CN112304344A - 一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其包括：基片、涂层和栅格。磁栅的设计外形呈圆盘状，中心孔状，方便安装，并且在圆盘上有许多栅格，在栅格上覆盖一层磁性材料，磁栅的多少决定着每旋转一周输出的脉冲数，在相同条件下，脉冲数越多，编码器的分辨率就越高；一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅制作方法，可以增加信号的强度，在有限的范围内，增加了栅格的个数，提高了磁编码器的分辨率，提高精度，尺寸可以根据需要制作，兼容大规模集成电路工艺，可以和接口电路集成制造。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射领域和磁编码器模块领域，特别是涉及一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅及其制作方法。
背景技术
旋转编码器是运动控制必不可少的关键器件之一，当前对旋转编码器的研究主要集中于激光旋转编码器和磁性旋转编码器。就分辨率而言，磁性编码器的分辨率高低取决于磁鼓的bit均分数量的多少；在相同条件下，光学编码器的分辨率比磁性编码器的分辨率高，因为激光光栅可以做的更细。在传统制作磁鼓的方法上，磁鼓不能做的那么细致，所以在分辨率的问题上就比光编码器要低，但是光编码器在抗干扰能力上不如磁编码器强。随着科学技术的不断发展，人们对磁编码器的需求的不断提高，要求能够准确、快速地获得信号，因此，不仅对编码器分辨率要求高，而且对其抗干扰能力要求也高。薄膜科学技术的发展日新月异，薄膜制备技术日趋完善，为磁性编码器制作方法和结构创新提供了有利支撑。
“维富，乔妙杰，郭晋红，王喆。用Co-γ-Fe2O3制备的磁编码器多极磁鼓[J].磁性材料及器件，2009，40(02):61-63”。公开了一种在铝材骨架外圆上涂敷一薄层磁性材料做成的磁鼓结构及其制备方法。磁鼓呈圆柱形，在圆柱外径涂一层磁性材料在这层磁介质上记录着间距为λ的多个磁极信号，这些磁极将圆周分割成以磁极间距为λ的周期性强弱变化的磁场。当磁鼓随着运动系统运动时，磁敏电阻作为敏感元件非接触地感应磁场强度变化并转化成电阻大小的变化，经过信号处理得到标准的矩形脉冲信号，从而实现数字转化，通过对制作工艺的细化，进而提高磁鼓的分辨率。文献所述的磁编码器用磁栅体积较大，分辨率较低。同时，在磁鼓几何尺寸确定的情况下，当增大写入的磁极数时，输出信号出现缺陷，不利于后续的信号处理，并且文献中的制作工艺复杂，加工困难，若加工不准确，则会降低了磁编码器的使用寿命。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，创造性地构思了一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其外形呈圆盘状，中心孔状，方便安装，且在圆盘上有许多栅格，在栅格上覆盖一层磁性材料，磁栅的多少决定着每旋转一周输出的脉冲数，在相同条件下，脉冲数越多，编码器的分辨率就越高；磁控溅射法制作微型磁栅是分子级，可以增加信号的强度，增加栅格的个数，提高精度，通过该方法制造的微型磁栅，高耐用、抗污能力强、小型化和高精度，适合用作机器人关节处的磁编码器并且能够可靠稳定地使用在恶劣环境中。
实现本发明采用的技术方案之一：一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，它包括：基片1、涂层2、栅格3，所述的基片1外形呈圆盘状，中心设有圆孔，在所述的基片1外表面的圆环上设置涂层2，在所述的涂层2上设置一组栅格3，在所述的栅格3上覆盖磁性材料。
所述的基片1材质为单晶硅。
所述的涂层2厚度是栅格3上覆盖磁性材料厚度的1.6倍。
所述的栅格3为32对，各个磁栅的大小一致，360°圆环均分。
在所述的栅格3上覆盖磁性材料的厚度为3mm。
所述的涂层2材质为Co-Ni-P-La。
所述的涂层2材质Co-Ni-P-La中含有：58.75％(重量百分比)Co、35.25％(重量百分比)Ni、5％(重量百分比)P、1％(重量百分比)La。
实现本发明采用的技术方案之二：一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅的制作方法，其特征是，选用的单晶硅作为基片，它包括以下步骤：
