JPH07508135A - 磁気ひずみ変換器 - Google Patents

磁気ひずみ変換器

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JPH07508135A
JPH07508135A JP6501931A JP50193193A JPH07508135A JP H07508135 A JPH07508135 A JP H07508135A JP 6501931 A JP6501931 A JP 6501931A JP 50193193 A JP50193193 A JP 50193193A JP H07508135 A JPH07508135 A JP H07508135A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気ひずみ変換器 従来技術 本発明は請求項1に記載した種類の磁気ひずみ変換器から出発している。Edg e Technologies、 Inc、社の文献「Application  1lanual for the Design of ExtremaTe rfenol Magnetostrictive TransducersJ によれば電流が貫流するコイルとその中に配置された、テルビウムーデイボジニ ームー鉄−合金から成るロッドを有する磁気ひずみ変換器が既に公知である。さ らにDE−AI−4003619号明細書によれば、侵入する液体噴流に対して 平行に位置する曲げ舌片により流体噴流が2つの流出通路の1つに変向可能であ るマイクロ弁が公知である。この場合には曲げた舌片は熱機械的に作動される。
さらにDE−AI−3919876号明細書によれば、圧電式に作動される曲げ 部材に懸吊されたシールブロックが1つの流出口を閉鎖できるマイクロ弁が公知 である。金属蒸気から薄い金属層を析出することは例えば本、Sze、VLST  Technologie、McGrat−Hill Internatton al、 347から367頁に記載されている。
発明の利点 これに対し、請求項1の特徴を有する本発明による磁気ひずみ変換器は、薄い層 がきわめて小さい変換器の駆動装置としても適するという利点を有している。
この場合には曲げ部材における使用によってそれにも拘わらずきわめて大きな変 向が達成される。さらに薄い磁気ひずみ層により層の小寸法に比してきわめて高 い力が生ぜしめられる。さらに利点として見なすべきことは、薄い磁気ひずみ層 が直接的な供給を必要とせず、電気的な供給が大きな問題のもとでしか行うこと のできない個所においても使用可能であることである。さらに磁気ひずみ薄層を 有する変換器はきわめて高い周波数で運転でき、例えば巨視的なロッドよりも良 好な動的特性を有する。
請求項2以下に記載した処置によっては請求項1に記載した磁気ひずみ変換器の 有利な構成と改善とが可能である。高い磁気ひずみ効果、すなわち大きな相対長 さ変化は薄い層が無定形であるか又はナノ結晶構造を有していると、この薄い層 は呈する。このような層は磁気ひずみ効果のビステリシスが少ないことによって も秀れている。構造化によって薄い層は曲げ変換器において大きな調節距離を達 成するために高い引張りもしくは圧縮応力を生ぜしめようとする個所においても 配置することができる。このようにするとミニチュア化された多数の磁気ひずみ 変換器を1つの基板の上で同時に製作することができる。薄い層を、多くの、個 々の、電気的に分離した範囲に分割することにより、薄い層におけるうず電流が 抑制され、磁気ひずみ層の動的な特性が改善される。曲げ部材は曲げビーム又は ダイヤフラムとして成形可能である。外側の磁界における調質又は析出によって 磁気的な優先方向、いわゆる磁化の容易な方向が薄い層において生せしめられる 。
すでに500エルステツドの低い外側の磁界の場合に、磁界が優先方向に平行に 、すなわち磁化の容易な方向に平行に励磁されると、大きさが数10−4の高い 磁気ひずみが達成される。特別な措置を講することなしに前記優先方向は無定形 の実験においてはたいてい層平面内に位置している。外側の磁界における調質又 はすでに外側の磁界における析出によって一方では層において達成可能な磁気ひ ずみがさらに高められかつ優先方向が任意に調節される。これによって外側の磁 界が低い場合に大きな変向を有する曲げ変換器が実現される。この場合、外側の 磁界は磁石ひずみ薄層に対して垂直にも平行にも配向されていることができる。
薄い磁気ひずみ層を軟磁性材料から成る別の薄い層内に埋設することにより、薄 い磁気ひずみ層の範囲における外側の磁界が強められるので、わずかな外側の磁 界で大きな力を生せしめることができる。磁気ひずみ効果を増強するこの処置は 、磁界を生ぜしめるために特に簡単なコイルの使用を許す。コイルは例えば膜厚 技術で構成することができる。磁気ひずみ変換器のために特に魅力的な使用分野 は弁である。なぜならばこの場合には比較的に大きな力が必要であり、電気的な 導線を弁の内部へ導入することが困難であるからである。この弁において流出口 が曲げ変換器によって閉じられると、曲げ変換器の振動によって、流出する媒体 の霧化が助成される。特に小さい弁はシリジニームウエーハから構成することが できるが、金属製の基板も磁気ひずみ変換器のためには適している。
