WO2002007172A1 - I-induktor als hochfrequenz-mikroinduktor - Google Patents

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WO2002007172A1
WO2002007172A1 PCT/EP2001/007616 EP0107616W WO0207172A1 WO 2002007172 A1 WO2002007172 A1 WO 2002007172A1 EP 0107616 W EP0107616 W EP 0107616W WO 0207172 A1 WO0207172 A1 WO 0207172A1
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bodies
winding
inductor
core
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PCT/EP2001/007616
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Axel Von Der Weth
Klaus Seemann
Immanuel Fergen
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Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/045—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core of cylindric geometry and coil wound along its longitudinal axis, i.e. rod or drum core
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F17/0033—Printed inductances with the coil helically wound around a magnetic core

Definitions

  • I-inductor as a high-frequency micro-inductor
  • the invention relates to an I-inductor, which is a passive magnetic component, a choke.
  • the shape of the magnetically flowing parts results in a reduction in the fields emerging from the component, which greatly reduces the formation of shielding currents in carrier devices for the component or electromagnetic interference in neighboring assemblies.
  • the arrangement of an I-inductor is comparatively compact, so that parasitic capacitances can be kept small. By skillfully conditioning and utilizing the surface, resistance-reducing conductor arrangements can be used, which enable the quality to be increased.
  • Toroidal choke or toroidal microinductors are similar in their structure and mode of action. However, it can only be constructed with isotropic materials. Magnetic materials with uniaxial anisotropy, which is uniaxial in technical usage, cannot be used. According to the current state of material development, isotropic magnetic materials are no longer suitable for the frequency range above 1 GHz [I].
  • the assembly also includes solenoids or solenoids. Different versions are known:
  • the solenoid is already used as a planar coil - the coil axis is perpendicular to the substrate. These are only suitable for high frequencies to a limited extent, since shielding currents in the substrate, which reduce the inductance, are excited. These components are of low quality when used in high-frequency technology.
  • the arrangement is not very efficient, especially when using high frequencies, the size of the component increases, which results in an increase in parasitic capacitances.
  • the inductance can be increased by using additional magnetic layers on the end faces of the planar coil, but the cutoff frequency of the coil then drops.
  • An increase in quality by using wider conductor elements in a planar coil is only possible in a small area due to the increase in the area then required [II]. Above 0.1 GHz, this setup is uninteresting due to excessive capacity and eddy current problems and only works with magnetically isotropic materials.
  • Strip lines are also used as inductors. Their achievable quality is in the frequency range mentioned because of the wrestle inductance too low for technical application. To increase the quality, the conductor can be surrounded with a magnetic material. This solution is already used as a macroscopic component with isotropic magnetic materials and discussed in the literature as a microinductor application [IV]. Since, for example, the shape anisotropy of thin layers is not taken into account here and the conditions used are greatly simplified, the application in microsystem technology is rather questionable. The arrangement leads to a considerable excitation of shielding currents in the substrate, which complicates the industrial high-frequency application. Since considerable stray fields can be expected, this must also be taken into account when designing the surrounding electromagnetic assemblies.
  • Toroidal chokes made of materials with magnetically uniaxial anisotropy are ineffective. Magnetic isotropic materials cannot be used for the intended frequency range.
  • Solenoids are not suitable because of the stray fields that cause shielding currents and thus disturbances in neighboring assemblies.
  • Strip lines have too little inductance or too high parasitic capacitance.
  • the I-inductor consists of at least two band-shaped bodies / cores made of magnetically permeable material which are of equal length and which are necessary for the intended magnetic flux through them in a rectangular delimiting plane with a gap formation, band-shaped, parallel to one another with their respective longitudinal axis.
  • These bodies / cores are provided with at least one winding in such a way that when the winding is loaded, the magnetic field generated by the winding in the associated body / core is strengthened and not weakened by the magnetic field generated in the associated winding of the winding in the immediately adjacent body / core.
  • the magnetic flux runs completely or virtually completely in the magnetic material and passes into the adjacent body at the winding-free gaps in the end region.
  • Claim 2 describes the material of the body / core as magnetically isotropic. Different in claim 3, where it is specified as unidirectional or uniaxial magnetic anisotropic.
  • the geometric relation of the two outer bodies / cores of the arrangement to the ones in between is expressed in claim 4.
  • the two outer ones are of equal width and the ones in between are at least as wide.
  • the respective winding of one solenoid per body / core is in claim 5.
  • the turns of a winding or windings with the bodies / cores form a woven structure.
  • a turn or the turns can also consist of a strip conductor at both ends forms a connection lug for "the external connection (claim 7).
