基于霍尔效应的电容性耦合的回转器制造技术

在本发明专利技术的范围内，开发了用于交变电流信号的回转器。所述回转器包括霍尔效应材料、用于用与所述霍尔效应材料的平面或者表面垂直的磁场通过所述霍尔效应材料的装置、至少一个用于将交变电流（I1；I2）输入耦合到霍尔效应材料中的输入端口，以及至少一个用于将输出电压（U2；U1）输出耦合的输出端口，所述输出电压（U2；U1）是通过输入耦合的交变电流产生的霍尔电压的量度。所述端口中的每个均具有至少两个端子，所述两个端子与外界连接。按照本发明专利技术，每个端口的至少一个端子与连接电极连接，所述连接电极与霍尔效应材料电绝缘，并且与霍尔效应材料构成电容器。因此交变电流电容性地被输入耦合到霍尔效应材料中，并且输出电压电容性地从霍尔效应材料被输出耦合。连接电极的电容性耦合预先给出霍尔效应材料内部中的电势的边界条件，所述边界条件在那里不必然强制电势跳跃。在电势跳跃的区域中“热点（not spots）”的出现可以由此有利地被降低或者甚至完全地被阻止，其中在热点处能量被消散。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于交变电流信号的回转器。回转器是电气双端口器件，其中在输出端处的电压与在输入端处的电流成比例，其中当输入端和输出端被交换时，电压的符号变换。因此如果电流是交变电流，那么根据所述电流在回转器的哪个端口处被提供，所述电流要么被转换成同相的交变电压要么被转换成反相的交变电压。作为除了电阻、电容、电感和理想的变压器之外的第五个线性元件，所述回转器是需要的，以便实现双端口器件、或者三端口或者多端口器件，其中所述双端口器件仅在一个方向上允许交变电压通过（隔离器），所述三端口或者多端口器件允许在一个端口处的交变电压仅通过到在固定的旋转方向上下一个的端口（环形器）。
技术介绍
为了根据通过回转器的电流方向进行输入电流到输出电压的转换，在微波范围内，法拉第旋转在铁氧体中在外部磁场的影响下被使用。对此必要的是，通过输入电流所产生的电磁波在铁氧体中传播。因此，所述铁氧体必须具有波长数量级的尺寸，并且因此对于在无线电或者声频范围内的频率变得不切实际地大。所述铁氧体在微波范围之下的频率情况下也不再高效地工作。此外，每个回转器通过其物理尺寸被确定到大体上狭长的频率带上。可替代地，回转器也能够被实现为由晶体管和反馈的运算放大器组成的有源电路。然而，这样的电路需要电源并且不仅产生噪声而且产生热量。由US专利文献2,649,574已知用于较低频率的无源回转器，其中在铁氧体中用平面霍尔效应替代法拉第旋转。不利地，不仅电流到霍尔效应材料中的输入耦合而且霍尔电压的量取通过高的接触电阻被妨碍，这影响回转器的效率。因此，在德国专利申请102013006377.9中追求方案：将霍尔效应材料电感性地与外界耦合，以便使用霍尔效应并且同时避免通过接触电阻引起的损耗。然而由于复杂的、非平坦的几何形状，制造是昂贵的，并且电感性耦合要求对于低的运行频率高渗透性的磁性材料。
技术实现思路
任务和解决方案因此本专利技术的任务是，提供回转器，所述回转器在1-100MHz数量级中的低频的情况下比按照至今的现有技术的回转器更高效地工作。所述任务按照本专利技术通过按照独立权利要求所述的回转器被解决。其他的有利的扩展方案由对此回引的从属权利要求得出。专利技术主题在本专利技术的范围内开发了用于交变电流信号的回转器。所述回转器包括霍尔效应材料、用于用与霍尔效应材料的平面或者表面垂直的磁场通过所述霍尔效应材料的装置、至少一个用于将交变电流（I1；I2）输入耦合到霍尔效应材料中的输入端口以及至少一个用于将输出电压（U2；U1）输出耦合的输出端口，所述输出电压是用于通过输入耦合的交变电流所产生的霍尔电压的量度。