СЕРДЕЧНИК КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2019 года по МПК H01F3/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное изобретение относится к области изготовления магнитных устройств, в частности, структурированное магнитное устройство с анизотропией формы для возбуждения магнитного поля в заданном направлении.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно создание тонкопленочных катушек индуктивности для радиочастотных интегральных схем (Yamaguchi M. et al. Magnetic thin-film inductors for RF-integrated circuits //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2000. – Т. 215. – С. 807-810.). В известном решении тонкая пленка из магнитного материала покрывает спиральную катушку. Узкие щели вдоль направления легкой оси микроструктурированы на магнитной пленке, что приводит к увеличению эффективной интенсивности поля анизотропии, основанной на увеличении энергии анизотропии формы. Узкие щелевые дорожки вдоль направления легкой оси также смещают частоту ферромагнитного резонанса в более высокий частотный диапазон через изменение энергии анизотропии формы и магнитостатической энергии.

Существующие конструкции интегрированных индукторов представляют собой электронные устройства, содержащие одну или более катушек индуктивности. Для улучшения возможности конвертации энергии магнитное ядро (ярмо) может использоваться для передачи электроэнергии между двумя и более катушками за счет электрической индукции. В такого рода устройствах сердечник, представляющий собой микромагнит, используется для увеличения индуктивности катушек. Для возбуждения линейного отклика одной или более катушек индуктивности, направление намагниченности сердечника задается перпендикулярно катушке. Известный на сегодняшний момент общий принцип для задания направления намагниченности заключается в применении отжига в сильном магнитном поле порядка 1 Тесла.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической проблемой, решаемой с помощью заявленного решения, является исключение магнитного отжига для направления индукции магнитного поля.

Для решения данной проблемы предлагается изготавливать сердечник катушки индуктивности из блоков магнитного материала, обладающих анизотропией формы, которая позволяет задавать направление намагниченности сердечника в нужном направлении, выстроенных в определенном порядке для формирования тела сердечника. Предлагается также изготавливать сердечник из слоев блоков магнитных материалов, разделенных немагнитной прослойкой, в частности, обеспечивающей антиферромагнитный характер взаимодействия между магнитными слоями и/или являющейся диэлектриком.

Техническим результатом является обеспечение направления намагниченности в покое для сердечника катушки индуктивности за счет выполнения сердечника из набора блоков магнитных элементов с анизотропией формы.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения представлен сердечник катушки индуктивности, выполненный из набора магнитных блоков с анизотропией формы, содержащей длинную и короткую оси, причем длинные оси блоков являются сонаправленными, а направление намагниченности сердечника устанавливается вдоль длинной оси упомянутых блоков.

В одном из частных примеров реализации форма блоков выбирается из группы: прямоугольная, полигональная, эллиптическая или их сочетания.

В другом частном примере реализации магнитные блоки соприкасаются с соседствующими блоками.

В другом частном примере реализации блоки разделены слоем немагнитного материала, причем толщина разделяющего материала выбирается в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм.

В другом предпочтительном варианте осуществления представлен сердечник катушки индуктивности, выполненный из по меньшей мере двух слоев, каждый из которых состоит из набора магнитных блоков с анизотропией формы, содержащей длинную и короткую оси, причем длинные оси блоков являются сонаправленными, а направление намагниченности сердечника устанавливается вдоль длинной оси упомянутых блоков, причем каждый упомянутый слой блоков отделен от последующего слоя прослойкой из немагнитного материала, а толщина магнитных слоев составляет от 0.4 нм до 2 мкм.

В одном из частных примеров реализации толщина прослойки между магнитными слоями выбирается в диапазоне от 0.4 нм до 2 мкм.

В другом частном примере реализации форма блоков выбирается из группы: прямоугольная, полигональная, эллиптическая или их сочетания.

В другом частном примере реализации магнитные блоки соприкасаются с соседствующими блоками.

В другом частном примере реализации блоки внутри каждого слоя разделены слоем разделяющего немагнитного материала, причем толщина слоя выбирается в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм.

