CN106033691A - 一种高调谐率线性可调电感及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高调谐率线性可调电感及其制备方法，目的在于，克服现有可调谐电感体积庞大及能耗高不足的问题，具有体积小、效率高的优点，能够通过电压调控电感值，所采用的技术方案为：包括多铁复合材料磁芯，以及绕制或者刻蚀在多铁复合材料磁芯上的工作线圈，多铁复合材料磁芯包括相互复合而成的压电材料和磁性材料，磁性材料包括若干层磁性膜片，所述磁性膜片分别粘合或者生长在压电材料的上下表面，所述压电材料包括若干层压电基片，压电材料的上下表面均连接有用于施加直流偏压的导线。

Description

一种高调谐率线性可调电感及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可调电感，具体涉及一种高调谐率线性可调电感及其制备方法。

背景技术

实现可调电感的方式有多种，包括机械调整式、电流调整式和静电调整式。机械调整式利用手动方法调节线圈磁路铁芯，控制线圈磁阻，调节电感。电流调整式利用铁芯饱和原理，控制铁芯饱和程度，控制线圈磁阻，达到调节电感的目的。专利103413647A电压调控的可调电感，通过电压改变磁性材料磁导率，然后通过铁芯传导至线圈。

上述调节电感方式存在的不足有：1机械调整式需要人工调节，无法实现自动调节。2电流调整式中控制回路需要维持一定电流，损耗大，效率低。3静电式调节方法实质是利用执行器取代人工调节，专利103413647A通过铁芯传导磁导率，使得电感的体积急剧增大。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种高调谐率线性可调电感及其制备方法，能够克服现有可调谐电感体积庞大及能耗高不足的问题，具有体积小、效率高的优点，能够通过电压调控电感值。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高调谐率线性可调电感，包括多铁复合材料磁芯，以及绕制或者刻蚀在多铁复合材料磁芯上的工作线圈，多铁复合材料磁芯包括相互复合而成的压电材料和磁性材料，磁性材料包括若干层磁性膜片，所述磁性膜片分别粘合或者生长在压电材料的上下表面，所述压电材料包括若干层压电基片，压电材料的上下表面均连接有用于施加直流偏压的导线。

所述工作线圈采用利兹线绕制在多铁复合材料磁芯上。

所述工作线圈为漆包线。

所述磁性膜片采用磁致伸缩膜片。

所述磁性膜片分别粘合或者生长在压电材料的上下表面形成三明治结构。

所述压电材料采用PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃压电单晶，磁性材料采用非晶磁性材料。

所述磁性材料采用FeGaB。

一种高调谐率线性可调电感的制备方法，包括以下步骤：首先在硅片上通过热氧化的方法形成二氧化硅绝缘层，通过溅射、刻蚀、电镀工艺制得底面和顶面工作线圈；然后通过物理气相沉积PVD技术制备磁性材料，并将底面和顶面工作线圈相连；最后通过反应离子刻蚀除去硅基底，将得到的磁性材料及工作线圈粘接在压电材料上，即得到高调谐率线性可调电感。

一种高调谐率线性可调电感的制备方法，包括以下步骤：首先取压电基片，并在压电基片上下面镀上电极，然后将磁性膜片粘接在压电基片上下面上，并将压电基片的电极连接导线，制的多铁复合材料磁芯，最后将工作线圈绕制在多铁复合材料磁芯上，即得到高调谐率线性可调电感。

所述磁性膜片在真空环境下，通过加热和加磁场进行磁退火。

与现有技术相比，本发明的高调谐率线性可调电感直接将工作线圈绕在多铁复合材料磁芯上，而不是通过外加铁芯来为电感传导磁场，能够大大降低涡流损耗和磁滞损耗，本发明所用的磁芯材料为多铁复合材料，多铁复合材料是由磁性材料和压电材料复合而成，所有磁性材料和压电材料均能够用来构建多铁复合材料，本发明没有铁芯，所以与现有可调电感相比，具有结构简单、体积小、易集成等优点，将磁性材料做相应减薄处理，以减小涡流损耗，提升电感的品质因数。本发明通过改变施加于压电材料上的直流偏压，压电材料产生机械形变，该形变应力传递到磁性材料上。根据逆磁致伸缩效应，在形变应力的作用下，磁致伸缩块的磁易轴发生旋转，有效磁导率改变，从而改变缠绕在多铁磁芯上线圈的磁路磁阻，达到调节电感的目的。

