磁耦合元件以及磁耦合型隔離器的制作方法

專利名稱：磁耦合元件以及磁耦合型隔離器的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁耦合元件(絕緣型接口元件、隔離元件)以及磁耦合型 隔離器。
背景技術：
磁耦合元件被用于進行數字信號或模擬信號的傳送的隔離器等，例如， 適用于將計算機和其周邊設備連接的接口 、將電位不同的電路間連接的接 口、以及通信網絡上的中繼傳送裝置中的接口等。
在電位不同的電路間，在進行信號傳送時，需要如下的接口，即，在 輸入輸出之間進行電絕緣的同時，通過某種方式使輸入信號通過絕緣體且 向輸出側供給。使信號通過絕緣體的方法通常大致分為三種。即，分別是 使用光、磁場或電場的方法。作為使用光的光耦合型隔離器，具有光耦合
器；作為使用磁場的磁耦合型隔離器，具有利用有脈沖變壓器或巨大磁阻 (GMR)元件的GMR隔離器；作為使用電場的電場耦合型隔離器，具有 利用了輸入輸出間的絕緣體的微小靜電量的電容耦合隔離器。
這些種類的隔離器都是具有在輸入輸出之間電絕緣和信號耦合兩種功 能的絕緣型接口。基于光的耦合對于在來自外部的電場磁場的影響具有抵 抗性，而使用有磁場或電場的耦合相比于光，可實現傳送速度的大幅度提 高。
光耦合器主要由發光二極管(LED)和光檢測器構成，輸入輸出之間 通過樹脂而被電絕緣。在LED流過電流時LED發光，光經由樹脂到達光枱r 測器。頻率特性直至成為由DC決定的頻率之前是平直的，傳送速度由內部 的光學元件等諸特性決定，在數字傳送中，以數10Mbps為界限。
脈沖變壓器通過在一次線圈與二次線圈之間的電磁感應而進行信號傳 送，也能夠進行傳輸效率高的雙向通信。在頻率特性中不能夠進行DC傳輸。 這是因為，通過一次線圈的電流變化產生的磁場變化在二次線圏中作為電 流變化被檢測出，由此不能夠對不伴隨電流變化的DC信號進行傳輸。脈沖變壓器的高速化的界限可以說是由芯的磁性材料決定的。另外，在目前正
在普及的千兆位LAN中，在規格上決定傳送頻帶為100MHz，故而在實現 1Gbps時，使用四個具有250Mbps的傳輸速度的線路，另外，針對每一線 路進行多進制數值化(五進制)。即，在網絡鐘使用的脈沖變壓器的動作速 度適用于千兆位LAN的傳送頻帶的情況下，在二進制數字傳送中為 125Mbps左右。
GMR隔離器能夠將脈沖變壓器的二次線圈置換成使用有GMR元件的 磁場傳感器。將根據輸入電流的變化而產生的磁場強度的變化作為電阻值 的變化而由GMR元件檢測，故而能夠傳送DC信號。傳送速度基本上難以 超過脈沖變壓器，但是在數字傳送中可實現100Mbps。相對于脈沖變壓器， GMR隔離器具有在到達由DC決定的頻率之前是平直的頻率特性，故而定 位為代替光耦合器的高速的隔離設備，在狹義上可表現為"磁耦合器"。
電容耦合隔離器通過輸入輸出間的絕緣體的微小靜電容而進行信號傳 送。由于信號和干擾共享同一路徑，故而需要將信號的頻帶設定得比干擾 高。即，在絕緣體的微小的靜電容中，信號容易通過，干擾不易通過。因 此，頻率特性限定在高頻的頻帶，不能夠傳送DC。傳送速度在數字傳送中 可實現150Mbps。
在這些絕緣型接口中需要高速化的背景之一為設備控制的高精度化 和高速化由于基于半導體技術進步的高速麥克風、DSP、 FPGA的登場而正 在普及，但是，高速的微機類成為干擾源，會對周邊電路(模擬電路等) 產生較大的影響。因此，在今后的設備的高精度化和高速化中，要求接口 元件也高速化和高絕緣化。
在實現數字傳送的高速化時，需要降低S/N比并進行多進制數值化、 需要擴大傳送頻帶，但是，另一方面，DC信號的傳送也成為課題。在網絡 中的脈沖變壓器的用途中，無需進行DC傳送，但是作為其他用途，在一定 時間、相同電平的數字信號連續時，要求不進行符號化而直接作為信號進 行傳送、將模擬信號波形直接傳送，為了實現這些目的，需要進行DC信號 的傳送。在電容耦合隔離器中，在傳送DC信號時，也具有通過將DC信號 轉變成脈沖寬幅調制(PWM)信號來進行傳送的方法，但在該情況下，需 要另外構建用于此的的電路系統。在這樣的用途中，GMR隔離器能夠進行 DC傳送且頻帶寬，故而與其他方式相比是有利的。作為現有的GMR隔離器，在渦巻狀的輸入線圈與使用有GMR元件的 磁場傳感器之間設置靜電屏蔽，另外，通過使靜電屏蔽接地而降低輸入輸 出間的漂移電容(參照專利文獻1及專利文獻2)。這是因為，若降低輸入 輸出間的漂移電容，則能夠抑制在輸入輸出之間電壓急劇變化時、在輸出 側產生的干擾。即，利用能夠提高輸入輸出間的同相模式信號除去能力的 結構。