  • the windings of the winding consist of band-shaped square elements, namely in the case of:
  • a rectangular element of the turn is lined up with its equally long side and makes electrical contact.
  • the turns with the bodies / cores are in a tissue-like manner while maintaining the minimum necessary insulation spacing and there is a connection tab for the external connection at each end of a winding.
  • the I-Inductor is therefore suitable for high cut-off frequencies up to 10 GHz with sufficient quality Q ⁇ 500.
  • the RF permeability expediently lies in the direction of the magnetic field axis in the cores.
  • the shielding currents are significantly reduced by the arrangement of the conductor elements and the body or layers of magnetic material. Since the design can be kept very compact, the parasitic capacitance is low.
  • FIG. 1 shows the basic sketch of the I inductor
  • FIG. 2 the tape winding for the I inductor
  • 3a shows the construction of double trapezoidal elements with two cores
  • 3b shows the structure of double trapezoidal and rectangular elements with more than two cores
  • FIG. 4 the I-inductor with secondary windings as an HF transmitter
  • FIG. 5 the I inductor in the gap of a C magnet
  • FIG. 6 shows the inductance curve of the I inductor according to FIG. 3a.
  • the I-inductor which is now described in more detail is an HF microinductor with typical dimensions as indicated in FIG. 3a. It is a component for microsystem technology in planar technology and is used in facilities for high frequencies at 1 - 10 GHz. It is made using thin-film technology.
  • the length of the I-inductor is limited so that the physics necessary for the application, i.e. the planned microwave technical property, is emphasized, namely the upper limit for the overall length in the x direction (see coordinate system in Figures 1 and 5)
  • ⁇ is a pure number factor; 0.1 was found to be optimal for technical application, c is the speed of light, f is the frequency and ⁇ rx is the relative magnetic permeability constant in the x-direction.
  • the I-inductor consists of two parallel, expediently rectangular bodies - also in magnetic terms: cores - made of a magnetically permeable material.
  • a solenoid is wound on each iron core.
  • Both solenoids can be electrically connected differently, once each connected separately, the other in series or in parallel, but in any case in such a way that the magnetic field in one core has the opposite direction to that in the other.
  • both solenoids when both solenoids are energized, there is a magnetic circuit, namely through the two cores and over the two gaps at the two end regions of the arrangement, the magnetic flux thus closes over the two gaps.
  • the gap can be filled with the same magnetic material.
  • the gap should be as small as possible, or at least so small that there is still sufficient electrical insulation resistance for operation.
  • the size of the entire arrangement is also limited by parsitary capacities.
  • the two solenoids are wound in Figure 2 from a winding and thus not separately.
  • the sketched winding technique shows that one turn of the upper solenoid is always connected in series to one of the lower and vice versa until the entire winding is finished.
  • the respective winding direction is such that the two magnetic fields generated add up in a circle and do not subtract or cancel. So there are not two separate solenoids in a row.
  • This structure can be easily created with planar technology or layering technology by successively building up the layers.
  • the respective conductor connections must be retrofitted in the gap and on the outer longitudinal edges.
  • the construction according to FIG. 3a is favorable in terms of production technology - also in terms of its high-frequency properties.
  • the winding in principle as in Figure 2, is constructed from double trapezoidal conductor elements made of copper or aluminum by stringing them together. One half of the double trapezoidal structure lies on the back of one body, the other half is pulled through the gap and placed on the other body. This is followed by the next double trapezoidal conductor element in the same manner until the double winding on the two bodies or cores is finished.
  • the two windings consist of six double trapezoidal elements made of aluminum.
  • a connecting lug is then attached to both ends for the electrical connection.
  • the structure using parallelogram elements goes accordingly.
  • Both cores are made of an iron alloy, in which the magnetic anisotropy can be adjusted by the manufacturing process.
  • the representation on the three-core arrangement according to FIG. 3b is sufficient.
  • the dimensions in it are exemplary.
  • the trapezoidal conductor elements lie behind as before on the two outer bodies / cores, the body / core lying in between has the rectangular conductor strips which are as wide on both sides as ' the smaller of the two parallel trapezoidal sides and also connect along there.
  • the assignment with this technique is only for the intermediate body / core and thus for the intermediate body / core up to half the case.
  • the rectangular conductor elements are lined up alternately behind and in front on an intermediate body / core along the same. In order to have the greatest possible coverage of the same by the conductor of the winding in the case of more than two bodies / cores across the winding width, each body / core must be wound with a conductor on its own and not simultaneously with one or the other.
  • FIG. 6 shows the course of the inductance of the I inductor in nH as a function of the permeability ⁇ rx present in the x direction, the windings of which are constructed from double trapezoidal elements according to FIG. 3a.
