CN108303596A - 一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法及超薄线圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法及超薄线圈，属于检测或产生电磁信号的超薄线圈制作技术，其方法涉及了芯轴支架的选取、薄膜的沉积和逐层卷积、微加工减薄处理和去除芯轴支架等步骤，并得到微米量级厚度的超薄线圈，这种制作方法通过薄膜沉积技术和卷绕方式来代替传统的手工绕制漆包线，技术简单、操作方便，能保证线圈尺寸的精确性和一致性，通过径向切割研磨得到厚度可调的超薄线圈，故线径与线圈整体厚度都在微米以上量级，能精确控制线圈粗细，保证线圈以及线距的高度一致性；另外，经该方法制作的超薄线圈呈圆环状，并具有沿圆环状的轴向切割而成的矩形横截面，它与传统漆包线的圆形横截面截然不同，使用性能更加卓越。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测电磁信号的超薄线圈制作方法及其组成结构，具体是指一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法及超薄线圈。
背景技术
近年来，随着电子器件的小型化与精密化，对小尺寸样品的电磁信号控制要求越来越高，而线圈是检测电磁信号的重要工具；通常状况来说，线圈主要通过绕制漆包线获得。然而，由于漆包线的线径、绕制技术等限制，常规的线圈厚度基本都在宏观尺度、即通常在毫米以上厚度，而当线圈厚度变小后，通过手工绕制线圈变的越来越困难，且电磁信号的测试准确度也很难控制。因此，精密设计与加工超薄线圈逐渐成为学术界与工业界的一个热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷而提供一种通过薄膜沉积技术和微加工手段制作厚度为微米量级，包括线径与线圈整体厚度都在微米量级的超薄线圈方法及超薄线圈。
本发明的技术问题通过以下技术方案实现：
一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，包括如下步骤：
⑴选择一根圆柱型的芯轴支架，该芯轴支架使用便于后期去除的材料制成；
⑵选择一根长条带状的绝缘基底，利用薄膜沉积技术先在绝缘基底表面沉积单层导电薄膜，再将带有单层导电薄膜的绝缘基底在芯轴支架上逐层卷绕，获得由绝缘层隔离的导电薄带卷，或利用薄膜沉积技术在自转的芯轴支架外表面逐层交替沉积绝缘基底和导电薄膜以形成双层薄膜，获得由绝缘层隔离的导电薄带卷；
⑶将步骤⑵制作的导电薄带卷通过径向切割、磨抛和离子刻蚀而进行微加工减薄处理，并得到线圈；
⑷将经过步骤⑶得到的线圈去除芯轴支架，最后得到超薄线圈。
所述的步骤⑵中绝缘基底通过一对水平放置的、可调速的同向同速转动卷筒进行匀速卷动运动，再在一对卷筒之间设有薄膜沉积装置，该薄膜沉积装置向绝缘基底表面沉积单层导电薄膜；或在竖直放置的芯轴支架两侧分别设有薄膜沉积装置，两个薄膜沉积装置向自转的芯轴支架外表面逐层交替沉积绝缘基底和导电薄膜以形成双层薄膜。
所述的绝缘基底采用聚酰亚胺柔性基底或氧化铝为代表的绝缘薄膜，所述的导电薄膜采用铜薄膜为代表的金属导电薄膜或其他可用于沉积的导电材料。
所述的步骤⑶得到线圈，该线圈的上、下表面均镀覆一层薄绝缘层。
所述的步骤⑷中通过高温或化学手段去除芯轴支架，最后得到超薄线圈。
所述的薄膜沉积技术是指物理气相沉积或化学气相沉积。