所述端口中的每个均具有至少两个端子，所述端子与外界连接。霍尔效应材料可以例如是砷化镓异质结构、导电的单覆层/单层、诸如图形（Graphen）或者其他的在两个维度中导电的材料。所述材料在两个维度中的形状可以尤其是圆形的或者将近圆形的，其中所述材料在两个维度中是导电的。但是原则上所述形状不受到限制。理想地在以下意义上应当涉及拓扑体，即在其上在空间维度中对于输入电流存在定义的电流方向，并且在其他的对此理想地垂直的空间维度中可以发生通过霍尔效应引起的电荷分离。按照本专利技术，每个端口的至少一个端子与连接电极连接，所述连接电极与霍尔效应材料电绝缘，并且与霍尔效应材料构成电容器。因此，交变电流电容性地被输入耦合到霍尔效应材料中，并且输出电压电容性地从霍尔效应材料中被输出耦合。有利地，电容器具有至少300aF的电容，优选地至少1fF的电容。只要端口的仅一个端子与连接电极连接，那么用于确定用于输入电流或者用于输出电压的基准点的其他的端子可以例如在霍尔效应材料之外与定义的电势连接。只要从两个或更多个端口中分别仅一个端子与连接电极连接，那么尤其不与连接电极连接的所有的端子可以在霍尔效应材料之外与定义的相同电势连接。于是，所述端子可选地也可以彼此连接。连接电极和霍尔效应材料之间的绝缘可以例如是真空、气隙或者施加在霍尔效应材料上的或者围绕霍尔效应材料安置的绝缘层。霍尔效应材料也可以完全地被浇铸在绝缘材料中。连接电极可以由金属、掺杂的半导体或者不具有大的霍尔效应的其他的导电材料组成。端子和连接电极之间的以及端子和外界之间的连接可以通过传统的导线实现。已经认识到，在按照现有技术霍尔效应材料与输入端口和输出端口电流耦合情况下，连接电极与霍尔效应材料的直接接触预先给定边界条件，所述边界条件强制在霍尔效应材料之内对于效率不利的局部电势分布。导电的连接电极将在整个区域中的局部电势强制到共同的值，其中所述连接电极（sie）直接地施加在霍尔效应材料上。所述强制在连接电极的边缘处突然终止。在所述边缘区域中，在霍尔效应材料中的电势做不连续的跳跃。即使霍尔效应材料本身是完美的并且具有几乎90度的霍尔角度，局部能量在所述跳跃的范围内被消散。通过按照本专利技术连接电极和霍尔效应材料作为电容器的板起作用，在所述两个板之一上存在的电荷感应在其他板上的相应的极化电荷。这按照静电学的通常的规则发生，据此在一个板上存在的电荷对其他板的影响通过连续的函数与距所述电荷的间隔有关。因此，连接电极对于在霍尔效应材料中的电势分布预先给定的边界条件不是一开始就连续的。在电势跳跃的范围内“热点（hotspots）”的出现因此可以有利地被减少或者甚至完全地被阻止，其中在所述热点处能量被消散。这在本专利技术的在一种特别有利的扩展方案中尤其适用，其中电容器对于在霍尔效应材料中电势的空间分布预先给定边界条件，所述边界条件允许在霍尔效应材料的区域中的连续的电势变化过程，所述区域直接地与连接电极的边缘相对。即使输入端口的两个端子中的仅一个与连接电极（输入电极）连接，所述连接电极与霍尔效应材料构成电容器，在输入端口处所提供的交变电流也已经可以被输入耦合到处于未定义的“浮动（floating）”电势上的霍尔效应材料中。所述交变电流周期性地对由输入电极和霍尔效应材料构成的电容器充电和放电。在霍尔效应材料中，通过电流形成电动力，所述电动力导致电荷分离并且因此导致与电流方向和与磁场垂直的霍尔电压的构成。这种电荷迁移也对与属于输出端口的连接电极（输出电极）相对的区域产生影响。在所述输出电极上，相应的极化电荷被感应，使得其电势被改变。这可以在输出端口作为输出电压被测量，所述输出电压与输入电流同相。对此，如果输出端口的其他的端子与霍尔效应材料之外的适当的基准点连接，那么输出电极就已经足够了。