В другом частном примере реализации прослойка выполнена из по меньшей мере одного материала, обеспечивающего антиферромагнитный характер обменного взаимодействия между магнитными слоями, которые могут выбираться из группы: V, Cr, Mo, Ru, Rh, W, Re, Ir или их сочетания.

В другом частном примере реализации прослойка выполняется из диэлектрика.

В другом частном примере реализации наборы магнитных блоков в каждом из магнитных слоев являются идентичными или отличаются формой блоков, и/или размерами блоков, и/или расположением блоков.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлен пример известного выполнения магнитного сердечника.

На Фиг. 2 – Фиг. 6 представлен общий вид заявленного сердечника катушки индуктивности.

На Фиг. 7 представлен пример форм выполнения магнитных блоков.

На Фиг. 8-11 представлен пример исполнения сердечника из нескольких магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 представлен пример конструкции сердечника (10), широко известного из существующего уровня техники. Сердечник (10) выполняется в виде цельного изделия из магнитного материала с заданным направлением намагниченности (101). При применении такого типа сердечника (10) в интегрированных катушках индуктивности на его поверхность наносится одна или более обмоток, образуя таким образом магнит. Направление намагниченности (101) такого магнита будет задаваться с помощью магнитного отжига.

Направление намагниченности сердечника вдоль длинной оси блоков является энергетически выгодным для спонтанной намагниченности.

На Фиг. 2 представлена заявленная конструкция сердечника (20), которая изготавливается из множества блоков (201) (набора блоков), выполненных из магнитного материала, которые располагаются достаточно плотно друг к другу, чтобы образовать тело сердечника (20). Блоки (201) имеют анизотропию формы, которая может представлять собой эллиптическую, прямоугольную, полигональную или их сочетания (Фиг. 3). Размеры блоков (201) также могут иметь различные параметры в зависимости от формы сердечника (20) и могут применяться при формировании единого тела сердечника (20).

Использование блоков (201) с анизотропией формы, содержащих длинную (203) и короткую ось, позволяет автоматически установить направление намагниченности (202) вдоль их длинных осей (203), что в совокупности с заданным расположением позволяет задать направление намагниченности всего сердечника (20), без необходимости дополнительного применения отжига.

Магнитный момент за счет исполнения представленной конструкции сердечника (20) будет автоматически направлен вдоль направления намагниченности (202) длинной оси (203) блоков (201), что является более энергоэффективным направлением спонтанной намагниченности.

Блоки (201) могут иметь произвольное направление, что позволяет направить намагниченность сердечника (20) под произвольным углом к оси сердечника. Направление намагниченности будет установлено согласно направлению намагниченности длинных осей блоков (201). Направление намагниченности может быть установлено под различным углом к оси сердечника, например, 0, 5, 10, 15, 45, 60, 80, 85, 90, градусов.

Как показано на Фиг. 3- Фиг. 5 блоки (201) могут располагаться не только с соприкосновением друг с другом, но и на заданном расстоянии L друг относительно друга.

Расстояние L может быть равнозначным для всех блоков (201), или различаться. Как показано на Фиг. 4 расстояния L1 и L2 может быть различным, что обуславливается принципом изготовления сердечника (20), количеством и расположением блоков (201) в нем.

Коэффициент заполнения K_F сердечника (20) определяется исходя из, отношения суммарного объема блоков (201) V_b к объему сердечника (20) V_C, согласно приведенной формуле

K_F = V_b / V_C (1)_.

Предпочтительно при создании сердечника (20) стремиться к достижению показателя коэффициента заполнения K_F по меньшей мере равному 0.2, более предпочтительно 0.5 или 0.8.

Согласно Фиг. 5 блоки (201) сердечника (20) могут располагаться в шахматном порядке на заданном расстоянии L1, L2 друг относительного друга, причем упомянутое расстояние L1 и L2 может также отличаться для ряда блоков (201).

Сердечник (20) может выполняться из различной совокупности блоков (202), различной формы, формирующих единую конструкцию. Сочетание форм блоков (202) может быть произвольным при сонаправленности длинных осей блоков (201).

