基于霍尔效应的电容性耦合的回转器的制作方法

本发明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）。

背景技术：

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10 2013 006 377.9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。

技术实现要素：

任务和解决方案

因此本发明的任务是，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。

所述任务按照本发明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。

发明主题

在本发明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。

按照本发明，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300 aF的电容，优选地至少1 fF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。

通过按照本发明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（hot spots）”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。

这在本发明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。

在本发明的一种特别有利的实施方式中，两种措施尤其可以被相互组合。于是总计四个连接电极分别与霍尔效应材料构成电容器。于是连接电极中的两个是输入电极，两个是输出电极。

原则上，任意数的端口是可能的，尤其3、5或者6。具有三个端口的回转器能够例如从上述实施例中利用四个连接电极制造，其方式是：输入端子和输出端子彼此导电地连接，并且被理解成第三端口的端子。所述端子可选地也可以接地。具有三个端口的回转器的工作原理在涉及无损耗的“理想”器件的前提下在（J. Shekel, Proceedings of the IRE 41(8), 1014(1953)）中被描述。如果霍尔效应材料的霍尔角度θ几乎为90°，那么按照本发明的回转器可以具有所述理想的特征。

具有3、5或者6个端口的回转器也可以例如被用作环形器。所述端口于是能够按循环的顺序这样地被布置，使得在一个端口处提供的输入电流在该顺序中的下一个端口处能够作为同相的输出电压量取，而在该顺序中的之前的端口处能够作为反相的输出电压被量取。

在本发明的一种特别有利的扩展方案中，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包含至少一百万个在两个空间维度中移动的电子。如果达到该临界极限，那么霍尔效应和因此回转器的效果几乎已经以全强度出现。如果材料的尺寸进一步被放大，那么仅还可获得相对轻微的提高。小的结构比由霍尔效应材料组成的实体、例如片材（Scheibe）在技术上更难完成。对此，对于其制造需要少量的昂贵的霍尔效应材料。

例如，霍尔效应材料可以有利地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。因为具有至少1μm大小的直的结构可以利用在技术上要求不高的衍射极限石版印刷术被制成，所以所述具有至少1μm大小的直的结构提供在材料节省和制造的复杂性之间的特别良好的折衷。

在本发明的一种特别有利的扩展方案中，沿着霍尔效应材料的外周测量的每单位长度的局部电容在连接电极的边界区域中比在连接电极的其余的区域中小，其中所述外周从与输入端口连接的连接电极（输入电极）通向与输出端口连接的连接电极（输出电极）。在霍尔效应材料的电导率σ、单位矢量、运行频率ω、每单位长度的电容c(s)、在霍尔效应材料中的电势V(s)和通过连接电极引起的外部电势V_ext(s)之间，在连接电极的附近存在与外周上的位置s有关的边界条件，其中所述单位矢量相对于霍尔效应材料的表面上的法线倾斜霍尔角度θ：

。

因此对于频率ω的哪个范围可满足所述边界条件取决于c（s）的变化过程。最好地适合于回转器的期望的运行频率ω的范围的c（s）可以例如通过参数优化或者变分计算被测定。

当c（s）足够良性时，即使其具有隔离的有限的跳跃时（例如当电容是逐段地恒定的时），极限情况θ=90°是特别感兴趣的。于是与霍尔效应材料的外周相切地伸展，使得边界条件简化为。所述方程式严格来说不仅提出边界条件，而且同时也是标量变量s的封闭的、通常的微分方程，所述变量s描述沿着霍尔效应材料的周长的一维坐标。对于在霍尔效应材料内部中的电势的解基本上通过在边缘上的解V（s）预先给定。

在齐次（homogenen）情况下，其中外部电势V_ext消失，微分方程在具有与位置有关的质量（Masse）的维度中对应与时间无关的狄拉克方程，所述与位置有关的质量与c(s)成比例。它是具有周期性边界条件的特征值方程，即解沿着霍尔效应材料的周长是连续的。因此V（0）=V（P）必须适用，其中P是周长的长度。解与周长的形状无关，而仅与该周长的长度有关。

现在，必须仅还知道具有与零不同的外部电势V_ext的非齐次情况的特殊解。非齐次情况的所有其他的解由此得出，其方式是：齐次情况的任意解被加到特殊解上。因此，齐次情况的解尤其确定非齐次情况的定性行为。齐次情况的固有频率在非齐次情况下导致极点(Polstelle)，在所述极点中电势分布变得不连续，并且“热点”形成，在所述热点中能量被消散。所述固有频率对应于以下频率，在所述频率情况下电容性耦合的霍尔效应材料显示磁等离子体共振，并且等距地在频谱上分布。

