CZ2014427A3 - Zařízení pro elektrolytické nanášení feromagnetické vrstvy v magnetickém poli - Google Patents

Abstract

Zařízení pro elektrolytické nanášení feromagnetické vrstvy v magnetickém poli obsahuje permanentní magnety (1), které jsou rozmístěny paprskovitě ve společné rovině a mají směrem ke středu shodnou orientaci. Tyto permanentní magnety (1) obklopují vnitřní otvor (2) pro uložení prstencového vzorku, na kterém se vytváří prstencová magnetická vrstva.

Description

Předkládané řešení se týká zařízení pro elektrolytické nanášení feromagnetické vrstvy v magnetickém poli pomocí aplikace radiálního magnetického pole.

Dosavadní stav techniky

Vrstva magnetického materiálu se vyrábí elektrolytickou metodou, také známou jako elektrodepozice. V elektrolytu je ponořena elektrodová struktura. Proud procházející mezi anodou a katodou způsobí chemickou reakci a na katodě se začne tvořit vrstva magnetického materiálu.

Vlastnosti magnetické vrstvy vzniklé takovýmto způsobem závisí na mnoha parametrech jako je složení roztoku, teplota, pH, proudová hustota a podobně. Možný způsob, jak dosáhnout anizotropie, je aplikovat silné lineární magnetické pole během procesu elektrolýzy. Nicméně tento přístup nemůže být aplikován na prstencový tvar jádra, protože lineární magnetické pole by způsobilo, že na prstenci budou oblasti s požadovanou radiální^anizotropií a oblasti s nežádoucím^směrem anizotropie.

I \

Pokud se má získat radiální anizotropie, musí se aplikovat radiální pole, při procesu elektrolytického nanášení magnetického materiálu.

Je známé řešení podle WO2013044233 Systems and methods for making radially anisotropic thin-film magnetic torroidal cores, and radially anisotropic cores having radial anisotropy, and inductors having radially aniosotropic cores. V tomto případě je prstenec, který má být opatřen feromagnetickou vrstvou, umístěn nad jhem a permanentní magnety směřují vertikálně, přičemž se spoléhá na vytvoření radiálního pole nad jhem. Tato metoda je určena pro naprašovací technologii, nikoli pro elektrolýzu. Naprašování je velmi rozdílná technologie oproti elektrolytickému nanášení. Obě metody se sice používají pro < 2 ’ nanesení magnetického materiálu za přítomnosti magnetického pole, ale při naprašování postačí pouze slabá magnetická pole pro tvorbu anizotropie, kdežto u elektrolýzy jsou nutná silná magnetická pole. Navíc elektrolýzou je možno vytvořit silnější anizotropii magnetického materiálu.

Je také známé řešení podle US 3247331 A, kde se ale jedná o magnetický obvod, který se používá u elektrodynamického reproduktoru, tedy řešení se týká zcela jiné aplikace. V reproduktorech se využívá feritových magnetů toroidního tvaru, magnet je tedy tvořen jedním dílem. V některých elektrodynamických reproduktorech se k vytvoření radiálního magnetického pole užívá NdFeB magnetů. Tyto magnety mají tvar axiálně magnetované tablety a změnu směru magnetického pole na radiální zajišťuje magnetický obvod z magneticky měkkého železa.

Patent JP H02214023 A popisuje přípravu anizotropní magnetické vrstvy elektrolytickým nanášením. Zdrojem magnetického pole je zde elektrický proud tekoucí radiálním směrem. Tímto způsobem je však možno vytvořit pouze disky nebo toroidy s cirkumferenciálním směrem snadné magnetizace, což není vhodné pro magnetické senzory s nízkým šumem.

Patent JP H08213233 A popisuje výrobu vrstvy s diamagnetickou anizotropii. Taková vrstva není vhodná pro použití v jádrech magnetických senzorů.

Patent US 3160576 Al popisuje metodu výroby feritových vrstev specifického složení s jednoosou anizotropii. Feritové materiály obecně nejsou vhodné pro jádra nízkošumových magnetických senzorů.

Patent JP 2006156485 A popisuje proces výroby anizotropního feritového magnetu lisováním v magnetickém poli. Magnetické pole je vytvořeno v axiálním směru a ve stejném směruje výsledná osa snadné magnetizace. To není použitelné pro tenkovrstvá jádra, protože taková anizotropie by nebyla stabilní.

♦ · • * «

* » · « 4 *

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro elektrolytické nanášení feromagnetické vrstvy v magnetickém poli obsahující plastovou nádobu pro naplnění elektrolytickým roztokem a permanentní magnety. Jeho podstatou je, že permanentní magnety jsou rozmístěny paprskovitě ve společné rovině a mají směrem ke středu shodnou orientaci, čímž je dáno, že vektor magnetizace směřuje do středu. Vnitřní póly permanentních magnetů se dotýkají a vytvářejí vnitřní otvor pro uložení substrátu pro nanášení feromagnetické vrstvy.