За счет применения предложенной конструкции сердечника (20) появляется преимущество в контроле направления магнитного поля (анизотропии намагниченности) за счет формы блоков (202), формирующих тело сердечника (20).

Ширина каждого блока в наборе (201) должна быть по меньшей мере в 2 раза больше, чем толщина магнитного слоя.

Предпочтительно, чтобы соотношение сторон набора блоков (201), т.е. соотношение длинной оси к короткой оси блоков (201), было не менее 1.4, предпочтительно 3 и более. В частных вариантах воплощения сердечника (20) диапазон отношения длинной оси к короткой может лежать в пределе от 1.4 до 100.

Набор блоков (201) разделяется посредством немагнитного материала. Слой разделяющего материала может выбираться в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм. В частности, для улучшения магнитной активности толщина слоя немагнитного материала должна быть минимальной, но достаточной, чтобы не разрушаться при ее изготовлении.

На Фиг. 8 – Фиг. 11 представлен еще один предпочтительный вариант изготовления сердечника магнитной катушки (30). В данном случае сердечник (30) изготавливается из двух и более слоев магнитных блоков (310, 320). Каждый слой (310, 320) содержит набор магнитных блоков (311, 321) с анизотропией формы, по аналогии как это было указано выше для первого варианта изготовления сердечника (20). Блоки (311, 321) также как и блоки (201) выполнены из магнитного материала и содержат длинную и короткую оси. Данная форма также способствует направлению намагниченности по длинной оси блоков (311, 321) каждого слоя (310, 320). Блоки (311, 321) могут иметь различную форму, как это представлено в качестве примера на Фиг. 7, а также располагаться в каждом из слоев сердечника (310, 320) как с соприкосновением с соседними блоками (311, 321), так и быть удаленными на равном или различном расстоянии друг от друга.

Толщина магнитных слоев (310, 320) выбирается, предпочтительно, в диапазоне от 0.4 нм до 2 мкм.

На Фиг. 10 представлен пример выполнения сердечника (30) с различной формой блоков (311, 321) в каждом из магнитных слоев (310, 320). Форма блоков (311, 321) в каждом слое (310, 320) может быть одинакова для всех блоков соответствующего магнитного слоя, либо только для части блоков конкретного слоя.

Как представлено на Фиг. 11 блоки (311, 321) каждого слоя при такой организации могут располагаться относительно каждого другого слоя (310, 320) с горизонтальным и/или вертикальным смещением, т.е. наборы магнитных блоков в каждом из магнитных слоев являются идентичными или отличаются формой блоков, и/или размерами блоков, и/или расположением блоков. Представленная архитектура сердечника (30) позволяет варьировать структуру слоев (310, 320) в части наборов блоков (311, 321), для формирования его требуемой конструкции.

Магнитные слои (310, 320) сердечника (30) разделяются прослойкой из немагнитного материала (330). Прослойка изготавливается толщиной, предпочтительно от 0.4 нм до 2 мкм. Каждый набор блоков (311, 321) в каждом слое разделяется также посредством немагнитного материала, как это указывалось выше. Толщина разделяющего материала может выбираться в диапазоне от 0.5 нм до 20 мкм. В частности, для улучшения магнитной активности толщина слоя немагнитного материала должна быть минимальной, но достаточной, чтобы не разрушаться при ее изготовлении.

Прослойка (330) может изготавливаться из диэлектрика или материала, обеспечивающего антиферромагнитный характер обменного взаимодействия между магнитными слоями (310, 320). В качестве такого материала может использоваться, например, V, Cr, Mo, Ru, Rh, W, Re, Ir или сочетания данных материалов.

Использование диэлектрического материала позволяет улучшить параметры магнитных сердечников индукторов за счет уменьшения вихревых токов. Использование прослойки из материала, обеспечивающего антиферромагнитный характер обменного взаимодействия между магнитными слоями, позволяет надежнее контролировать направление намагниченности сердечника, в том числе и в присутствии внешнего магнитного поля.

