WO2008145478A2 - Abstimmbares induktives bauelement und verwendung des bauelements - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a tunable inductive component.
  • a use of the device is specified.
  • the electronic circuit is for example a resonant circuit, a frequency filter, an impedance matching network or a charge pump.
  • Such an electronic circuit can be optimally designed with a fixed value of the inductive and the capacitive components only for a limited frequency range (fixed frequency characteristic).
  • circuit elements with tunable electrical characteristics are for example a tunable (controllable) inductance (variometer).
  • a variometer consists, for example, of two nested cylindrical coils connected in series one behind the other.
  • a coil has a wire winding.
  • the wire winding has a number of turns of an electrical conductor for generating a magnetic flux by means of the current flowing in the electrical conductor.
  • the wire winding also serves to generate a voltage by changing the magnetic induction in the wire winding.
  • the inner of the two coils can be rotatably mounted, for example.
  • a maximum of total induction is achieved when the winding planes of the turns of the two coils are parallel and be flowed in the same direction from the stream. If, however, the currents flow in opposite directions with such an arrangement of the coils, the resulting inductance of the coils cancel each other out. The total induction assumes a minimum value. Likewise, relative coaxial displacement of both coils would entail a change in overall induction.
  • An alternative variometer consists of cylindrical coils, inside each of which a core of ferromagnetic core material is arranged.
  • a core of a coil serves to increase the magnetic induction.
  • the ferromagnetic core material has, as for example in a ferrite, a high permeability.
  • the ferromagnetic core material is electrically conductive. This core material is a metal such as copper and aluminum.
  • the above-described embodiments of the variometer have limited suitability for miniaturization due to the use of macroscopic mechanical components necessary for the axial movement of the coils or cores.
  • the object of the present invention is to provide a compact, tunable inductive component which is suitable for miniaturization.
  • a tunable inductive component comprising at least one ceramic multilayer body having at least one ferrite layer with ferritic material and at least one coil integrated in the volume of the multilayer body.
  • the ferrite layer acts as a ferrite core of the coil.
  • the ferromagnetic core essentially influences the magnetic
  • the inductance is higher in a first approximation by the factor of the permeability of the ferrite layer.
  • a decrease in the permeability of the ferrite layer thus causes a proportional decrease in the inductance of the coil and vice versa.
  • the integration leads to a high degree of miniaturization.
  • the basic structure allows the electrical tuning of single or coupled coils, as they are eg in a transformer. As a result, inductors and the transmission behavior of transformers can be controlled.
  • the coil is embedded in the ferrite layer.
  • the coil may be partially or completely embedded in the ferrite layer. It is also conceivable that the coil is embedded in several ferrite layers. This type of arrangement ensures that the ferrite layer acts as the ferrite core of the coil and that the above-described correlation occurs between external pressure on the ferrite layer and the inductance of the coil.
  • the ferrite is for example an oxide ceramic with the general empirical formula M 11 Fe 1 ⁇ 2 O 4 (or M 11 O-Fe 2 O 3 ).
  • M 11 is a divalent metal, for example cobalt or iron.
  • the ferrite has at least one selected from the group manganese and / or zinc metal.
  • the ferrite is a MnZn ferrite. Ferrites in general and MnZn-ferrites in the
  • Various components or techniques can be used to transfer the mechanical stress to the ferritic material or to the ferrite layer of the ceramic multilayer body.
  • material having different coefficients of thermal expansion is processed in the multilayer body. By increasing the temperature, it comes to a tension and thus to build up a pressure. If it is ensured that this pressure can act on the ferrite layer, this leads, as described above, to a change in the permeability of the ferrite layer and thus to a change in the inductance Kitchen sink.
  • the means for transmitting the mechanical stress on at least one piezoelectric element consists of a piezoelectrically active layer and on both sides of the piezoelectrically active layer attached electrode layers.
  • the piezoelectric active layer has piezoceramic material (piezoceramic).
  • the piezoelectric element is connected to the ferrite layer in such a way that the expansion change of the piezoelectric layer is transmitted as pressure to the ferrite layer, then a pressure is built up in the ferrite layer which leads to a change of the permeability. It is conceivable that the ferrite layer is clamped between a piezoelectric element and an abutment. By controlling the piezoelectric element, the pressure is built up. Likewise, the ferrite layer can be arranged or clamped with the coil between two piezo elements.
  • the piezoelectric element or the piezoelectric elements are designed such that a pressure necessary for changing the permeability can be built up on the ferrite layer.
  • a plurality of stacked piezo elements is provided.