一种超薄线圈，利用薄膜沉积技术制作方法得到，所述的超薄线圈呈圆环状，该超薄线圈具有沿圆环状的轴向切割而形成的矩形横截面，该矩形的横截面由在内的绝缘基底和在外的导电薄膜交替分布而成，且绝缘基底和导电薄膜的截面也为矩形。
所述的绝缘基底的矩形截面边长由膜厚h0和线圈厚度h2组成，导电薄膜的矩形截面边长由膜厚h1和线圈厚度h2组成，该导电薄膜为连接导线的导电层。
所述的绝缘基底为聚酰亚胺柔性基底，其膜厚h0按照标称厚度选择7.5µm、13µm、20µm、25µm、40µm、50µm、75µm、100µm、125µm这九种。
所述的导电薄膜膜厚h1大于1µm，超薄线圈的线圈厚度h2为1µm~1000µm。
与现有技术相比，本发明主要提供了一种利用薄膜沉积技术和微加工手段来制作厚度为微米量级的超薄线圈，该方法是先选取易去除的圆柱型芯轴支架，再制作以单层导电薄膜沉积在绝缘基底表面并逐层卷绕在芯轴支架上，或在自转的芯轴支架外表面逐层交替沉积绝缘基底和导电薄膜以形成双层薄膜，从而获得由绝缘层隔离的导电薄带卷，然后通过径向切割、磨抛和离子刻蚀等微加工手段对导电薄带卷进行减薄处理以得到线圈，最后将线圈去除芯轴支架得到超薄线圈，这种制作方法通过薄膜沉积技术和卷绕方式来代替传统的手工绕制漆包线，技术简单、操作方便、加工精度高，能保证线圈尺寸的精确性和一致性，通过径向切割研磨得到厚度可调的超薄线圈，故线径与线圈整体厚度都在微米以上量级， 能精确控制线圈粗细，保证线圈以及线距的高度一致性；另外，经该方法制作的超薄线圈呈圆环状，并具有沿圆环状的轴向切割而形成的矩形横截面，它与传统漆包线的圆形横截面截然不同，消除了传统圆形截面产生的空隙，线圈均匀性有较大提高，使用性能也更加卓越。
附图说明
图1为本发明的方法步骤流程图。
图2为实施例1的制作方法示意图。
图3为实施例2的制作方法示意图。
图4为导电薄带卷的结构示意图。
图5为超薄线圈的结构示意图。
图6为图5中的超薄线圈沿圆环状的轴向切割而形成矩形横截面的结构示意图。
具体实施方式
下面将按上述附图对本发明实施例再作详细说明。
如图1~图6所示，1.绝缘基底、2.导电薄膜、3.卷筒、4.薄膜沉积装置、5.芯轴支架。
一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法及超薄线圈，主要涉及一种通过薄膜沉积技术和微加工手段制作厚度为微米量级，包括线径与线圈整体厚度都在微米以上量级的超薄线圈方法及超薄线圈；根据电磁学原理，在测试磁性材料的磁通时，测试线圈的厚度应小于永磁样品的几何厚度，所以样品变薄后，测试线圈也必须足够薄。
本发明所述的薄膜沉积技术是指如磁控溅射为代表的物理气相沉积（简称PVD）或合适的化学气相沉积（简称CVD）。
其中，利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法主要如图1所示，其包括如下步骤：
⑴选择一根圆柱型的芯轴支架5，该芯轴支架使用便于后期去除的材料制成；
⑵利用薄膜沉积技术将带有单层导电薄膜2的绝缘基底1逐层卷绕在芯轴支架5上，或在自转的芯轴支架5外表面逐层交替沉积绝缘基底1和导电薄膜2以形成双层薄膜，从而获得由绝缘层隔离的导电薄带卷，
⑶将步骤⑵制作的导电薄带卷进行径向切割、磨抛和离子刻蚀等微加工减薄处理，并得到线圈；
⑷为了避免线圈使用过程中的磨损，通常需要在线圈的上、下表面均镀覆一层薄绝缘层；
⑸通过高温或化学手段将线圈中的芯轴支架5去除掉，最后得到超薄线圈。
由上述制作方法可知，步骤⑵中的薄膜沉积技术主要采用两种方式，具体如下：