因此，对于霍尔效应材料的所给出的几何形状不存在用于回转器的运行频率ω的最佳范围，而是正相反地在频谱中存在等距地分布的固有频率的“围栏”，在所述固有频率情况下霍尔效应材料具有磁等离子体共振并且回转器因此不最佳地工作。

远离所述固有频率地、也即以与固有频率有间隔地，所述间隔为两个固有频率之间的间隔的至少20%，微分方程的解在以下意义上是非常良性的，即不出现不连续性和因此在霍尔效应材料中不出现消散能量的“热点”。在极限情况下，即霍尔效应材料是具有90°霍尔角度的量子霍尔效应材料，因为两个矢量总是彼此垂直，所以总计消散的焦耳热量作为在霍尔效应材料中的每个位置处的标量乘积的计算得出零。通常，两个矢量之间的角度对应于霍尔角度θ。

对此前提是，c(s)被限制，也即存在沿着霍尔效应材料的从输入电极通向输出电极的外周的c(s)不超过的值。用于微分方程的解的诺伊曼（Neumann）边界条件导致结构相似的解，然而c(s)必须沿着霍尔效应材料的边缘趋于无穷。于是，所述解在边缘处变得是奇异的（singulär），这对应于强电势梯度，并且导致有损耗的“热点”。

有利地，因此沿着霍尔效应材料的外周，由每个连接电极与霍尔效应材料构成的电容器的每单位长度的局部电容受限制，其中所述外周从与输入端口连接的连接电极通向与输出端口连接的连接电极。

每长度的电容c(s)可以例如被改变，其方式是：连接电极与霍尔效应材料的重叠和/或连接电极和霍尔效应材料之间的绝缘的厚度和/或介电常数被改变。但是在本发明的另一特别有利的扩展方案中，所述电容也可以在回转器的运行时间期间被改变。在所述扩展方案中，用于给在至少一个连接电极和霍尔效应材料之间的绝缘区域施加偏置电场的装置被设置，所述偏置电场改变电容在连接电极的区域上的空间分布。于是，电容器有利地包含铁电体或者非线性电介质作为在连接电极和霍尔效应材料之间的绝缘。

在本发明的另一特别有利的扩展方案中，连接电极沿着霍尔效应材料的外周这样地相互布置，使得在相反的方向上沿着所述外周从一个连接电极到相邻的连接电极应分别走过以下路径，所述路径的长度相差不超过10%。连接电极于是均匀地沿着霍尔效应材料的外周分布。如果霍尔效应材料因此例如作为圆环或者圆盘存在，那么在具有两个属于输入端口的输入电极和两个属于输出端口的输出电极、也即总计四个连接电极的回转器的情况下，所述连接电极沿着圆周分别彼此偏移90°。在具有三个连接电极的回转器的情况下，所述连接电极分别彼此偏移120°。这种对称条件越好地被满足，回转器的效率越高。所述条件不仅适用于圆环、圆盘和其他的简单结构，而且完全普遍地适用于霍尔效应材料的完全不规则的和不对称的形状。在本发明的另一有利的扩展方案中，为了重量节省和材料节省的目的，所述结构可以具有孔。在此孔的总面积可以为直至涂有霍尔效应材料的面积的九倍。

在本发明的另一特别有利的扩展方案中，霍尔效应材料的外周至少在部分区域中具有自相似的、尤其不规则碎片形的结构，在所述部分区域中连接电极之一与所述部分区域构成电容器。长度L越大，越低的运行频率ω是可能的。刚好对于在无线电范围和音频范围中的较低频率，至今没有有效的回转器可供使用；本发明应当刚好填补这一空白。自相似的、尤其不规则碎片形的结构是具有最大的长度L同时最小的材料消耗的结构之一，所述结构还可以在拓扑学上被看作物体（Körper），使得在所述结构中通过霍尔效应存在定义的电流方向和用于电荷分离的方向。

同样，为了获得低的运行频率也有利的是，使通过连接电极和霍尔效应材料构成的电容器的电容尽可能地大。对此连接电极可以例如部分地与霍尔效应材料的平的区域重叠，而且要么在一侧要么在双侧分别通过适当的绝缘相间隔地重叠。