1)放样片：
打开溅射室顶盖，在工作台上放置样片，然后关闭顶盖；
2)抽真空：
启动机械泵，打开分子泵前级阀，启动分子泵，然后关闭分子泵前级阀，打开预抽阀对溅射室进行抽低真空；当溅射室真空度小于3.5Pa，关闭预抽阀，打开分子泵前级阀，打开插板阀对溅射室抽高真空；
3)抽本底真空：
等待溅射室真空度抽至本底真空8.0E-4Pa；
4)加热温度设置：
在“样片台旋转控制”对话框中，设定样片转速10rpm，点击“开始”按钮，此时工件台旋转电机开始工作，并将样片旋转速度调至10转/分；在“中心样品加热”对话框中，设定加热温度200℃，点击“打开”按钮，此时加热系统开始加热控温；
5)工艺气体设置：
打开Vpg1，在MFC1的设置值处输入40sccm，等待气体流量显示正常；
6)起辉压力调节：
在“工作压力控制”对话框中，设定压力5.0Pa，然后点击“确定”，压力控制系统会自动将溅射室内的压力调至5.0Pa；
7)功率设置：
在射频电源的功率设定窗口内，输入功率值200W，在射频电源的时间设定窗口内输入工作时间1320s，然后点击“打开”按钮，此时靶便会起辉开始预溅射；
8)工作压力调节：
在“工作压力控制”对话框中，设定压力0.5Pa，然后点击“确定”，压力控制系统会自动将溅射室内的压力调至0.5Pa；
9)预溅射：
靶3挡板处于关闭状态，开始进行预溅射，射频电源工作时间开始倒计时；
10)溅射镀膜：
当射频电源的工作剩余时间为1200s时，打开挡板，靶开始溅射镀膜；
11)溅射完毕：
①时间倒计时为0，射频电源自动关闭；
②关闭挡板；
③然后将MFC1流量设置为0，关闭Vpg1；
④关闭加热；
12)结束抽气：
溅射完毕，将插板阀完全打开，继续用分子泵抽溅射室5～10分钟，将溅射室内的残余气体抽干净；
13)降温：
向腔体充入氮气，通过气体与冷却室壁的热交换达到快速冷却的效果；
14)取样片：
首先关闭插板阀和预抽阀；然后关闭真空计，打开溅射室的充气阀，充气倒计时300秒，充气时间倒计时为0，充气阀关闭；点击溅射室顶盖的升降电机“上升”，则顶盖打开，取出样片。
本发明一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅及其制作方法的有益效果体现在：
1、一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其机械加工方便，导磁部与非导磁部的间隔和数量不受限，可根据需求在微型磁栅上设置尽可能多的栅格，覆盖磁性材料，设置导磁部与非导磁部，分辨率高，检测精度高，输出信号完整，寿命长，结构紧凑，体积小；
2、一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，具有高耐用的、抗污能力强、小型化和高精度，其适合用作机器人关节处的磁编码器并且能够可靠稳定地使用在恶劣环境中；
3、一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅的制作方法，解决了磁编码器分辨率低、体积大的问题。同时也解决了信号轻度低的问题，在有限的范围内，增加了栅格的个数，提高了磁编码器的分辨率，增加栅格的个数，提高精度，尺寸可以根据需要制作，制造工艺同时兼容大规模集成电路工艺，可以和接口电路集成制造。
附图说明
图1是一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅三维示意图；
图中：1.基片，2.涂层，3.栅格。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，设计外形呈圆盘状，磁栅的外径为60mm，内径为12mm，中心呈孔状，它包括：基片1、涂层2、栅格3，所述的基片1外形呈圆盘状，中心设有圆孔，基片1材质为单晶硅，在所述的基片1外表面的圆环上设置涂层2，涂层2材质为Co-Ni-P-La，所述的涂层2材质Co-Ni-P-La中含有：58.75％(重量百分比)Co、35.25％(重量百分比)Ni、5％(重量百分比)P、1％(重量百分比)La；在所述的涂层2上设置一组栅格3，所述的栅格3为32对，各个磁栅的大小一致，360°圆环均分；磁栅的多少决定着每旋转一周输出的脉冲数，在相同条件下，脉冲数越多，编码器的分辨率就越高。磁控溅射法可以增加信号的强度，增加栅格的个数，提高精度。在所述的栅格3上覆盖磁性材料，在所述的栅格3上覆盖磁性材料的厚度为3mm，磁栅被磁化，随后在磁介质上记录着有一定间距的许多磁极信号。
