CN111276314A - 新型电磁铁、新型电磁铁的制备方法及扬声器的磁性结构 - Google Patents

新型电磁铁、新型电磁铁的制备方法及扬声器的磁性结构 Download PDF

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Abstract

本发明一种新型电磁铁、新型电磁铁的制备方法及扬声器的磁性结构，其中，新型电磁铁包括采用半导体技术制成的线圈组。因为线圈组采用半导体技术蚀刻而成，使线圈组中的线距极小，使得线圈组中的各线圈的磁场可直接叠加。相较于现有电磁铁的导线线圈，该线圈组的成品体积极小，质量也很轻，使得电磁铁体积及质量相对于功率占比大大减小。

Description

新型电磁铁、新型电磁铁的制备方法及扬声器的磁性结构
技术领域
本发明涉及电磁铁领域，具体涉及一种新型电磁铁、新型电磁铁的制备方法及扬声器的磁性结构。
背景技术
电磁铁是通电产生电磁的一种装置，其在铁芯的外部以同心圆的方式缠绕与其功率相匹配的导电绕组。电磁铁是电流磁效应的一个应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电子门锁、智能通道匝、电磁流量计等电子装置。
对于一些小型的电子装置而言，目前的电磁铁中会占据较大的空间位置，这就使得小型电子装置在实现小型化和超薄化的方向上会受到一定的限制。因此，如何提供一种小型化的电磁铁以满足其所应用的电子装置的超薄化或小型化的需求，成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种体积小的新型电磁铁及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种新型电磁铁，其包括采用半导体技术制成的线圈组。
所述电磁铁还包括导磁性物质，所述导磁性物质设于线圈组内、设于线圈组上或设于线圈组外周。
所述线圈组由至少一线圈层构成，当线圈组由两层以上的线圈层构成时，两层以上的线圈层的线圈电流方向相同或相反；
当两个以上的线圈层的线圈电流方向相反时，两个电流方向的线圈层数量不相等。
所述线圈层包括至少一线圈，当线圈层包括两个以上线圈时，两个以上线圈串联和/或并联。
所述线圈组的两相邻线圈层之间设有一绝缘层。
所述绝缘层设有让位孔；所述导磁性物质设于让位孔内。
所述线圈组的各线圈层串联和/或并联在一起。
所述线圈组串联时，相邻两线圈的绕设方向相反。
所述线圈层设有第一连接端和第二连接端；
所述线圈组的第一层线圈层的第一连接端与外界电源连接，最后一层线圈层的第一连接端或第二连接端与外界电源连接；其余单数线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端连接，第二连接端与下一线圈层的第二连接端连接；双数线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端连接，第一连接端与下一线圈层的第一连接端连接；
或者，所述线圈组的第一层线圈层的第二连接端与外界电源连接，最后一层线圈层的第一连接端或第二连接端与外界电源连接；其余线圈层中的单数线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端连接，第一连接端与下一线圈层的第一连接端连接；双数线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端连接，第二连接端与下一线圈层的第二连接端连接。
所述线圈组并联时，各线圈层的线圈绕设方向相同；所有线圈层的第一连接端共同连接外界电源的正极或负极，所有线圈层的第二连接端共同连接外界电源的负极或正极。
一种新型电磁铁的制备方法，其包括：
步骤1、采用半导体技术蚀刻出线圈组。
所述方法还包括：
步骤2、在线圈组内、线圈组上或线圈组外周填充导磁性物质。
所述步骤1具体如下：
步骤1.1、在晶圆片上蚀刻一线圈形成第一层线圈层，然后在该第一层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.2、在绝缘层上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈形成第二层线圈层，将该第二层线圈层的第二连接端与第一层线圈层的第二连接端贯穿连通，或者将该第二层线圈层的第一连接端与第一层线圈层的第一连接端贯穿连通，然后在第二层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.3、在绝缘层上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈形成第三线圈层，将该第三层线圈层的第一连接端与第二层线圈层的第一连接端贯穿连通，或者将该第三层线圈层的第二连接端与第二层线圈层的第二连接端贯穿连通，然后在第三层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.4、继续蚀刻绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈，直至所蚀刻的线圈层数量达到要求，即完成线圈组的制备；
