Title:
GEKOPPELTE SPULEN MIT GERINGERER NAHFELDSTRAHLUNG UND HÖHERER STÖRFESTIGKEIT
Kind Code:
A1


Abstract:

Es werden mikrofabrizierte Spulen beschrieben. In einigen Situationen beinhalten die mikrofabrizierten Spulen verschachtelte Spulen. In einigen Situationen sind die Paare von verschachtelten Spulen zueinander gestapelt, durch ein Isoliermaterial getrennt. In einigen Situationen besitzen die verschachtelten Spulen eine S-Form. Die verschachtelten Spulen können in einem galvanischen Isolator verwendet werden. embedded image




Inventors:
Richardson, Ken, Col. (Erie, US)
Application Number:
DE102018102985A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
02/09/2018
Assignee:
Analog Devices, Inc. (Mass., Norwood, US)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
Fleuchaus & Gallo Partnerschaft mbB, 81369, München, DE
Claims:
Mikrofabrizierte Spulenstruktur, umfassend:
ein Substrat;
ein erstes Paar von verschachtelten Spulen auf dem Substrat;
ein zweites Paar von verschachtelten Spulen auf dem Substrat, wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen elektromagnetisch an das erste Paar von verschachtelten Spulen gekoppelt werden kann; und
eine Isolierschicht, die das erste Paar von verschachtelten Spulen von dem zweiten Paar von verschachtelten Spulen trennt.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach Anspruch 1, wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen im Wesentlichen auf das erste Paar von verschachtelten Spulen entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist, auf der das erste Paar von verschachtelten Spulen angeordnet ist.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spulen des ersten Paars von verschachtelten Spulen Abschnitte einer ersten einzelnen Metallisierungsschicht im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Substrats darstellen.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach Anspruch 3, wobei die Spulen des zweiten Paars von verschachtelten Spulen Abschnitte einer zweiten einzelnen Metallisierungsschicht im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Substrats darstellen.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Isolierschicht eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die erste Schicht Polyimid ist und die zweite Schicht SiN ist.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Paar von verschachtelten Spulen eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, die in der gleichen Richtung wie die erste Spule gewickelt ist, wobei ein Anschluss der ersten Spule elektrisch mit einem Anschluss der zweiten Spule verbunden ist.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach Anspruch 6, wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen eine erste Spule und eine zweite Spule umfasst, die in der gleichen Richtung wie die erste Spule gewickelt ist, wobei die erste und zweite Spule des zweiten Paars von verschachtelten Spulen im Wesentlichen auf die erste beziehungsweise zweite Spule des ersten Paars von verschachtelten Spulen ausgerichtet sind und wobei ein Anschluss der ersten Spule des zweiten Paars von verschachtelten Spulen elektrisch mit einem Anschluss der zweiten Spule des zweiten Paars von verschachtelten Spulen verbunden ist.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das erste Paar von verschachtelten Spulen ein erstes Paar von verschachtelten S-Spulen ist und das zweite Paar von verschachtelten Spulen ein zweites Paar von verschachtelten S-Spulen ist.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach Anspruch 8, wobei jedes Paar des ersten und zweiten Paars von verschachtelten S-Spulen eine erste und zweite S-Spule umfasst, wobei die erste und zweite S-Spule des zweiten Paars von verschachtelten S-Spulen im Wesentlichen auf die erste beziehungsweise zweite Spule des ersten Paars von verschachtelten Spulen ausgerichtet sind.

Mikrofabrizierte Spulenstruktur nach Anspruch 8 oder 9, wobei das erste Paar von verschachtelten S-Spulen Spulenabschnitte mit einer ungleichen Anzahl an Windungen umfasst.

Isolator, umfassend:
einen mikrofabrizierten Transformator umfassend eine Primärspule und eine Sekundärspule, wobei die Primärspule ein erstes Paar von verschachtelten Spulen auf einem Substrat ist, die Sekundärspule ein zweites Paar von verschachtelten Spulen auf dem Substrat ist, wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen von dem ersten Paar von verschachtelten Spulen durch eine Isolierschicht getrennt ist und das zweite Paar von verschachtelten Spulen elektromagnetisch an das erste Paar von verschachtelten Spulen gekoppelt werden kann;
einen Sender, wobei der Sender konfiguriert ist zum Ansteuern der Primärspule; und
einen Empfänger, wobei der Empfänger konfiguriert ist zum Empfangen von Signalen von der Sekundärspule.

Isolator nach Anspruch 11, wobei die Primärspule mindestens durch die Sekundärspule von dem Substrat getrennt ist.

Isolator nach Anspruch 11 oder 12, wobei das erste Paar von verschachtelten Spulen eine SS-Spule umfasst.

Isolator nach Anspruch 13, wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen eine SS-Spule umfasst, die auf die SS-Spule der Primärspule ausgerichtet ist.

Isolator nach Anspruch 13 oder 14, wobei die SS-Spule Spulenabschnitte mit ungleicher Anzahl an Windungen enthält.

Isolator nach einem von Anspruch 11 bis 15, wobei die Isolierschicht eine mehrschichtige Struktur besitzt.

Verfahren zum Herstellen einer Spulenstruktur auf einem Substrat, umfassend:
Fabrizieren eines ersten Paars von verschachtelten Spulen;
Ausbilden einer Isolierschicht auf dem ersten Paar von verschachtelten Spulen; und
Fabrizieren eines zweiten Paars von verschachtelten Spulen auf der Isolierschicht.