  • a multilayer actuator is used. In a multilayer actuator many piezo elements are stacked on top of each other.
  • the multilayer actuator is for example in a
  • Co-firing (co-sintering) process made of stacked green ceramic sheets printed with electrode material.
  • Such a multilayer actuator is particularly suitable for the construction and for the transmission of high pressures.
  • the piezoelectric element or the means for transmitting the mechanical stress to the ferrite layer can be arranged externally to the ceramic multilayer body.
  • the means for transmitting the mechanical stress in the volume of the multilayer body is integrated.
  • the means for transmitting is integrative component of the multilayer body.
  • the means for transmitting the mechanical stress can be partially or completely integrated in the multilayer body. This embodiment is suitable, for example, when the ferrite layer is arranged between two piezo elements with piezoceramic.
  • only one piezoelectric element is part of the ceramic multilayer body.
  • an external abutment is provided. This external
  • Abutment can be formed by a housing of the multilayer body.
  • the housing is designed and connected to the multi-layer body, that within the ferrite layer of the necessary mechanical pressure can be established, for example by electrical control of the integrated piezoelectric element.
  • the means for transmitting the mechanical stress on a housing of the multilayer body is designed as a pressure housing.
  • LTCC Low Temperature Cofired Ceramics
  • electrically conductive metals such as silver or copper
  • At least one layer of the multilayer body has glass-ceramic.
  • Glass ceramic is suitable for a low sealing temperature.
  • the vitrification temperature is below 900 0 C.
  • the multilayer body is manufactured in LTCC technology. This can also be provided for the case of an integrated piezoelectric element.
  • the piezoelectrically active ceramic layer also has glass ceramic.
  • HTCC High Temperature Cofired Ceramics. This can, for example, with regard to the integration of the piezoelectric element be beneficial.
  • Piezoceramic materials such as lead zirconate titanate (PZT) are sintered at higher temperatures above 1100 ° C.
  • the tunable inductive component is used everywhere where inductances are used in a wide range of control. Therefore, the device is used in particular in an electrical circuit, which is selected from the group filter circuit and oscillator circuit.
  • the tunable inductor can be widely used in frequency agile systems.
  • a circuit element accessible which can be used as a hardware component in the concept Software Defined Radio, SDR.
  • the inductive component is used in particular as a pressure sensor.
  • the described pressure-induction correlation is used.
  • the permeability of the ferrite layer and thus the induction of the coil change. It is merely ensured that the external pressure can act on the ferrite layer.
  • An application of the inductive component as a temperature sensor is also conceivable. In this case, occur by the use of materials with different thermal expansion coefficients in the ceramic multilayer body as a function of temperature mechanical stresses that are transmitted to the ferrite layer and thus lead to a change in the permeability of the ferrite layer.
  • the tunable inductor is compact and contains no mechanical moving components. This is particularly true when using piezoelectric elements that are integrated in the multilayer body.
  • the inductive component is miniaturized, since the coil can be integrated planar, for example by means of LTCC technology between ferrite layers and piezoelectrically active layers can also be integrated by co-sintering or subsequently mounted externally on the multilayer body.
  • High permeability ferrites such as MnZn compounds allow a high initial inductance in the de-energized state and thus a wide tuning range.
  • Figures 1 and 2 each show a section of a tunable inductive component with a ceramic multilayer body in the lateral cross-section.
  • FIG. 3 shows a section of a tunable inductive component with a multilayer ceramic body in a lateral cross-section, which is used as a pressure sensor.
  • FIG. 4 shows the dependence of the inductance of two coils, each of which is integrated separately in a ceramic multilayer body, on an external pressure.
  • the tunable inductive component 100 is a monolithically integrated with piezo elements 3 and 4 variometer, consisting of a ceramic multilayer body 1 with magnetically active Ferrite layers 2 and piezoelectric active layers 3c and 4c.
  • the piezoelectric elements act as means for transmitting mechanical stress to the ferrite layers.
  • the ferrite layers comprise MnZn ferrite, the ferrite layers having a relative permeability of, for example, 500.
  • An electrical control voltage for deflecting the piezoelectric elements can be applied via the respective electrode layers 3a, 3b, 4a and 4b arranged on both sides of the piezoelectrically active layers.
  • the inner electrode layers 3b and 4a for the purpose of better mechanical connection of the layers 2, 3c and 4c need not necessarily be designed over a large area, but may contain openings.
  • the contact surfaces 8 and 9 are used to supply the control voltage for the electrode layers of the piezoelectric elements, wherein for reasons of symmetry 3a and 4b and 3b and 4a are advantageously at the same electrical potential.