进一步，工作线圈采用利兹线，能够提高电感的品质因数。

本发明的制备方法制备的高调谐率线性可调电感，能够实现电感的自动调节，电感的自动调节为连续可调，利用电压控制电感，克服了利用电流控制电感导致的控制电路损耗大的不足，器件效率高，器件结构简单，易集成化，选取导电率小的磁致伸缩材料，或者对磁致伸缩材料进行减薄处理，能够提升电感的品质因素。

进一步，将磁性膜片在真空环境下，加热加磁场，可以对磁性膜片磁退火，重新选择膜片磁易轴的取向，这将大大提升可调电感的调谐率。

附图说明

图1a为本发明电感的主视图，图1b为本发明电感的侧视图，图1c为本发明电感的俯视图；

图2a为本发明电感采用以多层陶瓷电容器结构为模板作为多铁复合材料磁芯的结构，图2b为多层陶瓷电容器的结构图；

图3为本发明集成化的可调电感的截面图；

图4为本发明电感的电压调控测试结果图；

图5为本发明集成化的可调电感的电压调控测试结果图；

其中，1-压电基片、2-磁性膜片、3-工作线圈、2-1-钛酸钡陶瓷、2-2-镍层、4-二氧化硅绝缘层。

具体实施方式

下面结合具体的实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释说明。

参见图1a、图1b和图1c，本发明的电感包括多铁复合材料磁芯，以及绕制或者刻蚀在多铁复合材料磁芯上的工作线圈，多铁复合材料磁芯包括相互复合而成的压电材料和磁性材料，磁性材料包括若干层磁性膜片，磁性膜片分别粘合或者生长在压电材料的上下表面，压电材料包括若干层压电基片，压电材料的上下表面均连接有用于施加直流偏压的导线。

工作线圈直接绕制或蚀刻在多铁复合材料磁芯上，工作线圈与工作电源连接；多铁复合材料磁芯是由压电材料和磁性材料复合而成，一般是将两种用粘合剂粘合，或一种材料生长在另一种材料上。

本发明通过改变施加于压电材料上的直流偏压，压电材料产生机械形变，该形变应力传递到磁性材料上。根据逆磁致伸缩效应，在形变应力的作用下，磁性膜片的磁易轴发生旋转，有效磁导率改变，从而改变缠绕在多铁磁芯上线圈的磁路磁阻，达到调节电感的目的。

本发明是基于多铁复合材料的磁电耦合效应，其物理原理可用如下公式表示：

$H_{eff}=H_a+H_{ME}=H_a+\frac{3{\mathrm{\λYd}}_{eff}-E}{M_s}$

${\mathrm{\μ}}_{eff}=\frac{4{\mathrm{\πM}}_s}{H_{eff}}+1$

$L={\mathrm{\μ}}_0\frac{2{\mathrm{\μ}}_{eff}t+d-2t}{d}\frac{N^{2}A}{1}$

其中，H_ef是有效场，H_a是磁性薄片的本征磁场，H_ME是磁电耦合产生的磁场，本征场和磁电耦合作用产生的场共同构成了有效场。λ是磁致伸缩系数，Y是杨氏模量，d_eff是压电系数，E是施加在压电材料上的直流偏置电场，M_s是磁性薄膜的饱和磁化强度。μ₀表示真空中的刺刀率，μ_eff是有效磁导率，t是磁性薄膜的厚度，d是磁芯厚度，N是线圈匝数，A是磁芯横截面积，l是线圈长度。直流偏置电场的改变引起压电材料的形变，形变传递到磁性层，磁性层的形状发生改变，微观上磁性层的畴受到挤压或拉伸，单畴的磁极化方向发生旋转，宏观上磁性层的磁易轴发生了旋转，导致磁性层有效磁导率发生变化，改变电感值L，达到电场调控电感的目的。

本发明能够实现电感的自动调节，电感的自动调节为连续可调，利用电压控制电感，克服了利用电流控制电感导致的控制电路损耗大的不足，器件效率高，器件结构简单，易集成化，可以选取导电率小的磁致伸缩材料，或者对磁致伸缩材料进行减薄处理，提升电感的品质因素。

本发明可调电感包括工作线圈及多铁复合材料磁芯；特别是电感具有高调谐率、高品质因数。多铁复合材料磁芯包括铁电压电材料和磁性材料，多铁复合材料磁芯是由压电材料和磁性材料直接粘合得到，或者通过厚膜、薄膜材料制备工艺将一种材料生长在另一种材料上。