GRM隔離器的100Mbps以上的高速化成為課題。若提高傳送速度，則 通過例如流過輸入線圈的高頻信號在輸出側的磁場傳感器產生基于感應電 壓的干擾。通過輸入線圏與磁場傳感器之間的靜電屏蔽也能夠抑制由感應 電壓產生的干擾，但是，由于靜電屏蔽是導體，故而通過來自輸入線圈的 ^磁場而在將^t場變化消除的方向上產生渦電流，由此，產生》茲場減弱的問 題。若^f茲場衰減，則伴隨著信號級的減少，S/N比下降，由此，信號波形的 品質變差，使得電路誤動作。
另夕卜，現有的GMR隔離器在輸入線圈和磁場傳感器的配置、構造等方 面，在進行高頻化上具有如下的問題。如圖20所示，現有的GMR隔離器， 具有磁耦合元件103和差動接收器(差動放大器)104，所述磁耦合元件103 通過成為輸入線圈101及檢測電路102的、包含GMR元件的惠斯登電橋構 成，所述差動接收器104將磁耦合元件的兩個輸出差值并放大。磁耦合元 件103可理解為有輸入側一個和輸出側兩個的元件，通過利用差動接收器 104將檢測電路102的惠斯登電橋的與兩個輸出口位相相反的兩個差動信號 差值，能夠降低同相的通用模式干擾。但是，輸入口和各輸出口不僅磁耦 合，而且也電容耦合以及電感耦合。因此，頻率提高時，輸入口與兩個輸 出口之間的阻抗差增大，向兩個輸出口輸出不能夠被差動接收器104除去 的非對稱的標準模式干擾信號。
根據如下的式1所示的香農定理(、乂卞乂/定理)，數字傳送中的 傳送速度C ( bit/sec.)由頻帶寬B與信號對干擾比(S/N比)決定。式1
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根據該式，若S/N增大，通過進行基于多進制數值化的傳送，則能夠 提高傳送速度。在傳送速度的決定元件中，在考慮確保頻帶多少為好的情況下，在該式中，使傳送速度C一定，則若S/N比增大，通過進行多進制 數值化，能夠抑制頻帶B。但是，通常在謀求元件的高速化的情況下，以二 進制的數字傳送為基本，并且為了實現可靠性高的數字傳送，大多情況是 較大地設定相對于傳送速度的帶寬并進行開發。例如根據脈沖波形進行二 進制的數字傳送時，通過相對于傳送速度確保3倍左右的傳送頻帶，可得 到高的可靠性。即，在實現100Mbps時，作為一個目標，設置DC至300MHz 左右的頻帶寬。
另一方面，若著眼于元件的傳送頻率特性，則隨著頻率從數10MHz附 近逐漸增加，兩個輸出端子中的傳送電路的對稱性逐漸得不到保障，由于 由感應電壓引起的干擾增大，伴隨與此，S/N比下降。因此，雖然也具有限 制頻帶并且在確保S/N比的同時通過多進制數值化提高傳送速度的方法， 但由于還需要實現可靠性高的數字傳送，故而多進制數值化帶來的高速化 有限。因此，在進行高速化時需要擴大頻帶。
即，若在100Mbps以下，則通過抑制傳送頻帶，無視傳送電路的非對 稱性并且不受感應電壓產生的干擾的影響，容易進行元件的設計，另外， 根據情況也可利用多進制數值化。但是，若為100Mbps以上，則在抑制傳 送頻帶并進行多進制數值化上也產生界限，故而不得不將傳送頻帶向高頻 側擴展。但是，若將傳送頻帶向高頻側擴展，則伴隨于此，由傳送電路的 非對稱性產生的、由兩個不同的感應電壓引起的干擾的影響逐漸增大，故 而，不利于高速化。另外，在現有的GMR隔離器中，通過插入靜電屏蔽能 夠降低由感應電壓引起的干擾，但是傳送電路的非對稱性即使插入靜電屏 蔽也不改變，故而為了進行高速化而將傳送頻帶向高域側擴展時，結果還 是達到靜電屏蔽插入的界限。
作為輸出端子中的感應電壓的產生原因，可大致分為靜電容的耦合、 和相互阻抗的耦合這兩種。前者基于輸入輸出間的漂移電容的路徑而產生 的，后者是輸入側的導體與輸出側的傳感器的導體之間的電磁感應的耦合。 實際上，即使設有靜電屏蔽，輸入輸出間的漂移電容也會殘留。另外，關 于輸入輸出間的相互阻抗的耦合，通過施加輸入側的交流》茲場，在輸出側 的傳感器的導體上會產生渦電流，但是，通過配置輸出側的電路，假定在 輸出端子產生感應電壓。其產生原因是，頻率越高，影響越大。