  • the piezoelectrically active layers 3c and 4c are subjected to mechanical stress, which they partly transfer to them due to the monolithic integration with the ferrite layers, so that the magnetic permeability in the vicinity of the coil 7 decreases and consequently the inductance of the coil decreases.
  • a plurality of laterally or vertically adjacent and magnetically coupled coils are integrated between the ferrite layers 2, the coupling coefficient can also vote on the pressure dependence of the permeability of the ferrite layers.
  • individual or a plurality of piezoelectric elements or piezoelectrically active layers are interposed internally integrated into the ferrite layers. In this way, upon actuation of the electrode layers of these piezoelectric elements, local mechanical stresses are introduced into the ferrite layers.
  • An alternative embodiment provides, instead of the piezoelectric elements as means for transmitting the mechanical stress, simple, thermally stressed dielectric layers in combination with the ferrite layers. It can in
  • the lower electrode layer 3b is electrically biased relative to the pressure housing 10 by means of the through-connection 9. According to the prior art piezoelectric ceramics can at suppressed change in length of a few prints kN / cm or produce some 100 bar 2, for example, 400 bar in the conventional piezoelectric actuators for automotive fuel injectors.
  • the stress in the ferrite can also be increased structurally slightly by two to three times, if the cross section of the piezoelectric actuator correspondingly larger than that of the ferrite counterpart is selected. Accordingly, the effects described above in the range of 1000 bar can also be achieved in this design.
  • the housing 10 is sealed at the top by a flexible membrane 11, which exerts pressure on the ferrite layers 2 either directly or via mechanical intermediate elements or force translations under external load.
  • a pressure equalization takes place on the unloaded side via the channel 12.
  • the resulting change in the inductance of the coil 7 is a measure of the external pressure.
  • the element thus operates as a pressure sensor.
  • the tunable inductive component consists of the ceramic multilayer body 1 with integrated coil 7.
  • Multi-layer body is manufactured using the LTCC technology.
  • the multi-layer body is clamped together with a force transducer (strain gauges) in a vice so that the force exerted on the multi-layer body force is measured independently.
  • a force transducer strain gauges
  • the multilayer body can be calculated for the pressure and correlated directly with the observed change in the inductance of the integrated coil.
  • the dependencies of the inductances shown in FIG. 4 result from the external pressure.
  • the respective measuring points and the adaptation curves can be seen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein abstimmbares induktives Bauelement 100, aufweisend mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper 1 mit mindestens einer Ferritschicht 2 mit ferritischem Material und mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule 7. Dabei ist eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig von einer mechanischen Spannung, die auf die.Ferritschicht wirkt, die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist und ein Mittel 3, 4, 10, 11 zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann. Das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung ist beispielsweise ein integriertes Piezoelement 3, 4. Verwendung findet das abstimmbare induktive Bauelement in Filter- oder Oszillatorschaltungen. Das Bauelement kann auch als Drucksensor zum Einsatz kommen.

Description

Beschreibung
Abstimmbares induktives Bauelement und Verwendung des Bauelements
Die Erfindung betrifft ein abstimmbares induktives Bauelement. Daneben wird eine Verwendung des Bauelements angegeben.
In einer elektronischen Schaltung der Leistungselektronik oder der Hochfrequenztechnik spielen induktive Bauelemente im Verbund mit kapazitiven Bauelementen eine wichtige Rolle. Die elektronische Schaltung ist beispielsweise ein Schwingkreis, ein Frequenzfilter, ein Impedanz-Anpassungsnetzwerk oder eine Ladungspumpe .
Eine derartige elektronische Schaltung können mit jeweils einem festen Wert der induktiven und der kapazitiven Bauelemente grundsätzlich nur für einen begrenzten Frequenzbereich (feste Frequenzcharakteristik) optimal ausgelegt werden. Eine elektronische Schaltung mit veränderlicher
Frequenzcharakteristik wäre aber allein aus Kostengründen begrüßenswert .
Dazu gibt es Schaltungselemente mit abstimmbaren elektrischen Kenngrößen. Ein derartiges Schaltungselement ist beispielsweise eine abstimmbare (regelbare) Induktivität (Variometer) . Ein derartiges Variometer besteht beispielsweise aus zwei ineinander liegenden elektrisch hintereinander geschalteten zylinderförmige Spulen. Eine Spule verfügt über eine Drahtwicklung. Die Drahtwicklung weist eine Anzahl von Windungen eines elektrischen Leiters zur Erzeugung eines magnetischen Flusses mittels des im elektrischen Leiter fließenden Stromes auf. Die Drahtwicklung dient auch der Erzeugung einer Spannung durch Änderung der magnetischen Induktion in der Drahtwicklung.