Verfahren nach Anspruch 17, wobei das erste Paar von verschachtelten Spulen eine erste und zweite verschachtelte Spule umfasst und wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen eine dritte und vierte verschachtelte Spule umfasst, wobei das Fabrizieren der ersten und zweiten Spule das Ätzen einer ersten Metallisierungsschicht, die im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Substrats verläuft, umfasst und das Fabrizieren der dritten und vierten Spule das Ätzen einer zweiten Metallisierungsschicht, die im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Substrats verläuft, umfasst.

Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend das Verbinden eines Anschlusses der ersten Spule mit einem Anschluss der zweiten Spule und Verbinden eines Anschlusses der dritten Spule mit einem Anschluss der vierten Spule.

Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei:
die dritte Spule im Wesentlichen auf die erste Spule entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats ausgerichtet ist und die vierte Spule im Wesentlichen auf die zweite Spule entlang der Richtung ausgerichtet ist.

Description:
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Die vorliegende Anmeldung beruft sich gemäß 35 U.S.C. §119(e) auf die am 13. Februar 2017 unter dem Anwaltsaktenzeichen Nr. G0766.70161US00 eingereichte vorläufige US-Patentanmeldung Nr. 62/458,505, mit dem Titel „Coupled Coils with Lower Far Field Radiation and Higher Noise Immunity“, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gänze aufgenommen ist.

GEBIET DER OFFENBARUNG

Die vorliegende Offenbarung betrifft mikrofabrizierte Spulen.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Einige Arten von Schaltungen verwenden Spulen oder Wicklungen. Beispielsweise können Schaltungen mit Induktoren oder Transformatoren Wicklungen verwenden. Zu Beispielen zählen galvanische Isolatoren. Mikrofabrizierte Schaltungen verwenden manchmal mikrofabrizierte Spulen.

KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG

Es werden mikrofabrizierte Spulen beschrieben. In einigen Situationen beinhalten die mikrofabrizierten Spulen verschachtelte Spulen. In einigen Situationen sind Paare von verschachtelten Spulen zueinander gestapelt, getrennt durch ein Isoliermaterial. In einigen Situationen besitzen die verschachtelten Spulen eine S-Form. Die verschachtelten Spulen können in einem galvanischen Isolator eingesetzt werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird eine mikrofabrizierte Spulenstruktur bereitgestellt. Die mikrofabrizierte Spulenstruktur kann Folgendes umfassen: ein Substrat, ein erstes Paar von verschachtelten Spulen auf dem Substrat, ein zweites Paar von verschachtelten Spulen auf dem Substrat, wobei das zweite Paar von verschachtelten Spulen elektromagnetisch an das erste Paar von verschachtelten Spulen gekoppelt werden kann, und eine Isolierschicht, die das erste Paar von verschachtelten Spulen von dem zweiten Paar von verschachtelten Spulen trennt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird ein Isolator bereitgestellt. Der Isolator kann einen mikrofabrizierten Transformator umfassen, der eine Primärspule und eine Sekundärspule umfasst, einen Sender, wobei der Sender konfiguriert ist zum Ansteuern der Primärspule, und einen Empfänger, wobei der Empfänger konfiguriert ist zum Empfangen von Signalen von der Sekundärspule. Die Primärspule kann ein erstes Paar von verschachtelten Spulen auf einem Substrat sein. Die Sekundärspule kann ein zweites Paar von verschachtelten Spulen auf dem Substrat sein. Das zweite Paar von verschachtelten Spulen kann von dem ersten Paar von verschachtelten Spulen durch eine Isolierschicht getrennt sein. Das zweite Paar von verschachtelten Spulen kann elektromagnetisch an das erste Paar von verschachtelten Spulen gekoppelt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenstruktur auf einem Substrat bereitgestellt. Das Verfahren kann das Fabrizieren eines ersten Paars von verschachtelten Spulen, Ausbilden einer Isolierschicht auf dem ersten Paar von verschachtelten Spulen und Fabrizieren eines zweiten Paars von verschachtelten Spulen auf der Isolierschicht umfassen.

Figurenliste

Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Elemente, die in mehreren Figuren auftauchen, sind in allen Figuren, in denen sie auftauchen, mit der gleichen Bezugszahl angegeben.