在双数线圈层蚀刻完成后，将该线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端贯穿连通，或者将该线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端贯穿连通，然后在该线圈层上覆盖一绝缘层；
在单数线圈层蚀刻完成后，将该线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端贯穿连通，或者将该线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端贯穿连通，然后在线圈层上覆盖一绝缘层。
所述步骤1具体如下：
步骤1.1、在晶圆片上蚀刻一线圈形成第一层线圈层，然后在该第一层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.2、在绝缘层上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相同的线圈形成第二层线圈层，然后在第二层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.3、继续蚀刻绕设方向与上一线圈绕设相同的线圈，直至所蚀刻的线圈层数量达到要求；
当最后一层线圈层蚀刻完成后，将所有线圈层的第一连接端贯穿连接，所有线圈层的第二连接端贯穿连接，即完成线圈组的制备；
或者，从第二层线圈层开始，每蚀刻完成一线圈层，则将其第一连接端、第二连接端分别与上一线圈层的第一连接端、第二连接段贯穿，直至最后一层线圈层，即完成线圈组的制备。
一种扬声器的磁性结构，其包括一如上所述的新型电磁铁。
所述磁性结构还包括一绕组式电磁铁，其设于新型电磁铁上方或下方。
所述磁性结构还包括磁铁，其设于新型电磁铁上方或下方。
所述磁性结构还包括另一新型电磁铁，其设于前述新型电磁铁的上方或下方。
采用上述方案后，本发明的电磁铁包括线圈组，因为线圈组采用半导体技术蚀刻而成，使线圈组中的线距极小，使得线圈组中的各线圈的磁场可直接叠加。相较于现有电磁铁的导线线圈，该线圈组的成品体积极小，质量也很轻，使得电磁铁体积及质量相对于功率占比大大减小。
除了可以实现电磁铁的小型化外，因线圈组为二次元平面结构，可以实现电磁铁的平面化、超薄化，进而使本电磁铁可应用过往因空间,几何形状,效率,及力量不足而无法运用的装置中。
此外，本发明通过在线圈组上加入导磁性物质，可以减少电磁铁的磁阻并强化磁力线。而且，线圈组可以由多层线圈层构成，电磁铁在实现电磁铁体积小型化的基础上，还可以实现电磁铁在极小空间内的磁性最大化，从而大大提高了电磁铁的磁场强度，提高了电磁铁的性能。
附图说明
图1为本发明实施例一的电磁铁的结构示意图；
图2为本发明实施例二的电磁铁的结构示意图；
图3为本发明实施例三的电磁铁的结构示意图；
图4为本发明实施例四的电磁铁的结构示意图；
图5为本发明实施例一电磁铁的结构分解图；
图6为本发明实施例一的线圈组各线圈层并联时的结构示意图；
图7为本发明实施例一的线圈组各线圈层串联时的第一实施方式结构示意图；
图8为本发明实施例一的线圈组各线圈层串联时的第二实施方式结构示意图；
图9为本发明线圈层的实施方式一；
图10为本发明线圈层的实施方式二；
图11为本发明线圈层的实施方式三；
图12为本发明线圈层的实施方式四；
图13-27为扬声器的磁性结构示意图。
具体实施方式
本发明揭示了一种新型电磁铁，其包括采用半导体技术制成的线圈组。因为线圈组采用半导体技术蚀刻而成，使线圈组中的线距极小，使得线圈组中的各线圈的磁场可直接叠加。相较于现有电磁铁的导线线圈，该线圈组的成品体积极小，质量也很轻，使得电磁铁体积及质量相对于功率占比大大减小。
在上述基础上，为减少电磁铁磁阻和强化磁力线，电磁铁还包括导磁性物质。如图1所示，该导磁性物质可以设于线圈组内；如图2和图3所示，该导磁性物质也可以设于线圈组上；如图4所示，该导磁性物质还可以设于线圈组外周。
本发明的线圈组10是利用光罩进行微影、蚀刻、电镀、PVD、CVD等方式(即半导体技术)制备得到。相较于现有电磁铁的导线线圈，该线圈组10体积很小，使得电磁铁的体积占比大大减小，可以实现电磁铁的小型化、超薄化、平面化；进而使电磁铁所应用的电子装置实现超薄化、平面化更加可行。
根据Maxwell磁力方程式：
Figure BDA0002397133070000071
经简化后，B＝μ0μrni，其中，μ0为真空导磁率，μr为金属导磁率，n为线圈数，i为电流。由此可知，电磁铁所产生的磁场大小与线圈组10的线圈数有关，当线圈圈数增加时，电磁铁所产生的磁场增大。
如图5所示，为了使线圈组10的线圈圈数极大化，上述线圈组10由至少一线圈层101构成，每一线圈层101上均设有第一连接端1011和第二连接端1012。
当线圈组10由一线圈层101构成时，该线圈层101的第一连接端1011和第二连接端1012分别连接外界电源。