一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅的制作方法，选用的单晶硅作为基片，基片的表面的洁净度、平整度对薄膜的生长影响很大，而硅基片表面更加洁净和平整，它包括以下步骤：
第一步骤，放样片：
打开溅射室顶盖，在工作台上放置样片，然后关闭顶盖；
第二步骤，抽真空：
启动机械泵，打开分子泵前级阀，启动分子泵，然后关闭分子泵前级阀，打开预抽阀对溅射室进行抽低真空；当溅射室真空度小于3.5Pa，关闭预抽阀，打开分子泵前级阀，打开插板阀对溅射室抽高真空；
第三步骤，抽本底真空：
等待溅射室真空度抽至本底真空8.0E-4Pa；(本底真空即为实验前的高真空度，一般≤-4Pa，本底真空越高对实验就越有利。)
第四步骤，加热温度设置：
在“样片台旋转控制”对话框中，设定样片转速10rpm，点击“开始”按钮，此时工件台旋转电机开始工作，并将样片旋转速度调至10转/分；在“中心样品加热”对话框中，设定加热温度200℃，点击“打开”按钮，此时加热系统开始加热控温，等待一段时间；
第五步骤，工艺气体设置：
打开Vpg1，在MFC1的设置值处输入40sccm，等待气体流量显示正常；
第六步骤，起辉压力调节：
在“工作压力控制”对话框中，设定压力5.0Pa，然后点击“确定”，压力控制系统会自动将溅射室内的压力调至5.0Pa；
第七步骤，功率设置:
在射频电源的功率设定窗口内输入功率值200W，在射频电源的时间设定窗口内输入工作时间1320s，然后点击“打开”按钮，此时靶便会起辉开始预溅射；
第八步骤，工作压力调节:
在“工作压力控制”对话框中，设定压力0.5Pa，然后点击“确定”，压力控制系统会自动将溅射室内的压力调至0.5Pa；
第九步骤，预溅射：
靶3挡板处于关闭状态，开始进行预溅射，射频电源工作时间开始倒计时；
第十步骤，溅射镀膜：
当射频电源的工作剩余时间为1200s时，打开挡板，此时靶开始溅射镀膜；
第十一步骤，溅射完毕：
(1)时间倒计时为0，射频电源自动关闭；
(2)关闭挡板；
(3)然后将MFC1流量设置为0，关闭Vpg1；
(4)关闭加热。
第十二步骤，结束抽气：
溅射完毕，将插板阀完全打开，继续用分子泵抽溅射室一段时间(5～10分钟)，目的是将溅射室内的残余气体抽干净；
第十三步骤，降温：
工艺实验结束后，可向腔体充入氮气，通过气体与冷却室壁的热交换达到快速冷却的效果；也可进行自然冷却，充大气解除真空；
第十四步骤，取样片:
工艺实验结束，首先关闭插板阀和预抽阀；然后关闭真空计，打开溅射室的充气阀，充气倒计时300秒，充气时间倒计时为0，充气阀关闭；点击溅射室顶盖的升降电机“上升”，则顶盖打开，取出样片。
一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅的制作方法工作原理，在于电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。
一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅的制作方法工作参数如下：
1、气体氛围为：工艺气体氩气；
2、电源采用射频电源；
3、本底真空：8×10-4Pa；
4、工作压力：0.5Pa；
5、样片转速：10rpm；
6、MFC1(Ar)：40sccm；
7、阳极靶和阴极靶相距100mm。
溅射完成后，将插板阀完全打开，继续用分子泵抽溅射室一段时间(5～10分钟)，目的是将溅射室内的残余气体抽干净；在结束工艺实验后，向腔体充入氮气，通过气体与冷却壁热交换达到快速冷却的效果。
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，它包括：基片(1)、涂层(2)、栅格(3)，所述的基片(1)外形呈圆盘状，中心设有圆孔，在所述的基片(1)外表面的圆环上设置涂层(2)，在所述的涂层(2)上设置一组栅格(3)，在所述的栅格(3)上覆盖磁性材料。