Die innere der beiden Spulen kann zum Beispiel drehbar gelagert sein. Ein Maximum einer Gesamtinduktion wird dann erreicht, wenn die Windungsebenen der Windungen der beiden Spulen parallel und gleichsinnig vom Strom durchflössen werden. Fließen dagegen bei einer derartigen Anordnung der Spulen die Ströme gegenläufig, heben sich die resultierenden Induktivität der Spulen gegenseitig auf. Die Gesamtinduktion nimmt einen Minimalwert an. Ebenso würde eine relative koaxiale Verschiebung beider Spulen eine Änderung der Gesamtinduktion mit sich bringen.
Ein dazu alternatives Variometer besteht aus zylinderförmigen Spulen, in deren Inneren jeweils ein Kern aus ferromagnetischem Kernmaterial angeordnet ist. Ein Kern einer Spule dient einer Vergrößerung der magnetischen Induktion. Das ferromagnetische Kernmaterial weist dazu, wie beispielsweise bei einem Ferrit, eine hohe Permeabilität auf. Alternativ dazu ist das ferromagnetische Kernmaterial elektrisch gut leitend. Dieses Kernmaterial ist ein Metall wie Kupfer und Aluminium. Durch eine axiale Bewegung der Kerne wird der magnetische Fluss vergrößert oder verkleinert.
Bezüglich der Ferrite ist aus H. Meuche, D. Lange, A. H. Nguyen, "The Impact of Pressure on Ferrits", EPCOS Components 3/2005, Seiten 35-38, bekannt, dass die Permeabilität von Ferriten von einer auf das Ferrit einwirkenden mechanischen Spannung (Druck) abhängig ist.
Die oben dargestellten Ausführungsformen des Variometers sind aufgrund der Verwendung von makroskopischen, mechanischen Komponenten, die für die axiale Bewegung der Spulen oder Kerne notwendig sind, nur begrenzt geeignet für eine Miniaturisierung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein kompaktes, abstimmbares induktives Bauelement zur Verfügung zu stellen, das für eine Miniaturisierung geeignet ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein abstimmbares induktives Bauelement angegeben, aufweisend mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper mit mindestens einer Ferritschicht mit ferritischem Material und mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule. Dabei ist eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist und ein Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann.
Durch die Ausnutzung des Effekts der Druckabhängigkeit der Permeabilität von Ferriten wird die Induktivität des Bauelements variiert. Dabei wird folgender Zusammenhang ausgenutzt (vgl. H. Meuche et al . ) :
μ(a)= *°> (1)
\ + kσμ(0)
Dabei bedeuten 6 die mechanische Spannung (Druck), μ(0) die Permeabilität bei keiner mechanischen Spannung. Hinter k verbirgt sich eine materialspezifische Größe. Bei einem Druck von einigen 10 MPa kann die Veränderung μ(6)-μ(0) der Permeabilität der Ferritschicht einige 10% betragen.
Die Ferritschicht fungiert als Ferritkern der Spule. Der ferromagnetische Kern beeinflusst essentiell den magnetischen
Fluss der Spule. Gegenüber einer baugleichen Spule, die sich an der Luft befindet, liegt die Induktivität in erster Näherung um den Faktor der Permeabilität der Ferritschicht höher. Eine Abnahme der Permeabilität der Ferritschicht bewirkt folglich eine proportionale Abnahme der Induktivität der Spule und umgekehrt. Mit der Erfindung ist ein kompaktes, integriertes, abstimmbares induktives Bauelement zugänglich. Die Integration führt zu einem hohen Maß an Miniaturisierung. Die grundlegende Struktur ermöglicht die elektrische Abstimmung einzelner oder verkoppelter Spulen, wie sie z.B. in einem Transformator vorliegen. Dadurch sind Induktivitäten und das Übertragungsverhalten von Transformatoren steuerbar. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist die Spule in die Ferritschicht eingebettet. Die Spule kann dabei teilweise oder vollständig in die Ferritschicht eingebettet sein. Denkbar ist auch, dass die Spule in mehrere Ferritschichten eingebettet ist. Durch diese Art der Anordnung ist sichergestellt, dass die Ferritlage als Ferritkern der Spule fungiert und die oben beschriebene Korrelation zwischen äußerem Druck auf die Ferritschicht und der Induktivität der Spule auftritt.