專利文獻l:(日本)特表2001-521160號公報專利文獻2:(日本)特表2003-526083號公報 專利文獻3:(日本)特表2000-516714號公報 專利文獻4:(日本)特表2005-515667號公報

發明內容
本發明是鑒于上述問題點而作出的，其目的在于提供一種在高頻下也 能夠得到高S/N比的磁耦合元件以及磁耦合型隔離器。
為了實現上述目的，本發明的》茲耦合元件，具有^茲場產生電3各，其 根據輸入電流而產生磁場；檢測橋式電路，其具有一對;茲阻效應元件和兩 個輸出，通過施加由所述;茲場產生電路產生的；茲場，所述一對》茲阻效應元 件使電阻值變化，所述兩個輸出生成對應于所述i茲場產生電路產生的;茲場 的強度的電壓差，所述磁場產生電路以及所述檢測橋式電路的幾何形狀分 別線對稱或點對稱地形成。
根據該構成，由于磁路產生電路圖案的輸入與檢測橋式電路的兩個輸 出之間的電容耦合以及電感耦合相同，故而，相對于高頻的輸入，產生的 干擾為同相、同波形。因此，通過獲得檢測橋式電路的兩個輸出的差值， 不論頻率如何都能夠得到無干擾的輸出。
另外，在本發明的磁耦合元件中，所述^f茲場產生電路也可以具有電氣 上并聯連接的、幾何形狀對稱的兩個勵磁線圈。
根據該構成，通過將線圈分成兩個設置，容易使一次側的電路在幾何 學上對稱。
另外，在本發明的磁耦合元件中，也可以構成為所述兩個勵磁線圈 的一端與同一電極連接，并且相對于通過所述電極的直線而線對稱地形成。
根據該構成，通過以輸入側的電極端子為基準，將石茲場產生電路以及 檢測橋式電路鏡面對稱地配置，能夠形成在二次側的輸出產生同相的干擾 這樣的幾何對稱的形狀。
另外，在本發明的^f茲耦合元件中，也可以構成為所述》茲阻效應元件 具有磁阻效應膜；成對的導電連接臂，其由軟磁性材料形成，從所述磁 阻效應膜分別向相互相反的方向延伸，并且配置在所述》茲場產生電路產生 的》茲場中。
根據該構成，能夠形成根據磁場產生電路產生的磁場而增大電阻值的磁阻效應元件，提高檢測橋式電路的靈敏度。
另外，在本發明的磁耦合元件中，可以構成為所述檢測橋式電路具 有一對固定電阻，所述》茲阻效應元件和所述固定電阻在幾何學上對稱地配 置，所述固定電阻具有 一對磁阻效應膜；成對的導電連接臂，其由非磁 性材料形成，從所述磁阻效應膜分別向相互相反的方向延伸，并且配置在 所述》茲場產生電路產生的》茲場中。
根據該構成，通過將幾何形狀相同的磁阻效應元件和固定電阻對稱配 置，能夠使檢測橋式電路的兩個輸出各自的相對于所述磁場產生電路的輸 入的電容性以及電感性的耦合狀態相同，輸出電壓的干擾成分成為同相、 同波形，能夠通過差動放大器而相互抵消。另外，通過使用非^f茲性材料的 導電連接臂，能夠將磁阻效應元件用作為固定電阻。
另外，在本發明的-茲耦合元件中，可以構成為所述檢測橋式電路具 有一對固定電阻，該一對固定電阻在所述磁場產生電路的外部與所述導電 連接臂連接，所述檢測橋式電路相對于所述一對磁阻效應膜的中點而點對 稱地形成。
根據該構成，能夠使兩個輸出的相對于輸入的電容性以及電感性的耦 合狀態相同，通過使檢測橋式電路點對稱，在橋式電路中容易將磁阻效應 膜配置在對角位置，能夠在兩個輸出產生與磁場的強度成比例的電位差。
另外，在本發明的磁耦合元件中，可以構成為所述檢測橋式電路具 有一對固定電阻，該一對固定電阻在所述磁場產生電路的外部與所述導電 連接臂連接，所述檢測橋式電路相對于將所述一對磁阻效應膜連接的直線 而線對稱地形成。
根據該構成，能夠使兩個輸出的相對于輸入的電容性以及電感性的耦 合狀態相同，并且能夠在兩個輸出生成與磁場的強度成比例的電位差。
另外，在本發明的》茲耦合元件中，可以構成為所述磁場產生電路具 有平面地形成的勵;茲線圈，所述^全測橋式電路在所述勵;茲線圈的兩面對稱 地配置。
根據該構成，也能夠使兩個輸出的相對于輸入的電容性以及電感性的 耦合狀態相同，并且能夠在兩個輸出生成與磁場的強度成比例的電位差。
另外，在本發明的^f茲耦合元件中，可以構成為所述^f茲阻效應元件具 有^磁阻效應膜；成對的導電連接臂，其由軟^磁性材料形成，從所述^f茲阻效應膜分別向相互相反的方向延伸，并且配置在所述磁場產生電路產生的 磁場中。