  • 1A ist ein Schemadiagramm, das mikrofabrizierte gestapelte verschachtelte Spulen gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • 1B ist eine Querschnittsansicht der mikrofabrizierten gestapelten verschachtelten Spulen von 1A entlang 1B-1B gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 1C ist eine Draufsicht auf ein Paar der mikrofabrizierten gestapelten verschachtelten Spulen von 1A gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 1D ist eine Ersatzschaltung der mikrofabrizierten gestapelten verschachtelten Spulen von 1A.
  • 1E ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Funktionsweise der mikrofabrizierten gestapelten verschachtelten Spulen der 1A und 1B gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • 2A ist ein Schemadiagramm, das ein Paar von mikrofabrizierten verschachtelten S-Spulen gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • 2B ist eine Ersatzschaltung der verschachtelten Spulen von 2A.
  • 2C ist ein Schemadiagramm, das ein alternatives Layout eines Paars von mikrofabrizierten verschachtelten S-Spulen gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • 2D ist eine Ersatzschaltung der verschachtelten Spulen von 2C.
  • 2E ist eine Layoutansicht der verschachtelten S-Spulen von 2A mit einer Bondpadanordnung gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 2F ist eine Layoutansicht der verschachtelten S-Spulen von 2C mit einer Bondpadanordnung gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 2G ist eine Layoutansicht eines alternativen Layouts von verschachtelten S-Spulen mit einer Bondpadanordnung gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 2H ist ein Schemadiagramm, das die verschachtelten S-Spulen von 2A darstellt, die durch Transistoren vom N-Typ angesteuert werden, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 21 ist ein Schemadiagramm, das die verschachtelten S-Spulen von 2A darstellt, die durch Transistoren vom P-Typ angesteuert werden, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.
  • 3A ist ein Schemadiagramm, das mikrofabrizierte gestapelte verschachtelte S-Spulen gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • 3B ist eine Ersatzschaltung der mikrofabrizierten gestapelten verschachtelten S-Spulen von 3A.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen von gestapelten verschachtelten Spulen, die hierin beschrieben werden, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt.
  • 5 ist eine Schaltung, die mikrofabrizierte gestapelte verschachtelte Spulen, die hierin beschrieben werden, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen verwendet.
  • 6 veranschaulicht ein System, das die Schaltung von 5 umfasst, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen mikrofabrizierte Spulen bereit, die unter anderen Einrichtungen in galvanischen Isolatorschaltungen verwendet werden können. Die mikrofabrizierten Spulen beinhalten verschachtelte Spulen. In einigen Situationen sind Paare von verschachtelten Spulen zueinander gestapelt, durch ein Isoliermaterial getrennt. In einigen Situationen besitzen die verschachtelten Spulen eine S-Form. Schaltungen mit den hierin beschriebenen mikrofabrizierten Spulen können eine verbesserte Störfestigkeit und einen verbesserten Stromverbrauch aufweisen und können kleiner als Schaltungen ausgeführt werden, die alternative Spulenstrukturen enthalten.

In einigen Ausführungsformen werden gestapelte Paare von mikrofabrizierten verschachtelten Spulen bereitgestellt. Ein Paar von verschachtelten Spulen kann durch Verschachteln von zwei Spulen ausgebildet werden. Die beiden Spulen können aus einer gemeinsamen Metallschicht aus einer mikrofabrizierten Struktur ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen können zwei Paare von verschachtelten Spulen nahe beieinander positioniert werden, aber durch eine Isolierschicht getrennt, um eine galvanische Isolation bereitzustellen. Beispielsweise kann ein erstes Paar von verschachtelten Spulen vertikal von einem zweiten Paar von verschachtelten Spulen einer mikrofabrizierten Struktur durch eine Isolierschicht auf einem Substrat getrennt sein. Ein Paar von verschachtelten Spulen kann in einem ersten Spannungsbereich betrieben werden, und das andere Paar von verschachtelten Spulen kann in einem zweiten Spannungsbereich betrieben werden. Daten und/oder Stromsignale können zwischen den Paaren von verschachtelten Spulen transferiert werden, während eine galvanische Isolation aufrechterhalten wird. Die gestapelten Paare von verschachtelten Spulen können vorteilhafte Arbeitscharakteristika bereitstellen, einschließlich reduzierter Anfälligkeit für Nahfeldstörungen.

Bei einigen Ausführungsformen kann ein Paar von verschachtelten Spulen durch Verschachteln von zwei „S“-Spulen ausgebildet werden. Eine S-Spule ist eine, bei der die Wicklung oder Bahn eine S-artige Konfiguration annimmt, wobei ein Teil der Spule in einer Richtung (z. B. im Uhrzeigersinn) gewickelt ist und ein Teil der gleichen Spule in der entgegengesetzten Richtung (z. B. entgegen dem Uhrzeigersinn) gewickelt ist. Zwei planare S-Spulen können aus einer gemeinsamen Metallschicht aus einer mikrofabrizierten Struktur ausgebildet werden. Die beiden S-Spulen können vier Enden bereitstellen (z. B. Bondpads, die als Kontaktpunkte dienen). Diese verschachtelte Struktur kann als eine „SS“-Spule bezeichnet werden. Die SS-Konfiguration kann den Fluss, der durch den Teil der Spule induziert wird, der in einer Richtung gewickelt ist, dazu zwingen, zu dem Teil der Spule zurückzukehren, der in der entgegengesetzten Richtung gewickelt ist, um den Fluss, der möglicherweise aus der Oberfläche der Spule austritt, einzuschließen. Optional können die SS-Spulen so geschaltet werden, dass ein Mittenabgriff bereitgestellt wird, und der Mittenabgriff kann an eine Versorgungsschiene angebunden sein, um durch ein Gleichtakt-Spannungspotential verursachte Verschiebungsströme zuzuleiten oder abzuleiten. Die „SS“-Spule kann vorteilhafte Arbeitscharakteristika bereitstellen, einschließlich reduzierter direkter Fernfeldstrahlung und allgemeiner reduzierter Anfälligkeit gegenüber externen Feldern, sowohl Nahfeld- als auch Fernfeldstörungen.

