CN105679528B - 一种磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备。该设备包括真空镀膜腔、镀膜装置、薄膜传送装置以及应力调整转子；工作状态时，柔性衬底经薄膜传送装置在真空镀膜腔中传送，传送过程中与应力调整转子接触，受到应力调整转子的应力作用，通过镀膜装置在应力作用下的柔性衬底表面镀磁性薄膜。利用该设备制作柔性磁性薄膜的工艺简单易行、无需外加磁场，大大减少了成本，并且制作效率高，能够大面积制作柔性磁性薄膜，制得的柔性磁性薄膜不仅具有大的磁各向异性，而且其厚度与磁各向异性场大小可调控。

Description

一种磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备

技术领域

本发明属于柔性磁性薄膜材料技术领域，具体涉及一种磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备。

背景技术

柔性电子技术是指将有机/无机材料的电子器件制作在柔性/可延展沉底，如塑料、超薄金属等衬底上的新兴电子技术。有别于利用传统半导体技术在刚性沉底，如硅基等沉底上制作的电子器件，柔性电子器件具有独特的柔韧性/延展性并且具有制作成本低、制作高效等优点，在信息、能源、医疗、国防等领域具有重要的应用前景，引起了世界广泛关注并得到了迅速发展。

考虑到柔性衬底杨氏模量小，易形变以及高伸缩性，将磁电子器件与柔性衬底结合起来，可以得到低成本、便携式、易弯曲的柔性磁电子器件，有望在应变传感器、压力传感器、速度传感器，甚至加速度传感器等方面得到实际应用。因此，位于柔性衬底表面的磁电子器件将具有良好的市场应用前景。

磁各向异性场是磁性材料的基本特性之一，其产生原因是材料沿各个方向的磁化能不一样，其宏观表现为磁滞回线上达到饱和磁化所需的磁场(H_s)不同。磁各向异性在硬盘存储、磁传感器及磁性共振器件等相关领域具有广泛的运用，因此如何在柔性衬底表面制作具有磁各向异性的磁性薄膜具有重要的研究意义。

目前，制作具有大磁各向异性场的磁性薄膜的主要方法是通过磁场诱导或磁场退火，但是施加磁场不仅增加制作成本，也带来诸多不便，并且不利于磁各向异性的调控和大面积薄膜的制作。一些科技文献，如：JAP,81(8):4519(1997)等中报道通过应力实现薄膜磁各向异性的调控，但是其中所采用的衬底一般都是刚性衬底，其应力不容易得到、也不容易控制，并且调控效果差，无法实现大面积薄膜的制作，因而无法实现工业化。

发明内容

本发明的技术目的是针对具有磁各向异性场的磁性薄膜的制作技术现状，提供一种具有磁各向异性场的柔性磁性薄膜的制作设备，利用该装置能够大面积制得具有磁各向异性的柔性磁性薄膜，并且其磁各向异性场可根据实际需要进行调控。

本发明采用的技术方案为：一种磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，包括真空镀膜腔、镀膜装置、薄膜传送装置以及应力调整转子；所述的薄膜传送装置包括至少两个相邻的导向辊，即第一导向辊与第二导向辊，所述的应力调整转子置于第一导向辊与第二导向辊之间；

工作状态时，柔性衬底经薄膜传送装置在真空镀膜腔中传送，传送过程中与应力调整转子接触，受到应力调整转子的应力作用，通过镀膜装置在应力作用下的柔性衬底表面镀磁性薄膜。

作为一种实现方式，所述的薄膜传送装置还包括放卷辊与收卷辊，沿传送方向，柔性衬底依次经过放卷辊、第一导向辊、应力调整转子以及第二导向辊。

作为一种实现方式，所述的镀膜装置是利用溅射靶溅射沉积的镀膜装置。作为优选，所述溅射靶位于应力调整转子的正下方，工作状态时，柔性衬底受到应力调整转子施加的应力，溅射磁性材料靶材，在该应力作用下的柔性沉底表面经溅射沉积磁性薄膜。

所述的第一导向辊以及第二导向辊的直径可调整。

所述的第一导向辊与第二导向辊之间的距离可调整。

所述的应力调整转子的直径可调整，作为优选，其直径的调整范围为10cm～500cm。

所述的应力调整转子与第一导向辊以及第二导向辊间的距离可调整。作为优选，所述的应力调整转子与第一导向辊以及第二导向辊的距离相等。

工作状态时，所述的应力调整转子与衬底接触的切角可调整。作为优选，所述切角的调整范围为15°～90°。作为一种调整方式，通过调整应力调整转子的直径和/或应力调整转子与柔性衬底间的垂直距离来调整应力调整转子与衬底接触所形成的切角角度，即调整柔性衬底受应力调整转子所施加应力的曲率半径，从而调整该应力的大小，进而实现磁各向异性场大小的调控。