根據該構成，能夠形成根據磁場產生電路產生的磁場而增大電阻值的 磁阻效應元件，提高檢測橋式電路的靈敏度。
另外，在本發明的磁耦合元件中，可以構成為所述檢測橋式電路具 有一對固定電阻，所述固定電阻具有 一對;茲阻效應膜；成對的導電連接 臂，其由非磁性材料形成，從所述磁阻效應膜分別向相互相反的方向延伸， 并且配置在所述/f茲場產生電^^產生的》茲場中，所述^茲阻效應元件和所述固 定電阻在所述勵/磁線圈的兩面對稱地配置。
另外，在本發明的石茲耦合元件中，可以構成為所述檢測橋式電路具 有一對固定電阻，該一對固定電阻在所述磁場產生電路的外部與所述導電 連接臂連接，所述檢測橋式電路在所述勵磁線圈的兩面對稱地形成。
另外，在本發明的》茲耦合元件中，所述;茲阻效應膜由含有金屬以及絕 緣體的納米顆粒材料形成為好。
另外，本發明中的磁耦合型離合器具有上述任一磁耦合元件、和將所 述檢測橋式電路的兩個輸出的差值輸出的差動放大器，還可以具有緩沖放 大器，其分別將所述檢測橋式電路的兩個輸出放大。另外，差動放大器不 僅限于具有放大增益(增益)的結構，也包含沒有增益的結構(差分器)。
根據本發明，通過將磁場產生電路以及檢測橋式電路幾何學上線對稱 或點對稱地形成，能夠將生成與磁場產生線圈產生的磁場的強度成比例的 電位差的、檢測橋式電路的兩個輸出相對于輸入的電容性以及電感性的耦 合產生的干擾成分形成同相、同波形，可通過差動放大器將干擾相互抵消。


圖1是本發明第一實施方式的磁耦合型隔離器的電路圖2是圖1的磁耦合型隔離器的磁耦合元件的平面圖3是圖2的磁耦合元件的示意圖4是本發明第二實施方式的磁耦合元件的平面圖5是本發明第三實施方式的》茲耦合元件的示意圖6是圖5的磁耦合元件的平面圖7是本發明第四實施方式的磁耦合元件的平面圖；圖8是本發明第五實施方式的;茲耦合元件的示意圖9是圖8的^F茲耦合元件的平面圖IO是本發明第六實施方式的磁耦合元件的示意圖;
圖11是圖10的^f茲耦合元件的平面圖12是本發明第七實施方式的磁耦合元件的平面圖;
圖13是本發明第八實施方式的^茲耦合元件的立體圖;
圖14是本發明第九實施方式的磁耦合元件的立體圖;
圖15是用于模擬的本發明的磁耦合器的模型；
圖16是用于模擬的現有的磁耦合器的模型；
圖17是用于模擬的低頻型的差動放大器的特性圖18是用于模擬的高頻型的差動放大器的特性圖19是表示磁耦合型隔離器的模擬結果的圖表；
圖20是現有的磁耦合型隔離器的電路圖。
附圖標記說明
1 ;茲耦合型隔離器
2石茲耦合元件
3差動放大器
4 ;茲場產生電^各
5才企測橋式電路
6、 6a、 6b lt入端子
7、 7a、 7b勵》茲線圏
8、 8a、 8b接地端子 9a、 9b石茲阻步文應元件 10固定電阻
11、 lla、 lib電源端子 12a、 12b輸出端子 19a、 19b石茲阻效應膜 20a、 20b -茲阻效應膜 21a、 21b導電連接臂 22a、 22b導電連接臂 23a、 23b導電連接臂24a、 24b導電連接臂 27導電圖案
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
圖1表示本發明第一實施方式的磁耦合型隔離器1的電路圖。磁耦合 型隔離器1由磁耦合元件2和差動放大器3構成。
磁耦合元件2具有相互的接地(基準電位)分離的石茲場產生電路4以 及4企測橋式電路5。
/磁場產生電路4具有輸入一次側電流i的輸入端子6、 /人輸入端子6分 支并電氣并聯設置的勵磁線圏7a、 7b、將通過勵磁線圈7a、 7b的電流分別 接地的接地端子8a、 8b。
才企測橋式電路5是由兩個,茲阻效應元件9a、 9b以及兩個固定電阻10a、 10b構成的惠斯登電橋，具有施加電源電壓V。的電源端子11、和兩個檢測 輸出端子12a、 12b。
差動放大器3具有分別將檢測橋式電路5的兩個輸出放大的緩沖放大 器13a、 13b、和將緩沖放大器13a、 13b的輸出的差值放大輸出的主放大器 14。
圖2表示本實施方式的磁耦合型隔離器1的磁耦合元件2的具體形狀。 磁耦合元件2通過光刻技術在基板15之上排列形成成為磁場產生電路4的 電位的基準的接地圖案16、和成為檢測橋式電路5的電位的基準的接地圖 案17，進而，在其之上形成各層被未圖示的絕緣膜分隔的導電圖案，由此， 形成磁場產生電路4以及檢測橋式電路5。
