专利名称：微细磁性元件及其电化学制造方法
技术领域：
本发明的微细磁性元件及其电化学制造方法，属于电铸制造领域。
背景技术：
微机电系统(Micro Electromechanical System，简称MEMS)是世界科学的主要研究热点。微细制造技术是MEMS技术的基础和核心，是生成MEMS产品的关键技术。随着MEMS技术的发展，对磁性材料微执行器的需求增多，如微型磁力泵、微型磁力阀、微型磁力继电器等。对这些微型磁性元件的主要要求之一就是要有大的磁能积，这样，才能以很小的尺寸元件完成要求的动作。
电化学沉积、复合电化学沉积、化学沉积及复合化学沉积是制造微型磁性元件的重要技术，已成功制备了多个微型磁执行器。其中，复合沉积(复合电化学沉积和复合电化学沉积)是制造微型高磁能积执行器的最有效方法，其制造原理是在普通沉积溶液中加入具有非常高磁能积的强磁性粒子(如钡铁氧体)，沉积时沉积层是由金属原子和强磁性粒子组成的复合沉积层，这样的复合沉积层能够提高沉积层的磁能积。通常来讲，复合沉积层的最大磁能积大于对应纯金属沉积层的最大沉积层。复合沉积层的磁能积与复合沉积层中的强磁性粒子重量百分比成正比，重量百分比越高，复合沉积层磁能积越大。微型元件的磁能积越大，能够产生的磁力矩越大，微型元件的性能越好。
复合沉积时强磁性粒的进入沉积层的具体过程如下电解液中的强磁性粒子在搅拌机械力的作用下向阴极方向运动，当运动到阴极附近的双电层时，强磁性粒子电泳运动到阴极表面，还原的金属原子将强磁性粒子嵌在沉积层中，这样就获得了复合沉积层。但是由于强磁性粒子最初是通过搅拌的机械力到达阴极双电层的，所以数量有限，直接限制了复合沉积层中强磁性粒子的重量百分比。目前的复合沉积制造技术无法制造具有很高磁性粒子重量百分比的复合沉积层，这限制了微型磁性元件的磁能积和磁力矩的大小。另外，微型磁性元机械力件都是微型元件为获得足够大的磁力矩，不得不加大微型元件的尺寸，严重限制了微型磁性元件的使用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高磁能积的微细磁性元件及其电化学制造方法。该微细磁性元件拥有叠层结构，能够显著提高沉积层中强磁性粒子的重量百分比，明显增大微型磁性元件的磁能积和磁力矩，提升微型磁性元件的性能。
一种微细磁性元件，其特征在于该微细磁性元件具有复合层与强磁性粒子层交替形成的叠层结构，且所述的复合层由金属与强磁性粒子组成。这样的叠层结构的强磁性粒子的重量百分比明显高于金属与强磁性粒子复合沉积层中的强磁性粒子的重量百分比，因此具有高的最大磁能积，非常合适作为微细磁性元件的材料。
一种微细磁性元件的电化学制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；(2)、将电铸电源负极与所述掩膜板相连，正极与阳极相连；(3)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；(4)、在掩膜板后方放置一块磁铁；(5)回路周期性导通与断开。
由于在掩膜板后方放置了磁铁，因此可以通过磁力使得电解液中强磁性粒子向掩膜板快速运动，提高复合沉积层中的强磁性粒子重量百分比。当导通时，在电场力和磁力的共同作用下，获得了包含金属与强磁性粒子复合沉积层；断开时，磁力作用下的强磁性粒子在复合沉积层表面形成了强粒子沉积层。再导通，在强磁性粒子沉积层表面覆盖了一层包含金属与强磁性粒子复合沉积层。周期性地导通和断开，就可以获得叠层结构。电解液中的强磁性粒子是具有大磁能积的磁性粒子。例如钡铁氧体和钕铁硼粒子。其中，电源可以是直流电源，也可以是脉冲电流。如果使用脉冲电源，只要调整脉宽与脉间时间，可省去周期性关断接通电源的步骤。
本发明的微细磁性元件拥有独特的叠层结构，这样的结构显著提高了沉积层中强磁性粒子的重量百分比，扩大了微型磁性元件的磁能积，明显增大了微型磁性元件的磁力矩，在输出相同磁力矩的情况下，缩小了磁性元件的尺寸，拓展了微型磁性元件的应用范围。提出的该微细磁性元件的电化学制造方法工艺简单，制造成本低廉。
图1是掩膜板示意图。
图2是叠层结构微细磁性元件的电沉积系统示意图。
图3是沉积结束后掩膜板示意图。
图4是去除掩膜后的微细磁性元件示意图。
图1中标号名称1、光刻胶，2、基板，3、掩膜板。
图2中的标号名称4、磁铁，5、强磁性粒子，6、电解液，7、沉积槽，8、温度探头，9、温度控制器，10、加热管，11、阳极，12、电源。
图3中的标号名称13、微细磁性元件，14、金属与强磁性粒子复合沉积层，15、强磁性粒子沉积层。