Заявленная конструкция сердечника может изготавливаться с помощью фотолитографии.

Представленные в настоящих материалах заявки варианты реализации заявленного технического решения раскрывают предпочтительные аспекты его воплощения и не должны использоваться как ограничивающие иные, частные варианты реализации, которые являются очевидными для специалиста данной области техники, не выходящие за рамки представленного объема правовой охраны.

Изобретение относится к области изготовления магнитных тел, в частности к структуре магнитного материала с изменяемой анизотропией формы для возбуждения магнитного поля в заданном направлении, и может быть использовано для изготовления сердечников катушки индуктивности. Технический результат: обеспечение направления намагниченности сердечника катушки индуктивности за счет его выполнения из паттерна блоков магнитных элементов с анизотропией формы. Сущность: сердечник катушки индуктивности выполнен из набора магнитных блоков с анизотропией формы, содержащей длинную и короткую оси. Длинные оси блоков являются сонаправленными. Направление намагниченности сердечника устанавливается вдоль длинной оси блоков. Магнитные блоки разделены слоем немагнитного материала, толщина которого составляет от 0.5 нм до 20 мкм. Размер блоков имеет соотношение длинной оси к короткой оси от 1.4 до 100. Сердечник катушки индуктивности может быть выполнен из по меньшей мере двух слоев, каждый из которых состоит из набора магнитных блоков с анизотропией формы, содержащей длинную и короткую оси. Каждый слой блоков отделен от последующего слоя прослойкой из немагнитного материала, имеющей толщину от 0.4 нм до 2 мкм, а толщина магнитных слоев составляет от 0.4 нм до 2 мкм. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Сердечник катушки индуктивности, выполненный из набора магнитных блоков с анизотропией формы, содержащей длинную и короткую оси, причем длинные оси блоков являются сонаправленными, а направление намагниченности сердечника устанавливается вдоль длинной оси упомянутых блоков, при этом упомянутые магнитные блоки разделены слоем немагнитного материала, толщина которого составляет от 0.5 нм до 20 мкм, и размер блоков имеет соотношение длинной оси к короткой оси от 1.4 до 100.

2. Сердечник по п. 1, в котором форма блоков выбирается из группы: прямоугольная, полигональная, эллиптическая или их сочетания.

3. Сердечник по п. 1, в котором магнитные блоки соприкасаются с соседствующими блоками.

4. Сердечник катушки индуктивности, выполненный из по меньшей мере двух слоев, каждый из которых состоит из набора магнитных блоков с анизотропией формы, содержащей длинную и короткую оси, причем длинные оси блоков являются сонаправленными, а направление намагниченности сердечника устанавливается вдоль длинной оси упомянутых блоков, причем каждый упомянутый слой блоков отделен от последующего слоя прослойкой из немагнитного материала, имеющей толщину от 0.4 нм до 2 мкм, а толщина магнитных слоев составляет от 0.4 нм до 2 мкм, при этом упомянутые магнитные блоки внутри каждого слоя разделены слоем немагнитного материала, толщина которого составляет от 0.5 нм до 20 мкм, и размер блоков имеет соотношение длинной оси к короткой оси от 1.4 до 100.

5. Сердечник по п. 4, в котором форма блоков выбирается из группы: прямоугольная, полигональная, эллиптическая или их сочетания.

6. Сердечник по п. 4, в котором магнитные блоки соприкасаются с соседствующими блоками.

7. Сердечник по п. 4, характеризующийся тем, что прослойка выполнена из по меньшей мере одного материала, обеспечивающего антиферромагнитный характер обменного взаимодействия между магнитными слоями.

8. Сердечник по п. 7, характеризующийся тем, что материал выбирается из группы: V, Cr, Mo, Ru, Rh, W, Re, Ir или их сочетания.

9. Сердечник по п. 4, характеризующийся тем, что прослойка выполняется из диэлектрика.

10. Сердечник по п. 4, характеризующийся тем, что наборы магнитных блоков в каждом из магнитных слоев являются идентичными или отличаются формой блоков, и/или размерами блоков, и/или расположением блоков.