CN101012567A - 叠层结构高磁能积微细电化学制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种叠层结构高磁能积微细电化学制造方法，属于微细电铸制造领域。该方法包括以下步骤：(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，控制磁铁距阴极的距离，从而产生脉动磁场；(5)控制电铸回路有规律的导通和断开和磁铁距阴极的距离，使掩膜板上形成叠层结构的沉积层，即：使阴阳极间的电源导通，且使磁铁与阴极距离最近，来沉积复合层；使阴阳极间的电源断开，且使磁铁远离阴极，来沉积强磁粒子层。利用该方法制造的磁性元件具有高磁能积、高强度的优点。
Description
技术领域
本发明的叠层结构高磁能积微细电化学制造方法，属于微细电铸制造领域。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)是二十世纪最重要的科学技术进展之一，也是当今科学研究的热点。微细制造技术是微机电系统的基础和核心。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。如申请号为cn200610085369.9的中国专利申请，公开了一种利用磁铁，通过磁力线作用增加沉积层强磁性粒子的方法。该方法有效的增加了元件的磁能积，具有较好的效果。然而，该方法仍然具有局限性：由于仅采用复合沉积层，强磁性粒子在整个沉积层中的含量不足够高，为获得足够的输出力矩不得不增大磁性执行元件的尺寸。而采用本发明的工艺方法可以缩小磁性执行元件的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高磁能积、高强度的微细磁性元件的电化学制造工艺。
一种叠层结构高磁能积微细电化学制造方法，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，控制磁铁距阴极的距离，从而产生脉动磁场；(5)、控制电铸回路有规律的导通和断开和磁铁距阴极的距离，使掩膜板上形成叠层结构的沉积层，即：使阴阳极间的电源导通，且使磁铁与阴极距离最近，来沉积复合层；
使阴阳极间的电源断开，且使磁铁远离阴极，来沉积强磁粒子层。
由于在掩膜板后方放置了磁铁，磁铁距掩模板的距离可控，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，磁铁距阴极掩模板的距离近，在掩模板附近产生的磁场强，这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，磁铁距阴极掩模板的距离远，在掩模板附近产生的磁场弱，磁力作用下的强磁性粒子在复合沉积层表面形成了强磁性粒子沉积层。磁铁再运动到先前沉积复合层时的位置，导通电源，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。
本方法制造的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。在沉积复合层时，由于磁铁与掩模板距离近，在掩模板附近产生磁场强度高，可以提高强磁性粒子在复合层的比例；在沉积强磁性粒子层时，磁铁与掩模板距离远，在掩模板附近产生磁场弱，可以很好的控制强磁性粒子层的厚度，在增加强磁性粒子比例的同时兼顾好复合层和强磁性粒子层的结合力。微磁性执行元件的尺度通常很小，磁性沉积层的厚度相应也较小且对尺寸有严格要求。如果采用静态强磁场，电铸第一层复合层后，断电开始沉积强磁性粒子层，这个过程结束后形成的强粒子层厚度非常大，超出了磁性执行元件要求的厚度，无法进行后续的复合沉积步骤，致使沉积层因结合力不好而出现脱落的现象。如果采用静态弱磁场，则电铸复合层中强磁性粒子含量不高，导致整个磁性沉积层的最大磁能积不大，很难满足高性能磁性执行元件的要求。
这种强弱交替的脉动磁场通过距离远近来实现，工艺简单，成本低廉。
附图说明
图1是掩模板示意图。
图2是微细磁性元件的电沉积系统示意图。
图3是沉积结束后掩模板示意图。
图4是去除掩模后的微细磁性元件示意图。
图1中标号名称：1、光敏材料，2、衬底，3、掩模板。
图2中标号名称：3、掩模板，4、电机，5、导轨，6、丝杠，7、螺母，8、磁铁夹具，9、磁铁，10、沉积槽，11、电源，12、阳极，13、加热器，14、温控仪，15、温度传感器，16、强磁性粒子，17、电解液。