当线圈组10由两层以上的线圈层101构成，两层以上的线圈层101的线圈电流方向相同或相反；两相邻线圈层101之间设有一绝缘层102，所述绝缘层102上设有一容置导磁性物质20的让位孔1021。
当两个以上的线圈层的线圈电流方向相反时，两个电流方向的线圈层数量不相等。但要保证第一线圈组和第二线圈组的磁场方向相反。例如，当第一线圈组和第二线圈组中均包含了电流方向相反的线圈层时，若第一线圈层中包含顺时针方向的线圈层数量较多，那么第二线圈层中就需要包含较多数量的逆时针方向的线圈层。
当两层以上的线圈层的线圈电流方向相同时，两层以上线圈层101既可以并联在一起，也可以串联在一起，还可以部分线圈层101串联，部分线圈层101并联。
如图6所示，当两层以上线圈层101并联时，线圈组10的所有线圈层101的线圈绕设方向相同，且所有线圈层101的第一连接端1011共同连接外界电源的正极或负极，所有线圈层101的第二连接端1012共同连接外界电源的负极或正极。
如图7和图8所示，当两层以上线圈层101串联时，相邻两线圈层腔的绕设方向相反。具体地，当线圈组10的第一层线圈层101的第一连接端1011与外界电源连接时，最后一层线圈层101的第一连接端1011或第二连接端1012与外界电源连接；其余单数线圈层101的第一连接端1011与上一线圈层101的第一连接端1011连接，第二连接端1012与下一线圈层101的第二连接端1012连接；双数线圈层101的第二连接端1012与上一线圈层101的第二连接端1012连接，第一连接端1011与下一线圈层101的第一连接端1011连接。当线圈组的第一层线圈层101的第二连接端1012与外界电源连接时，最后一层线圈层101的第一连接端1011或第二连接端1012与外界电源连接。其余线圈层101中的单数线圈层101的第二连接端1012与上一线圈层101的第二连接端1012连接，第一连接端1011与下一线圈层101的第一连接端1011连接；双数线圈层101的第一连接端1011与上一线圈层101的第一连接端1011连接，第二连接端1012与下一线圈层101的第二连接端1012连接。
经检测，线圈组10的每一线圈层101厚度大概为90nm，即使堆叠100层线圈，整个线圈组的厚度也才9μm，在极小的空间中设置极大线圈圈数，实现了线圈的极大化，提高了电磁铁的磁场强度。假设线圈组设有100层线圈层101，而每一线圈层101蚀刻出100圈线圈，这样，一个线圈组10就能够产生10000圈的线圈。
可见，相较于现有的电磁铁，本发明的电磁铁在实现电磁铁体积小型化的基础上，还可以实现电磁铁在极小空间内的磁性最大化，从而大大提高了电磁铁的磁场强度。
由图9-10所示线圈组10的每一线圈层101可以由一线圈构成，而该线圈既可以是以同心螺旋状、同心矩形或其他几何形状。如图11所示，每一线圈层101还可以由多个线圈构成，该多个线圈既可以并联，也可以串联，也可以部分线圈串联，部分线圈串联。线圈层既可以是空心线圈，以便填充导磁性物质，也可以是是实心线圈(如图12所示)。
当电磁铁的应用场景需要电磁铁能够具备较大磁场强度的同时还需要较大的电阻值，可以将线圈组10的各线圈层101以串联的方式连接，每个线圈层101的各线圈亦以串联方式连接。当电磁铁的应用场景需要电磁铁能够具备较大磁场强度的同时还需要较小的电阻值，则可以将线圈组10的各线圈层101以并联的方式连接，每个线圈层101的各线圈亦以并联方式连接。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种新型电磁铁的制备方法，其包括以下步骤：
步骤1、采用半导体技术蚀刻出线圈组10；
步骤2、在线圈组10内、线圈组10上、或线圈组10外周填充导磁性物质20。
上述线圈组10包括一层以上的线圈层101。当线圈组10由两层以上的线圈层101构成时，两层以上的线圈层101构成时，各线圈层101之间既可以串联，也可以并联。
当两层以上的线圈层101串联时，上述步骤1具体如下：
步骤1.1、在晶圆片30上蚀刻一线圈形成第一层线圈层101，然后在该第一层线圈层101上覆盖一绝缘层102；
步骤1.2、在绝缘层102上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈形成第二层线圈层102，将该第二层线圈层102的第二连接端1012与第一层线圈层101的第二连接端1012贯穿连通，或者将该第二层线圈层101的第一连接端1011与第一层线圈层101的第一连接端1011贯穿连通，然后在第二层线圈层101上覆盖一绝缘层102；
步骤1.3、在绝缘层102上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈形成第三线圈层101，将该第三层线圈层101的第一连接端1011与第二层线圈层101的第一连接端1011贯穿连通，或者将该第三层线圈101层的第二连接端1012与第二层线圈层101的第二连接端1012贯穿连通，然后在第三层线圈层101上覆盖一绝缘层102；