实施例1
利用柔性基底沉积薄膜，再刻蚀、加工制作磁性测量的超薄线圈
选择一根长条带状的绝缘基底1，该绝缘基底采用聚酰亚胺柔性基底，GB/T 13542.6-2006上把电气用绝缘聚酰亚胺柔性基底按照标称厚度分为7.5μm、13μm、20μm、25μm、40μm、50μm、75μm、100μm、125μm这九类，本实施例1选取厚度为20μm宽度为10mm的聚酰亚胺柔性基底作为绝缘基底1，该聚酰亚胺柔性基底通过图2所示的一对水平放置的、可调速的同向同速转动卷筒3进行匀速卷动运动，再在一对卷筒之间设有薄膜沉积装置4，利用磁控溅射镀膜技术向聚酰亚胺柔性基底表面沉积10μm厚的单层导电薄膜，该导电薄膜2主要采用铜薄膜为代表的金属导电薄膜或其他可用于沉积的导电材料。根据产品测试常用需求，选取图4所示D0为10mm直径的圆柱型芯轴支架5将带有单层铜薄膜的聚酰亚胺柔性基底逐层卷绕起来，通常卷绕10层铜薄膜，再利用离子刻蚀沿径向、即垂直于铜薄膜方向将铜薄膜、聚酰亚胺柔性基底和芯轴支架一起减薄至500µm的厚度，通过高温或化学手段将线圈中的芯轴支架5去除掉后，就得到了如图5所示厚度为500µm的超薄线圈。另外，GB/T3217-2013永磁（硬磁）材料磁性实验方法中有制作H线圈（磁场测量线圈）的原理，根据此标准，利用本发明的制作方法也可以制作厚度为500µm的H线圈，此厚度比市场上的线圈厚度薄一个数量级，而市场上线圈通常厚度5mm左右。
实施例2
沉积绝缘材料和导电材料制作双层薄膜，然后径向减薄得到所需超薄线圈
在竖直放置的芯轴支架5两侧分别设有薄膜沉积装置4，两个薄膜沉积装置同时向自转的芯轴支架5外表面逐层交替沉积绝缘基底1和导电薄膜2，得到双层薄膜，该绝缘基底1采用氧化铝为代表的绝缘薄膜，导电薄膜2也采用铜薄膜为代表的金属导电薄膜或其他可用于沉积的导电材料；利用径向切割与刻蚀技术就能得到截面为“漩涡状”的线圈，再将铜薄膜作为导电层连接导线后，就得到所需电磁线圈，最后固定住线圈并去除芯轴支架5即可。
通过上述制作方法得到的超薄线圈如图5、图6所示，整体呈圆环状，该超薄线圈具有沿圆环状的轴向切割而形成的矩形横截面，该矩形的横截面由在内的绝缘基底1和在外的导电薄膜2交替分布而成，且绝缘基底和导电薄膜的截面也为矩形；其中，绝缘基底1的矩形截面边长由膜厚h0和线圈厚度h2组成。导电薄膜2的矩形截面边长由膜厚h1和线圈厚度h2组成，该导电薄膜2为连接导线的导电层，膜厚h1大于1µm，超薄线圈的线圈厚度h2为1µm~1000µm。
利用薄膜沉积技术制作超薄线圈主要具有如下几个特点：
一、通过PVD与CVD的薄膜沉积技术制作均匀连续的薄膜，可得到微米级厚度的薄膜，薄膜粗糙度、均匀度可控制在纳米数量级，保证线圈尺寸的精确性与一致性；
二、利用薄膜的卷绕代替漆包线的手动缠绕，技术简单、操作方便、加工精度高；
三、通过切割、磨抛、离子刻蚀等微加工减薄手段来替代传统的漆包线绕制技术，可以很好的控制线圈厚度在微米量级上，保证线圈以及线距的高度一致性；
四、导电层为导电薄膜2的径向切割生成，具有矩形的横截面，它与漆包线的圆形横截面截然不同，消除了传统圆形截面产生的空隙，线圈均匀性有较大提高，导电层与导电层之间通过h0厚度的绝缘基底安全隔离。
本发明所述的线圈直径以及薄膜厚度均为微米量级以上，通常限制在1μm以上厚度的薄膜，而导电材料的电子平均自由程在常温下约为50nm，1μm以上厚度的薄膜可以避免各种微观量子效应，在此厚度的薄膜可保持很好的欧姆特性，薄膜的粗糙度、均匀度也能较好的进行控制。