代替不规则碎片形结构，其他的强烈地缠绕的结构也可以被使用、例如如对于薄膜电容器的金属电极所使用的叉指结构。

对于具有两个输入电极和两个输出电极的回转器的特例，复数电导的矩阵Y₂通过

给出，其中y_e(ω)是频率ω的偶函数并且y₀(ω)是频率ω的奇函数。σ是霍尔材料的电导率。对于矩阵Y₂(ω)的所述对称形式的必要前提是：通过所有连接电极分别与霍尔效应材料构成的电容器具有相同的电容。因此，在本发明的一种特别有利的扩展方案中，通过所有连接电极分别与霍尔效应材料构成的电容器具有最多彼此相差10%的电容。

只要在连接电极与霍尔效应材料分别构成电容器的区域中，所述电容器的电容至少逐段地是恒定的，之前讨论的一维微分方程在这些段的每个中引向函数

其中W是段的长度，在所述段上，每单位长度的电容c(s)是恒定的，并且c是在该段中的c(s)的恒定的值。

如果y₀(ω)=0，那么Y₂(ω)变成理想回转器的矩阵。所述零点(Nullstellen)周期地在频率中出现，并且分别刚好处于两个磁等离子体共振频率之间的中心。它们是回转器的最优的运行频率。在所述运行频率处，cωW/σ是π的奇数倍数。

回转器的阻抗通过σ的值被调整，并且尤其匹配于外界的设备或者器件，所述设备或者器件连接在端口上。通常致力于提高σ，以便将阻抗引入到用于高频应用的50Ω的标准阻抗附近。

对于具有三个端口的回转器、尤其具有三个连接电极的回转器，复数电导的矩阵Y₃(ω)是

其中

并且星号（*）表示复数共轭值。在三个端口之间的理想的回转效果在频率ω处出现，在所述频率ω处y_d(ω)=0并且同时y_i(ω)是实值的。

对于矩阵Y₃(ω)的对称形式的前提是，三个端口分别与连接电极连接，所述连接电极在总和中与霍尔效应材料构成相同的电容。这能够例如被实现，其方式是：三个端口之一的端子分别与连接电极连接，并且所有三个连接电极与霍尔效应材料构成相同的电容。但是，对于所有三个端口的相同的电容也能够利用四个连接电极实现，所述四个连接电极中的两个分别与霍尔效应材料构成两个其他连接电极的一半的电容。具有一半的电容的两个连接电极于是被彼此连接，并且被分配给相同的端口。

仅霍尔效应材料的外周的、与连接电极构成电容器的部分分别对于回转器的行为是决定性的。在本发明的一种特别有利的扩展方案中，霍尔效应材料因此沿着至少一个外周在所示外周的长度的至少2%、优选地50%至70%之间与至少一个连接电极构成电容器。

在本发明的另一有利的扩展方案中，至少一个连接电极与霍尔效应材料的多个彼此电绝缘的层构成电容器。如果霍尔效应材料作为多个这样的层的堆叠存在、例如以片材的形式存在，那么回转效应、也即输出电压和输入电流之间的比例常数的数值有利地被放大并且电容器的边缘效应被减小。

在本发明的一种特别有利的扩展方案中，霍尔效应材料是量子霍尔效应材料。电荷分离与通过材料的电流方向倾斜的霍尔角度θ于是几乎是90°。这也适用于没有量子霍尔效应的一些霍尔效应材料，诸如砷、锑、铋、α锡（灰锡）、石墨以及掺杂的半导体的薄层。对于许多其他的材料存在温度范围，所述其他的材料在所述温度范围内同样具有所述特性。

在90°的霍尔角度的情况下，在霍尔效应材料的内部中的升高的电势变化过程导致，能量在“热点”处不再被消散。无损耗的、同时还是无源的并且因此不产生附加的噪声的回转器能够特别有利地在低温试验中被使用，其中消散将会导致不期望的加热。无噪声性尤其在利用量子比特（Qubits）的试验中是有利的。但是原则上，在100 MHz之下的无线电和音频频率范围内的所有应用从按照本发明的回转器的可用性中获得好处。

理想地，霍尔效应材料具有霍尔角度θ，所述霍尔角度θ尽可能近地靠近90°，并且此外要求尽可能小的磁场。霍尔特性应当不遭受（leiden）用于制造制成的器件回转器的其他处理步骤。如果霍尔效应材料可容易地结构化并且可机械加工，并且如果由所述材料组成的多个层可以容易地被并联来放大电容器的电容，那么是有利的。