具体实施例方式
图1所示的是掩膜板示意图。在基板2上涂覆光刻胶1，经过光刻，形成了图1所示的图形，将这时的基板2与经过光刻后的光刻胶1一体结构称之为掩膜板3。
图2是细磁性元件的电化学沉积系统示意图。该系统由掩膜板3、磁铁4、沉积槽7、温度探头8、温度控制器9、加热管10、阳极11、电源12组成。用掩膜板3作为掩膜，进行电化学沉积。其特点是掩膜板3后面放置了磁铁4，可以加强磁性粒子5向掩膜板3运动的速度，而且运动到掩膜板表面的强磁性粒子在磁性吸引力的作用下很难脱离掩膜板表面。图中磁铁4是置于沉积槽外面的，也可以将磁铁4置于沉积槽里面。下面结合图2及图3，说明本发明方法以电沉积CoNi-BaFeO与BaFeO叠层结构微细磁性元件为例，说明整个制造过程。电解液成分如下CoCl226g/l，NiCl2100g/l，H3BO435g/l和BaFeO粒子。电解液配好后搅拌2小时，将掩膜板3和阳极11放入电解液中，接通电源，开始电沉积，一块磁铁4放置在掩膜板后。电解液中的强磁性粒子BaFeO在磁力的作用下，吸附到掩膜板表面，沉积的NiCo晶粒将强磁性粒子BaFeO埋入沉积层中。沉积到预定厚度后，关断电源，电沉积停止，这时强磁性粒子BaFeO在磁场力的作用下，在沉积层表面形成了一层强磁性粒子BaFeO沉积层。沉积到预定厚度后，接通电源，就可以在BaFeO沉积层表面形成CoNi-BaFeO复合沉积层。周期性地开关电源，就可以获得叠层结构微细磁性元件，当总体达到预定厚度后，就可以取出掩膜板，清洗后去除掩膜，就得到了微型磁性元件。这时元件中BaFeO粒子重量百分比很高，可达50wt％以上，最大磁能积可达15.6kJ/m3。
图3所示的是沉积结束后的掩膜示意图，其中磁性元件13已经生成。
图4所示的是去除光刻胶1后的的掩膜示意图，形成了最后的磁性元件结构13，它可以与基板2一体，也可以与基板2分离，根据具体需求决定。
下面结合图1、图2、图3、图4和图5说明本发明的方法，实施过程依次经过以下几个步骤1、参考图1，在基板2上涂覆光刻胶1，并光刻，形成的结构称为掩膜板3；2.参考图2，沉积槽7中加入掺有磁性粒子5的复合沉积溶液6，加热至设定温度，将掩膜板3放入沉积槽7中掩膜板3后面放置了磁铁4，开始沉积，沉积到设定厚度，停止沉积，取出掩膜板。
3.参考图4和图5，去除掩膜板上的光刻胶1，获得所需叠层结构微细高磁能积磁性元件。
权利要求
1.一种微细磁性元件，其特征在于该微细磁性元件具有复合层与强磁性粒子层交替形成的叠层结构，且所述的复合层由金属与强磁性粒子组成。
2.一种微细磁性元件的电化学制造方法，其特征在于包括以下步骤(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；(2)、将电铸电源负极与所述掩膜板相连，正极与阳极相连；(3)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；(4)、在掩膜板后方放置一块磁铁；(5)、控制电铸回路有规律的导通和断开，使掩膜板上形成叠层结构的沉积层，即通电，形成了包含金属与强磁性粒子的复合沉积层；断电，形成了强磁性粒子沉积层。
3.根据权利要求2所述的微细磁性元件的电化学制造方法，其特征在于使用脉冲电源作为电解电源，调整脉宽与脉间时间以实现电铸回路有规律的导通和断开。
全文摘要
本发明涉及一种微细磁性元件及其电化学制造方法，属于电铸制造领域。本发明的微细磁性元件特征在于具有复合层与强磁性粒子层交替形成的叠层结构，且所述的复合层由金属与强磁性粒子组成。这样，显著提高磁性元件的最大磁能积，并且，在具有高最大磁能积的同时，显著降低磁性元件的尺寸。本发明的微细磁性元件的电化学制造方法，包括以下步骤(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；(2)、将电铸电源负极与所述掩膜板相连，正极与阳极相连；(3)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；(4)、在掩膜板后方放置一块磁铁；(5)、控制电铸回路有规律的导通和断开，使掩膜板上形成叠层结构的沉积层。
文档编号C25D5/18GK1959879SQ20061009672
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月12日 优先权日2006年10月12日
发明者曲宁松, 朱狄, 曾永彬 申请人:南京航空航天大学