一種高調諧率線性可調電感及其制備方法

一種高調諧率線性可調電感及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高調諧率線性可調電感及其制備方法，目的在于，克服現有可調諧電感體積龐大及能耗高不足的問題，具有體積小、效率高的優點，能夠通過電壓調控電感值，所采用的技術方案為：包括多鐵復合材料磁芯，以及繞制或者刻蝕在多鐵復合材料磁芯上的工作線圈，多鐵復合材料磁芯包括相互復合而成的壓電材料和磁性材料，磁性材料包括若干層磁性膜片，所述磁性膜片分別粘合或者生長在壓電材料的上下表面，所述壓電材料包括若干層壓電基片，壓電材料的上下表面均連接有用于施加直流偏壓的導線。
【專利說明】
一種高調諧率線性可調電感及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種可調電感，具體涉及一種高調諧率線性可調電感及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 實現可調電感的方式有多種，包括機械調整式、電流調整式和靜電調整式。機械調 整式利用手動方法調節線圈磁路鐵芯，控制線圈磁阻，調節電感。電流調整式利用鐵芯飽和 原理，控制鐵芯飽和程度，控制線圈磁阻，達到調節電感的目的。專利103413647A電壓調控 的可調電感，通過電壓改變磁性材料磁導率，然后通過鐵芯傳導至線圈。
[0003] 上述調節電感方式存在的不足有：1機械調整式需要人工調節，無法實現自動調 節。2電流調整式中控制回路需要維持一定電流，損耗大，效率低。3靜電式調節方法實質是 利用執行器取代人工調節，專利103413647A通過鐵芯傳導磁導率，使得電感的體積急劇增 大。

【發明內容】

[0004] 為了解決現有技術中的問題，本發明提出一種高調諧率線性可調電感及其制備方 法，能夠克服現有可調諧電感體積龐大及能耗高不足的問題，具有體積小、效率高的優點， 能夠通過電壓調控電感值。
[0005] 為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案為：
[0006] -種高調諧率線性可調電感，包括多鐵復合材料磁芯，以及繞制或者刻蝕在多鐵 復合材料磁芯上的工作線圈，多鐵復合材料磁芯包括相互復合而成的壓電材料和磁性材 料，磁性材料包括若干層磁性膜片，所述磁性膜片分別粘合或者生長在壓電材料的上下表 面，所述壓電材料包括若干層壓電基片，壓電材料的上下表面均連接有用于施加直流偏壓 的導線。
[0007] 所述工作線圈采用利茲線繞制在多鐵復合材料磁芯上。
[0008] 所述工作線圈為漆包線。
[0009] 所述磁性膜片采用磁致伸縮膜片。
[0010] 所述磁性膜片分別粘合或者生長在壓電材料的上下表面形成三明治結構。
[0011]所述壓電材料采用PbMg1/3Nb2/303-PbTi0 3壓電單晶，磁性材料采用非晶磁性材料。
[0012] 所述磁性材料采用FeGaB。
[0013] -種高調諧率線性可調電感的制備方法，包括以下步驟:首先在硅片上通過熱氧 化的方法形成二氧化硅絕緣層，通過濺射、刻蝕、電鍍工藝制得底面和頂面工作線圈；然后 通過物理氣相沉積PVD技術制備磁性材料，并將底面和頂面工作線圈相連;最后通過反應離 子刻蝕除去硅基底，將得到的磁性材料及工作線圈粘接在壓電材料上，即得到高調諧率線 性可調電感。
[0014] -種高調諧率線性可調電感的制備方法，包括以下步驟:首先取壓電基片，并在壓 電基片上下面鍍上電極，然后將磁性膜片粘接在壓電基片上下面上，并將壓電基片的電極 連接導線，制的多鐵復合材料磁芯，最后將工作線圈繞制在多鐵復合材料磁芯上，即得到高 調諧率線性可調電感。