所述的应力调整转子的转速可以通过电机控制，通过调整该转速可以控制柔性磁性薄膜的厚度。

作为优选，所述的真空镀膜腔体设置进气通道以及出气通道，进气通道设置进气阀，用于控制进气通道的开合，出气通道设置出气阀，用于控制出气通道的开合。

根据柔性磁性薄膜的实际需要，所述的应力调整转子还可以包括加热装置，以便于加热柔性衬底。

综上所述，本发明人结合如下实验结论，创新性地提出了本发明的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备：

对磁性薄膜施加应力可以诱导出磁各向异性场，与施加磁场相比，施加应力更易诱导大的磁各向异性；并且，当应力变化时磁各向异性场随之发生变化，实现磁各向异性的调控。例如实施例1中所示是以聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽为结构的柔性磁性薄膜的实验结果。

利用该设备制作磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜时，具有如下有益效果：

(1)简单易行；不用外加磁场，从而大大减少成本；制作效率高，能够大面积制作具有大的磁各向异性的柔性磁性薄膜。

(2)制得的柔性磁性薄膜的磁各向异性的大小可调控；通过调整应力调整转子的直径和/或应力调整转子与柔性衬底间的垂直距离，能够调控应力调整转子与衬底的切角角度，以调控柔性薄膜受到的应力大小，从而调控柔性薄膜的磁各向异性的大小。

(3)制得的柔性磁性薄膜的柔性磁性薄膜的厚度可调控；通过调整应力调整转子的转速可以调控柔性磁性薄膜的厚度。

附图说明

图1是实施例1中施加应力的模具示意图；

图2是对实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽施加不同应力后薄膜在易轴的磁滞回线；

图3是实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽施加不同应力后薄膜在难轴的磁滞回线；

图4是实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽施加施加不同应力后薄膜的磁各向异性场的结果对比分析；

图5是实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽不施加应力后薄膜的磁滞回线；

图6是实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽施加外加磁场后薄膜的磁滞回线；

图7是实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽施加应力后薄膜的磁滞回线；

图8是实施例1中对柔性磁性薄膜聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽不施加应力、施加外加磁场后和施加应力后磁各向异性场的结果对比分析；

图9是本发明实施例2中的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备结构示意图。

图9中各标号分别表示为：真空镀膜腔体1；溅射靶材及靶位2；镀膜装置3；进气通道4；放卷室5；放卷辊6；固定轴7；固定栓8；第一导向辊9；加热器10；活动轴11；应力调整转子12；第二导向辊13；收卷室14；出气通道15。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施中，柔性磁性材料为聚酰亚胺衬底/钴铁硼/钽，即以聚酰亚胺为柔性衬底，衬底表面沉积钴铁硼薄膜，钴铁硼薄膜表面为钽保护层，以该柔性磁性材料为例，进行如下测试。

将该柔性磁性材料置于图1所示的模具表面，利用该模具对该柔性磁性材料施加应力，在应力作用下，磁性薄膜会呈现出磁各向异性场。通过改变模具的曲率半径而改变应力的大小，其应变大小系数ε和应力σ的计算公式为：

ε＝ΔS/S＝t/2R+t (1)

σ＝εE_f/(1-v²) (2)

其中，R为模具的曲率半径，t为衬底和薄膜的总厚度，E_f为杨氏模量，v为泊松比，σ为应力。对于特定材料而言，杨氏模量E_f和泊松比v是确定值。

因此，不同的曲率半径R对应不同的应变大小系数ε。例如，当R＝5cm时，ε约为0.2％；R＝2.5cm时，ε约为0.4％；R＝1.67cm时，ε约为0.6％；R＝1.25cm时，ε约为0.8％；R＝1cm时，ε约为1.0％。

图2与图3为通过改变曲率半径R而改变应力后该柔性磁性薄膜的磁滞回线，从该磁滞回线可判断不同应力下薄膜的磁各向异性也呈规律变化，其中0°对应于难轴，90°对应于易轴。

图4是施加不同应力时该磁性薄膜的磁各向异性场的结果对比，其中横坐标的应变量即指应变大小系数ε。

图5、图6与图7分别为不施加应力、施加外加磁场以及施加应力后该柔性磁性薄膜的磁滞回线，通过对比可知，施加应力也可以诱导出大的磁各向异性场，且与施加磁场相比，施加应力诱导的磁各向异性有所改善。

图8为不施加应力、施加外加磁场后和施加应力后磁各向异性场的结果对比，可以得到施加应力也可以诱导出大的磁各向异性场，且与施加磁场相比，施加应力具有磁各向异性可调控，成本降低，易操作等优点。

