CN104599826B - 一种可实现三态非易失性调制的电感及其调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种三态非易失性电压脉冲调制的电感及其实现三种不同电感量的调制方法，属于电子器件技术领域。可实现三态非易失性调制的电感包括含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片、金属电极、非晶软磁合金带材磁性薄膜和漆包线，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过对多晶PZT陶瓷基片进行受主掺杂后，再经过极化和老化处理得到。通过对PZT基片的上下电极施加电压脉冲，在去掉外电压后，可在非晶软磁合金带材磁性薄膜中产生三种非易失性的转变状态，从而实现电感量的调控。该调控方法操作简单，性能优良，能耗低，在各种需要通过电感实现的滤波、调谐、阻抗匹配等功能电子电路系统中有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种可实现三态非易失性电压脉冲调制的电感及其制备方法，所述可调制的电感在小型化、低功耗和可调谐的电子整机系统中有广泛的应用前景。
背景技术
电感作为三大基础无源电子元器件之一，在现代电子电路系统中发挥着重要的作用。随着电子科技的不断发展，广泛应用于航空航天、电力电子、电压控制的振荡器、滤波器、阻抗匹配网络等领域的电感需要具有一定的感量可调性，以满足电子整机系统向小型化、低功耗、多功能和高性能等方向的发展需要。
目前调控电感的方法主要有以下几类：离散型、金属屏蔽型、磁芯调节型和线圈耦合型。离散型可调电感通过集成开关或继电器来增加或者减少线圈的有效长度从而实现电感的调节，但是，该方法制备过程复杂；金属屏蔽型是依靠移动的金属板来屏蔽磁力线，缺点是对金属板的控制过于复杂，不利于实现小型化；磁芯调节型是靠改变磁芯的磁导率来实现电感的调节，这种方法由于器件的整体结构不动，易于集成，但缺点是依靠电流来调节电感，功耗较高。除了采用电流调节，也可以采用外加磁场调节，但外加磁场调节不适于单个微型器件的调控，而且磁场的产生往往需要电流的转换，同样存在着功耗高的问题。线圈耦合型主要通过主线圈和次线圈的互感变化来调节电感，但电感调控范围较小，功耗高，不利于实现小型化。
近年来，多铁性异质结的出现，实现了电压对磁性薄膜磁矩的电压调控，为实现可调电感提供了新的思路。多铁性异质结是在具有压电效应的单晶PMN-PT/PZN-PT基片或多晶的PZT基片上，通过镀膜或粘接的方式附上磁性薄膜材料得到。多铁性异质结对磁性薄膜的磁矩取向的调制主要是利用压电基片的逆压电效应(给压电基片施加电压，会在基片面内产生应变和应力)和磁性薄膜的逆磁致伸缩效应(当磁性薄膜受到应力的作用时，会产生一个应力各向异性能，该能量会使得磁性薄膜中的磁矩偏向应力各向异性能所决定的易磁化方向)。多铁性异质结对磁性薄膜磁矩取向的调控只需施加电压，能耗较低；其体积和质量也较小，便于实现小型化和集成化的电压调控的磁性器件。美国东北大学的J.Lou等人(Electrostratically tunable magnetoelectric inductors with large inductancetunability,Appl.Phys.Lett.,94,112508,2009)将多铁异质结引入到可调电感的设计与研制中，他们将两层非晶软磁合金带材粘贴在PZT陶瓷基片的两面做出异质结，然后在异质结上绕制线圈。当给PZT施加电压时，PZT产生的应变会使非晶软磁合金带材的磁导率受应力影响而下降，从而导致整体电感量的下降，最大和最小的电感量达到4倍以上的差异。但是，这种电感量的调控方式必须通过对多铁异质结持续施加电压才可实现，去掉外加电压后，对电感量的调制效果也会相应的消失，因此需要持续耗能才能保持电感量的调制效果。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种三态非易失性电压脉冲调制的电感及其实现三种不同电感量的调制方法，该非易失性可调电感具有操作简单、性能优良、能耗低、可实现非易失性调控、利于实现小型化等优势，在各种需要通过电感实现的滤波、调谐、阻抗匹配等功能电子电路系统中有广阔的应用前景。
本发明的技术方案如下：
一种可实现三态非易失性调制的电感，包括多晶PZT陶瓷基片、金属电极、非晶软磁合金带材和漆包线，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片为含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过对多晶PZT陶瓷基片进行受主掺杂后，再经过极化和老化处理后得到。
进一步地，所述多晶PZT陶瓷基片的两面抛光后镀上金属电极，在其中一面的金属电极上采用树脂胶粘接具有磁致伸缩特性的非晶软磁合金带材，形成多铁异质结，然后在所述多铁异质结上缠绕多匝漆包线作为电感绕组，所述两层金属电极为多铁异质结的两电极。
进一步地，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过在制备PZT陶瓷过程中进行受主掺杂，在陶瓷内部产生氧空位，氧空位与掺杂离子形成缺陷偶极子，然后经过极化和老化处理得到的。
进一步地，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片的厚度为0.25mm～1mm。
进一步地，所述非晶软磁合金带材为长条形，其长度比宽度大3倍以上。所述非晶软磁合金带材的厚度为10～200μm，且具有良好的磁致伸缩特性和高磁导率(磁导率一般在10000以上，以获得更好的电感调控效果)。
进一步地，所述多晶PZT陶瓷基片的两面镀的金属电极的厚度为20～500nm。厚度太薄导电效果不佳，厚度太厚则会衰减残余应变的传导。
进一步地，粘接PZT基片与非晶软磁合金带材的胶水在确保粘接牢固的同时，其厚度应尽可能的薄，以降低胶水层对应变/应力传递的衰减。