In einigen Ausführungsformen werden gestapelte SS-Spulen bereitgestellt. Zwei SS-Spulen können durch eine Isolierschicht getrennt sein, um eine galvanische Isolation bereitzustellen. Beispielsweise kann eine erste SS-Spule vertikal durch eine Isolierschicht von einer zweiten SS-Spule einer mikrofabrizierten Struktur getrennt sein. Diese gestapelten SS-Spulen können vorteilhafte Arbeitscharakteristika bereitstellen, einschließlich reduzierter Anfälligkeit gegenüber sowohl elektromagnetischer Nahfeld- als auch Fernfeldstörungen. Außerdem können mit geeigneter zusätzlicher Kopplung Leistungsanforderungen, um eine Schwingung zu erzielen, reduziert werden. Beispielsweise können gestapelte SS-Spulen oder eine einzelne SS-Spule auf spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO - Voltage Control Oscillators) angewendet werden, um eine geringere Abstrahlemission und geringere Anfälligkeit gegenüber elektromagnetische Störungen (EMI) zu erzielen. Bei einem weiteren Beispiel kann diese Konfiguration auch die Leistung von selbsterregten Ansteuerschaltungen durch Bereitstellen eines zusätzlichen Energiepfads zwischen den Treibereinrichtungen verbessern. Schaltungen mit den hierin beschriebenen mikrofabrizierten Spulen können zum Implementieren weniger Leistung und weniger Chipfläche verbrauchen als Schaltungen mit dem alternativen Verfahren, wie etwa das Erhöhen der Anzahl von Windungen von herkömmlichen Spulen oder das Verwenden von Phasenmodulation unter Verwendung paralleler Strecken.

Bei einigen Ausführungsformen können die mikrofabrizierten Spulen in, teilweise in oder auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Beispielsweise können die Bahnen aus einer leitfähigen Schicht strukturiert werden und können in mindestens einigen Ausführungsformen planar sein. Es kann standardmäßige Fabrikationsverarbeitung für integrierte Schaltungen verwendet werden.

Die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen sowie zusätzliche Aspekte und Ausführungsformen werden unten näher beschrieben. Diese Aspekte und/oder Ausführungsformen können individuell, alle zusammen oder in einer beliebigen Kombination aus zwei oder mehr verwendet werden, da die Anmeldung nicht in dieser Hinsicht beschränkt ist.

Wie oben beschrieben, liefert ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung gestapelte Paare von mikrofabrizierten verschachtelten Spulen. 1A veranschaulicht ein Beispiel. 1A ist nämlich ein Schemadiagramm, das mikrofabrizierte gestapelte verschachtelte Spulen 100 gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt. Die gestapelten verschachtelten Spulen 100 können ein erstes (z. B. oberes) Paar von verschachtelten Spulen 101 und ein zweites (z. B. unteres) Paar von verschachtelten Spulen 103 auf einem Substrat 114 enthalten. Die beiden Paare von verschachtelten Spulen 101 und 103 können durch eine Isolierschicht 110 getrennt sein (in 1B gezeigt). Das obere Paar von verschachtelten Spulen 101 kann eine erste Spule 102 enthalten, die in einer Richtung von dem Anschluss A zu Anschluss A* gewickelt ist, und eine zweite Spule 104, die in der gleichen Richtung wie die Spule 102 von dem Anschluss B zum Anschluss B* gewickelt ist. Die Anschlüsse des oberen Paars von verschachtelten Spulen können durch Bondpads zugänglich sein. Das untere Paar von verschachtelten Spulen 103 kann eine dritte Spule 106 enthalten, die in einer Richtung von Anschluss C zu Anschluss C* gewickelt ist, und eine vierte Spule 108, die in der gleichen Richtung wie die Spule 106 von Anschluss D zu Anschluss D* gewickelt ist. Die Anschlüsse des unteren Paars von verschachtelten Spulen können durch Vias 116 mit einer Metallisierungsschicht 112 im Substrat 114 verbunden sein. Aus der Metallisierungsschicht 112 ausgebildete Bahnen können die Anschlüsse des unteren Paars von verschachtelten Spulen mit Bondpads verbinden.

In einigen Ausführungsformen kann das obere Paar von verschachtelten Spulen 101 einen Mittenabgriff 122 enthalten. Der Anschluss A* kann durch den Mittenabgriff 122 elektrisch so mit dem Anschluss B verbunden sein, dass eine gegenseitige Induktanz zwischen den Spulen 102 und 104 hergestellt werden kann. Der Mittenabgriff 122 kann durch Drahtbondpads für die Anschlüsse A* und B ausgebildet werden. Analog kann das untere Paar von verschachtelten Spulen 103 einen Mittenabgriff 124 enthalten. Der Anschluss C* kann durch den Mittenabgriff 124 elektrisch mit dem Anschluss D verbunden sein. Der Mittenabgriff 124 kann durch Bahnen der Metallisierungsschicht 112 oder Drahtbondpads für die Anschlüsse C* und D ausgebildet werden. die Verwendung solcher Mittenabgriffe ist optional, da alternativen Ausführungsformen die Mittenabgriffe fehlen.