Besonders vorteilhaft ist es, die Spule spannungsfrei einzubetten. Dies bedeutet, dass eine Variationsbreite der Permeabilität des ferritischen Materials voll ausgeschöpft werden kann.
Das Ferrit ist beispielsweise eine Oxidkeramik mit der allgemeinen Summenformel M11Fe1^2O4 (bzw. M11O-Fe2O3) . M11 ist ein zweiwertiges Metall, beispielsweise Cobalt oder Eisen. Insbesondere weist das Ferrit mindestens ein aus der Gruppe Mangan und/oder Zink ausgewähltes Metall auf. Das Ferrit ist ein MnZn-Ferrit. Ferrite im Allgemeinen und MnZn-Ferrite im
Speziellen zeigen von sich aus im spannungsfreien Zustand (6 = 0 MPa) eine hohe Permeabilität μ(0) aus dem Bereich von 100 bis 1000.
Zur Übertragung der mechanischen Spannung auf das ferritische Material beziehungsweise auf die Ferritschicht des keramischen Mehrschichtkörpers können verschiedene Bauteile oder Techniken verwendet werden. Beispielsweise ist im Mehrschichtkörper Material mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verarbeitet. Durch Temperaturerhöhung kommt es zu einer Verspannung und damit zum Aufbau eines Drucks. Wenn dafür gesorgt wird, dass dieser Druck auf die Ferritschicht einwirken kann, führt dies, wie oben beschrieben, zu einer Änderung der Permeabilität der Ferritschicht und damit zu einer Änderung der Induktivität der Spule.
In einer besonderen Ausgestaltung weist das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung mindestens ein Piezoelement auf. Ein Piezoelement besteht aus einer piezoelektrisch aktiven Schicht und beidseitig an der piezoelektrisch aktiven Schicht angebrachte Elektrodenschichten. Die piezoelektrische aktive Schicht weist insbesondere piezokeramisches Material (Piezokeramik) auf. Durch elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten wird ein elektrisches Feld in die piezoelektrisch aktive Schicht eingekoppelt. Aufgrund des elektrischen Feldes kommt es zu einer Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Schicht. Wird nun das Piezoelement mit der Ferritschicht so Verbunden, dass die Ausdehnungsänderung der piezoelektrischen Schicht als Druck auf die Ferritschicht übertragen wird, so wird in der Ferritschicht ein Druck aufgebaut, der zur Änderung der Permeabilität führt. Denkbar ist dabei, dass die Ferritschicht zwischen einem Piezoelement und einem Widerlager eingeklemmt ist. Durch die Ansteuerung des Piezoelements wird der Druck aufgebaut. Ebenso kann die Ferritschicht mit der Spule zwischen zwei Piezoelementen angeordnet bzw. eingeklemmt sein.
Das Piezoelement oder die Piezoelemente sind derart ausgelegt, dass ein für die Änderung der Permeabilität notwendiger Druck auf die Ferritschicht aufgebaut werden kann. Dazu ist eine Vielzahl von übereinander gestapelten Piezoelementen vorgesehen. Es wird ein Vielschichtaktor verwendet. Bei einem Vielschichtaktor sind viele Piezoelemente übereinander gestapelt. Der Vielschichtaktor wird beispielsweise in einem
Co-Firing (Co-Sintering) -Prozess aus übereinander gestapelten, mit Elektrodenmaterial bedruckten keramischen Grünfolien hergestellt. Ein derartiger Vielschichtaktor eignet sich besonders für den Aufbau und für die Übertragung hoher Drücke.
Das Piezoelement oder das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht kann extern zum keramischen Mehrschichtkörper angeordnet sein. Vorzugsweise ist aber neben der Spule auch das Mittel zum Übertragen der mechanischen
Spannung im Mehrschichtkörper integriert. Vorzugsweise ist daher das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert. Das Mittel zum Übertragen ist integrativer Bestandteil des Mehrschichtkörpers. Das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung kann dabei teilweise oder vollständig im Mehrschichtkörper integriert sein. Diese Ausführungsform bietet sich beispielsweise dann an, wenn die Ferritschicht zwischen zwei Piezoelementen mit Piezokeramik angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist lediglich ein Piezoelement Bestandteil des keramischen Mehrschichtkörpers. Hier ist ein externes Widerlager vorgesehen. Dieses externe
Widerlager kann dabei von einem Gehäuse des Mehrschichtkörpers gebildet sein. Das Gehäuse ist dabei so ausgestaltet und mit dem Mehrschichtkörper verbunden, dass innerhalb der Ferritschicht der notwendige mechanische Druck aufgebaut werden kann, beispielsweise durch elektrische Ansteuerung des integrierten Piezoelements . In einer besonderen Ausgestaltung weist daher das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung ein Gehäuse des Mehrschichtkörpers auf. Das Gehäuse fungiert als Druckgehäuse.