进一步地，多晶PZT陶瓷基片上没有粘贴非晶软磁合金带材的金属电极也可为采用涂覆导电银胶的方式制备的银胶电极，所述导电银胶为市售的低温固化银胶，要求固化后有良好的导电性和粘结性，可实现常温固化或100℃以下的低温固化，以防止在高温固化银胶时影响基片的极化效果。
一种非易失性电压脉冲调控上述电感的电感量的方法，其特征在于，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的矫顽电场为Ec，当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的正向电压(当外加电压与PZT极化方向一致时，为正向电压)，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时异质结所处状态为A状态；当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的反向电压(当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异质结所处状态为B状态；当在所述多铁异质结的两电极间先施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒钟以上，去掉外加电压，然后再施加90％～95％Ec的正向电压，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异质结所处状态为C状态。这样，含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片中会产生三种不同的残余应变状态，通过逆磁致伸缩效应，对其上粘接的具有磁致伸缩特性的非晶软磁合金带材的磁矩取向产生了三种不同的调控效果。在A状态下，残余应变使得非晶带材中磁矩向PZT的短边方向偏转，导致在长边的有效磁导率(电感中磁通通过的方向)显著下降，因此电感量最小；在B状态，残余应变比A状态的残余应变小很多，此时电感器的电感量会明显升高；在C状态时，残余应变为正，非晶带材中磁矩更倾向于向PZT的长边方向偏转，导致在长边的有效磁导率上升，相应电感器的电感量也上升。所述A、B、C三种状态下电感器的感量区别明显，且可以在外加电压去掉时稳定保持。
需要说明的是：
1)其中A和B两种残余应变以及感量调控的状态只需要把外加电压分别加到正的2Ec以上并持续10秒以上，再退到零(A状态)，以及加到负的2Ec以上，持续10秒以上，再退到零(B状态)就可以实现，而C这种残余应变及感量调控状态则需要先给异质结先施加一个负的2Ec以上电压持续10秒以上，并退到零，然后再施加一个约为90％～95％Ec的正向电压，并持续10秒钟以上后，再去掉外电压后才能实现。
2)所述多铁异质结上的非晶软磁合金带材最好具有尽量大的磁致伸缩系数和尽量高的磁导率，这样三种状态下的电感量的差异更明显。
3)多晶PZT陶瓷基片中缺陷偶极子数量越多，残余应变越大，对感量的非易失调控效果更好。但引入缺陷过多，会使多晶PZT陶瓷基片整体的压电性能降低，矫顽电场和损耗增大，因此引入的缺陷偶极子的数量应酌情优化。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过施加三种不同的电压脉冲可调节电感器的感量，使电感器实现三种不同的感量，且三种状态的感量差异非常明显。
2、本发明采用电压脉冲调控，且去掉电压后仍然可保留调控效果，因此是一种非易失性的调控方式，节约能源。
3、本发明的非易失性可调电感的结构简单、体积小、重量轻，能有效适应小型化轻量化电子整机系统发展的需求。
附图说明
图1为本发明提出的非易失性可调电感的结构示意图。
图2为本发明电感采用的含缺陷偶极子的多晶PZT基片中产生的非对称“蝴蝶曲线”，其中，电压正负循环两次。
图3为本发明多晶PZT基片中三种残余应变状态产生的示意图。
图4为本发明三种非易失的残余应变状态下，对电感器感量的调控效果。
具体实施方式
一种可实现三态非易失性调制的电感，包括多晶PZT陶瓷基片、金属电极、非晶软磁合金带材和漆包线，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片为含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过在制备PZT陶瓷过程中进行受主掺杂，在陶瓷内部产生氧空位，氧空位与掺杂离子形成缺陷偶极子，然后经过极化和老化处理得到的。
一种可实现三态非易失性电压脉冲调制的电感器，其制备方法及感量调控方法如下：
步骤1：含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片采用从上海硅酸盐研究所定制的压电陶瓷基片，其矫顽电场约为4kV/cm，所述陶瓷基片经抛光切割后外形尺寸为10mm×2mm×0.5mm，用丙酮清洗后备用；
步骤2：在步骤1所述的含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的一面涂覆导电银胶，然后置于烘箱中80℃保温90min固化银胶，所述导电银胶采用购自尤特新材料公司的TY01-80Y型低温固化银胶，所述导电银胶涂覆的厚度约为20μm；
步骤3：采用丙酮清洗上步得到的涂覆有银胶的含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片，将含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的另一面抛光，并镀一层厚度为20nm的金作为电极；
步骤4：在所述金电极上采用502胶水粘接一层厚度为25μm的非晶软磁合金带材(美国Metglas公司的2605SA1)，其尺寸为9mm×3mm，其磁致伸缩系数约为35ppm，即得到多铁异质结；
步骤5：以上述得到的多铁异质结为磁芯，在其中间位置采用线径为0.12mm的漆包线绕制10匝，即得到所述电压脉冲调制的可调电感器；