如圖所示，磁耦合元件2的磁場產生電路4以及檢測橋式電路5以將 輸入端子6和電源端子11連接的直線為中心而線對稱(鏡面對稱)地形成。
在接地圖案16、 17之上首先形成絕緣膜，然后形成磁場產生電路4的 輸入端子6以及勵磁線圈7a、 7b的下層的導電圖案。在其之上由絕緣膜分 隔而形成有磁阻效應元件檢測橋式電路5，進而，再由絕緣膜分隔，形成磁 場產生電路4的接地端子8a、 8b以及勵磁線圈7a、 7b的上層的導電圖案。 勵磁線圈7a、 7b的上層導電圖案和下層導電圖案通過貫通絕緣膜的多個線 圈連接層18而相互連接，形成有內部包含一部分檢測橋式電路5的立體的
12勵磁線圈7a、 7b。形成于上層的導電圖案中的接地端子8a、 8b通過貫通絕 緣膜的接地連接層19而分別與接地圖案16連接。
磁場產生電路4通過在輸入端子6與接地圖案16之間施加電流，產生 貫通勵,茲線圈7a、 7b的^茲場。勵/磁線圈7a、 7b左右對稱地形成，但由于電 流的繞流方向相同，故而二者產生的磁場的朝向相同。
檢測橋式電^各5在分別被勵/磁線圈7a、 7b包含在內的對稱位置成對地 配置，具有由含有金屬以及絕緣體的納米顆粒材料形成的》茲阻效應膜19a、 19b及磁阻效應膜20a、 20b。并且，檢測橋式電路5具有以相互成對的方式、 從磁阻效應膜19a、 19b、 20a、 20b沿著勵磁線圈7a、 7b形成的磁場向相互 相反的方向延伸至勵磁線圏7a、 7b外側的導電連接臂21a、 21b、導電連接 臂22a、 22b、導電連接臂23a、 23b以及導電連接臂24a、 24b。導電連接臂 21a和導電連接部23a的/人勵;茲線圈7a突出的端部^f皮此通過構成輸出端子 12a的導電圖案而相互連接，導電連接臂22a和導電連接部24a的從勵磁線 圈7b突出的端部彼此通過構成輸出端子12b的導電圖案而相互連接。導電 連接臂21b和導電連接部22b的從勵磁線圏7a、 7b突出的端部彼此通過接 地圖案26而相互連接，所述接地圖案26通過貫通絕緣層的接地連接層25 與接地圖案17連接。導電連接臂23b和導電連接臂24b的從勵磁線圈7a、 7b突出的端部彼此通過具有電源端子11的導電圖案27而相互連接。
導電連接臂21a、 21b及導電連接臂24a、 24b由軟>磁性材料構成，導 電連接臂22a、 22b及導電連接臂23a、 23b由非磁性材料構成。即，位于相 互相對位置的成對的導電連接臂21a、 21b和成對的導電連接臂22a、 22b、 或者成對的導電連接臂23a、 23b和成對的導電連接臂24a、 24b具有相互線 對稱的幾何形狀，但是其材質相互不同。
由軟磁性材料構成的成對的導電連接臂21a、 21b及24a、 24b引導由 勵磁線圈7a、 7b產生的磁通，并且施加給磁阻效應膜20a及21b。因此， 》茲阻效應膜20a及21b根據輸入到輸入端子的電流值以相同的比例增減電 阻值。即，導電連接臂21a、 21b和磁阻效應膜19a成為一體，構成#>據勵 石茲線圈7a產生的磁場的強度來改變電阻值的磁阻效應元件9a，導電連接臂 24a、 24b和磁阻效應膜20a成為 一體，構成根據勵磁線圈7b產生的磁場的 強度而改變電阻值的-茲阻效應元件9 b 。
另一方面，由非磁性材料構成的成對的導電連接臂22a、 22b及23a、23b排斥勵磁線圈7a及7b產生的磁通，不施加給磁阻效應膜20a及21b。 因此，磁阻效應膜20b以及21a幾乎不根據輸入到輸入端子的電流來增減電 阻值。即，導電連接臂23a、 23b和7磁阻效應膜20a成為一體，構成不對勵 磁線圏7a產生的磁場造成影響的固定電阻10a，導電連接臂22a、 22b和磁 阻效應膜20a成為一體，構成不對勵^t線圈7b產生的^f茲場造成影響的固定 電阻10b。
由此，通過磁場產生電路4和磁阻效應元件9a、 9b的磁耦合，向由磁 阻效應元件9a、 9b及固定電阻10a、 10b形成的惠斯登電橋的輸出端子12a、 12b輸出與施加到輸入端子的電流值成比例的電壓。