[0015] 所述磁性膜片在真空環境下，通過加熱和加磁場進行磁退火。
[0016] 與現有技術相比，本發明的高調諧率線性可調電感直接將工作線圈繞在多鐵復合 材料磁芯上，而不是通過外加鐵芯來為電感傳導磁場，能夠大大降低渦流損耗和磁滯損耗， 本發明所用的磁芯材料為多鐵復合材料，多鐵復合材料是由磁性材料和壓電材料復合而 成，所有磁性材料和壓電材料均能夠用來構建多鐵復合材料，本發明沒有鐵芯，所以與現有 可調電感相比，具有結構簡單、體積小、易集成等優點，將磁性材料做相應減薄處理，以減小 渦流損耗，提升電感的品質因數。本發明通過改變施加于壓電材料上的直流偏壓，壓電材料 產生機械形變，該形變應力傳遞到磁性材料上。根據逆磁致伸縮效應，在形變應力的作用 下，磁致伸縮塊的磁易軸發生旋轉，有效磁導率改變，從而改變纏繞在多鐵磁芯上線圈的磁 路磁阻，達到調節電感的目的。
[0017]進一步，工作線圈采用利茲線，能夠提高電感的品質因數。
[0018] 本發明的制備方法制備的高調諧率線性可調電感，能夠實現電感的自動調節，電 感的自動調節為連續可調，利用電壓控制電感，克服了利用電流控制電感導致的控制電路 損耗大的不足，器件效率高，器件結構簡單，易集成化，選取導電率小的磁致伸縮材料，或者 對磁致伸縮材料進行減薄處理，能夠提升電感的品質因素。
[0019] 進一步，將磁性膜片在真空環境下，加熱加磁場，可以對磁性膜片磁退火，重新選 擇膜片磁易軸的取向，這將大大提升可調電感的調諧率。
【附圖說明】
[0020] 圖Ia為本發明電感的主視圖，圖Ib為本發明電感的側視圖，圖Ic為本發明電感的 俯視圖；
[0021] 圖2a為本發明電感采用以多層陶瓷電容器結構為模板作為多鐵復合材料磁芯的 結構，圖2b為多層陶瓷電容器的結構圖；
[0022]圖3為本發明集成化的可調電感的截面圖；
[0023]圖4為本發明電感的電壓調控測試結果圖；
[0024]圖5為本發明集成化的可調電感的電壓調控測試結果圖；
[0025] 其中，1-壓電基片、2-磁性膜片、3-工作線圈、2-1-鈦酸鋇陶瓷、2-2-鎳層、4-二氧 化娃絕緣層。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合具體的實施例和說明書附圖對本發明作進一步的解釋說明。
[0027] 參見圖la、圖Ib和圖lc，本發明的電感包括多鐵復合材料磁芯，以及繞制或者刻蝕 在多鐵復合材料磁芯上的工作線圈，多鐵復合材料磁芯包括相互復合而成的壓電材料和磁 性材料，磁性材料包括若干層磁性膜片，磁性膜片分別粘合或者生長在壓電材料的上下表 面，壓電材料包括若干層壓電基片，壓電材料的上下表面均連接有用于施加直流偏壓的導 線。
[0028] 工作線圈直接繞制或蝕刻在多鐵復合材料磁芯上，工作線圈與工作電源連接；多 鐵復合材料磁芯是由壓電材料和磁性材料復合而成，一般是將兩種用粘合劑粘合，或一種 材料生長在另一種材料上。
[0029] 本發明通過改變施加于壓電材料上的直流偏壓，壓電材料產生機械形變，該形變 應力傳遞到磁性材料上。根據逆磁致伸縮效應，在形變應力的作用下，磁性膜片的磁易軸發 生旋轉，有效磁導率改變，從而改變纏繞在多鐵磁芯上線圈的磁路磁阻，達到調節電感的目 的。
[0030] 本發明是基于多鐵復合材料的磁電耦合效應，其物理原理可用如下公式表示：
[0031]
[0032]
[0033]