改变施加在铁电压电材料上的电压，利用逆压电效应(或电场调控电畴翻转)，使铁电压电材料发生形变，形变传递到磁性材料上，引起磁性材料的形变，由于逆磁致伸缩效应，磁性材料的有效磁导率发生变化，使多铁复合材料磁芯的磁通量发生变化，进而调控电感的电感值，达到电压调控电感值的目的。为了得到品质因数较高的电感，选取非导体的磁性材料可以减少涡流损耗；如果选取的磁性材料是导体，一般需将磁性材料进一步减薄处理来减小涡流损耗。

将漆包线绕制在铁电压电材料和磁性材料粘合形成的多铁复合材料磁芯外，构成工作线圈。特别地，为了提高电感的品质因数，可以用利兹线作为工作线圈；对于通过物理气相沉积(PVD)等薄膜技术制备的多铁复合材料磁芯，首先通过PVD技术沉积一层极薄的铜作为籽晶层，并且使用光刻技术刻蚀形成电感线圈形状，通过电镀加厚铜层，提升可调电感的性能；最后，将得到的集成磁性电感使用胶水粘到压电片上，可得到集成可调电感。

本发明的制备方法：

制备方法一：通过薄膜生长、微细加工等技术制备的集成可调电感。因为FeGaB具有优异的磁性能，此处以FeGaB为例，讲述集成可调电感的制备流程。

首先，在硅片上通过热氧化的方法形成二氧化硅绝缘层，通过溅射、刻蚀、电镀等工艺流程制得底面铜线圈。磁性层通过PVD技术制备，以直流溅射Fe₇₀Ga₃₀靶材，以射频溅射B和Al₂O₃靶，Al₂O₃作为隔离层，形成FeGaB/Al₂O₃/FeGaB三明治结构。重复该基本结构可以增大磁性层厚度以满足设计需求。然后以相同方法制备上表面的铜线圈，并将上下表面铜线圈相连。使用反应离子刻蚀除去硅基底，将得到的集成磁性材料用胶水粘到压电基片上，便得到了集成化的可调电感。参见图5，集成化的可调电感的电压调控测试结果图，很明显，集成化之后的调谐率有明显的增大。

制备方法二：制得的可调电感体积较制备方法一制得的大，但是制备方法二流程简单，制作可调电感的成本低，适用于对可调电感体积没有太高要求、却对电感性能要求较高的领域。

首先取一片长条形的压电基片，并在其上下表面镀上电极。裁剪宽度与压电片相同，长度略短于压电片的磁性膜片。值得一提的是，如果将磁性膜片进行磁退火，重新选择膜片磁易轴的取向，这将大大提升可调电感的调谐率。将处理过的磁性膜片用合适的胶水粘在压电基片表面。待磁性膜片与压电片牢固结合，在压电片电极暴露处粘上导线，用以施加直流偏压；并将漆包线缠绕于磁芯上，便制得了可调电感。

实施例1

如图1所示，多铁复合材料构成的电压调控可调电感，可调电感由工作线圈3和多铁复合材料磁芯构成。多铁复合材料的内芯是将两片磁性膜片2使用粘合剂粘在压电基片1的上下表面，形成一个三明治结构，同时在压电基片的电极上下表面引出导线，用以施加直流偏压。工作线圈3直接缠绕在多铁复合材料磁芯上，可通过调整工作线圈匝数调整电感值的量级。

本实施例通过改变施加的直流偏压，压电基片1随着电压的改变而产生机械形变，该形变传递到磁性膜片2。根据逆磁致伸缩效应，在形变应力的作用下，磁致伸缩膜片的磁导率发生变化，从而改变工作线圈3的磁路磁阻，达到调节电感的目的。

实施例2

本实施例与实施例一的区别在于：磁芯中的压电材料不是实施列1中的单片，而是将两片压电基片粘合在一起，其余结构与实施例一相同。

本实施例的基本原理与实施例一相同，两片压电基片的粘合，并将磁致伸缩膜片粘在压电基片上，然后再将工作线圈缠绕在磁芯上；这样可以引起更大的形变，大大增加了可调电感的调谐率，同时对电感的品质因数也略有提升。

实施例3

本实施例与实施例一、实施例二的区别之处在于：本实施例的磁性膜片不再是单层的，而是多层；将磁性膜片进行减薄处理，，然后将多个膜片共同粘接到压电基片上；其余结构与实施例一相同。

本实施例的基本原理与实施例一相同，通过将一片较厚的磁性膜片分成几片较薄的磁致伸缩膜片，再粘合在一起，粘在压电片上，然后再将工作线圈缠绕在磁芯上，此种结构的磁芯，可以大大减小涡流损耗，提升可调电感的品质因数。