另外，由于磁場產生電路4及檢測橋式電路5線對稱地構成，故而從 輸出端子12a及12b看到的相對于磁場產生電路4的電容耦合以及電感耦合 的程度，在輸出端子12a和輸出端子12b上不會有差異。因此，通過與輸入 側的電容耦合和電感耦合，在輸出端子12a以及12b上感應同相、同波形的 干擾。即，若獲得兩輸出端子12a、 12b電壓的差值，則能夠利用差動放大 器3將由電容耦合以及電感耦合產生的干擾除去。
為了提高檢測橋式電路4的對稱性且提高輸出靈敏度，由軟i茲性材料 構成的導電連接臂21a、 21b、 24a、 24b和由非磁性材料構成的導電連接臂 22a、 22b、 23a、 23b具有盡可能相等的電阻值為好。
在本實施方式中，被由非磁性材料構成的導電連接臂22a、 22b及23a、 23b夾著的》茲阻效應膜19a及20a也可以置換成未表現出》茲阻效應的電阻 體。此時，理想的是，若由與導電連接臂22a、 22b及23a、 23b相同的軟磁 性材料形成導電連接臂21a、 21b及24a、 24b,則不僅在幾何形狀上對稱， 在磁氣特性上也對稱，故而更加理想。
另外，在本實施方式中，導電連接臂21a、 21b、 22a、 22b、 23a、 23b 以及24a、 24b延伸到勵磁線圈7a、 7b的外側，但接地圖案26、導電圖案 27以及輸出端子12a、 12b對稱地延伸到勵磁線圈7a、 7b的內部，在磁阻 效應膜19a、 19b、 20a、 20b的兩側配置短的導電連接臂21a、 21b、 22a、 22b、 23a、 23b以及24a、 24b。
圖3簡略化表示本實施方式的磁耦合元件2的構造。在圖3中，輸入 端子6纟皮分割成位于兩個相對位置的輸入端子6a、 6b。在該輸入端子6a、 6b連接有相同的輸入并且輸入相等的輸入電流。
14如該圖所示，本實施方式的磁耦合元件2需要相對于將檢測橋式電路4 的電源端子11和接地位置(接地連接層25 )連接的直線L線對稱(鏡面對 稱)地形成。
圖4表示本發明第二實施方式的磁耦合元件2。在以下的說明中，對以 與先前說明的構成要素相同目的設置的構成要素標注相同的附圖標記并省 略說明。
在本實施方式中，勵^磁線圏7a、 7b由平面地形成的渦巻狀的導電圖案 構成，但與第一實施方式相同的方面在于，相對于磁場產生電路3的輸入 端子6、檢測橋式電路5的電源端子11以及接地連接層25線對稱地形成。 另夕卜，本實施方式的輸出端子12a、 12b橫切勵磁線圈7a、 7b而延伸到磁耦 合元件2的端部。
在本實施方式中，由于磁阻效應膜19a以及20b的電阻值根據勵磁線 圈7a、 7b產生的磁場而發生變化，故而向輸出端子12a、 12b之間輸出與輸 入電流成比例的電壓。另外，從輸出端子12a、 12b看到的、與輸入側的電 容耦合以及電感耦合相同，故而，在輸出端子12a及12b感應出的干擾形成 同相、同波形，并且由差動放大器除去。
圖5表示本發明第三實施方式的磁耦合元件2的概略。在本實施方式 中，檢測橋式電路5是惠斯登電橋，其包括磁阻效應元件9a、 9b,其由 被軟磁性材料構成的導電連接臂21a、 21b及22a、 22b夾著的一對》茲阻效應 膜19a及19b構成； 一對電阻體28a及28b，其配置在構成固定電阻10a、 10b的勵,茲線圈7a及7b的外部。
在本實施方式中，勵磁線圏7a、 7b成為一體，對磁阻效應膜19a、 19b 施力口磁場。
在本實施方式中，所有的構成要素以一磁阻效應膜19a、 19b的中點P為 中心在三維空間中點對稱地配置。由此，從輸出端子12a及12b看到的、磁 場產生電路4及檢測橋式電路的幾何形狀相對地相等，感應出的電容性以 及電感性的干擾能夠由差動放大器除去。
圖6表示本實施方式的具體形狀。在本實施方式中，兩個勵磁線圏la、 lb的輸入端子6a、 6b以及接地端子8a、 8b點對稱地配置，但勵/磁線圈7a、 7b產生的磁場的方向相同。另夕卜，檢測橋式電路5在從磁阻效應膜19a、 19b 向兩側延伸且在勵磁線圈7a、 7b中并列的、由軟磁性材料構成的導電連接臂21a、 21b、 22a、 22b的端部，設有輸出端子12a、電源端子ll、輸出端 子12以及接地圖案26，并列的導電連接臂21a、 22a及21b、 22b分別在勵 /磁線圈7a、 7b的外部通過電阻體28a、 28b而相互連接。
圖7表示本發明第四實施方式。本實施方式通過將第三實施方式的》茲 場發生電路34的接地端子8a、 8b配置在對稱中心的通孔8構成。