Zur Integration der verschiedenen Bauelemente können verschiedene Technologien zur Herstellung von keramischen Mehrschichtkörpern eingesetzt werden. Besonders geeignet ist die LTCC(LoW Temperature Cofired Ceramics) -Technologie, mit deren Hilfe niedrig schmelzende und elektrisch hoch leitfähige Metalle wie Silber oder Kupfer zur Integration von elektrischen
Bauelementen in einem Co-Firing-Prozess eingesetzt werden. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher mindestens eine Lage des Mehrschichtkörpers Glaskeramik auf. Glaskeramik eignet sich durch eine niedrige Dichtbrandtemperatur aus. Beispielsweise beträgt die Dichtbrandtemperatur unter 9000C. Bevorzugt ist der gesamte Mehrschichtkörper aus Schichten mit Glaskeramik aufgebaut. Der Mehrschichtkörper ist in LTCC-Technologie hergestellt. Dies kann auch für den Fall eines integrierten Piezoelements vorgesehen sein. Hier weist die piezoelektrisch aktive Keramikschicht auch Glaskeramik auf. Aber auch andere keramische Mehrschichttechnologien sind denkbar, beispielsweise HTCC ( High Temperature Cofired Ceramics) . Dies kann beispielsweise im Hinblick auf die Integration des Piezoelements vorteilhaft sein. Piezokeramische Materialien wie Bleizirkonattitanat (PZT) werden bei höheren Temperaturen von über 1100° C gesintert.
Verwendung findet das abstimmbare induktive Bauelement überall dort, wo Induktivitäten in einem weiten Regelungsbereich verwendet werden. Daher findet das Bauelement insbesondere in einer elektrischen Schaltung Verwendung, die aus der Gruppe Filterschaltung und Oszillatorschaltung ausgewählt ist. Das abstimmbare induktive Bauelement kann allgemein in Frequenz agilen Systemen (Frequency Agile Systems) eingesetzt werden. Ebenso ist mit dem induktiven Bauelement ein Schaltungselement zugänglich, das als Hardware-Komponente im das Konzept Software Defined Radio, SDR, eingesetzt werden kann.
Darüber hinaus findet das induktive Bauelement insbesondere Anwendung als Drucksensor. Dafür wird die beschriebene Druck-Induktions-Korrelation genutzt. In Abhängigkeit vom äußeren Druck ändern sich die Permeabilität der Ferritschicht und damit die Induktion der Spule. Es wird lediglich dafür gesorgt, dass der äußere Druck auf die Ferritschicht einwirken kann. Eine Anwendung des induktiven Bauelements als Temperatursensor ist ebenfalls denkbar. Dabei treten durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im keramischen Mehrschichtkörper in Abhängigkeit von der Temperatur mechanische Spannungen, die auf die Ferritschicht übertragen werden und so zu einer Änderung der Permeabilität der Ferritschicht führen.
Zusammenfassend sind folgende Vorteile der Erfindung hervorzuheben :
- Das abstimmbare induktive Bauelement ist kompakt und enthält keine mechanisch bewegten Komponenten. Insbesondere trifft das bei der Verwendung von Piezoelementen zu, die im Mehrschichtkörper integriert sind. - Das induktive Bauelement ist miniaturisierbar, da die Spule zum Beispiel mit Hilfe der LTCC-Technologie planar zwischen Ferritschichten integriert werden kann und piezoelektrisch aktive Lagen durch Co-Sintern ebenfalls integriert oder auch nachträglich außen am Mehrschichtkörper angebracht werden können .
- Hochpermeable Ferrite wie MnZn-Verbindungen ermöglichen eine hohe Anfangsinduktivität im spannungsfreien Zustand und damit einen weiten Abstimmbereich.
- Bei Verwendung des induktiven Bauelements als Drucksensor wird ein hoher Berstdruck erzielt, da an Stelle der druckabhängigen Bewegung einer dünnen Membran die druckabhängige Permeabilität einer relativ dicken Ferritschicht gemessen wird.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazu gehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreue Abbildung dar.