1B veranschaulicht eine Querschnittsansicht der gestapelten verschachtelten Spulen 100 entlang einer Linie 1B-1B von 1A. Das obere Paar von verschachtelten Spulen kann aus einer Metallisierungsschicht 118M in einer Isolierschicht 118 ausgebildet werden. Das untere Paar von verschachtelten Spulen kann aus einer Metallisierungsschicht 120M in einer Isolierschicht 120 ausgebildet werden. Die Metallisierungsschichten 118M und 120M können im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche 115 des Substrats 114 verlaufen. Die Metallisierungsschicht 120M kann durch Vias 116 mit der Metallisierungsschicht 112 verbunden sein. Die Metallisierungsschichten 118M, 120M und 112 können aus Aluminium, Kupfer, Gold, Wolfram oder einem beliebigen anderen geeigneten leitfähigen Material oder einer beliebigen Anzahl von leitfähigen Materialien in einer beliebigen geeigneten Kombination ausgebildet werden. Die Metallisierungsschichten 118M, 120M und 112 können in einigen Ausführungsformen aus dem gleichen leitfähigen Material oder aus verschiedenen leitfähigen Materialien ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Metallisierungsschicht 112 eine Kupferschicht sein. Bahnen der Metallisierungsschicht 112, beispielsweise der Mittenabgriff 124, können durch einen Damascene-Prozess fabriziert werden. Bei einigen Ausführungsformen können die Metallisierungsschichten 118M und 120M Aluminiumschichten sein. Bei einigen Ausführungsformen kann die Metallisierungsschicht 118M Gold und die Schicht 120M Aluminium sein. Das erste Paar von verschachtelten Spulen 101 kann durch Ätzen der Aluminiumschicht 118M ausgebildet werden, um Wicklungen mit einer Breite w auszubilden. Das zweite Paar von verschachtelten Spulen 103 kann durch Ätzen der Aluminiumschicht 120M mit der gleichen Breite w oder einer anderen Breite w' mit einer anderen Teilung fabriziert werden, wie durch die Prozessregeln, Material- und Designanforderungen diktiert. Die Breite w kann im Bereich von 1 bis 20 µm liegen, beispielsweise zwischen 4 und 8 µm, einschließlich einem beliebigen Wert innerhalb jener Bereiche. Es sind auch alternative Werte möglich. Die beiden Isolierschichten 118 und 120 können durch die Isolierschicht 110 getrennt sein. Die Isolierschicht 110 kann eine beliebige geeignete Struktur und ein beliebiges geeignetes Material enthalten, um eine elektrische Isolation zwischen den gestapelten Paaren von verschachtelten Spulen bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Isolierschicht eine mehrschichtige Struktur besitzen. Beispielsweise kann in dem dargestellten nicht-beschränkenden Beispiel die Isolierschicht 110 eine erste Schicht 110A und eine zweite Schicht 110B auf der ersten Schicht 110A enthalten. Die Schicht 110A kann aus SiN ausgebildet sein. Die Schicht 110B kann aus Polyimid ausgebildet sein. Die Dicke der Isolierschicht 110 kann im Bereich von 0,25 bis 100 Mikrometer liegen, beispielsweise zwischen 15 und 30 Mikrometer, einschließlich einem beliebigen Wert innerhalb jener Bereiche. Bei Ausführungsformen, wo unterschiedliche Materialien verwendet werden, kann eine Schicht 0,5 bis 2 Mikrometer SiN sein, und die anderen Isolierschichten können Mehrfachabscheidungen von 15 bis 30 Mikrometer aus Polyimid, um die zweite Schicht zu vervollständigen, sein.

1C veranschaulicht eine Draufsicht des ersten Paars von verschachtelten Spulen 101 gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Wenngleich in der Figur nicht sichtbar, kann die Spule 102 im Wesentlichen auf die Spule 106 des zweiten Paars von verschachtelten Spulen 103 entlang einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche 115 des Substrats 114 ausgerichtet sein. Gleichermaßen kann die Spule 104 im Wesentlichen auf die Spule 108 entlang der gleichen Richtung ausgerichtet sein. Deshalb stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung ausgerichtete, vertikal gestapelte Paare von geschachtelten Spulen bereit, die durch eine Isolierschicht getrennt sind. In dem dargestellten Beispiel besitzt jede der Spulen 102 und 104 zwei Windungen. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Jede der Spulen 102 und 104 kann eine beliebige Anzahl von Windungen besitzen, beispielsweise 2, 3, 3,5, 4 oder mehr. Außerdem können die Spule 102 und die Spule 104 unterschiedliche Anzahlen an Windungen besitzen, beispielsweise zwei Windungen für die Spule 102 und 2,5 für die Spule 104. Andere Konfigurationen sind möglich.

In dem in 1A gezeigten dargestellten Beispiel besitzen die Spulen 106 und 108 des zweiten Paars von verschachtelten Spulen 103 die gleichen Anzahlen an Windungen wie die Spulen 102 und 104 des ersten Paars von verschachtelten Spulen 101. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Das zweite Paar von verschachtelten Spulen kann eine Anzahl an Windungen besitzen, die von der des ersten Paars von verschachtelten Spulen verschieden ist. Ein Verhältnis der Anzahl von Windungen des ersten Paars von verschachtelten Spulen zu der Anzahl von Windungen des zweiten Paars von verschachtelten Spulen kann gemäß beabsichtigten Anwendungen ausgelegt sein.

1D ist eine Ersatzschaltung der gestapelten verschachtelten Spulen 100. Die Anschlüsse A, B, C und D sind mit Punkten markiert, was den Stromfluss von Anschluss A zu Anschluss A*, von Anschluss B zu Anschluss B*, von Anschluss C zu Anschluss C* und von Anschluss D zu Anschluss D* anzeigt. Infolgedessen können gegenseitige Induktanzen in jedem Paar von verschachtelten Spulen sowie zwischen oberen und unteren Paaren hergestellt werden.