在本實施方式中，與第三實施方式同樣地，在輸出端子12a及12b感 應出的電容性以及電感性的干擾能夠被差動放大器除去。
圖8表示本發明第五實施方式的^茲耦合元件2的概略。本實施方式與 第三實施方式不同，所有的構成元件相對于對稱軸Z旋轉對稱，即二維地 點對稱形成。另外，在本實施方式中，勵磁線圈7a、 7b各自獨立，對磁阻 效應膜19a或19b施加》茲場。
圖9表示本實施方式的具體形狀。在本實施方式中，勵磁線圈7a和7b 并列配置，對被由軟磁性材料構成的導電連接臂21a、 21b及22a、 22b夾著 的磁阻效應膜19a、 19b施加電場。另外，電阻體28a、 28b配置在輸出端子 12a與接地圖案26之間、以及電源端子11與輸出端子12之間。
由附圖可知，在本實施方式中，從輸出端子12a及12b各自看到的、 磁場產生電路4以及檢測橋式電路5的幾何形狀相同。
圖10表示本發明第六實施方式的磁耦合元件2的概略。本實施方式具 有相對于對稱軸L線對稱(鏡面對稱)的幾何形狀，但在磁耦合元件2的 內部，在構成閉路之前，對被由軟磁性材料構成的導電連接臂21a、 21b及 22a、 22b分別夾著的磁阻效應膜19a、 19b及電阻體28a、 28b不進行連接， 通過磁耦合元件2外部的配線完成惠斯登電橋。
即，檢測橋式電路5的輸入端子以及接地的導體圖案26分別分成輸入 端子lla、 lib以及導體圖案26a、 26b而設置。通過利用i茲耦合元件2的外 部配線構成損害4企測橋式電路5的幾何對稱性的電路，從輸出端子12a、 12b 各自看到的、磁場產生電路4以及檢測橋式電路5的幾何形狀相同。
圖11表示本實施方式的具體形狀。如圖所示，磁耦合元件2的構成要 素全部左右相對配置，但作為輸入端子lla、 lib以及接地圖案26a、 26b所 使用的圖案在左右不同。需要將相互連接輸入端子lla和llb的配線與相互 連接接地圖案26a和26b的配線交叉，若設置在磁耦合元件2上，則損害其 對稱性，但通過在^f茲耦合元件2的外部進行配線，則能夠進行無電容耦合及電感耦合的連接。
另外，如圖12所示的本發明的第七實施方式，能夠將第六實施方式的 勵-茲線圏7a、 7b形成平面渦巻狀的線圈。
圖13表示本發明第八實施方式的磁耦合元件2。本實施方式3夸圖12 的磁耦合元件2在對稱軸L彎折而將勵磁線圈7a、 7b重合形成一體。
即，本實施方式的不茲耦合元件2具有平面地形成的一個勵^磁線圈7,將 檢測橋式電路5、即磁阻效應膜19a、 19b、導電連接臂21a、 21b等在勵》茲 線圈7的兩面對稱地配置。
另外，也可以如圖14所示的本發明的第九實施方式這樣地，將圖4的 第二實施方式的i茲耦合元件2以對稱軸L彎折。
在第八實施方式以及第九實施方式中，顯而易見，,人輸出端子12a及 12b各自看到的、磁場產生電路4以及檢測橋式電路5的幾何形狀相同。
如上所述的、在本發明的磁耦合元件2的兩個輸出含有同相的干擾成 分。但是，實際的差動放大器3，在頻率提高的情況下，不能夠充分地去除 同相的干擾。因此，以下表示對含有差動放大器3的本發明的磁耦合型隔 離器1的性能進行模擬的結果。 (模擬例)
圖15及圖16表示用于該模擬的磁耦合元件的模型。圖15是基于本發 明第一實施方式的模型，圖16是用于比較的現有的磁耦合器的模型。另夕卜， 圖17及圖18表示用于模擬的兩種差動放大器的特性。圖17所示的差動放 大器是對應至800MHz的低頻型的差動放大器，相位偏置為0.05° ，延遲 時間為0.02nsec，綜合增益為lldB。另外，圖18所示的差動放大器是對應 至10GHz的高頻型的差動放大器，相位偏置為0.006° ，延遲時間為 O.OOlnsec,綜合增益為20dB。
圖19表示在以上的各磁耦合元件和差動放大器的組合中，通過磁場分 析模擬分析的結果得到的S/N比的頻率特性。
如圖所示，通過使用本發明的磁耦合器，與使用現有的磁耦合器的情 況相比，干擾水平降低，能夠增大S/N比。特別是，降^^干擾水平的效果 隨著頻率的降低而更加顯著。但是，在各差動放大器的使用領域中對于高 頻域的干擾水平也是十分實用的。
以上的實施方式，是以通過光刻技術在基板上制作薄膜線圈為前提進
17行說明的，但作為輸入線圏，也可以使用通過手繞或機械巻繞等在基板上 巻繞導線的結構。
