voor samenwerking met 8701667 PHN 12.787 9 5 meersporige magnetische registratiemedia.

De in figuur 6 getoonde dunne film magneetkop omvat een substraat 201 van een slijtvast materiaal, een eerste laag 203 en een tweede laag 205, elk van een magnetisch permeabel materiaal, een 5 inductief overdrachtselement en een transformator. Het overdrachtselement is gevormd door een in de vorm van een winding aangebrachte laag 213 en de transformator is gevormd door de laag 213 in combinatie met een in de vorm van een wikkeling aangebrachte laag 215. De lagen 213 en 215 zijn gevormd uit een supergeleidend materiaal, 10 bijvoorbeeld een van de reeds genoemde supergeleidende materialen en vormen samen een magnetisch juk. Deze magneetkop kan bijvoorbeeld als leeskop gebruikt worden, in welk geval de laag 213 als de primaire spoel en de laag 215 als de secundaire spoel van de transformator te beschouwen is. De afstand tussen de door de lagen 213 en 215 gevormde, 15 naast elkaar liggende windingen is veel kleiner dan de breedte van de afzonderlijke windingen. De magneetkop heeft voorts een aan een vlak 206 voor magnetische koppeling van het overdrachtselement met een magnetisch registratiemedium grenzende overdrachtsspleet 208, waarin zich een gedeelte van de door de laag 213 gevormde winding bevindt.

20

Tussen de lagen 203 en 213, 215 resp. de lagen 213, 215 en 205 bevinden zich intervaart isolatielagen. Deze zijn in hun geheel aangegeven met het cijfer 225.

De magneetkop van figuur 6 is eenigszins eenvoudiger van opbouw dan de in de figuren 4 en 5 gebouwde magneetkop, doch heeft de-25 zelfde gunstige eigenschappen als de magneetkop van de figuren 4 en 5.

Ook deze magneetkop kan als meerspoors magneetkop uitgevoerd worden.

30 35 8701667

Claims

1. Transformator, met een magnetisch juk en tenminste een eerste electrische winding en tenminste een tweede electrische winding, met het kenmerk, dat de transformator volgens een dunne filmtechniek uit een aantal lagen is samengesteld, waarbij een eerste magnetisch 5 permeabele laag en een tweede magnetisch permeabele laag tezamen het magnetische juk vormen waarbinnen zich de uit electrisch geleidende lagen gevormde windingen uitstrekken, en waarbij tussen enerzijds de windingen en anderzijds een deel van het magnetische juk een laag van een supergeleidend materiaal is aangebracht.

2. Transformator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de electrisch geleidende lagen een supergeleidend materiaal omvatten.

3. Transformator, met een magnetisch juk en tenminste een eerste electrische winding en tenminste een tweede electrische winding, met het kenmerk, dat de transformator volgens een dunne filmtechniek 1 c uit een aantal lagen is samengesteld, waarbij een eerste magnetisch permeabele laag en een tweede magnetisch permeabele laag tezamen het magnetische juk vormen waarbinnen zich de uit electrisch geleidende lagen van een supergeleidend materiaal gevormde windingen uitstrekken, waarbij althans binnen het magnetische juk de afstand tussen de naast 20 elkaar liggende windingen van het supergeleidende materiaal klein is ten opzichte van de breedte van de lagen afzonderlijke windingen.

4. Dunne film magneetkop met tenminste een inductief over- drachtselement en een vlak voor magnetische fluxkoppeling van het over- drachtselement met een magnetisch registratiemedium, omvattende een 25 eerste magnetisch permeabele laag en een tweede magnetisch permeabele laag welke tezamen een magnetisch juk vormen met een aan het genoemde vlak aanwezige overdrachtspleet, waarbij de genoemde magnetisch permeabele lagen zich aan weerszijden van het overdrachtselement uitstrekken, met het kenmerk, dat de magneetkop behalve een eerste electrische 30 geleidende laag welke het overdrachtselement vormt, voorts een tweede electrisch geleidende laag heeft, welke tezamen met de eerste electrisch geleidende laag en het magnetische juk een transformator volgens conclusie 1, 2 of 3 vormt.

5. Dunne film magneetkop volgens conclusie 4, met het kenmerk, 35 dat zich in de overdrachtsspleet een laag van een supergeleidend materiaal uitstrekt tot aan het vlak voor magnetische fluxkoppeling van het overdrachtselement met een magnetisch registratiemedium. 8701667