步骤1.4、继续蚀刻绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈，直至所蚀刻的线圈层101数量达到要求，即完成线圈组的制备；
在双数线圈层101蚀刻完成后，将该线圈层101的第二连接端1012与上一线圈层101的第二连接端1012贯穿连通，或者将该线圈层101的第一连接端1011与上一线圈层101的第一连接端1011贯穿连通，然后在该线圈层101上覆盖一绝缘层102；
在单数线圈层101蚀刻完成后，将该线圈层101的第一连接端1011与上一线圈层101的第一连接端贯1011穿连通，或者将该线圈层101的第二连接端1012与上一线圈层101的第二连接端1012贯穿连通，然后在线圈层101上覆盖一绝缘层102。
为了使电磁铁在电子装置上的应用连接更加方便，在上述基础上，电磁铁制备完成后，可以将第一层线圈层101与电源连接的连接端引出至最后一层线圈层101。使得电磁铁与外界电源连接的两个连接端处于同一侧，方便了后续的通电连接。
当两层以上的线圈层并联时，上述步骤1具体如下：
步骤1.1、在晶圆片30上蚀刻一线圈形成第一层线圈层101，然后在该第一层线圈层101上覆盖一绝缘层102；
步骤1.2、在绝缘层102上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相同的线圈形成第二层线圈层101，然后在第二层线圈层101上覆盖一绝缘层102；
步骤1.3、继续蚀刻绕设方向与上一线圈绕设相同的线圈，直至所蚀刻的线圈层101数量达到要求；当最后一层线圈层101蚀刻完成后，将所有线圈层101的第一连接端1011贯穿连接，所有线圈层101的第二连接端1012贯穿连接，即完成线圈组的制备。
同样，为了使电磁铁在电子装置上的应用连接更加方便，在上述基础上，电磁铁制备完成后，可以将所有线圈层101的第一连接端1011和第二连接端1012贯穿连接后引出至最后一层线圈层。使得电磁铁与外界电源连接的两个连接端处于同一侧，方便了后续的通电连接。
本发明还揭示了一种扬声器的磁性结构，其采用了上述结构的新型电磁铁100。如图13所示，该磁性结构既可以采用一个新型电磁铁100配合现有的绕组式电磁铁200形成。在此基础上，如图14-15所示，可以在新型电磁铁100上设置磁铁300(永久性磁铁)；如图16-21所示，还可以在绕组式电磁铁200上增设一新型电磁铁300。
如图22所示，该磁性结构还可以采用一个新型电磁铁100配合磁铁300(永久性磁铁)形成。在此基础上，如图23-24所示，可以新型电磁铁100上增设绕组式电磁铁200。
如图25所示，该磁性结构还可以采用两新型电磁铁100形成，在此基础上，如图26-27所示，可以在任一新型电磁铁100上增设磁铁300(永久性磁铁)。
综上，本发明的关键在于，本发明的电磁铁由线圈组10以及导磁性物质20构成，因为线圈组10采用半导体技术蚀刻而成，使得线圈组10的厚度很薄。相较于现有电磁铁的导线线圈，该线圈组10体积很小，使得电磁铁的体积占比大大减小，可以实现电磁铁的小型化、超薄化、平面化；进而使电磁铁所应用的电子装置实现超薄化、平面化更加可行。此外，本发明的线圈组10可以由多层线圈层101构成，电磁铁在实现电磁铁体积小型化的基础上，还可以实现电磁铁在极小空间内的磁性最大化，从而大大提高了电磁铁的磁场强度，提高了电磁铁的性能。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (18)

1.一种新型电磁铁，其特征在于：包括采用半导体技术制成的线圈组。
2.根据权利要求1所述的一种新型电磁铁，其特征在于：所述电磁铁还包括导磁性物质，所述导磁性物质设于线圈组内、设于线圈组上或设于线圈组外周。
3.根据权利要求1或2所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈组由至少一线圈层构成，当线圈组由两层以上的线圈层构成时，两层以上的线圈层的线圈电流方向相同或相反；
当两个以上的线圈层的线圈电流方向相反时，两个电流方向的线圈层数量不相等。
4.根据权利要求3所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈层包括至少一线圈，当线圈层包括两个以上线圈时，两个以上线圈串联和/或并联。
5.根据权利要求3所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈组的两相邻线圈层之间设有一绝缘层。
6.根据权利要求5所述的新型电磁铁，其特征在于：所述绝缘层设有让位孔；所述导磁性物质设于让位孔内。
7.根据权利要求3所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈组的各线圈层串联和/或并联在一起。
8.根据权利要求7所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈组串联时，相邻两线圈的绕设方向相反。
9.根据权利要求8所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈层设有第一连接端和第二连接端；