如果输入端口和输出端口被交换，那么输出电压的符号相反，使得所述输出电压与输入电流反相。有利地，输入端口的两个端子与各一个连接电极（输入电极）连接，其中两个输入电极与霍尔效应材料电绝缘，并且与霍尔效应材料分别构成电容器。于是，两个输入电极之间的交变电流可以通过霍尔效应材料被驱动。由此，电流通过霍尔效应材料获得定义的方向，所述定义的方向又确定电荷分离发生的方向。有利地，输出端口的两个端子与各一个连接电极（输出电极）连接，其中两个输出电极与霍尔效应材料电绝缘，并且与霍尔效应材料分别构成电容器。于是，输出端口的两个端子之间的输出电压对应于在霍尔效应材料中的电压，所述电压降落（abfallen）在两个输出电极之间。所述输出电压无外部基准点并且因此是更有效力的。在本专利技术的一种特别有利的实施方式中，两种措本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于交变电流信号的回转器，包括霍尔效应材料、用于用与所述霍尔效应材料的平面或者表面垂直的磁场通过所述霍尔效应材料的装置、至少一个用于将交变电流（I1;I2）输入耦合到霍尔效应材料中的输入端口以及至少一个用于将输出电压（U2；U1）输出耦合的输出端口，所述输出电压（U2；U1）是通过输入耦合的交变电流产生的霍尔电压的量度，其中每个端口均具有至少两个端子，所述端子与外界连接，其特征在于，每个端口的至少一个端子与连接电极连接，所述连接电极与霍尔效应材料电绝缘并且与霍尔效应材料构成电容器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.29 DE 102013018011.21.用于交变电流信号的回转器，包括霍尔效应材料、用于用与所述霍尔效应材料的平面或者表面垂直的磁场通过所述霍尔效应材料的装置、至少一个用于将交变电流（I1;I2）输入耦合到霍尔效应材料中的输入端口以及至少一个用于将输出电压（U2；U1）输出耦合的输出端口，所述输出电压（U2；U1）是通过输入耦合的交变电流产生的霍尔电压的量度，其中每个端口均具有至少两个端子，所述端子与外界连接，其特征在于，每个端口的至少一个端子与连接电极连接，所述连接电极与霍尔效应材料电绝缘并且与霍尔效应材料构成电容器。2.按照权利要求1所述的回转器，其特征在于，所述电容器预先给定在霍尔效应材料中电势的空间分布的边界条件，所述边界条件允许在霍尔效应材料的区域中的连续的电势变化过程，所述区域与连接电极的边缘直接地相对。3.按照权利要求1至2之一所述的回转器，其特征在于，输入端口的两个端子与各一个连接电极连接，其中所述两个连接电极与霍尔效应材料电绝缘，并且与所述霍尔效应材料分别构成电容器。4.按照权利要求1至3之一所述的回转器，其特征在于，输出端口的两个端子与各一个连接电极连接，其中所述两个连接电极与霍尔效应材料电绝缘，并且与霍尔效应材料分别构成电容器。5.按照权利要求1至4之一所述的回转器，其特征在于，霍尔效应材料在至少两个空间维度中具有这样的扩展，使得所述霍尔效应材料沿着所述空间维度中的每个均包含至少一百万个在两个空间维度中移动的电子。6.按照权利要求1至5之一所述的回转器，其特征在于，霍尔效应材料在至少两个空间维度中具有至少100nm、优选地至少500nm和完全特别优选地至少1μm的扩展。7.按照权利要求1至6之一所述的回转器，其特征在于，沿着霍尔效应材料的外周所测量的每单位长度的局部电容在连接电极的边缘区域中比在连接电极的其余的...

【专利技术属性】
技术研发人员：D迪文申佐，G维奥拉，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE