CN101826394A - 磁性电容器 - Google Patents

Abstract

磁性电容器，包括：具有第一表面及一与该第一表面相对的第二表面的介质层、设在该介质层的第一表面的第一电极、及设在该介质层的第二表面的第二电极；该第一电极具有多个第一磁偶极，该些第一磁偶极具有相同的第一指向，且该些第一磁偶极的第一指向垂直于该介质层所延伸的方向。

Description

磁性电容器

技术领域

本发明关于一种磁性电容器，特别是一种具有垂直于磁性电容器的介质层的磁偶极的磁性电容器。

背景技术

电容器广泛地运用在电路中，例如让交流电流通过并阻挡直流电流，亦可以在电子装置中用于电能储存。请参考图1，其显示一种传统电容器的剖视图，其中电容器10具有上电极12、下电极14及设在上电极12与下电极14之间的介质层16，该介质层16是由绝缘材料所构成，例如一真空层、一液体层(如水)或是氧化铝等等，而上电极12与下电极14则由导电材料所构成，如金属等。

然而，与电池相比之下，电容器仅能储存少量的电能；且在应用上，随着电容器的储存容量提高时，其体积与重量也会一并增加，而使用上述传统电容器的电子装置也必须相对应地增加其尺寸与重量。因此，传统电容器的使用范围亦受到限制。据此，如何在固定尺寸的条件下提高传统电容器的电容值则为本领域中相当重要的发展方向。

本案发明人有鉴于上述传统的技术在实际施用时的缺失，且积累个人从事相关产业开发实务上多年的经验，精心研究，终于提出一种设计合理且有效改善上述问题的结构。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种磁性电容器，其具有一电极，该电极具有垂直于介质层的磁偶极，以提高磁性电容器的电容值。

为了达到上述目的，本发明提供一种磁性电容器，包括：具有第一表面及一与该第一表面相对的第二表面的介质层、设在该介质层的第一表面的第一电极、及设在该介质层的第二表面的第二电极；该第一电极具有多个第一磁偶极，该些第一磁偶极具有相同的第一指向，且该些第一磁偶极的第一指向垂直于该介质层所延伸的方向。

本发明的磁性电容器具有至少一位于介质层之上的电极，其具有相同指向的磁偶极，且该些磁偶极可用以产生磁场。上述磁场可作用于介质层，以提高介质层的介电常数，更借以增加磁性电容器的电容值。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅为提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为传统电容器的剖视图。

图2为本发明第一实施例的磁性电容器的剖视图。

图3为显示平面磁铁的示意图。

图4为本发明第二实施例的磁性电容器的剖视图。

图5为本发明第三实施例的磁性电容器的剖视图。

图6为本发明第四实施例的磁性电容器的剖视图。

图7为本发明第五实施例的磁性电容器的剖视图。

图8为本发明第六实施例的磁性电容器的剖视图。

图9显示本发明第二实施例的磁性电容器的等效电路。

图10为显示本发明第二实施例的磁性电容器的介电常数的实部与传统无磁场的介电常数的实部的比值与频率的关系图。

主要元件符号说明

背景技术

10电容器

12上电极

14下电极

16介质层

本发明

100、200、250、300、350、400磁性电容器

102、402介质层

104第一表面

106第二表面

108、302、352第一电极

110、202、306、356第二电极

112第一磁性段

114第一磁偶极

120磁铁

122N极

124S极

126、208磁力线

204、252第二磁偶极

206第二磁性段

304第一顺磁层

308第二顺磁层

354第一导电层

358第二导电层

404第一介质层

406、408第二介质层

450等效电路

452体区电路

452a体电阻

452b体电容

454介面区电路

454a介面电阻

454b介面电容

A   磁性电容器的面积

d   介质层的厚度

具体实施方式

请参阅图2，其为本发明第一实施例的磁性电容器100的剖视图，磁性电容器100包括介质层102、第一电极108及第二电极110，其中，介质层102具有一第一表面104及一与该第一表面104相对的第二表面106；第一电极108设在该介质层102的第一表面104，第二电极110则设在该介质层102的第二表面106，且第一电极108平行于第二电极110。本具体实施例中，第一电极108具有多个第一磁性段(magnetic section)112，且第一电极108是由一具有导电性的磁性材料所构成，例如铁(Fe)/铂(Pt)合金、钴(Co)/铂(Pt)合金、或上述合金的混和材料，但不以上述为限。因此，该第一电极108可界定出多个第一磁偶极(magnetic dipole)114，且每一个第一磁性段112分别具有一个所述的第一磁偶极114，该些第一磁偶极114具有相同的第一指向，如图2的箭头所示，该些第一磁偶极114的第一指向垂直于该介质层102所延伸的方向。因此，第一电极108可产生一磁场，该磁场可作用在靠近该第一电极108的介质层102的区域，再者，第一电极108所产生的磁场方向垂直于第一电极108与介质层102间的介面。在一具体的制程中，可利用溅镀(sputtering)制程将铁/铂合金或钴/铂合金制作出上述具有垂直于介质层102的第一磁偶极114的第一电极108。

再者，在本具体实施例中，第二电极110为一导电层，其是由一不具有磁性的导电材料所构成，例如，铂金属或其他导电材料。介质层102可由下述的介电材料所组成的群组中选取：二氧化硅(silicon dioxide)、二氧化钛(titanium dioxide)、绝缘材料、陶瓷材料、磁性介电材料或上述材料的组合；另外，该介质层102可为单层结构或多层结构。

此外，第一电极108亦可以利用溅镀(sputtering)或离子束沉积(Ion BeamDeposition，IBD)等方法将磁性材料涂布或沉积在介质层102上；接着，利用外加磁场与退火制程将第一电极108加以磁化并使磁化后的第一电极108的该些第一磁偶极114达成有序地排列。借此，第一电极108的第一磁偶极114即可具有相同的垂直于第一电极108与介质层102间的介面的第一指向；之后，再利用沉积制程，例如化学沉积、物理沉积等方法将第二电极110成型在介质层102的第二表面106上。再一方面，为使第一电极108具有较厚的厚度，上述溅镀或离子束沉积等方法及外加磁场与退火制程可多次地、交互地进行，故该第一电极108可为一种多层结构。换句话说，第一电极108可包括有多个依序成型于该介质层102上的磁性层，但不以上述为限，即第一电极108亦可单层结构。值得说明的是，介质层102的第一表面104为一平坦面，故可使第一电极108接触该介质层102的第一表面104的表面亦为一平坦面，且第一电极108所产生的磁场方向垂直于第一电极108与介质层102间的介面，以避免因磁性电容器100中的不平整介质层102而在第一电极108与介质层102间的介面所产生的漏电(electric leakage)现象。

请参考图3，其显示一种平面态样的磁铁(flat magnet)120，其中，磁铁120具有一N极122及一S极124，该磁铁120可产生多个由N极122至S极124的磁力线126，该磁铁120的中央区域具有较该磁铁120的边缘区域为稀疏的磁力线126的分布，因此，当磁铁120的面积越大时，磁铁120的N极122与S极124交界处的磁场强度就越小。故在上述实施例中，由于该些第一磁偶极114的第一指向为垂直该介质层102所延伸的方向而排列，位于该第一电极108中央处的磁场强度就不会有所降低。换句话说，当增加第一电极108的面积时，将该第一电极108中央处的磁场强度与该第一电极108边缘处的磁场强度进行比较，该第一电极108中央处的磁场强度并不会有下降的情况，借此，本发明的磁性电容器100即可解决传统电容的问题。再者，与传统无磁场的电容相较之下，本发明的磁性电容器100所生的磁场可作用于介质层102，以提高靠近该第一电极108的介质层102区域的介电常数(permittivity)；因此，借由提高介质层102的介电常数，以增加本发明的磁性电容器100的电容量，其可由以下公式进行说明：

C＝εA/d

其中，C为磁性电容器100的电容量；ε为介质层102的介电常数；A为磁性电容器100的面积；d为介质层102的厚度。

另外，本发明并不限定第二电极110是由不具有磁性的导电材料所构成，也就是说，第二电极110可由具有导电性的磁性材料所构成。请参考图4，其为本发明第二实施例的磁性电容器200的示意图，而图4所示的第二实施例与第一实施例相同的元件以相同的元件标号进行命名，且本实施例的内容可对应地参考第一实施例的相关说明；在本实施例中，磁性电容器200的第二电极202可界定出多个第二磁偶极204，且第二电极202具有多个第二磁性段206，每一个第二磁性段206分别由磁性材料所构成，例如铁/铂合金、钴/铂合金、或上述合金的混和材料，每一个第二磁性段206分别具有一个所述的第二磁偶极204。该些第二磁偶极204具有相同的第二指向，且该些第二磁偶极204的第二指向为相同于该些第一磁偶极114的第一指向。第二磁偶极204会与第一磁偶极114产生交互作用，借此，由第一磁偶极114的其中之一与相对应的第二磁偶极204的其中之一可产生一磁力线208，该磁力线208是由第二磁偶极204(可视为N极)延伸穿过介质层102，再延伸至第一磁偶极114(可视为S极)。由于第一电极108与第二电极202均可产生磁场，故本实施例作用于介质层102的磁场强度会大于第一实施例作用于介质层102的磁场强度。因此，由于作用于介质层102的磁场强度较大，本实施例即可更佳地提高介质层102的介电常数(与第一实施例比较)，进而更进一步提高本实施例的磁性电容器200的电容量。

请参考图5，其为本发明第三实施例的磁性电容器250的示意图，本实施例与第二实施例不同之处在于，该些第二磁偶极252的第二指向为相反于该些第一磁偶极114的第一指向。

请参考图6，其为本发明第四实施例的磁性电容器300的示意图，本实施例与第二实施例不同之处在于，第一电极302更进一步包括一第一顺磁层304，该第二电极306更进一步包括有一第二顺磁层308；该些第一磁性段112分布在该第一顺磁层304与该介质层102之间，而该些第二磁性段206分布在该第二顺磁层306与该介质层102之间。第一顺磁层304与第二顺磁层308可包括顺磁材料，如铂(Pt)、铬(Cr)、锰(Mn)等，但本发明并不限定第一电极302与第二电极306均包括上述顺磁层，两电极其中之一具有上述顺磁层亦可达成本发明的功效。

请参考图7，其为本发明第五实施例的磁电容器磁性电容器350的示意图，本实施例与第四实施例不同之处在于，第一电极352更进一步包括一第一导电层354，该第二电极356还包括有一第二导电层358；第一顺磁层304介于第一导电层354与介质层102之间，第二顺磁层308则介于第二导电层358与介质层102之间。第一导电层354与第二导电层358是由不具磁性的导电材料所构成，例如一般金属材料，但本发明并不限定第一电极302与第二电极306均包括上述导电层，两电极其中之一具有上述导电层亦可达成本发明的功效。

请参考图8，其为本发明第六实施例的磁性电容器400的示意图，本实施例与第一实施例不同之处在于，磁性电容器400的介质层402可为一多层结构，其包括一第一介质层404及两第二介质层406、408，且该第一介质层404位于该两第二介质层406、408之间。第一介质层404可由氧化硅(siliconoxide)材料或高介电常数的金属所构成，以避免由介质层402所产生的漏电现象，该两第二介质层406、408可由氧化镁(magnesium oxide，MgO)、锰酸锶镧(La(y)Sr(1-y)MnO3，LSMO)，如La0.7Sr0.3MnO3、或锆钛酸铅(Pb(Zr(y)Ti(1-y))O3，PZT)，如Pb(La0.52Ti0.48)O3等材料所构成，故可使该两第二介质层406、408与第一磁性段112产生交互作用，进以提高磁性电容器400的电容量。但上述的三层结构仅为说明之用，本发明并不限定介质层402的层数。

以下将以第二实施例为例详细说明磁场对于材料的介电常数的影响，进而说明本发明利用磁场提高介电常数所能达成的效果。请参考图9及图10，并同时参照图1及图4；图9为显示图4所示的第二实施例的等效电路，图10为显示第二实施例中介电常数的实部与传统无磁场的介电常数的实部的比值与频率的关系。如图1、图4、图9所示，由于第一电极108与第二电极202的磁场的作用，该介质层102可被区分为体区(bulk)和介面区(interfacial)，该介面区即为介质层102中受到第一电极108与第二电极202的磁场的作用的部分。因此，第二实施例的磁性电容器200可由图9所示的等效电路450来加以表示，该等效电路450为体区电路452与介面区电路454的串联电路；其中，体区电路452中的体电阻452a与体电容452b为并联，而介面区电路454的介面电阻454a与介面电容454b为并联。根据Maxwell-Wagner Model，磁性电容器200的阻抗Z可由下列公式推导：

$Z=[\frac{\mathrm{Rb}}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{Cb}}^2{\mathrm{Rb}}^2}+\frac{\mathrm{Ri}}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{Ci}}^2{\mathrm{Ri}}^2}]+j[\frac{-\mathrm{\ωCb}{\mathrm{Rb}}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{Cb}}^2{\mathrm{Rb}}^2}+\frac{-\mathrm{\ωCi}{\mathrm{Ri}}^2}{1+{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{Ci}}^2{\mathrm{Ri}}^2}]$