  • the core or iron layers here have a contour of 320 x 40 x 2 ( ⁇ m) 3 .
  • the principle of antiparallel magnetic excitation is used to build a high-frequency transmitter and thus the electrical isolation of circuits is achieved, or it is used to build a microtransformer ( Figure 4).
  • the frequency range is increased by applying an anisotropy.
  • this is achieved by an external, static and perpendicular magnetic field to the I inductor, which is generated, for example, by a planar H or C magnet (FIG. 4).
  • the core of the planar H or C magnet is also made of the same material with uniaxial anisotropy for simplifying manufacturing reasons.
  • the cut-off frequency of the component is increased with increasing magnetic flux density, or the inductance is reduced.
  • the C-magnet should be the preferred component, less the H-magnet.
  • FIG. 5 shows a top view of the I inductor installed in the air gap of the C magnet.
  • the implementation is carried out using planar technology. The dimensions given give an impression of the miniaturization potential.
  • the I-inductor itself is constructed and wound according to Figure 2. It is only 60 - 70 ⁇ m wide and has a gap between the cores and the respective poles of around 4 ⁇ m.
  • the free space in the C interior is approximately (250 ⁇ m) 2 , corresponding to the outer contour of approximately 800 ⁇ m or 0.8 mm in length.
  • the static field generation B stat in the C magnet is extremely efficient, since magnetically uniaxial anisotropic materials have a permeability »1 in the y direction in the static case.
  • the magnetic anisotropy in the C material expresses the permeability of ⁇ s tat ⁇ 350 and ⁇ s taty «1000, for the I-inductor itself the relationships are as follows: ⁇ HF ⁇ ⁇ 350 and
  • the five winding packages on the C-yoke have direct current flowing through them and therefore generate a constant or static magnetic field that penetrates the HF field in the cores of the I-inductor vertically and thus increases the magnetic anisotropy and thus the cutoff frequency. Isotropic magnetic materials cannot be used for this application.

Abstract

Ein I-Induktor für die Hochfrequenz- bzw. Mikrowellentechnik besteht aus zwei gleichartigen Kernen, die unter Spaltbildung bezüglich ihrer Längsachsen parallel zueinander liegen. Auf jedem Kern sitzt eine solenoidale Spulenwicklung derart, dass, HF-stromdurchflossen, ein magnetischer Kreis durch die beiden Kerne über den Spalt am jeweiligen Endbereich der Anordnung zustande kommt. Die magnetfeldbildenden Wicklungen sind gleichartig. Es kann als Kernmaterial grundsätzlich magnetisch isotropes verwendet werden, technisch brauchbar einsetzbar kann der mikrowellentechnische Effekt aber nur mit magnetisch anisotropem Material hervorgekehrt werden. Die magnetische Vorzugsrichtung verläuft in Richtung der Längsachse des jeweiligen Kerns.

Description

I-Induktor als Hochfrequenz- ikroinduktor
Die Erfindung betrifft einen I-Induktor, der ein passives magnetisches Bauteil, eine Drossel darstellt.
Der Induktor ist unter Verwendung eines isotropen magnetisch permeablen Materials als makroskopisches Bauteil aus der Transformatortechnik bekannt. Weiter ist er als HF-Mikroinduk- tor für die Mikrosystemtechnik oder integrierte Schaltkreistechnik in on-die-Bauweise (on die= auf einem Chip oder einem Substrat sitzend) bekannt, bei der für die felddurchfluteten Körper/Kerne Materialien mit einer einachsigen, uniaxialen, Anisotropie verwenden werden, um auch bei hohen Frequenzen wirksam zu sein.
Durch die Formgebung der magnetisch durchflossenen Teile wird eine Reduktion der aus dem Bauteil austretenden Felder erreicht, welche die Bildung von Abschirmströmen in Trägereinrichtungen für das Bauteil oder elektromagnetische Störungen in benachbarten Baugruppen stark vermindert . Die Anordnung eines I-Induktors ist vergleichsweise kompakt, dadurch können parasitäre Kapazitäten klein gehalten werden. Durch geschickte Konditionierung und Ausnutzung der Oberfläche können widerstandsverringernde Leiteranordnungen verwendet werden, die eine Steigerung der Güte ermöglichen.