[0034] 其中，Hrf是有效場，Ha是磁性薄片的本征磁場，Hme是磁電耦合產生的磁場，本征場 和磁電耦合作用產生的場共同構成了有效場。λ是磁致伸縮系數，Y是楊氏模量，drff是壓電 系數，E是施加在壓電材料上的直流偏置電場，M s是磁性薄膜的飽和磁化強度。μ〇表示真空中 的刺刀率，yeff是有效磁導率，t是磁性薄膜的厚度，d是磁芯厚度，N是線圈匝數，A是磁芯橫 截面積，1是線圈長度。直流偏置電場的改變引起壓電材料的形變，形變傳遞到磁性層，磁性 層的形狀發生改變，微觀上磁性層的疇受到擠壓或拉伸，單疇的磁極化方向發生旋轉，宏觀 上磁性層的磁易軸發生了旋轉，導致磁性層有效磁導率發生變化，改變電感值L，達到電場 調控電感的目的。
[0035] 本發明能夠實現電感的自動調節，電感的自動調節為連續可調，利用電壓控制電 感，克服了利用電流控制電感導致的控制電路損耗大的不足，器件效率高，器件結構簡單， 易集成化，可以選取導電率小的磁致伸縮材料，或者對磁致伸縮材料進行減薄處理，提升電 感的品質因素。
[0036] 本發明可調電感包括工作線圈及多鐵復合材料磁芯;特別是電感具有高調諧率、 高品質因數。多鐵復合材料磁芯包括鐵電壓電材料和磁性材料，多鐵復合材料磁芯是由壓 電材料和磁性材料直接粘合得到，或者通過厚膜、薄膜材料制備工藝將一種材料生長在另 一種材料上。
[0037] 改變施加在鐵電壓電材料上的電壓，利用逆壓電效應(或電場調控電疇翻轉），使 鐵電壓電材料發生形變，形變傳遞到磁性材料上，引起磁性材料的形變，由于逆磁致伸縮效 應，磁性材料的有效磁導率發生變化，使多鐵復合材料磁芯的磁通量發生變化，進而調控電 感的電感值，達到電壓調控電感值的目的。為了得到品質因數較高的電感，選取非導體的磁 性材料可以減少渦流損耗;如果選取的磁性材料是導體，一般需將磁性材料進一步減薄處 理來減小渦流損耗。
[0038] 將漆包線繞制在鐵電壓電材料和磁性材料粘合形成的多鐵復合材料磁芯外，構成 工作線圈。特別地，為了提高電感的品質因數，可以用利茲線作為工作線圈；對于通過物理 氣相沉積(PVD)等薄膜技術制備的多鐵復合材料磁芯，首先通過PVD技術沉積一層極薄的銅 作為籽晶層，并且使用光刻技術刻蝕形成電感線圈形狀，通過電鍍加厚銅層，提升可調電感 的性能;最后，將得到的集成磁性電感使用膠水粘到壓電片上，可得到集成可調電感。
[0039] 本發明的制備方法：
[0040] 制備方法一:通過薄膜生長、微細加工等技術制備的集成可調電感。因為FeGaB具 有優異的磁性能，此處以FeGaB為例，講述集成可調電感的制備流程。
[0041] 首先，在硅片上通過熱氧化的方法形成二氧化硅絕緣層，通過濺射、刻蝕、電鍍等 工藝流程制得底面銅線圈。磁性層通過PVD技術制備，以直流濺射Fe 7OGa3O靶材，以射頻濺射 B和Al2O3靶，Al2O3作為隔離層，形成FeGaB/Al 2〇3/FeGaB三明治結構。重復該基本結構可以增 大磁性層厚度以滿足設計需求。然后以相同方法制備上表面的銅線圈，并將上下表面銅線 圈相連。使用反應離子刻蝕除去硅基底，將得到的集成磁性材料用膠水粘到壓電基片上，便 得到了集成化的可調電感。參見圖5,集成化的可調電感的電壓調控測試結果圖，很明顯，集 成化之后的調諧率有明顯的增大。
[0042] 制備方法二：制得的可調電感體積較制備方法一制得的大，但是制備方法二流程 簡單，制作可調電感的成本低，適用于對可調電感體積沒有太高要求、卻對電感性能要求較 高的領域。