其中，Z为磁性电容器200的阻抗；ω为角频率；Rb为体电阻452a的阻值；Ri为介面电阻454a的阻值；Cb为体电容452b的电容值；Ci为介面电容454b的电容值。而第二实施例中，第一电极108与第二电极202是由铁/铂合金所组成，介质层102是由氧化镁所构成，且介质层102的厚度约为200埃(angstrom)。传统的无磁性的电容10可做为一比较的基准，该电容10的上电极12与下电极14是由铂金属所组成，且其介质层16为100埃的氧化镁材料所构成。第二实施例中介电常数的实部是用ε’(ω)表示，而传统无磁场的介电常数的实部是用ε’0(ω)表示，而如图10所示，两者的比值是以ε’(ω)/ε’0(ω)来表示，且由图10的曲线，该比值均大于1，换句话说，有磁场作用的介电常数会大于没有磁场作用的介电常数，因此，第二实施例的磁性电容器200的电容值约为超出传统电容的20％以上。再者，当频率为0Hz时上述的比值更大于1.2，其说明在直流操作下的该第二实施例的磁性电容器200的介电常数会大于在交流操作下的介电常数。

综上所述，本发明的磁性电容器具有至少一位于介质层之上的电极，其具有相同指向且垂直于该介质层的磁偶极，以利用该些磁偶极产生磁场，并借由该磁场作用于介质层，以提高介质层的介电常数，更进以提高磁性电容器的电容值。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此局限本发明的范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效技术变化，均包括在本发明的范围内。

Claims (18)

1.一种磁性电容器，其特征在于，包括：

一介质层，其具有一第一表面及一与该第一表面相对的第二表面；

一设在该介质层的该第一表面的第一电极，该第一电极具有多个第一磁偶极，该些第一磁偶极具有相同的第一指向，且该些第一磁偶极的第一指向垂直于该介质层所延伸的方向；以及

一设在该介质层的该第二表面的第二电极。

2.根据权利要求1所述的磁性电容器，其特征在于，该第一电极是由一具有导电性的磁性材料所构成。

3.根据权利要求2所述的磁性电容器，其特征在于，该磁性材料为铁/铂合金或钴/铂合金。

4.根据权利要求1所述的磁性电容器，其特征在于，该第一电极具有多个第一磁性段，每一个该第一磁性段分别具有一个该第一磁偶极。

5.根据权利要求4所述的磁性电容器，其特征在于，该第一电极还包括有一第一顺磁层，而该些第一磁性段分布在该第一顺磁层与该介质层之间。

6.根据权利要求5所述的磁性电容器，其特征在于，该第一电极还包括有一第一导电层，而该些第一磁性段分布在该第一导电层与该介质层之间。

7.根据权利要求1所述的磁性电容器，其特征在于，该第一电极为一多层结构。

8.根据权利要求1所述的磁性电容器，其特征在于，该第二电极具有多个第二磁偶极，该些第二磁偶极具有相同的第二指向，且该第二电极是由一磁性材料所构成。

9.根据权利要求8所述的磁性电容器，其特征在于，该些第二磁偶极的第二指向为相同于该些第一磁偶极的第一指向。

10.根据权利要求8所述的磁性电容器，其特征在于，该些第二磁偶极的第二指向为相反于该些第一磁偶极的第一指向。

11.根据权利要求8所述的磁性电容器，其特征在于，该磁性材料为铁/铂合金或钴/铂合金。

12.根据权利要求8所述的磁性电容器，其特征在于，该第二电极具有多个第二磁性段，每一个该第二磁性段分别具有一个该第二磁偶极。

13.根据权利要求12所述的磁性电容器，其特征在于，该第二电极还包括有一第二顺磁层，而该些第二磁性段分布在该第二顺磁层与该介质层之间。

14.根据权利要求13所述的磁性电容器，其特征在于，该第二电极还包括有一第二导电层，而该些第二磁性段分布在该第二导电层与该介质层之间。

15.根据权利要求8所述的磁性电容器，其特征在于，该第二电极为一多层结构。

16.根据权利要求1所述的磁性电容器，其特征在于，该介质层为一多层结构。

17.根据权利要求16所述的磁性电容器，其特征在于，该介质层包括有一第一介质层及两第二介质层，且该第一介质层位于该两第二介质层之间。

18.根据权利要求17所述的磁性电容器，其特征在于，该第一介质层是由氧化硅所构成。

Images