步骤6：该电感器实现三种不同感量的具体调制方式如下：在PZT基片上下电极间施加+12kV/cm(当外加电压与PZT极化方向一致时，为正向电压)的电压，持续20秒后退到零，得到A状态，可测得在A状态下，PZT基片上仍保留有约-410ppm的残余应变，如图2和图3中的A点，其对应的电感量约为0.55微亨，见图4中A状态；在PZT基片上下电极间施加-12kV/cm(当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)的电压，持续20秒后退到零，得到B状态，可测得在B状态下，PZT基片上仍保留有约-80ppm残余应变，如图2和图3中的B点，其对应的电感量约为0.7微亨，如图4中B状态；在PZT基片上下电极施加间先施加-12 kV/cm(当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)电压退到零，然后再施加+3.8 kV/cm(当外加电压与PZT极化方向一致时，为正向电压)的电压再退到零，得到C状态，可测得在C状态下，PZT基片上仍保留有约90ppm的残余应变，如图3中的C点所示，其对应的电感量约为0.77微亨，如图4中C状态。这三种不同的感量值可以在去掉激励电压后稳定的保存，且重复性也非常好。
Claims (7)
1.一种可实现三态非易失性调制的电感，包括多晶PZT陶瓷基片、金属电极、非晶软磁合金带材和漆包线，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片为含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过对多晶PZT陶瓷基片进行受主掺杂后，再经过极化和老化处理后得到，所述多晶PZT陶瓷基片的两面抛光后镀上金属电极，在其中一面的金属电极上粘接具有磁致伸缩特性的非晶软磁合金带材，形成多铁异质结；
所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的矫顽电场为Ec，当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的正向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，此时异质结所处状态为A状态；当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，此时多铁异质结所处状态为B状态；当在所述多铁异质结的两电极间先施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，然后再施加90％～95％Ec的正向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，此时多铁异质结所处状态为C状态；所述多铁异质结在三种不同状态下，含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片中会产生三种不同的残余应变状态，从而对其上粘接的具有磁致伸缩特性的非晶软磁合金带材的磁矩取向产生了三种不同的调控效果，从而实现对电感的电感量的调控，得到三种不同的电感量。
2.根据权利要求1所述的可实现三态非易失性调制的电感，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片的两面抛光后镀上金属电极，在其中一面的金属电极上采用树脂胶粘接具有磁致伸缩特性的非晶软磁合金带材，形成多铁异质结，然后在所述多铁异质结上缠绕多匝漆包线作为电感绕组。
3.根据权利要求1所述的可实现三态非易失性调制的电感，其特征在于，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片的厚度为0.25mm～1mm。
4.根据权利要求1所述的可实现三态非易失性调制的电感，其特征在于，所述非晶软磁合金带材为长条形，其长度比宽度大3倍以上；所述非晶软磁合金带材的厚度为10～200μm。
5.根据权利要求2所述的可实现三态非易失性调制的电感，其特征在于，所述金属电极的厚度为20～500nm。
6.根据权利要求2所述的可实现三态非易失性调制的电感，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片上没有粘贴非晶软磁合金带材的金属电极为采用涂覆导电银胶的方式制备的银胶电极。
7.一种非易失性电压脉冲调控权利要求1所述电感的电感量的方法，其特征在于，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的矫顽电场为Ec，当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的正向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，此时异质结所处状态为A状态；当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，此时多铁异质结所处状态为B状态；当在所述多铁异质结的两电极间先施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，然后再施加90％～95％Ec的正向电压，持续10秒以上，去掉外加电压，此时多铁异质结所处状态为C状态；所述多铁异质结在三种不同状态下，含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片中会产生三种不同的残余应变状态，从而对其上粘接的具有磁致伸缩特性的非晶软磁合金带材的磁矩取向产生了三种不同的调控效果，从而实现对电感的电感量的调控，得到三种不同的电感量。
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