Ringkerndrossel oder toroidale Mikroinductoren sind von ihrem Aufbau und ihrer Wirkungsweise her ähnlich. Dieser kann aber sinnvollerweise nur mit isotropen Materialien aufgebaut werden. Magnetische Materialien mit einachsiger, im technischen Sprachgebrauch uniaxialer Anisotropie können nicht verwendet werden. Nach derzeitigem Stand der Materialentwicklung sind isotrope magnetische Materialien für den Frequenzbereich oberhalb 1 GHz nicht mehr geeignet [I]. In die Baugruppe fallen auch Solenoide oder Zylinderspulen. Bekannt sind da verschiedene Ausführungen:
In der Mikrosystemtechnik wird das Solenoid bereits als Pla- narspule - Spulenachse steht senkrecht auf dem Substrat - verwendet. Für hohe Frequenzen sind diese nur eingeschränkt geeignet, da Abschirmströme im Substrat, welche die Induktivität verringern, angeregt werden. Diese Bauteile haben im hochfrequenztechnischen Einsatz eine geringe Güte.
Da die Anordnung insbesondere bei Benutzung von hohen Frequenzen wenig effizient ist, wächst die Größe des Bauteils an, was eine Erhöhung der parasitären Kapazitäten mit sich bringt. Durch Verwendung von zusätzlichen magnetischen Schichten an der Stirnflächen der Planarspule kann zwar die Induktivität gesteigert werden, aber die Grenzfrequenz der Spule sinkt dann. Eine Steigerung der Güte durch Verwendung von breiteren Leiterelementen bei einer Planarspule ist wegen des Anwachsen der dann benötigten Fläche nur in einem kleinen Bereich möglich [II]. Oberhalb von 0,1 GHz ist dieser Aufbau wegen zu stark in Vordergrund tretenden Kapazitäts- und Wirbelstromproblemen uninteressant und funktioniert nur mit magnetisch isotropen Materialien.
Eine weiter Gruppe sind Solenoide, deren Spulenachse parallel zum Substrat steht. Auch diese sind für den hohen Frequenzbereich wegen der Anregung von Abschirmströmen im Substrat nur bedingt geeignet, da das Streufeld an den Stirnflächen austritt. Es kann jedoch zur Induktivitätssteigerung ein Kern aus einem Material mit magnetischer uniaxialer Anisotropie verwendet werden [III].
Weiter werden Streifenleiter als Induktoren verwandt. Ihre erreichbare Güte ist im genannten Frequenzbereich wegen der ge- ringen Induktivität für technische Anwendung zu gering. Zur Steigerung der Güte kann der Leiter mit einem magnetischen Material umgeben werden. Diese Lösung wird bereits als makroskopisches Bauteil mit isotropen magnetischen Materialien benutzt und in der Literatur als Mikroinductoranwendung diskutiert [IV]. Da hierbei beispielsweise die Formanisotropie dünner Schichten nicht berücksichtigt wird und die benutzten Voraussetzungen stark vereinfachend sind, ist die Anwendung in der Mikrosystemtechnik eher fraglich. Die Anordnung führt zu einer erheblichen Anregung von Abschirmströmen im Substrat, was die industrielle Hochfrequenz- Anwendung erschwert. Da mit erheblichen Streufelder zu rechnen ist, muß auch dies beim Design der umliegenden elektromagnetischen Baugruppen berücksichtigt werden.
Zusammenfassend ist zum bekannten einschlägigen Stand der Technik zu sagen:
Ringkerndrosseln, die aus Materialien mit magnetisch uniaxialer Anisotropie aufgebaut sind, sind unwirksam. Mit magnetisch isotropen Materialien aufgebaute, sind für den vorgesehenen Frequenzbereich nicht verwendbar.
Solenoide sind wegen der Streufelder, die Abschirmströme und damit Störungen in benachbarten Baugruppen hervorrufen, nicht geeignet .
Streifenleiter haben zu geringe Induktivität oder zu hohe parasitäre Kapazität.
All diese Unzulänglichkeiten führen zu der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich ein wirtschaftlich und für die industrielle Fertigung geeignetes Konzept von Hochleistungsinduktoren bereitzustellen. Die Aufgabe wird durch einen I-Induktor gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der I-Induktor besteht aus mindestens zwei in einer rechteckig begrenzenden Ebene unter Spaltbildung zueinander angeordneten, bandförmigen, mit ihrer jeweiligen Längsachse parallel zueinander liegenden, gleich langen und für den vorgesehenen magnetischen Fluß durch sie notwendig dicken Körpern/Kernen aus magnetisch permeablem Material. Diese Körper/Kerne sind mit mindestens einer Wicklung derart versehen sind, daß bei Bestrorαung der Wicklung das durch den Wickel im zugehörigen Körper/Kern erzeugte Magnetfeld durch das im zugehörigen Wickel der Wicklung im unmittelbar benachbarten Körper/Kern erzeugte Magnetfeld verstärkt und nicht abgeschwächt wird. Dadurch verläuft der magnetische Fluß vollständig oder quasi vollständig im magnetischen Material und tritt an den windungsfreien Spalten im Endbereich in den Nachbarkörper über.