2.根据权利要求1所述的一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，所述的基片(1)材质为单晶硅。
3.根据权利要求1所述的一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，所述的涂层(2)厚度是栅格(3)上覆盖磁性材料厚度的1.6倍。
4.根据权利要求1所述的一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，所述的栅格(3)为32对，各个磁栅的大小一致，360°圆环均分。
5.根据权利要求1所述的一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，在所述的栅格(3)上覆盖磁性材料的厚度为3mm。
6.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3、权利要求4或权利要求5所述的一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，所述的涂层(2)材质为Co-Ni-P-La。
7.根据权利要求6所述的一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅，其特征是，所述的涂层(2)材质Co-Ni-P-La中含有：58.75％(重量百分比)Co、35.25％(重量百分比)Ni、5％(重量百分比)P、1％(重量百分比)La。
8.一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅的制作方法，其特征是，选用的单晶硅作为基片，它包括以下步骤：
1)放样片：
打开溅射室顶盖，在工作台上放置样片，然后关闭顶盖；
2)抽真空：
启动机械泵，打开分子泵前级阀，启动分子泵，然后关闭分子泵前级阀，打开预抽阀对溅射室进行抽低真空；当溅射室真空度小于3.5Pa，关闭预抽阀，打开分子泵前级阀，打开插板阀对溅射室抽高真空；
3)抽本底真空：
等待溅射室真空度抽至本底真空8.0E-4Pa；
4)加热温度设置：
在“样片台旋转控制”对话框中，设定样片转速10rpm，点击“开始”按钮，此时工件台旋转电机开始工作，并将样片旋转速度调至10转/分；在“中心样品加热”对话框中，设定加热温度200℃，点击“打开”按钮，此时加热系统开始加热控温；
5)工艺气体设置：
打开Vpg1，在MFC1的设置值处输入40sccm，等待气体流量显示正常；
6)起辉压力调节：
在“工作压力控制”对话框中，设定压力5.0Pa，然后点击“确定”，压力控制系统会自动将溅射室内的压力调至5.0Pa；
7)功率设置：
在射频电源的功率设定窗口内，输入功率值200W，在射频电源的时间设定窗口内输入工作时间1320s，然后点击“打开”按钮，此时靶便会起辉开始预溅射；
8)工作压力调节：
在“工作压力控制”对话框中，设定压力0.5Pa，然后点击“确定”，压力控制系统会自动将溅射室内的压力调至0.5Pa；
9)预溅射：
靶3挡板处于关闭状态，开始进行预溅射，射频电源工作时间开始倒计时；
10)溅射镀膜：
当射频电源的工作剩余时间为1200s时，打开挡板，靶开始溅射镀膜；
11)溅射完毕：
①时间倒计时为0，射频电源自动关闭；
②关闭挡板；
③然后将MFC1流量设置为0，关闭Vpg1；
④关闭加热；
12)结束抽气：
溅射完毕，将插板阀完全打开，继续用分子泵抽溅射室5～10分钟，将溅射室内的残余气体抽干净；
13)降温：
向腔体充入氮气，通过气体与冷却室壁的热交换达到快速冷却的效果；
14)取样片：
首先关闭插板阀和预抽阀；然后关闭真空计，打开溅射室的充气阀，充气倒计时300秒，充气时间倒计时为0，充气阀关闭；点击溅射室顶盖的升降电机“上升”，则顶盖打开，取出样片。
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|---|---|---|---|
| CN202011020267.9A CN112304344A (zh) | 2020-09-24 | 2020-09-24 | 一种用磁控溅射法制作磁编码器用微型磁栅及其制作方法 |
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