实施例4

本实施例与实施例一、二、三的区别之处在于：前几个实施例的可调电感多铁磁芯都是由人工手动粘合而成；而本实施例的多铁磁芯由陶瓷制备、微细加工等多种工艺结合来制备的。图2a是完整的可调电感结构图，图2b是可调电感的多层陶瓷电容器，2-1是钛酸钡陶瓷，2-2是镍层，3是工作线圈。具体实施过程中，通过图示A、B两个接线端对多层陶瓷电容器施加直流偏置电压，由于磁电耦合作用，钛酸钡陶瓷形变引起镍层的形变，改变镍层的有效磁导率，达到调控电感的目的。本实施例证明了本发明所述电压调控的可调电感的内芯可以由多种方法生产制备，同时也说明了本发明所述的可调电感可以通过微细加工技术来实现微型化，集成化。

实施例5

本实施例介绍集成化可调电感的制备工艺及其特点，主要描述的是通过薄膜生长、微细加工等技术制备的集成可调电感。因为FeGaB具有优异的磁性能，此处以FeGaB为例讲述集成可调电感的制备流程。

参见图3，首先，需要在一片硅片上通过热氧化的方法形成一层二氧化硅绝缘层4，通过溅射、刻蚀、电镀等工艺流程制得底面铜线圈。多铁层是通过物理气相沉积技术制备的，其中，在室温下，以直流溅射Fe₇₀Ga₃₀靶材，以射频溅射B和Al₂O₃靶，形成FeGaB/Al₂O₃/FeGaB三明治结构。这样的基本结构重复多次产生足够的厚度，以满足设计需求。并且，以相同方法制备上面铜线圈，并将上下底面铜线圈相连。使用深反应离子刻蚀除去硅基底，将得到的集成磁性电感使用胶水粘到压电片上，便得到了集成可调电感。

本发明的优点为：1、能够实现电感的自动调节；2、电感的自动调节为连续可调；3、利用电压控制电感，克服了利用电流控制电感导致的控制电路损耗大的不足，器件效率高；4、器件结构简单，易集成化；5、可以选取导电率小的磁致伸缩材料，或者对磁致伸缩材料进行减薄处理，提升电感的品质因素。

Claims (10)

1.一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，包括多铁复合材料磁芯，以及绕制或者刻蚀在多铁复合材料磁芯上的工作线圈(3)，多铁复合材料磁芯包括相互复合而成的压电材料和磁性材料，磁性材料包括若干层磁性膜片(2)，所述磁性膜片(2)分别粘合或者生长在压电材料的上下表面，所述压电材料包括若干层压电基片(1)，压电材料的上下表面均连接有用于施加直流偏压的导线。

2.根据权利要求1所述的一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，所述工作线圈(3)采用利兹线绕制在多铁复合材料磁芯上。

3.根据权利要求2所述的一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，所述工作线圈(3)为漆包线。

4.根据权利要求1所述的一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，所述磁性膜片(2)采用磁致伸缩膜片。

5.根据权利要求1所述的一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，所述压电材料采用钛酸钡陶瓷(2-1)，磁性材料采用镍层(2-2)。

6.根据权利要求1所述的一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，所述磁性膜片(2)分别粘合或者生长在压电材料的上下表面形成三明治结构。

7.根据权利要求6所述的一种高调谐率线性可调电感，其特征在于，所述压电材料采用PbMg_1/3Nb_2/3O₃-PbTiO₃压电单晶，磁性材料采用非晶磁性材料。

8.一种高调谐率线性可调电感的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先在硅片上通过热氧化的方法形成二氧化硅绝缘层(4)，通过溅射、刻蚀、电镀工艺制得底面和顶面工作线圈；然后通过物理气相沉积技术制备磁性材料，并将底面和顶面工作线圈相连；最后通过深反应离子刻蚀除去硅基底，将得到的磁性材料粘接或生长在压电材料上，即得到高调谐率线性可调电感。

9.一种高调谐率线性可调电感的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：首先取压电基片(1)，并在压电基片上下面镀上电极，然后将磁性膜片(2)粘接在压电基片上下面上，并将压电基片(1)的电极连接导线，制的多铁复合材料磁芯，最后将工作线圈(3)绕制在多铁复合材料磁芯上，即得到高调谐率线性可调电感。

10.根据权利要求9所述的一种高调谐率线性可调电感的制备方法，其特征在于，所述磁性膜片(2)在真空环境下，通过加热和加磁场进行磁退火。