所述线圈组的第一层线圈层的第一连接端与外界电源连接，最后一层线圈层的第一连接端或第二连接端与外界电源连接；其余单数线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端连接，第二连接端与下一线圈层的第二连接端连接；双数线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端连接，第一连接端与下一线圈层的第一连接端连接；
或者，所述线圈组的第一层线圈层的第二连接端与外界电源连接，最后一层线圈层的第一连接端或第二连接端与外界电源连接；其余线圈层中的单数线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端连接，第一连接端与下一线圈层的第一连接端连接；双数线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端连接，第二连接端与下一线圈层的第二连接端连接。
10.根据权利要求7所述的新型电磁铁，其特征在于：所述线圈组并联时，各线圈层的线圈绕设方向相同；所有线圈层的第一连接端共同连接外界电源的正极或负极，所有线圈层的第二连接端共同连接外界电源的负极或正极。
11.一种新型电磁铁的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括：
步骤1、采用半导体技术蚀刻出线圈组。
12.根据权利要求11所述的新型电磁铁的制备方法，其特征在于：所述方法还包括：
步骤2、在线圈组内、线圈组上或线圈组外周填充导磁性物质。
13.根据权利要求11所述的新型电磁铁的制备方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：
步骤1.1、在晶圆片上蚀刻一线圈形成第一层线圈层，然后在该第一层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.2、在绝缘层上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈形成第二层线圈层，将该第二层线圈层的第二连接端与第一层线圈层的第二连接端贯穿连通，或者将该第二层线圈层的第一连接端与第一层线圈层的第一连接端贯穿连通，然后在第二层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.3、在绝缘层上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈形成第三线圈层，将该第三层线圈层的第一连接端与第二层线圈层的第一连接端贯穿连通，或者将该第三层线圈层的第二连接端与第二层线圈层的第二连接端贯穿连通，然后在第三层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.4、继续蚀刻绕设方向与上一线圈绕设相反的线圈，直至所蚀刻的线圈层数量达到要求，即完成线圈组的制备；
在双数线圈层蚀刻完成后，将该线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端贯穿连通，或者将该线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端贯穿连通，然后在该线圈层上覆盖一绝缘层；
在单数线圈层蚀刻完成后，将该线圈层的第一连接端与上一线圈层的第一连接端贯穿连通，或者将该线圈层的第二连接端与上一线圈层的第二连接端贯穿连通，然后在线圈层上覆盖一绝缘层。
14.根据权利要求11所述的新型扬声器的磁性振膜的制备方法，其特征在于：所述步骤1具体如下：
步骤1.1、在晶圆片上蚀刻一线圈形成第一层线圈层，然后在该第一层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.2、在绝缘层上蚀刻一绕设方向与上一线圈绕设相同的线圈形成第二层线圈层，然后在第二层线圈层上覆盖一绝缘层；
步骤1.3、继续蚀刻绕设方向与上一线圈绕设相同的线圈，直至所蚀刻的线圈层数量达到要求；
当最后一层线圈层蚀刻完成后，将所有线圈层的第一连接端贯穿连接，所有线圈层的第二连接端贯穿连接，即完成线圈组的制备；
或者，从第二层线圈层开始，每蚀刻完成一线圈层，则将其第一连接端、第二连接端分别与上一线圈层的第一连接端、第二连接段贯穿，直至最后一层线圈层，即完成线圈组的制备。
15.一种扬声器的磁性结构，其特征在于：包括一如权利要求1-10任一所述的新型电磁铁。
16.根据权利要求15所述的扬声器磁性结构，其特征在于：所述磁性结构还包括一绕组式电磁铁，其设于新型电磁铁上方或下方。
17.根据权利要求15所述的一种扬声器的磁性结构，其特征在于：所述磁性结构还包括磁铁，其设于新型电磁铁上方或下方。
18.根据权利要求15所述的一种扬声器的磁性结构，其特征在于：所述磁性结构还包括另一新型电磁铁，其设于前述新型电磁铁的上方或下方。
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