实施例2：

磁各向异性柔性磁性薄膜的制作设备的结构如图9所示，包括真空镀膜腔1、镀膜装置2、薄膜传送装置以及应力调整转子12。

薄膜传送装置包括放卷辊6、第一导向辊9与第二导向辊13。放卷辊6位于放卷室5，放卷室5位于真空镀膜腔1的一侧。真空镀膜腔1的另一侧设置收卷室14。

真空镀膜腔1还设置进气通道4以及出气通道15。进气通道设置进气阀，用于控制进气通道的开合。出气通道设置出气阀，用于控制出气通道的开合。

应力调整转子12位于第一导向辊9与第二导向辊13之间，并且与第一导向辊与第二导向辊的间距相等。

镀膜装置2是利用溅射磁性靶材沉积薄膜的镀膜装置。溅射靶2位于应力调整转子12的正下方。

工作状态时，通过进气通道4以及出气通道15对真空镀膜腔1抽真空。柔性衬底经薄膜传送装置在真空镀膜腔1中传送。传送过程中与应力调整转子12接触，受到应力调整转子12的应力作用。即，沿传送方向，柔性衬底依次经过放卷辊6、第一导向辊9、应力调整转子12以及第二导向辊13。当柔性衬底受到应力调整转子12施加的应力作用后，通过镀膜装置3中的溅射磁性靶材2在其表面溅射沉积磁性薄膜，然后经过第二导向辊13将溅射沉积后的磁性薄膜送入收卷室14展平。

放卷辊5、第一导向辊9以及第二导向辊13分别用固定轴7和固定栓8固定。

应力调整转子12采用活动轴11固定，活动轴11的高度可调，通过调整活动轴11可以调控应力调整转子12的高度，以调控应力调整转子与柔性衬底间的垂直距离，从而调控应力调整转子与柔性衬底接触时的切角角度，改变柔性衬底受力的曲率半径，即调控柔性衬底受到的应力大小，进而实现调控柔性薄膜磁各向异性场的大小。作为优选，该切角的调控范围为15°～90°。

放卷辊6的转速可调。应力调整转子12的转速可调。通过调控放卷辊6和/或应力调整转子12的转速，可实现调控柔性磁性薄膜的厚度。

可根据工艺需要，在活动轴11和应力调整转子12之间设置低温加热器10，以便于加热柔性衬底。

利用该设备制作柔性磁性薄膜时，不仅能够大面积制得具有磁各向异性的柔性磁性薄膜，并且其磁各向异性场大小可根据实际需要进行调控，薄膜厚度也可根据实际需要进行调控。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：包括真空镀膜腔、镀膜装置、薄膜传送装置以及应力调整转子；所述的薄膜传送装置包括至少两个相邻的导向辊，即第一导向辊与第二导向辊，所述的应力调整转子置于第一导向辊与第二导向辊之间；第一导向辊、第二导向辊以及应力调整转子均位于真空镀膜腔中；

工作状态时，柔性衬底经薄膜传送装置在真空镀膜腔中传送，传送过程中与应力调整转子接触，受到应力调整转子的应力作用，通过镀膜装置在真空镀膜腔中在应力作用下的柔性衬底表面镀磁性薄膜；

通过调控应力调整转子的直径和/或应力调整转子与柔性衬底间的垂直距离而调控该柔性磁性薄膜的磁各向异性场大小。

2.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的薄膜传送装置还包括放卷辊，沿传送方向，柔性衬底依次经过放卷辊、第一导向辊、应力调整转子与第二导向辊。

3.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的镀膜装置是利用溅射靶溅射沉积的镀膜装置。

4.如权利要求3所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的溅射靶位于应力调整转子的正下方。

5.如权利要求3或4所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的真空镀膜腔设置进气通道以及出气通道，进气通道设置进气阀，出气通道设置出气阀。

6.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的应力调整转子包括用于加热柔性衬底的加热装置。

7.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的应力调整转子的直径能够调整。

8.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的应力调整转子的直径的调整范围为10 cm～500 cm。

9.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的

制作设备，其特征是：所述的应力调整转子与第一导向辊以及第二导向辊间的距离能够调整。

10.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的应力调整转子与衬底接触的切角能够调控。

11.如权利要求1所述的磁各向异性可调控的大面积柔性磁性薄膜的制作设备，其特征是：所述的应力调整转子与衬底接触的切角的调控范围为15^o～90^o。

12.利用权利要求1至11中任一权利要求所述的制作设备制得的具有磁各向异性的柔性磁性薄膜，其特征是：其厚度能够调控，通过调控应力调整转子的转速而调控该柔性磁性薄膜的厚度。