Figuren 1 und 2 zeigen jeweils einen Ausschnitt eines abstimmbaren induktiven Bauelements mit einem keramischen Mehrschichtkörpers im seitlichen Querschnitt.
Figur 3 zeigt einen Ausschnitt eines abstimmbaren induktiven Bauelements mit einem keramischen Mehrschichtkörpers im seitlichen Querschnitt, das als Drucksensor verwendet wird.
Figur 4 zeigt die Abhängigkeit der Induktivität zweier jeweils separat in einem keramischen Mehrschichtkörper integrierter Spulen von einem äußeren Druck.
Beispiel 1 :
Das abstimmbare induktive Bauelement 100 ist ein monolithisch mit Piezoelementen 3 und 4 integriertes Variometer, bestehend aus einem keramischen Mehrschichtkörper 1 mit magnetisch aktiven Ferritschichten 2 und piezoelektrisch aktiven Schichten 3c und 4c. Die Piezoelemente fungieren als Mittel zum Übertragen von mechanischer Spannung auf die Ferritschichten. Die Ferritschichten weisen MnZn-Ferrit auf, wobei die Ferritschichten eine relative Permeabilität von beispielsweise 500 aufweisen.
Über die jeweils beidseitig an den piezoelektrisch aktiven Schichten angeordneten Elektrodenschichten 3a, 3b, 4a und 4b kann eine elektrische Steuerspannung zur Auslenkung der Piezoelemente angelegt werden. Dabei müssen die inneren Elektrodenschichten 3b und 4a zwecks besserer mechanischer Verbindung der Schichten 2, 3c und 4c nicht notwendigerweise großflächig ausgeführt sein, sondern können Öffnungen enthalten.
In die Ferritschichten ist über die vertikalen
Durchkontaktierungen 5a und 6a mit den äußeren Kontaktflächen 5b und 6b eine kontaktierbare Spule (Leitungselement) 7 eingebettet. Die Kontaktflächen 8 und 9 dienen der Zuführung der Steuerspannung für die Elektrodenschichten der Piezoelemente, wobei aus Symmetriegründen 3a und 4b sowie 3b und 4a vorteilhafterweise auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Durch den piezoelektrischen Effekt kommen dabei die piezoelektrisch aktiven Schichten 3c und 4c unter mechanische Spannung, die sie auf Grund der monolithischen Integration mit den Ferritschichten teilweise auf diese übertragen, so dass die magnetische Permeabilität in der Umgebung der Spule 7 abnimmt und folglich die Induktivität der Spule abnimmt.
In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform sind zwischen den Ferritschichten 2 mehrere lateral oder vertikal benachbarte und magnetisch verkoppelte Spulen integriert, deren Koppelkoeffizient sich ebenfalls über die Druckabhängigkeit der Permeabilität der Ferritlagen abstimmen lässt.
In einer weiteren, hier ebenfalls nicht dargestellten Ausführungsform sind einzelne oder mehrere piezoelektrische Elemente bzw. piezoelektrisch aktive Schichten innen zwischen den Ferritschichten integriert. Auf diese Weise werden bei Ansteuerung der Elektrodenschichten dieser Piezoelemente lokal mechanische Spannungen in die Ferritschichten eingebracht.
Beispiel 2:
Eine alternative Ausführungsform sieht anstelle der Piezoelemente als Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung einfache, thermisch verspannte dielektrische Schichten im Verbund mit den Ferritschichten vor. Dabei können in
Abhängigkeit von der Dicke der dielektrischen Schichten relativ zur Dicke der Ferritschichten mechanische Spannungen im Ferrit von deutlich über 100 MPa auftreten, z.B. 160 MPa (1600 bar) mit einer beobachteten Abnahme der Permeabilität um 90% von 500 auf 50 und in Folge davon mit einer Abnahme der Induktivität von 2 μH auf 0,2 μH bei 180 μm dielektrischer Dicke und 810 μm Ferritdicke. Die Konstante k (vgl. Gleichung 1) wurde dabei zu k=10"4 MPa"1 ermittelt.