1E ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel der Funktionsweise der gestapelten, verschachtelten Spulen 100 gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen darstellt. Das Verfahren 150 des Betreibens der gestapelten verschachtelten Spulen 100 kann im Stadium 152 das Anlegen eines Signals an das Paar von verschachtelten Spulen 101 von Anschluss A durch Anschluss A* und dann Anschluss B zu Anschluss B* beinhalten. Das angelegte Signal kann ein zeitlich variierendes Signal (z. B. Wechselstrom AC) von beliebiger geeigneter Frequenz und Amplitude sein. Bei einigen Situationen kann das Signal ein Datensignal sein, das Informationen führt. Infolge des Anlegens des Signals an das Paar von verschachtelten Spulen 101 kann ein variierendes Magnetfeld B im Stadium 154 des Verfahrens generiert werden. Der entsprechende Magnetfluss kann durch das zweite Paar von verschachtelten Spulen 103 verlaufen. Somit kann im Stadium 156 ein Signal in dem Paar von verschachtelten Spulen 103 zwischen Anschluss C bis Anschluss C* und dann Anschluss D bis Anschluss D* induziert werden. Das Verfahren 150 stellt jedoch eine nicht-beschränkende Funktionsweise der gestapelten verschachtelten Spulen 100 dar.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung stellt gestapelte Paare von mikrofabrizierten verschachtelten Spulen unter Annahme einer S-artigen Konfiguration bereit, was auch als gestapelte SS-Spulen bezeichnet werden kann. 2A stellt schematisch ein Paar von mikrofabrizierten Spulen 201 gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen dar. Das Paar von verschachtelten Spulen 201 kann eine erste S-Spule 202 enthalten, die mit einer zweiten S-Spule 204 verschachtelt ist. Die bei Anschluss A beginnende erste S-Spule 202 kann einen Spulenabschnitt 202A im Uhrzeigersinn und einen bei Anschluss A* endenden Spulenabschnitt 202B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die bei Anschluss B beginnende zweite S-Spule 204 kann einen Spulenabschnitt 204A im Uhrzeigersinn und einen bei Anschluss B* endenden Spulenabschnitt 204B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die Anzahl der Windungen ist möglicherweise für die beiden Seiten der S-Spulen nicht die gleiche, da verschiedene Alternativen bezüglich der Anzahl an Windungen implementiert werden können. In dem dargestellten Beispiel besitzen 202A und 204B 2 Windungen, und 202B und 204A besitzen 1,5 Windungen. Dies sind jedoch nicht-beschränkende Beispiele.

Die Form der in 2A dargestellten SS-Spule ist nicht-beschränkend. In der Darstellung können die S-Spulen 202 und 204 eine Spiralform besitzen. Alternativ können die S-Spulen eine rechteckige Form besitzen. Andere Formen sind ebenfalls möglich, während sie immer noch eine S-Spule sind.

2B ist eine Ersatzschaltung der verschachtelten SS-Spule von 2A. Die Anschlüsse A und B sind mit Punkten markiert, was Stromflüsse von Anschluss A zu Anschluss A* und von Anschluss B zu Anschluss B* anzeigt. Infolgedessen können gegenseitige Induktanzen zwischen den Spulenabschnitten 202A und 204A sowie zwischen den Spulenabschnitten 202B und 204B hergestellt werden.

2C zeigt schematisch ein alternatives Layout einer SS-Spule mit einem Paar von verschachtelten S-Spulen 205 gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. 2D ist eine Ersatzschaltung der SS-Spule 205. Die SS-Spule 205 kann eine erste S-Spule 206 enthalten, die mit einer zweiten S-Spule 208 verschachtelt ist. Die beim Anschluss A beginnende erste S-Spule 206 kann einen Spulenabschnitt 206A im Uhrzeigersinn und einen bei Anschluss A* endenden Spulenabschnitt 206B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die bei Anschluss B beginnende zweite S-Spule 208 kann einen Spulenabschnitt 208A im Uhrzeigersinn und einen bei Anschluss B* endenden Spulenabschnitt 208B entgegen dem Uhrzeigersinn besitzen. Der Unterschied zwischen der SS-Spule 205 und der SS-Spule 201 von 2A besteht darin, dass die SS-Spule 205 eine gleiche Anzahl an Windungen auf jeder Seite der SS-Spule 205 besitzt, während die SS-Spule 201 eine ungleiche Anzahl von Windungen besitzt, wie oben in Verbindung mit 2A beschrieben. In dem nicht-beschränkenden Beispiel von 2C besitzen die Spulenabschnitte 206A, 206B, 208A und 208B jeweils 1,75 Windungen.

Die SS-Spulen der hierin beschriebenen Arten können physisch auf eine beliebige geeignete Weise implementiert werden. Wie zuvor beschrieben, können die hierin beschriebenen Spulen mikrofabriziert sein und können somit auf einem geeigneten Substrat wie etwa einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden. 2E ist eine Layoutansicht einer mit der SS-Spule 201 von 2A übereinstimmenden SS-Spule 211 mit einer geeigneten Bondpadanordnung gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Die SS-Spule 211 kann die SS-Spule 201 enthalten, deren Anschlüsse durch Vias 216 an Bahnen 212 und dann an Bondpads 230 angeschlossen sein können. Die verschachtelten S-Spulen 202 und 204 können aus einer Metallisierungsschicht 220M ausgebildet sein, wie auch die Bondpads 230. Die Bahnen 212 können aus einer Metallisierungsschicht 212M auf einer Ebene ausgebildet sein, die von der Ebene der Metallisierungsschicht 220M verschieden ist, aber im Wesentlichen parallel dazu verläuft. Die Metallisierungsschichten 212M und 220M können durch eine Isolierschicht getrennt sein, so dass die Anschlüsse der Spulen 202 und 204 an jeweilige Bondpads angeschlossen sein können, ohne elektrisch kurzgeschlossen zu sein. Die Metallisierungsschicht 220M kann von der hier bezüglich der Metallisierungsschicht 120M zuvor beschriebenen Art sein. Die Metallisierungsschicht 212M kann von der hier bezüglich der Metallisierungsschicht 112 zuvor beschriebenen Art sein. Die Bondpads für die Anschlüsse A, A*, B und B* können in einer Linie auf einer Seite der SS-Spule 201 ausgerichtet sein.