Anspruch 2 beschreibt das Material der Körper/Kerne als magnetisch isotrop. Anders in Anspruch 3, wo es als unidirektional oder uniaxial magnetisch anisotrop spezifiziert ist.
Die geometrische Relation der beiden außen liegenden Körper/Kerne der Anordnung zu den dazwischen liegenden wird in Anspruch 4 zum Ausdruck gebracht. Die beiden äußeren sind gleich breit und die dazwischen liegenden mindestens genau so breit.
In den Ansprüchen 5 bis 8 sind zweckmäßige Windungstechniken und -formen beschrieben. So ist die jeweilige Wicklung aus je einem Solenoiden pro Körper/Kern in Anspruch 5. In Anspruch 6 bilden die Windungen einer Wicklung oder Wicklungen mit den Körpern/Kernen eine gewobene Struktur. Eine Windung oder die Windungen können aber auch aus einem Bandleiter bestehen, der an seinen beiden Enden je eine Anschlußfahne für " den externen Anschluß bildet (Anspruch 7) . In Anspruch 8 bestehen die Windungen der Wicklung aus bandförmig viereckigen Elementen, und zwar sind sie im Fall von:
- nur zwei nebeneinander liegenden Körper/Kernen gleichartig trapezförmig, wobei sich im Spalt zwischen den beiden Körpern/Kernen zwei trapezförmige Elemente mit der kürzeren der beiden parallelen Trapezseiten und entlang der jeweils außen liegende Längskante der beiden Körper/Kerne mit der längeren der beiden parallelen Trapezseiten aneinander reihen und elektrisch kontaktieren;
- mehr als zwei nebeneinander liegenden Körper/Kernen die Elemente einer Windung an den beiden außen liegenden Körpern/Kernen gleichartig trapezförmig und an den innenliegenden Körpern/Kernen gleichartig rechteckig. Sie reihen sich aneinander und kontaktieren sich entlang der jeweils außen liegenden Kante der beiden außen liegenden Körper/Kerne mit der längeren der beiden parallelen Trapezseiten. Im jeweiligen Spalt zwischen den beiden äußeren Körpern/Kernen und dem unmittelbar benachbarten Kern an der jeweils kürzeren Seite der beiden, zueinander parallelen Trapezseiten eines Elements der Windung ein rechteckiges Element der Windung reihen sie sich mit seiner gleich langen Seite an und kontaktiert sich elektrisch. Im jeweiligen Spalt zwischen den innen liegenden Körpern/Kernen reihen sich aneinander und kontaktieren sich stets zwei rechteckige Elemente der Windung. Damit liegen die Windungen mit den Körpern/Kernen unter Einhaltung des minimal notwendigen Isolationsabstandes gewebeartig aneinander und an den beiden Enden einer Wicklung besteht je eine Anschlußfahne für den externen Anschluß.
Der I-Inductor ist daher für hohe Grenzfreqenzen bis zu 10 GHz mit ausreichender Güte Q < 500 geeignet. Zweckmäßigerweise liegt die HF-Permeabilität in der Richtung der Magnetfeldachse in den Kernen. Durch die Anordnung der Leiterelemente und der Körper oder Schichten aus magnetischem Material werden die Abschirmströme ganz wesentlich reduziert. Da die Bauform sehr kompakt gehalten werden kann, ist die parasitäre Kapazität gering.
Der I-Induktor wird im folgenden anhand der Zeichnung mit den Figuren 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 die Prinzipskizze des I-Induktors,
Figur 2 die Bandwicklung für den I-Induktor,
Figur 3a der Aufbau aus Doppeltrapezelementen bei zwei Kernen,
Figur 3b der Aufbau aus Doppeltrapez- und Rechteckelementen bei mehr als zwei Kernen,
Figur 4 der I-Induktor mit sekundärer Wicklungen als HF- Übertrager,
Figur 5 der I-Induktor im Spalt eines C-Magneten,
Figur 6. der Induktivitätsverlauf des I-Induktors gemäß Figur 3a.