以上所述仅是本发明的具体实施例，本领域技术人员应该理解，任何与该实施例等同的结构设计，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，其特征在于包括如下步骤：
⑴选择一根圆柱型的芯轴支架（5），该芯轴支架使用便于后期去除的材料制成；
⑵选择一根长条带状的绝缘基底（1），利用薄膜沉积技术先在绝缘基底（1）表面沉积单层导电薄膜（2），再将带有单层导电薄膜的绝缘基底（1）在芯轴支架（5）上逐层卷绕，获得由绝缘层隔离的导电薄带卷，或利用薄膜沉积技术在自转的芯轴支架（5）外表面逐层交替沉积绝缘基底（1）和导电薄膜（2）以形成双层薄膜，获得由绝缘层隔离的导电薄带卷；
⑶将步骤⑵制作的导电薄带卷通过径向切割、磨抛和离子刻蚀而进行微加工减薄处理，并得到线圈；
⑷将经过步骤⑶得到的线圈去除芯轴支架（5），最后得到超薄线圈。
2.根据权利要求1所述的一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，其特征在于所述的步骤⑵中绝缘基底（1）通过一对水平放置的、可调速的同向同速转动卷筒（3）进行匀速卷动运动，再在一对卷筒之间设有薄膜沉积装置（4），该薄膜沉积装置向绝缘基底（1）表面沉积单层导电薄膜（2）；或在竖直放置的芯轴支架（5）两侧分别设有薄膜沉积装置（4），两个薄膜沉积装置向自转的芯轴支架（5）外表面逐层交替沉积绝缘基底（1）和导电薄膜（2）以形成双层薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，其特征在于所述的绝缘基底（1）采用聚酰亚胺柔性基底或氧化铝为代表的绝缘薄膜，所述的导电薄膜（2）采用铜薄膜为代表的金属导电薄膜或其他可用于沉积的导电材料。
4.根据权利要求1所述的一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，其特征在于所述的步骤⑶得到线圈，该线圈的上、下表面均镀覆一层薄绝缘层。
5.根据权利要求1所述的一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，其特征在于所述的步骤⑷中通过高温或化学手段去除芯轴支架（5），最后得到超薄线圈。
6.根据权利要求1所述的一种利用薄膜沉积技术制作超薄线圈的方法，其特征在于所述的薄膜沉积技术是指物理气相沉积或化学气相沉积。
7.一种超薄线圈，通过权利要求1~6任一项所述的利用薄膜沉积技术制作方法得到，其特征在于所述的超薄线圈呈圆环状，该超薄线圈具有沿圆环状的轴向切割而形成的矩形横截面，该矩形的横截面由在内的绝缘基底（1）和在外的导电薄膜（2）交替分布而成，且绝缘基底（1）和导电薄膜（2）的截面也为矩形。
8.根据权利要求7所述的一种超薄线圈，其特征在于所述的绝缘基底（1）的矩形截面边长由膜厚h0和线圈厚度h2组成，导电薄膜（2）的矩形截面边长由膜厚h1和线圈厚度h2组成，该导电薄膜（2）为连接导线的导电层。
9.根据权利要求8所述的一种超薄线圈，其特征在于所述的绝缘基底（1）为聚酰亚胺柔性基底，其膜厚h0按照标称厚度选择7.5µm、13µm、20µm、25µm、40µm、50µm、75µm、100µm、125µm这九种。
10.根据权利要求7所述的一种超薄线圈，其特征在于所述的导电薄膜（2）膜厚h1大于1µm，超薄线圈的线圈厚度h2为1µm~1000µm。
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