2F ist eine Layoutansicht einer SS-Spule 213, die mit der SS-Spule 205 von 2C übereinstimmt, und einer geeigneten Bondpadanordnung gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Der Unterschied zwischen der Struktur von FIG. 2F und der Struktur von 2E ist im Wesentlichen der gleiche wie der zuvor hierin beschriebene Unterschied zwischen der SS-Spule 205 von FIG. 2C und der SS-Spule 201 von 2A.

2G ist eine Layoutansicht einer weiteren Alternativen einer SS-Spule 215 mit einer geeigneten Bondpadanordnung gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Die SS-Spule 215 kann die SS-Spule 209 beinhalten, deren Anschlüsse durch Vias 216 an Bahnen 212 und dann an Bondpads 230 angeschlossen sein können. Die SS-Spule 209 kann eine erste S-Spule 218 enthalten, die mit einer zweiten S-Spule 220 verschachtelt ist. Die bei dem Anschluss A beginnende erste S-Spule 218 kann einen Spulenabschnitt im Uhrzeigersinn und einen an Anschluss A* endenden Spulenabschnitt entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die bei Anschluss B beginnende zweite S-Spule 220 kann einen Spulenabschnitt im Uhrzeigersinn und einen beim Anschluss B* endenden Spulenabschnitt entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die Bondpads für die Anschlüsse A und B können auf einer ersten Linie auf einer ersten Seite der SS-Spule 209 ausgerichtet sein. Die Bondpads für die Anschlüsse A* und B* können in einer zweiten Linie auf einer zweiten Seite der SS-Spule 209 gegenüber der ersten Seite ausgerichtet sein.

2H veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Schaltung 250, in der die SS-Spule 201 implementiert sein kann. 2 veranschaulicht nämlich eine Schaltung 250, in der die SS-Spule 201 durch kreuzgekoppelte NMOS-Transistoren 252a und 252b angesteuert wird, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Die Schaltung enthält auch eine Stromquelle I1. Eine Versorgungsspannung Vdd wird an dem A* und B verbindenden Knoten angelegt.

2I veranschaulicht schematisch eine alternative Schaltung 260 zum Ansteuern der SS-Spule 201. In diesem nicht-beschränkenden Beispiel wird die SS-Spule 201 durch kreuzgekoppelte PMOS-Transistoren 262A und 262B gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen angesteuert. Ein Mittenabgriff kann zwischen dem Anschluss A* und dem Anschluss B derart ausgebildet sein, dass die Spule 202 und die Spule 204 in Reihe geschaltet sind. Dieser Knoten zwischen A* und B kann elektrisch geerdet sein, wie gezeigt.

Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Anmeldung sind zwei SS-Spulen relativ zueinander gestapelt und durch eine Isolierstruktur getrennt. 3A veranschaulicht ein Beispiel in der Form gestapelter SS-Spulen 300. Die gestapelten SS-Spulen 300 können eine obere SS-Spule 301 und eine untere SS-Spule 303 beinhalten, die durch eine Isolierschicht 310 (siehe 3B) getrennt sind, um eine galvanische Isolation bereitzustellen. Die Isolierschicht 310 ist zur Vereinfachung der Darstellung in 3A nicht gezeigt, kann aber von der hier zuvor bezüglich der Isolierschicht 110 beschriebenen Art sein. Die obere SS-Spule 301 kann eine erste S-Spule enthalten, die mit einer zweiten S-Spule 304 verschachtelt ist. Die am Anschluss A beginnende S-Spule 302 kann einen Spulenabschnitt 302A im Uhrzeigersinn und einen am Anschluss A* endenden Spulenabschnitt 302B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die am Anschluss B beginnende S-Spule 304 kann einen Spulenabschnitt 304A im Uhrzeigersinn und einen am Anschluss B* endenden Spulenabschnitt 304B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die untere SS-Spule 303 kann eine dritte S-Spule 306 enthalten, die mit einer vierten S-Spule 308 verschachtelt ist. Die am Anschluss C beginnende S-Spule 306 kann einen Spulenabschnitt 306A im Uhrzeigersinn und einen am Anschluss C* endenden Spulenabschnitt 306B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die am Anschluss D beginnende S-Spule 308 kann einen Spulenabschnitt 308A im Uhrzeigersinn und einen am Anschluss D* endenden Spulenabschnitt 308B entgegen dem Uhrzeigersinn enthalten. Die untere SS-Spule 303 kann bei einigen Ausführungsformen mit der oberen SS-Spule 301 im Wesentlichen identisch sein, jedoch sind Alternativen möglich. Ein Verhältnis aus der Anzahl von Windungen der oberen SS-Spule zu der Anzahl der Windungen der unteren SS-Spule kann gemäß den beabsichtigten Anwendungen ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Verhältnis im Bereich von 0,01 bis 10 liegen, beispielsweise zwischen 0,5 und 5 oder zwischen 0,8 und 2.

Die gestapelten SS-Spulen 300 können in, teilweise in oder auf einem Halbleitersubstrat 314 ausgebildet werden. Die obere SS-Spule 301 kann unter Verwendung einer ersten einzelnen Metallisierungsschicht 318M in einer Isolierschicht 318 eines standardmäßigen integrierten Fabrikationsprozesses ausgebildet werden. Die untere SS-Spule 303 kann unter Verwendung einer zweiten Metallisierungsschicht 320M in einer Isolierschicht 320 eines standardmäßigen integrierten Fabrikationsprozesses ausgebildet werden. Die Metallisierungsschichten 318M und 320M können im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Substrats 314 verlaufen. Die Isolierschichten 318 und 320 können durch die Isolierschicht 310 getrennt sein, beispielsweise von der zuvor in Verbindung mit der Isolierschicht 110 beschriebenen Art. Die Metallisierungsschicht 120 kann durch Vias 316 mi einer dritten Metallisierungsschicht 312 verbunden sein.