Beispiel 3:
In einer weiteren Ausführungsform ist im Vergleich zum Beispiel 1 das untere Piezoelement 4 fortgelassen und durch ein allseitiges Druckgehäuse 10 ersetzt worden. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, dass das obere Piezoelement 3 für die
Übertragung der mechanischen Spannung auf die Ferritschichten 2 monolithisch mit diesen im keramischen Mehrschichtkörper integriert ist. Vielmehr kann es ein separates Element sein, das zusammen mit dem Keramikkörper 1 in das Druckgehäuse gelegt wird, bevor dieses durch einen Deckel verschlossen wird. Zum Betrieb als Variometer wird die untere Elektrodenschicht 3b mit Hilfe der Durchkontaktierung 9 gegenüber dem Druckgehäuse 10 elektrisch vorgespannt. Nach dem Stand der Technik können Piezokeramiken bei unterdrückter Längenänderung Drucke von einigen kN/cm2 bzw. einigen 100 bar erzeugen, z.B. 400 bar bei üblichen Piezoaktoren für Kfz-Einspritzventile . Die Spannung im Ferrit kann außerdem konstruktiv leicht um das Zwei- bis Dreifache gesteigert werden, wenn der Querschnitt des Piezoaktors entsprechend größer als der des Ferrit-Gegenstückes gewählt wird. Demnach können die oben beschriebenen Effekte im Bereich von 1000 bar auch in dieser Bauform erzielt werden.
Beispiel 4:
In der Ausführung gemäß Figur 3 fehlt auch das obere Piezoelement 3. Stattdessen ist das Gehäuse 10 oben durch eine flexible Membran 11 abgedichtet, die bei äußerer Belastung entweder unmittelbar oder über mechanische Zwischenelemente bzw. Kraftübersetzungen Druck auf die Ferritschichten 2 ausübt. Ein Druckausgleich erfolgt dabei auf der unbelasteten Seite über den Kanal 12. Die dadurch hervorgerufene Veränderung der Induktivität der Spule 7 stellt ein Maß für den äußeren Druck dar. Das Element arbeitet somit als Drucksensor.
Mit einer gemäß Figur 3 realisierten Ausführungsform konnte die Machbarkeit der Erfindung nachgewiesen werden. Das abstimmbare induktive Bauelement besteht aus dem keramischen Mehrschichtkörper 1 mit integrierter Spule 7. Der
Mehrschichtkörper ist mit Hilfe der LTCC-Technologie hergestellt. Der Mehrschichtkörper ist zusammen mit einem Kraftaufnehmer (Dehnungsmessstreifen) in einen Schraubstock so eingespannt, dass die auf den Mehrschichtkörper ausgeübte Kraft unabhängig gemessen wird. Bei bekannter Fläche des
Mehrschichtkörpers kann somit der Druck berechnet und direkt mit der beobachteten Änderung der Induktivität der integrierten Spule korreliert werden. Für zwei unterschiedlich große Spulen ergeben sich die in Figur 4 dargestellten Abhängigkeiten der Induktivitäten vom äußeren Druck: Zu sehen sind die jeweiligen Messpunkte und die Anpassungskurven. Für die Anpassungskurven wurde die Materialkonstante k = 3x k=10~4 MPa"1 eingesetzt. Es resultiert eine Reduktion der Induktivitäten um 25% bei 6 = 20 MPa (200 bar) .

Claims

Patentansprüche
1. Abstimmbares induktives Bauelement (100) , aufweisend
- mindestens einen keramischen Mehrschichtkörper (1) mit mindestens einer Ferritschicht (2) mit ferritischem Material und
- mindestens eine im Volumen des Mehrschichtkörpers integrierte Spule (7) , wobei
- eine Permeabilität der Ferritschicht abhängig ist von einer mechanischen Spannung, die auf die Ferritschicht wirkt, - die Spule derart im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert ist, dass eine Induktivität der Spule von der Permeabilität des Ferritschicht abhängt, und
- ein Mittel (3, 4, 10, 11) zum Übertragen der mechanischen Spannung auf die Ferritschicht vorhanden ist, so dass die Permeabilität der Ferritschicht eingestellt werden kann.
2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Spule in die Ferritschicht eingebettet ist.
3. Bauelement nach Anspruch 2, wobei die Spule spannungsfrei eingebettet ist.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das ferritische Material eine MnZn-Verbindung aufweist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung mindestens ein Piezoelement (3, 4) aufweist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung im Volumen des Mehrschichtkörpers integriert ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Mittel zum Übertragen der mechanischen Spannung ein Gehäuse (10) des Mehrschichtkörpers aufweist.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mindestens eine Lage des Mehrschichtkörpers Glaskeramik aufweist .
9. Bauelement nach Anspruch 8, wobei der Mehrschichtkörper in LTCC-Technologie hergestellt ist.
10. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer elektrischen Schaltung, die aus der Gruppe Filterschaltung oder Oszillatorschaltung ausgewählt wird.
11. Verwendung des Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Drucksensor.
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