沿着霍尔效应材料的外周的边界条件的推导以以下为出发点，即在霍尔效应材料的内部中电流密度矢量至少与电场局部线性地成比例：

，

其中回转器的行为利用所述边界条件被研究。

其中是霍尔效应材料的平面中的二维位置矢量。σ是电导率，所述电导率在两个维度中具有单位安培每伏特。R_θ是运算子，所述运算子将矢量围绕轴旋转角度θ，所述轴与磁场平行并且垂直于平面，其中用所述磁场通过霍尔效应材料，在所述平面中二维电子气是可移动的。是所述平面中的任意的单位矢量。是电势场的梯度。在感兴趣的低频中静电学的定律足以描述霍尔效应材料内部中的场。因此，V满足拉普拉斯方程

。

按照本发明所设置的电容性连接电极沿着霍尔效应材料的外周引入每单位长度的局部电容作为所述外周上的位置的函数。在连接电极的区域中是有限的；在连接电极之间的空隙中下降为零。在电容器的电容C和存储在所述电容器上的电荷Q之间通常存在关系

。

时间导数通向电流密度的表达式：

。

利用开头列出的用于电流密度的表达式，在假设具有角频率ω的V_ext以及V与时间以正弦方式有关下得出描述按照本发明的回转器的行为的中央边界条件。所述回转器的正常运转因此已经由静电学的基本定律得出。

具体实施方式

以下，根据图阐述本发明的主题，而不由此限制本发明的主题。其中：

图1示出按照本发明的回转器的一种简单的实施方式。霍尔效应材料H这里作为圆盘存在。四个金属的连接电极沿着所述圆盘的周长分别彼此偏移90°地布置，所述连接电极与霍尔效应材料H分别构成电容器。经由两个相对的输入电极C_1A和C_1B，交变电流I_H通过霍尔效应材料被驱动。通过霍尔效应，垂直于电流方向的霍尔电场E_H通过与垂直于图面的磁场相结合的霍尔效应产生。所述霍尔电场导致在场方向上的电荷分离。在相对的输出电极C_2A和C_2B上，相应的极化电荷被感应，使得在所述两个输出电极之间构造电势差。所述电势差可以作为输出电压U₂被量取。输出电压U₂与输入电流I₁同相。

如果在输出电极C_2A和C_2B之间的电流I₂通过霍尔效应材料H被驱动，那么以类似的方式在输入电极C_1A和C_1B之间形成输出电压U₁，但是具有相反的符号。也即输出电压U₁与输入电流I₂反相。

图2以侧视图图解在连接电极C和霍尔效应材料H之间所构成的电容器的电容在回转器的运行时间期间的局部的影响。连接电极C通过电介质D相对霍尔效应材料H绝缘。所述电介质D是铁电体或者非线性电介质，使得其介电常数ε与其内部中的电场E有关，ε=ε（E）。现在通过电压源S对两个辅助电极F₁和F₂馈电，在所述两个辅助电极之间建立可变的电场。利用所述场，在电介质D内部中的ε可以被调整到期望的值。

图3示出按照本发明的回转器的一种实施例，其中霍尔效应材料H具有不规则碎片形结构。在利用线条和点交替地包围的区域中，完全地由（在图3中未画入的）电介质包围的霍尔效应材料H类似于图1地与四个连接电极C_1A、C_1B、C_2A和C_2B分别构成电容器。不规则碎片形形状延长霍尔效应材料的外周，而所述霍尔效应材料总计不需要更多的空间。这是具有对于外周的每单位长度霍尔效应材料的最小消耗的形状。

图4示出按照本发明的回转器的另一实施例，其中霍尔效应材料H具有不规则碎片形结构。所述材料由很多小六边形构成，其中所述六边形之间的累接阻抗被忽略。在用虚线包围的区域中，霍尔效应材料H与三个连接电极C₁、C₂和C₃分别构成电容器。在沿着霍尔效应材料H的外周的两个相反的方向上，从一个连接电极到两个其他（相邻的）连接电极的路径分别相等；因此例如从C₂朝向C₁与从C₂朝向C₃是完全一样远的。在霍尔效应材料H的结构中的孔减少材料消耗，但是所述材料一如既往是完全拓扑体。