權利要求
1.一種磁耦合元件，具有磁場產生電路，其根據輸入電流而產生磁場；檢測橋式電路，其具有一對磁阻效應元件和兩個輸出，通過施加由所述磁場產生電路產生的磁場，所述一對磁阻效應元件使電阻值變化，所述兩個輸出生成對應于所述磁場產生電路產生的磁場的強度的電壓差，所述磁場產生電路以及所述檢測橋式電路的幾何形狀分別線對稱或點對稱地形成。
2. 如權利要求1所述的磁耦合元件，其中，所述磁場產生電路具有電 氣上并聯連接的、幾何形狀對稱的兩個勵磁線圈。
3. 如權利要求2所述的-茲耦合元件，其中，所述兩個勵,茲線圈的一端 與同一電極連接，并且相對于通過所述電極的直線而線對稱地形成。
4. 如權利要求1所述的》茲耦合元件，其中，所述磁阻效應元件具有 石茲阻效應膜；成對的導電連接臂，其由軟磁性材料形成，從所述^f茲阻效應膜分別向 相互相反的方向延伸，并且配置在所述磁場產生電路產生的磁場中。
5. 如權利要求4所述的磁耦合元件，其中，所述檢測橋式電路具有一 對固定電阻，所述》茲阻效應元件和所述固定電阻在幾何學上對稱地配置。
6. 如權利要求5所述的磁耦合元件，其中，所述固定電阻具有 一對;茲阻效應膜；成對的導電連接臂，其由非磁性材料形成，從所述》茲阻效應膜分別向 相互相反的方向延伸，并且配置在所述磁場產生電路產生的磁場中。
7. 如權利要求4所述的^f茲耦合元件，其中，所述檢測橋式電if各具有一 對固定電阻，該一對固定電阻在所述磁場產生電路的外部與所述導電連接 臂連接，所述檢測橋式電if各相對于所述一對/磁阻效應膜的中點而點對稱地形成。
8. 如權利要求4所述的-茲耦合元件，其中，所述檢測橋式電路具有一對固定電阻，該一對固定電阻在所述-茲場產生電路的外部與所述導電連接臂連接，所述檢測橋式電路相對于將所述一對磁阻效應膜連接的直線而線對稱 地形成。
9. 如權利要求4 8中任一項所述的磁耦合元件，其中，所述磁阻效應 膜由含有金屬以及絕緣體的納米顆粒材料形成。
10. 如權利要求1所述的磁耦合元件，其中，所述磁場產生電3各具有平 面地形成的厲力/磁線圈，所述4企測橋式電路在所述勵》茲線圈的兩面對稱地配置。
11. 如權利要求IO所述的磁耦合元件，其中，所述磁阻效應元件具有 /磁阻效應膜；成對的導電連接臂，其由軟磁性材料形成，從所述磁阻效應膜分別向 相互相反的方向延伸，并且配置在所述》茲場產生電路產生的磁場中。
12. 如權利要求11所述的》茲耦合元件，其中，所述4企測橋式電路具有 一對固定電阻，所述固定電阻具有 一對i茲阻歲文應膜；成對的導電連接臂，其由非^磁性材料形成，從所述》茲阻效應膜分別向 相互相反的方向延伸，并且配置在所述》茲場產生電路產生的磁場中，所述;茲阻效應元件和所述固定電阻在所述勵》茲線圏的兩面對稱地配置。
13. 如權利要求11所述的磁耦合元件，其中，所述檢測橋式電路具有 一對固定電阻，該一對固定電阻在所述磁場產生電路的外部與所述導電連 接臂連接，所述4企測橋式電路在所述勵;茲線圈的兩面對稱地形成。
14. 如權利要求11 ~ 13中任一項所述的磁耦合元件，其中，所述磁阻 效應膜由含有金屬以及絕緣體的納米顆粒材料形成。
15. —種磁耦合型隔離器，其具有權利要求1 ~ 14中任一項所述的磁耦 合元件、和將所述檢測橋式電路的兩個輸出的差值輸出的差動放大器。
16. 如權利要求15所述的磁耦合型隔離器，其中，具有緩沖放大器， 其分別將所述檢測橋式電路的兩個輸出放大。
全文摘要
一種磁耦合元件以及磁耦合型隔離器。磁耦合元件(2)具有磁場產生電路，其具有根據輸入電流而產生磁場的勵磁線圈(7a、7b)；具有兩個輸出(12a、12b)的檢測橋式電路，其具有通過施加由磁場產生電路產生的磁場而使電阻值變化的至少一對磁阻效應元件(9a、9b)，所述兩個輸出生成對應于磁場產生電路產生的磁場強度的電壓差，通過將所述磁耦合元件(2)的磁場產生電路以及檢測橋式電路的幾何形狀分別線對稱或點對稱地形成，在高頻也可得到高的S/N比。
文檔編號H01L43/08GK101632183SQ20088000811
公開日2010年1月20日 申請日期2008年1月31日 優先權日2007年3月12日
發明者豐島克久, 仮屋雄一, 小林伸圣, 山元政昭, 矢野健 申請人:歐姆龍株式會社;財團法人電氣磁氣材料研究所