3B ist eine Ersatzschaltung der gestapelten SS-Spulen 300 gemäß einer nicht-beschränkenden Ausführungsform. Die Anschlüsse A, B, C und D sind mit Punkten markiert, was einen Stromfluss von Anschluss A zu Anschluss A*, von Anschluss B zu Anschluss B*, von Anschluss C zu Anschluss C* und von Anschluss D zu Anschluss D* anzeigt. Infolgedessen können gegenseitige Induktanzen zwischen Spulenabschnitten auf der gleichen Seite jeder SS-Spule sowie zwischen oberen und unteren SS-Spulen hergestellt werden.

4 veranschaulicht ein Verfahren zum Herstellen von hierin beschriebenen mikrofabrizierten gestapelten verschachtelten Spulen gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Das Verfahren 400 kann im Stadium 402 beginnen, in dem ein erstes Paar von verschachtelten Spulen hergestellt werden kann. Die verschachtelten Spulen können von einer beliebigen der hierin beschriebenen Arten sein, einschließlich verschachtelten S-Spulen bei mindestens einigen Ausführungsformen. Das erste Paar von verschachtelten Spulen kann in einigen Ausführungsformen in einer dielektrischen Schicht auf einem Halbleitersubstrat fabriziert werden.

Im Stadium 404 kann eine Isolierschicht auf dem ersten Paar von verschachtelten Spulen ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Isolierschicht 110 oder 310 ausgebildet werden. Wie hierin zuvor beschrieben, kann die Isolierschicht bei einigen Ausführungsformen eine mehrschichtige Struktur besitzen und kann aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildet sein, um eine galvanische Isolation bereitzustellen.

Weiter zu Stadium 406 kann ein zweites Paar von verschachtelten Spulen auf der Isolierschicht ausgebildet werden. Das zweite Paar von verschachtelten Spulen kann von einer beliebigen der hierin beschriebenen Arten sein. Bei mindestens einigen Ausführungsformen beinhaltet das Stadium 406 das Ausrichten des zweiten Paars von verschachtelten Spulen auf das zuerst ausgebildete erste Paar von verschachtelten Spulen.

5 veranschaulicht eine Schaltung, die hierin beschriebene mikrofabrizierte gestapelte verschachtelte Spulen verwendet gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Die Schaltung kann ein Isolator 500 mit einem Sender 504 sein, auf einem Substrat 502 ausgebildet, ein Transformator, der durch hierin beschriebene mikrofabrizierte gestapelte verschachtelte Spulen ausgebildet ist, umfassend ein erstes Paar von verschachtelten Spulen 506A und ein zweites Paar von verschachtelten Spulen 506B, auf einem Substrat 508 ausgebildet, zusammen mit einem Empfänger 510. Drahtleitungen 512A und 512B von Bondpads 514A und 514B auf dem Substrat 502 verbinden den Treiberausgang mit der Primärwicklung (erstes Paar von verschachtelten Spulen 506A) des Transformators. In dem dargestellten Beispiel ist die Primärspule (ansteuernde Spule) das erste Paar von verschachtelten Spulen 506A, und die Sekundärspule (empfangende Spule) ist das zweite Paar von verschachtelten Spulen 506B. Die vorliegende Anmeldung ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise können die Primär- und Sekundärspule vertauscht werden, der Sender kann sich auf dem Substrat 508 befinden und der Empfänger kann sich auf dem Substrat 502 befinden. Bei einigen Ausführungsformen können die Substrate 502 und 508 ein einziges Substrat sein. Die Drahtleitungen 512A und 512B können durch über Vias verbundene Metallisierungsschichten ausgebildet werden.

Verschachtelte Spulen von den hierin beschriebenen Arten können in verschiedenen Umgebungen implementiert werden. Wie beschrieben worden ist, verwenden einige Aspekte der vorliegenden Anmeldung verschachtelte Spulen in elektrischen Isolatoren. Die elektrischen Isolatoren wiederum können Anwendung in verschiedenen Umgebungen finden, einschließlich in Kraftfahrzeugen oder anderen Fahrzeugen wie etwa Booten oder Flugzeugen. 6 veranschaulicht ein System, das die Schaltung 500 von 5 umfasst, gemäß einigen nicht-beschränkenden Ausführungsformen. Die Schaltung 500 kann an einem beliebigen geeigneten Ort des Wagens 600 angeordnet sein. Die Schaltung 500 kann konfiguriert sein zum Transferieren von Daten- und/oder Stromsignalen zwischen Schaltungen des Wagens 600, die in verschiedenen Spannungsbereichen arbeiten, während eine galvanische Isolation aufrechterhalten wird. Wenngleich 6 ein Beispiel darstellt, sind andere Verwendungen der verschiedenen Aspekte der vorliegenden Anmeldung möglich.

Die Ausdrücke „ungefähr“, „im Wesentlichen“ und „etwa“ können verwendet werden, um innerhalb von ±20% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen, innerhalb ±10% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen, innerhalb ±5% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen und noch innerhalb ±2% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen zu bedeuten.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 62/458505 [0001]