Der nun näher beschriebene I-Induktor ist ein HF-Mikroinduktor mit typischen Dimensionen wie sie in Figur 3a angedeutet sind. Er ist eine Baukomponente für die Mikrosystemtechnik in Planartechnik und findet Verwendung in Einrichtungen für hohe Frequenzen bei 1 - 10 GHz. Er ist in Dünnschichttechnik hergestellt. Der I-Induktor ist, damit die für den Einsatz notwendige Physik, also die geplante mikrowellentechnische Eigenschaft, hervorgehoben besteht, in seiner Baulänge begrenzt, und zwar gilt als obere Schranke für die Baulänge in x-Rich- tung (siehe Koordinatensystem in Figuren 1 und 5)
Figure imgf000009_0001
α ist ein reiner Zahlenfaktor; für die technische Anwendung hat sich 0,1 als optimal herausgestellt, c ist die Lichtgeschwindigkeit, f die Frequenz und μrx die relative magnetische Permeabilitätskonstante in x-Richtung.
Zunächst soll das Prinzip anhand der Figur 1 vorgestellt werden: Der I-Induktor besteht aus zwei parallelen, zweckmäßigerweise rechteckigen Körpern - im magnettechnischen Sprachgebrauch auch: Kernen - aus einem magnetisch per eablen Material. Auf jedem Eisenkern ist ein Solenoid gewickelt. Beide Solenoide können elektrisch unterschiedlich verschaltet sein, einmal jeweils separat angeschlossen, zum andern in Reihe oder parallel, aber auf jeden Fall so, daß das Magnetfeld im einen Kern die entgegengesetzte Richtung wie die im andern hat. Damit besteht bei Bestromung beider Solenoide ein magnetischer Kreis, und zwar durch die beiden Kerne und über die beiden Spalte an den beiden Endbereichen der Anordnung, der magnetische Fluß schließt also über die beiden Spalte. Der Spalt kann mit demselben magnetischen Material gefüllt sein. Bei Verwendung magnetisch anisotroper Materialien vorzugsweise mit einer Anisotropie, die von einem Kern in Richtung des andern die Vorzugsrichtung hat. Der Spalt sollte für den hochfrequenztechnischen Einsatz so klein wie möglich sein, zumindest so klein, daß für den Betrieb noch hinreichende elektrische Isolationsfestigkeit besteht. Die Baugröße der gesamten Anordnung ist auch durch parsitäre Kapazitäten begrenzt.
Die beiden Solenoide sind in Figur 2 aus einer Wicklung und damit nicht getrennt gewickelt. Für die optimale Güte des I Induktors ist es günstig, den oberen und unteren Solenoiden ineinander zu integrieren. Die skizzierte Wickeltechnik zeigt, daß sich immer eine Windung des oberen Solenoiden an eine des unteren in Reihe anschließt liegt und umgekehrt, bis die ganze Wicklung fertig ist. Auch ist der jeweilige Wickelsinn derartig, daß sich die beiden erzeugten Magnetfelder im Kreis addieren und nicht subtrahieren bzw. aufheben. Es liegen hier also nicht zwei getrennte Solenoiden hintereinander. Dieser Aufbau läßt sich mit der Planartechnik oder Schichttechnik durch sukzessives Aufbauen der Lagen einfach herstellen. Allerdings müssen die jeweiligen Leiterverbindungen im Spalt und an den äußeren Längskanten nachträglich angebracht werden.
Herstellungstechnisch günstig - das auch in seinen hochfrequenztechnischen Eigenschaften - ist der Aufbau gemäß Figur 3a. Die Wicklung, im Prinzip wie in Figur 2, wird aus doppeltrapezförmigen Leiterelementen aus Kupfer oder Aluminium durch Aneinanderreihen derselben aufgebaut. Die eine Hälfte der Doppeltrapezstruktur liegt auf der Rückseite des einen Körpers, die andere Hälfte wird durch den Spalt, gezogen und auf dem andern Körper aufgelegt. Daran schließt sich das nächste doppeltrapezförmige Leiterelement in gleicher Manier an, bis der Doppelwickel auf den beiden Körpern oder Kernen fertig ist. Die beiden Wicklungen bestehen bei diesem speziellen Aufbau aus sechs Doppeltrapezelementen aus Aluminium. An beiden Enden wird dann für den elektrischen Anschluß je noch eine Anschlußfahne angebracht . Der Aufbau durch Parallelogrammelemente geht entsprechend. Beide Kerne sind aus einer Eisenlegierung, in der die magnetische Anisotropie durch den Herstellungsprozeß einstellbar ist.