图3中标号名称：18、微细磁性元件，19、金属与强磁性粒子复合沉积层，20、强磁性粒子沉积层。
具体实施方式
图1是掩模板示意图，其制作过程简述如下：在衬底2上涂覆光敏材料1，经过光刻，形成了图1所示图形，这时将衬底2与经过光刻后的光敏材料1形成的一体结构称之为掩模板3。
图2是微细磁性元件的电沉积系统示意图。该系统由掩模板3、电机4、导轨5、丝杠6、螺母7、磁铁夹具8、磁铁9、沉积槽10、电源11、阳极12、加热器13、温控仪14、温度传感器15、强磁性粒子16、电解液17组成。其特点是由电机4、导轨5、丝杠6、螺母7、磁铁夹具8、磁铁9组成的磁铁运动机构，可以根据需要调整磁铁9距阴极掩模板3的距离，从而在掩模板3附近产生强弱交替的磁场。该磁场可以加强磁性粒子16向掩模板3的运动速度，而且运动到掩模板表面的强磁性粒子在磁性吸引力的作用下很难脱离掩模板表面。当磁铁9距阴极掩模板3的距离近时，在掩模板3附近产生的磁场强，用于沉积复合层19；当磁铁9距阴极掩模板10的距离远时，在掩模板3附近产生的磁场弱，用于沉积强磁性粒子层20。
图3是沉积结束后掩模板示意图，其中磁性元件18已经生成。
图4是去除掩模后的微细磁性元件示意图，形成了最后的磁性
元件结构18，它可以与衬底2一体，也可以与基板2分离，根据具体要求决定。
下面结合图1、图2、图3和图4说明本发明的具体实施过程：
(1)参考图1，在衬底2上涂覆光敏材料1，并光刻，形成掩模板3；
(2)参考图2，沉积槽10中加入掺有磁性粒子16的复合沉积液17，用加热器13、温控仪14、温度传感器15组成的温控系统控制溶液温度，将掩模板3放入沉积槽10中，掩模板3的后方放置了磁铁9，开始沉积，具体的沉积过程以沉积CoNi-BaFeO叠层结构微细磁性元件为例：
电解液成分如下：CoC12 26g/l，NiC12 100g/l，H3BO4 35g/l和BaFeO粒子。电解液配好后搅拌2小时，将掩膜板3和阳极12放入电解液中，接通电源，开始电沉积，一块磁铁9放置在掩膜板后，电机4驱动导轨5、丝杠6、螺母7及磁铁夹具8使磁铁9紧贴(或留一定距离)沉积槽10壁，在掩模板3附近产生较强的磁场，然后接通电源，开始电沉积。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，这时电机4驱动导轨5、丝杠6、螺母7及磁铁夹具8使磁铁9远离沉积槽10壁面，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。周期性移动磁铁9与沉积槽10壁的距离和电源的通断，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。
(3)参考图3和图4，去除掩模板上的光敏材料1，获得所需叠层结构微细高磁能积磁性元件。
Claims (1)
1、一种叠层结构高磁能积微细电化学制造方法，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，控制磁铁距阴极的距离，从而产胜脉动磁场；
(5)、控制电铸回路有规律的导通和断开和磁铁距阴极的距离，使掩膜板上形成叠层结构的沉积层，即：使阴阳极间的电源导通，且使磁铁与阴极距离最近，来沉积复合层；使阴阳极间的电源断开，且使磁铁远离阴极，来沉积强磁粒子层。
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| CN 200610161537 CN101012567A (zh) | 2006-12-27 | 2006-12-27 | 叠层结构高磁能积微细电化学制造方法 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103114312A (zh) * | 2013-02-26 | 2013-05-22 | 青岛理工大学 | 电铸层厚度可智能化控制的电铸机 |
| CN103526236A (zh) * | 2013-10-08 | 2014-01-22 | 南京航空航天大学 | 提高金属-陶瓷复合电铸材料中陶瓷微粒含量的方法 |
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2006
- 2006-12-27 CN CN 200610161537 patent/CN101012567A/zh active Pending
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