[0043] 首先取一片長條形的壓電基片，并在其上下表面鍍上電極。裁剪寬度與壓電片相 同，長度略短于壓電片的磁性膜片。值得一提的是，如果將磁性膜片進行磁退火，重新選擇 膜片磁易軸的取向，這將大大提升可調電感的調諧率。將處理過的磁性膜片用合適的膠水 粘在壓電基片表面。待磁性膜片與壓電片牢固結合，在壓電片電極暴露處粘上導線，用以施 加直流偏壓;并將漆包線纏繞于磁芯上，便制得了可調電感。
[0044] 實施例1
[0045]如圖1所示，多鐵復合材料構成的電壓調控可調電感，可調電感由工作線圈3和多 鐵復合材料磁芯構成。多鐵復合材料的內芯是將兩片磁性膜片2使用粘合劑粘在壓電基片1 的上下表面，形成一個三明治結構，同時在壓電基片的電極上下表面引出導線，用以施加直 流偏壓。工作線圈3直接纏繞在多鐵復合材料磁芯上，可通過調整工作線圈匝數調整電感值 的量級。
[0046]本實施例通過改變施加的直流偏壓，壓電基片1隨著電壓的改變而產生機械形變， 該形變傳遞到磁性膜片2。根據逆磁致伸縮效應，在形變應力的作用下，磁致伸縮膜片的磁 導率發生變化，從而改變工作線圈3的磁路磁阻，達到調節電感的目的。
[0047] 實施例2
[0048] 本實施例與實施例一的區別在于:磁芯中的壓電材料不是實施列1中的單片，而是 將兩片壓電基片粘合在一起，其余結構與實施例一相同。
[0049] 本實施例的基本原理與實施例一相同，兩片壓電基片的粘合，并將磁致伸縮膜片 粘在壓電基片上，然后再將工作線圈纏繞在磁芯上;這樣可以引起更大的形變，大大增加了 可調電感的調諧率，同時對電感的品質因數也略有提升。
[0050] 實施例3
[0051] 本實施例與實施例一、實施例二的區別之處在于:本實施例的磁性膜片不再是單 層的，而是多層;將磁性膜片進行減薄處理，，然后將多個膜片共同粘接到壓電基片上;其余 結構與實施例一相同。
[0052]本實施例的基本原理與實施例一相同，通過將一片較厚的磁性膜片分成幾片較薄 的磁致伸縮膜片，再粘合在一起，粘在壓電片上，然后再將工作線圈纏繞在磁芯上，此種結 構的磁芯，可以大大減小渦流損耗，提升可調電感的品質因數。
[0053] 實施例4
[0054]本實施例與實施例一、二、三的區別之處在于:前幾個實施例的可調電感多鐵磁芯 都是由人工手動粘合而成；而本實施例的多鐵磁芯由陶瓷制備、微細加工等多種工藝結合 來制備的。圖2a是完整的可調電感結構圖，圖2b是可調電感的多層陶瓷電容器，2-1是鈦酸 鋇陶瓷，2-2是鎳層，3是工作線圈。具體實施過程中，通過圖示A、B兩個接線端對多層陶瓷電 容器施加直流偏置電壓，由于磁電耦合作用，鈦酸鋇陶瓷形變引起鎳層的形變，改變鎳層的 有效磁導率，達到調控電感的目的。本實施例證明了本發明所述電壓調控的可調電感的內 芯可以由多種方法生產制備，同時也說明了本發明所述的可調電感可以通過微細加工技術 來實現微型化，集成化。
[0055] 實施例5
[0056] 本實施例介紹集成化可調電感的制備工藝及其特點，主要描述的是通過薄膜生 長、微細加工等技術制備的集成可調電感。因為FeGaB具有優異的磁性能，此處以FeGaB為例 講述集成可調電感的制備流程。
[0057]參見圖3，首先，需要在一片硅片上通過熱氧化的方法形成一層二氧化硅絕緣層4， 通過濺射、刻蝕、電鍍等工藝流程制得底面銅線圈。多鐵層是通過物理氣相沉積技術制備 的，其中，在室溫下，以直流濺射Fe7QGa 3Q靶材，以射頻濺射B和Al2O3靶，形成FeGaB/Al2〇 3/ FeGaB三明治結構。這樣的基本結構重復多次產生足夠的厚度，以滿足設計需求。并且，以相 同方法制備上面銅線圈，并將上下底面銅線圈相連。使用深反應離子刻蝕除去硅基底，將得 到的集成磁性電感使用膠水粘到壓電片上，便得到了集成可調電感。