Für den mehr als zweikernigen Aufbau genügt die Darstellung an der dreikernigen Anordnung gemäß Figur 3b. Die Maße darin sind beispielhaft. Die trapezförmigen Leiterelemente liegen nach wie vor an den beiden äußeren Körper/Kernen, der dazwischen liegende Körper/Kern hat die rechteckigen Leiterstreifen anliegen, die beidseitig so breit wie' die kleinere der beiden parallelen Trapezseiten sind und sich dort entlang auch anschließen. Im Gegensatz zu den beiden außen liegenden Körper/Kernen, die über die Wickelbreite bis auf den Windungsabstand fast vollständig mit den Leiterelementen belegt sind, ist die Belegung mit dieser Technik bei dem dazwischen liegenden Körper/Kern und damit bei dazwischen liegenden Körper/Kernen nur noch bis zur Hälfte der Fall. Die rechteckigen Leiterelemente reihen sich an einem dazwischen liegenden Körper/Kern entlang desselben abwechselnd hinten und vorne aneinander. Um bei mehr als zwei Körper/Kernen über die Wickelbreite hinweg eine höchstmögliche Abdeckung derselben durch den Leiter der Wicklung zu haben, muß jeder Körper/Kern mit einem Leiter für sich und nicht auch gleichzeitig mit einem oder den andern bewickelt werden.
Figur 6 zeigt den Verlauf der Induktivität des I-Induktors in nH in Abhängigkeit der in x-Richtung vorhandenen Permeabilität μrx, dessen Wicklungen gemäß Figur 3a aus Doppeltrapezelementen aufgebaut sind. Die Kern- oder hier Eisenschichten haben die Kontour von 320 x 40 x 2 (μm)3. Die Permeabilität μry in y-Rich- tung ist 1. Bei μrx = 1000 wird bei diesem Aufbau eine Induktivität von 3 nH erreicht.
Bevor vollends ein konkreter Aufbau vorgestellt wird, soll anhand der Figur 4 auch die Struktur eines Hochfrequenzübertragers oder Transformators auf der Basis des I-Induktorprinzips erklärt werden. Hauptsächliche Anwendungsgebiete dafür sind die Telekommunikation und dort in Baugruppen wie Sperrkreisen oder Handys. Aber auch in der Nachrichtentechnik, wie Satellitentechnik oder in der digitalen Netzwerktechnik zur Daten- fernübertragung, DFÜ, findet diese Technologie Eingang, weil damit eine weitere Miniaturisierung gegeben ist.
Das Prinzip der antiparallelen magnetischen Anregung wird zum Bau eines Hochfrequenzübertragers verwendet und damit die galvanische Trennung von Stromkreisen erreicht, oder es wird zum Bau eines Mikrotransformators (Figur 4) verwendet. Sowohl für einen I-Induktor (Figuren 1 bis 3) als auch für den auf diesem Prinzip beruhenden Hochfrequenzübertrager wird der Frequenzbereich durch das aufprägen einer Anisotropie erhöht. Im vorliegenden Fall wird dies durch ein externes, zum I-Induktor senkrechtes und statisches Magnetfeld erreicht, welches beispielsweise von einem planaren H- oder C-Magneten (Figur 4) erzeugt wird. Der Kern des planaren H- oder C-Magneten besteht aus vereinfachenden fertigungstechnischen Gründen ebenfalls aus dem selben Material mit uniaxialer Anisotropie bestehen. Durch Variation dieses statischen Magnetfeldes wird die Grenzfrequenz des Bauteils mit steigender magnetischer Flußdichte erhöht, bzw. die Induktivität verringert. Aus einbautechnischen oder anschlußtechnischen Gründen dürfte der C-Magnet die bevorzugte Baukomponente sein, weniger der H-Magnet .
Figur 5 zeigt die Draufsicht auf den im Luftspalt des C-Magneten eingebauten I-Induktors. Die Realisierung wird mit Planartechnik durchgeführt. Die angegebenen Dimensionen vermitteln einen Eindruck über das Miniaturisierungspotential. Der I-Induktor selber ist gemäß Figur 2 aufgebaut und gewickelt. Er ist lediglich 60 - 70 μm breit und hat einen Spalt zwischen den Kernen als auch zu dem jeweiligen Polen von etwa 4 μm. Der Freiraum im C-Innern hat etwa die Ausdehnung von (250 μm)2, entsprechend die Außenkontur von etwa 800 μm oder o,8 mm Länge. Die statische Felderzeugung Bstat im C-Magneten ist äußerst effizient, da magnetisch uniaxiale anisotrope Materialien im statischen Fall in y-Richtungeine Permeabilität » 1 besitzen. Die magnetische Anisotropie im C-Material drückt sich die Permeabilität von μstatχ 350 und μstaty « 1000 aus, beim I-Induktor selber liegen die Verhältnisse folgendermaßen: μHFχ ∞ 350 und
Figure imgf000013_0001
Die fünf Wicklungspakete auf dem C-Joch sind gleichstromdurch- flossen und erzeugen daher ein konstantes oder statisches Magnetfeld, das das HF-Feld in den Kernen des I-Inductors senkrecht durchsetzt und so die magnetische Anisotropie und damit die Grenzfrequenz erhöht. Für diese Anwendung können isotrope magnetische Materialien nicht verwendet werden.