Ve výhodném provedení je dno plastové nádoby vytvarované pro vložení do vnitřního otvoru.

Je výhodné, jsou-li permanentní magnety z NdFeB, neboť tento materiál umožňuje vytvořit velmi silné magnetické pole. V našem provedení je magnetů několik. Magnety jsou magnetovány jednotlivě v externím magnetizačním zařízení a teprve pak je magnetický obvod sestaven. Orientace magnetů je radiální.

V jednom možném provedení prochází vnitřním otvorem pro vytváření prstencové magnetické vrstvy válcový feromagnetický trn. Tento trn homogenizuje magnetické pole a snižuje magnetický odpor celého zařízení, čímž se zvyšuje velikost magnetického pole ve vzduchové mezeře.

V jiném výhodném provedení jsou permanentní magnety obklopeny prstencovým feromagnetickým jhem a jejich vnější póly se dotýkají vnitřního pláště tohoto prstencového feromagnetického jha. Toto prstencové jho má stejné výhody jako válcový trn.

Zařízení lze upravit spojením výše uvedených dvou řešení, kdy je zařízení realizováno jak s válcovým feromagnetickým trnem, tak s prstencovým feromagnetickým jhem. Výhodou je další zvýšení dosažitelné velikosti magnetického pole ve vzduchové mezeře.

V tomto případě lze ještě zařízeni doplnit tak, že prstencové feromagnetické jho a vnitřní f · válcový feromagnetický trn jsou propojeny spojovacím jhem do jednoho magnetického obvodu. V této variantě je dosažitelné pole nejvyšší.

Objasnění výkresů

Na Obr. 1 je znázorněna hysterezní smyčka senzoru s velkým šumem, strmá smyčka, a senzoru s nízkým šumem, skloněná smyčka. Na Obr. 2A a 2B je uveden pásek feromagnetického materiálu s anizotropií paralelně ke směru budicího pole a na Obr. 3A a 3B je tentýž pásek s anizotropií kolmou ke směru budicího pole. Na Obr. 4 je znázorněno základní uspořádání zařízení s paprskovité umístěnými permanentními magnety. Znázornění směru magnetického pole v prstencovém feromagnetickém jhu je schematicky naznačeno na Obr. 5KJeden příklad konkrétního provedeni je uveden v rozloženém stavu na Obr. 7 a ve složeném stavu na Obr. 8. Obr. 9 znázorňuje zařízení i s uzavíracím víčkem a jeho připojení k čerpadlu. Vyobrazení víčka se svorkou pro připojení proudového generátoru a s trubičkami pro promíchávání je na Obr. 10.

Příklady uskutečnění vynálezu

Fluxgate senzory jsou senzory, které měří magnetické pole na principu periodicky přemagnetovaného feromagnetického jádra. Největší část šumu senzoru pochází právě z feromagnetického jádra, a proto je důležité, aby toto jádro mělo vhodnou charakteristiku tak, aby se minimalizoval šum, a tím se vylepšila přesnost senzoru. Má-li se dosáhnout radiální anizotropie, musí se aplikovat radiální pole při procesu elektrolytického nanášení magnetického materiálu.

Jedna z nejvíce důležitých charakteristik jádra je právě magnetická anizotropie. Typická hysterezní B-H smyčka je zobrazena na Obr. 1 s označením I. Ukazuje se, že pokud se má redukovat šum senzoru, musí se snížit sklon hysterezní smyčky. Jinými slovy smyčka by se měla změnit, jak je naznačeno v Obr. 1 křivkou s označením Π.

* ·

·. 5

K dosažení tohoto cíle se musí změnit anizotropie magnetického materiálu jádra. Anizotropie může být popsána jako snadnost magnetování v daném směru. Pro jednoduchost lze předpokládat pásek oproti prstencovému tvaru. Když magnetický materiál pásku má anizotropii v podélném směru magnetizace, potom hysterezní smyčka dosáhne rychle saturace, Obr. 2A a Obr. 2B. Když má magnetický materiál naopak anizotropii kolmou ke směru vektoru magnetizace, Obr. 3A a 3B, bude těžší materiál saturovat. Lze tedy pozorovat na tvaru hysterezní smyčky, že je třeba dosáhnout vyšší intenzity magnetického pole H pro saturaci materiálu.

Pokud se jedná o prstencové jádro, je buzeno magnetickým polem v tangenciálním směru vzhledem ke středu jádra. Proto, má-li být anizotropie vždy kolmá k vektoru H, musí být anizotropie radiální. Tuto podmínku splňuje nově navržené zařízeni, které vytváří radiální anizotropii na prstenci tím způsobem, že při procesu elektrolytického nanášení magnetického materiálu je aplikováno radiální magnetické pole.

Nově navržené zařízení pro elektrolytické nanášení feromagnetické vrstvy v magnetickém poli má permanentní magnety 1 rozmístěny paprskovitě ve společné rovině, Obr. 4. Tyto permanentní magnety 1 mají směrem ke středu shodnou orientaci a obklopují vnitřní otvor 2 válcového nebo prstencového tvaru pro uložení prstencového vzorku 8, na kterém se vytváří prstencová magnetická vrstva. Vektor magnetizace tedy směřuje do středu. Za účelem vytvoření silného magnetického pole byly permanentní magnety s výhodou realizovány z NdFeB.

Toto základní zařízení je možné nadále upravovat tak, že je doplněno středovým válcovým feromagnetickým trnem 3 a/nebo permanentní magnety 1 obklopit prstencovým feromagnetickým jhem 4, kdy se vnější póly permanentních magnetů 1 dotýkají vnitřního pláště tohoto prstencového feromagnetického jha 4. Pokud se použijí oba tyto prvky, lze prstencové feromagnetické jho 4 a vnitřní válcový feromagnetický trn 3 propojit spojovacím jhem 5 do jednoho magnetického obvodu, Obr. 5 a Obr. 6. To má za následek zlepšení homogenity vytvořeného magnetického pole a zvýšení jeho velikosti.

i · « ·

- 6 '

Magnetické pole vychází z permanentních magnetů 1 magnetů, prochází vnitřním otvorem 2 vytvářejícím vzduchovou mezerbu, vstupuje do středního válcového feromagnetického trnu 3 a následně postupuje přes spojovací jho 5 a prstencové feromagnetické jho 4 a vrací se zpět do permanentních magnetů, jak je znázorněno na Obr. 5.

Tímto způsobem se získá magnetické pole, které má vždy směr do středu. Simulací metodou konečných prvků bylo ověřeno, že magnetické poleje radiální a horizontální ve středu vzduchové mezery. Toto bylo také přímo měřeno na vyrobeném přípravku.

Dále bude popsáno jedno možné konkrétní provedení zařízení podle předkládaného řešení. Na Obr. 7 je zařízení v rozloženém stavu, na Obr. 8, jsou jeho jednotlivé prvky složeny v jeden celek a na Obr. 9 je zařízení doplněné víkem.

Permanentní magnety 1 z NdFeB jsou umístěny v prstencovém feromagnetickém jhu 4, a to paprskovitě a rovnoběžně s jeho dnem. Jeden jejich pól se dotýká v horní části vnitřního pláště prstencového feromagnetického jha 4. Vnitřní póly permanentních magnetů 1 vytvářejí ve vnitřním otvoru 2 vzduchovou mezeru, do které směřuje vektor magnetizace. Mezi vnitřními pólovými nástavci permanentních magnetů 1_ prochází válcový feromagnetický trn 3. Prstencové feromagnetické jho 4 a vnitřní válcový feromagnetický trn 3 jsou propojeny ve spodní části spojovacím jhem 5 do jednoho magnetického obvodu. Válcový feromagnetický trn 3 je u svého spodního konce opatřen feromagnetickým kuželovitým nálitkem 6 rozšiřujícím se směrem ke spojovacímu jhu 5. Jeho výška je menší než vzdálenost spodních ploch permanentních magnetů 1 od spojovacího jha 5. Účelem tohoto nálitku 6 je zvýšení průřezu válcového feromagnetického trnu 3 a tím zabránění saturace prstencového feromagnetického jha 4. Na prstencovém feromagnetickém jhu 4 je těsně nasunuta plastová nádoba 7 s dutinou pro naplnění elektrolytickým roztokem, který těsně obepíná vnější plášť prstencového feromagnetického jha 4. Dno plastové nádoby 7 je uzpůsobeno pro uložení prstencového vzorku 8 se smaltovanými přívody 9 v prostoru mezi vnitřními póly permanentních magnetů 1, na kterém se bude vytvářet ferromagnetická vrstva. Dno plastové nádoby 7 . 7 je zároveň tvarované pro těsné zapadnutí mezi vrchní část válcového trnu 3 a vnitřní póly permanentních magnetů 1. Plastová nádoba 7 je opatřen odnímatelným víčkem 10, jehož střední část je zde zapuštěna do dutiny plastové nádoby 7 a její dno je opatřeno mřížkou 11 z platinových drátků a dvěma přívodními trubičkami 12 pro propojení s čerpadlem 13, které jsou vně víčka 10 opatřeny zahřívacími elementy 14. Límec víčka 10 dosedá na horní okraj plastové nádoby 7 a je opatřen svorkou 15 pro propojení smaltovaných přívodů 9 s proudovým generátorem.

Když už je vytvořeno magnetické radiální pole, jak bylo popsáno výše, musí se umístit prstencový vzorek 8 na prstencové feromagnetické jho 4 tak, aby bylo možné provést elektrolytické nanášení. Problémem je, že roztok použitý pro elektrolýzu má kyselé pH a způsobil by korozi prstencového feromagnetického jha 4. Navíc, roztok by při interakci s železem prstencového feromagnetického jha 4 chemicky reagoval a změnil by chemické složení. Toto lze obejít pokrytím prstencového feromagnetického jha 4 inertním materiálem. Z tohoto důvodu byla navržena speciálně tvarovaná plastová nádoby 7, Obr.

7, která zapadne do vzduchových mezer a elektrolýza bude probíhat v uzavřeném prostoru oddělené od prstencového feromagnetického jha 4. Poté se prstencový vzorek

8, na který má být nanášena magnetická vrstva, vloží do plastové nádoby 7 a plastová nádoba 7 je vyplněna kapalným roztokem, Obr. 8. Smaltované přívody 9 spojené s prstencovým vzorkem 8 jsou připraveny pro připojení ke zdroji proudu. Nakonec je plastová nádoby 7 přikryta víčkem 10 s mřížkou 11 z platinových drátů, které tvoří v obvodu anodu. Následně je proudový zdroj připojen k prstencovému vzorku 8 a k platinové mřížce IL Aby bylo možné míchat roztokem, a tak zkvalitnit nanášení magnetické vrstvy, jsou na uzávěru dvě přívodní trubičky 12, které jsou připojeny k čerpadlu 13. Čerpadlo 13 provádí potřebnou cirkulaci roztoku a potřebné promíchání. Tím se ale snižuje teplota roztoku, což je nežádoucí, a proto se udržuje na požadované teplotě 55°C pomocí zahřívacích elementů 14, které jsou umístěny kolem přívodních trubiček 12.

Proces elektrolýzy je velmi dobře znám. Také složení roztoku pro nanášení magnetické vrstvy je již popsáno. Nová je ovšem myšlenka aplikace radiálního pole na prstencový l·· ·

vzorek 8 během elektrolytického procesu za pomoci navržené struktury prstencového feromagnetického jha 4 a paprskovitě rozmístěných permanentních magnetů 1 se speciální plastovou nádobou 7, která zapadne do prstencového feromagnetického jha 4 tak, aby na prstencový vzorek 8 působilo pouze radiální pole permanentních magnetů 1.

Průmyslová využitelnost

Zařízení je využitelné ve výrobě senzorů pro přesné měření magnetického pole. Tyto senzory nacházejí použití v geofyzice, kosmické technice a navigačních, bezpečnostních a vojenských systémech

Claims (7)

1. Zařízení pro elektrolytické nanášení feromagnetické vrstvy v magnetickém poli obsahující plastovou nádobu (7) pro naplnění elektrolytickým roztokem a permanentní magnety, vyznačující se tím, že permanentní magnety (1) jsou rozmístěny paprskovitě ve společné rovině, mají směrem ke středu shodnou orientaci a obklopují vnitřní otvor (2) válcového nebo prstencového tvaru pro uložení substrátu pro nanášení feromagnetické vrstvy.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dno plastové nádoby (7) je vytvarované pro vložení do vnitřního otvoru (2).

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že permanentní magnety jsou z NdFeB.

4. Zařízení podle nároku 1,2 nebo 3 vyznačující se tím, že vnitřním otvorem (2) pro uložení substrátu pro nanášení feromagnetické vrstvy prochází válcový feromagnetický trn (3).

5. Zařízení podle nároku 1, 2 nebo 3₍vyznačující se tím, že permanentní magnety (1) jsou obklopeny prstencovým feromagnetickým jhem (4) a jejich vnější póly se dotýkají vnitřního pláště tohoto prstencového feromagnetického jha (4).

6. Zařízení podle nároku podle nároku 4. vyznačující se tím, že permanentní magnety (1) jsou obklopeny prstencovým feromagnetickým jhem (4) a jejich vnější póly se dotýkají vnitřního pláště tohoto prstencového feromagnetického jha (4).

7. Zařízení podle nároku 6,vyznačující se tím, že prstencové feromagnetické jho (4) a vnitřní válcový feromagnetický trn (3) jsou propojeny spojovacím jhem (5) do jednoho magnetického obvodu.