[0058]本發明的優點為：1、能夠實現電感的自動調節;2、電感的自動調節為連續可調;3、 利用電壓控制電感，克服了利用電流控制電感導致的控制電路損耗大的不足，器件效率高； 4、器件結構簡單，易集成化;5、可以選取導電率小的磁致伸縮材料，或者對磁致伸縮材料進 行減薄處理，提升電感的品質因素。
【主權項】
1. 一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，包括多鐵復合材料磁芯，以及繞制或者刻 蝕在多鐵復合材料磁芯上的工作線圈（3)，多鐵復合材料磁芯包括相互復合而成的壓電材 料和磁性材料，磁性材料包括若干層磁性膜片（2)，所述磁性膜片（2)分別粘合或者生長在 壓電材料的上下表面，所述壓電材料包括若干層壓電基片（1)，壓電材料的上下表面均連接 有用于施加直流偏壓的導線。2. 根據權利要求1所述的一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，所述工作線圈（3) 采用利茲線繞制在多鐵復合材料磁芯上。3. 根據權利要求2所述的一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，所述工作線圈（3) 為漆包線。4. 根據權利要求1所述的一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，所述磁性膜片（2) 采用磁致伸縮膜片。5. 根據權利要求1所述的一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，所述壓電材料采用 鈦酸鋇陶瓷(2-1 )，磁性材料采用鎳層(2-2)。6. 根據權利要求1所述的一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，所述磁性膜片（2) 分別粘合或者生長在壓電材料的上下表面形成三明治結構。7. 根據權利要求6所述的一種高調諧率線性可調電感，其特征在于，所述壓電材料采用 PbMgl/3Nb2/3〇3-PbTi0 3壓電單晶，磁性材料采用非晶磁性材料。8. -種高調諧率線性可調電感的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:首先在硅片上 通過熱氧化的方法形成二氧化硅絕緣層(4)，通過濺射、刻蝕、電鍍工藝制得底面和頂面工 作線圈;然后通過物理氣相沉積技術制備磁性材料，并將底面和頂面工作線圈相連;最后通 過深反應離子刻蝕除去硅基底，將得到的磁性材料粘接或生長在壓電材料上，即得到高調 諧率線性可調電感。9. 一種高調諧率線性可調電感的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:首先取壓電基 片（1)，并在壓電基片上下面鍍上電極，然后將磁性膜片（2)粘接在壓電基片上下面上，并將 壓電基片（1)的電極連接導線，制的多鐵復合材料磁芯，最后將工作線圈（3)繞制在多鐵復 合材料磁芯上，即得到高調諧率線性可調電感。10. 根據權利要求9所述的一種高調諧率線性可調電感的制備方法，其特征在于，所述 磁性膜片(2)在真空環境下，通過加熱和加磁場進行磁退火。
【文檔編號】H01F21/08GK106033691SQ201610585725
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】劉明, 張晨曦, 彭斌, 張易軍
【申請人】西安交通大學