Literatur
I siehe "Ferromagnetismus" von Kneller, E., Seiten 642 und 643, "Snoek'sche Limit" (Seite 643), Springer Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1962
II
Shinji Tanabe, Yasuhiro Shiraki, Kenji Itoh, Masahiro Yamagu- chi, Ken-ichi Arai, FEM Analysis of Thin Film Inductors Used in GHz Frequenzy Bands IEEE Transactions on Magnetics., Vol 35, No:5, September 1999)
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IV
A. Gromov, V. Korenivskim, K. V. Rao R. B. van Dover, P. M.
Mankiewich, A Model for Impedance of Planar RF Inductors Based on Magnetic Films, IEEE Transactions on Magnetics 1998)

Claims

Patentansprüche :
1. I-Induktor als Hochfrequenz-Mikroinduktor, kurz HF-Induktor, für die Mikrosystemtechnik, bestehend aus mindestens zwei in einer rechteckig begrenzenden Ebene unter Spaltbildung zueinander angeordneten, bandförmigen, mit ihrer jeweiligen Längsachse parallel zueinander liegenden, gleich langen und für den vorgesehenen magnetischen Fluß durch sie notwendig dicken Körpern/Kernen aus magnetisch permeablem Material, die mit mindestens einer Wicklung derart versehen sind, daß bei Bestromung der Wicklung das durch den Wickel im zugehörigen Körper/Kern erzeugte Magnetfeld durch das im zugehörigen Wickel der Wicklung im unmittelbar benachbarten Körper/Kern erzeugte Magnetfeld verstärkt und nicht abgeschwächt wird, wozu der magnetische Fluß vollständig oder quasi vollständig im magnetischen Material der Körper/Kerne verläuft.
2. I-Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Körper/Kerne magnetisch isotrop ist.
3. I-Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Körper/Kerne unidirektional oder uniaxial magnetisch anisotrop ist.
4. I-Induktor nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden außen liegenden Körper/Ker'ne der Anordnung gleich breit und die dazwischen liegenden Körper/Kerne mindestens genau so breit sind.
5. I-Induktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Wicklung aus je einem Solenoiden pro Körper/Kern besteht.
6. I-Induktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen einer Wicklung mit den Körpern/Kernen eine gewobene Struktur bilden.
7. I-Induktor nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Wicklung aus einem Bandleiter bestehen, der an seinen beiden Enden je eine Anschlußfahne für den externen Anschluß bildet.
8. I-Induktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente einer Windung der Wicklung aus bandförmig viereckigen Elementen besteht,
- die im Falle von nur zwei nebeneinander liegenden Körper/Kernen gleichartig trapezförmig sind, sich im Spalt zwischen den beiden Körpern/Kernen zwei trapezförmige Elemente mit der kürzeren der beiden parallelen Trapezseiten und entlang der jeweils außen liegende Längskante der beiden Körper/Kerne mit der längeren der beiden parallelen Trapezseiten aneinander reihen und elektrisch kontaktieren,
- im Falle von mehr als zwei nebeneinander liegenden Körper/Kernen die Elemente einer Windung an den beiden außen liegenden Körpern/Kernen gleichartig trapezförmig und an den innenliegenden Körpern/Kernen gleichartig rechteckig sind, sich die trapezförmigen Elemente der Windung entlang der jeweils außen liegenden Kante der beiden außen liegenden Körper/Kerne mit der längeren der beiden parallelen Trapezseiten aneinander reihen und elektrisch kontaktieren, sich im jeweiligen Spalt zwischen den beiden äußeren Kör- pern/Kernen und dem unmittelbar benachbarten Kern an der jeweils kürzeren Seite der beiden, zueinander parallelen Trapezseiten eines Elements der Windung ein rechteckiges Element der Windung mit seiner gleich langen Seite anreiht und elektrisch kontaktiert, und sich im jeweiligen Spalt zwischen den innen liegenden Körpern/Kernen stets zwei rechteckige Elemente der Windung aneinander reihen und elektrisch kontaktieren, so dass die Windungen mit den Körpern/Kernen unter Einhaltung des minimal notwendigen Isolationsabstandes gewebeartig aneinander liegen und an den beiden Enden einer Wicklung je eine Anschlußfahne für den externen Anschluß besteht.
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