図面 本発明の実施例は図に示されており、以下これについて説明する。第1図には基 板の上の薄い層が示され、第2図と第3図と第4図においては曲げ舌片の上の薄 い層が示されている。第5図には薄い層を析出するためのスパッタ装置が示され ており、第6図には2つの軟磁性層に埋設された薄い層が示され、第7図には磁 気ひずみ弁の第1実施例が示され、第8図には磁気ひずみ弁の別の実施例が示さ れている。
実施例の説明 第1図においては、符号10でシリジニームウエーハが示されこのシリジューム ウェーッ110の上には薄い磁気ひずみ層1が析出されている。この薄い層はエ レメント、デルビウム、デイボジニーム及び鉄から成っている。この場合、組成 はO<X<1である総式%式% 場合には有利にはXは0.75+1−0.11の太きさである。この場合、薄い 層のマイクロ構造は有利には無定形である。無定形の層としてはここでは透過形 電子顕微鏡において回折モジュルで回折現像を示さない層を言う。薄い層1の良 好な磁気ひずみ特性は50ナノメータよりも少ない粒子直径を有するナノ結晶層 によって実現することもできる。粗結晶の層の場合には無定形とは異なって強く 特徴づけられたヒステリシス現象が観察される。したがって粗結晶層は外側の磁 界がわずかである場合に使用するためには適さない。
フォトラックの施し、フォトリトグラフィ及びこれに次ぐエツチングのような通 常の技術では薄い層1を構造化することができるので、例えば第2図に示したよ うな構造化された薄い磁気ひずみ層2が生じる。薄い層1のエツチングは例えば 塩酸、硝酸及び水の混合物によって行われる。シリジニームウエーハ10はフレ ーム12に懸吊される曲げビーム11が生じるように構造化される。このために 使用される方法、シリジニームマイクロメカニックは当業者にとっては一般的で ある。
第3図と第4図には施された磁気ひずみ薄層2を有する曲げビーム11に対する 外側の磁界の効果が磁界の方向に関連して示されている。出発位置、すなわち磁 界のない場合の曲げビーム11の位置は第2図に示された位置に相当する。この 場合、第2図においてはウェーハ10の上に薄い層1を析出した場合に磁気ひず み層1とウェーハ10とから成る複合体に内部応力が生ぜしめられていないとい うことから出発している。しかしながらこれは基板としてシリジニームウェーハ を使用した場合には実地において達成が困難である。何故ならば、薄い磁気ひず み層の析出は通常は高い温度で行われ、Tb丁yFe合金の熱的な膨張係数は単 晶シリジニームの熱的な膨張係数よりも著しく大きいらである。しかしながらシ リジニームウェーハの上に、応力のない金属層が形成されるように析出に影響を 及ぼすことは可能である。第2図においては薄い磁気ひずみ層2と曲げビーム1 1との間に応力が発生しないということから出発している。熱的に生ぜしめられ る内部応力を減少させるためにはシリジニーム基板は良く冷却されなければなら ない。この場合にはほぼ応力のないTbTyFe層がシリジニームの上に形成さ れるように析出に影響を及ぼすことができる。鋼又はニッケルのような金属基板 を使用する場合により有利であることは熱的な膨張係数がTbTyFe層の熱的 な膨張係数に適合させやすいことである。
第3図においては曲げビームの長手側面に対して平行である磁石の作用が示され ている。磁気ひずみ材料は磁界の方向に膨張する。磁界は矢印で示すように曲げ ビーム11の出発位置に対して平行であるので、薄い層2は長くかつ曲げビーム 11は薄い層2が配置されていない側へ、この場合にも下方へ変向される。第3 図に示された配置では曲げ変換器のダイナミックは層において発生するうず電流 によってわずかにしか妨げられない。うず電流は主として磁界に対して垂直な一 平面内でしか発生しない。この場合に使用されている1から20マイクロメータ の厚さはうず電流が大きな範囲で形成されるには小さすぎる。
第4図においては矢印によって示されているように曲げビーム11の長手方向に 対して垂直に配向されている磁界の作用が示されている。磁気ひずみ層2は磁界 の方向に膨張する。しかしながらこの膨張だけでは曲げビーム11を曲げること はできない。ところが磁気ひずみ薄層2の容積が第1近似的に維持されたままで あるので、薄層2はB域に対して垂直である方向、すなわち曲げビーム11に対 して平行に収縮する。薄い層2の長さ短縮によって曲げビーム11は薄い層2が 配置されている側に向かって変向させられる。しかしながらこれは間接的な効果 であるので第3図におけるその他同じ寸法の場合には達成可能な変向は小さい。
しかしながら磁界のこの配向の利点は曲げビーム11に対して直角に配向された 磁界を生ぜしめるコイルが磁界を曲げビーム11に対して平行に生せしめるコイ ルよりも場合によっては容易にかつ費用的に有利に製作できることである。
第4図に配置においては第3図の配置に較べてうず電流が容易に指示されること ができる。したがって第4a図にはうず電流の形成が大きく抑制される磁気ひず み薄層2の構造化が示されている。うず電流路を中断するためには磁気ひずみ層 2はフォトリトグラフ的に、電気的に離された部分範囲に分割されている。うず 電流は外側の磁界の周波数が高い場合には変換器の所望されない加熱と磁界の弱 化とをもたらし、薄い層2が相応に早期に磁気に反応することを妨げる。
第3図と第4図に記述した効果は、曲げビームが曲げビーム11と薄い層2との 間の内部応力に基づきすでに外側の磁界が存在しない状態に変向されると、磁界 の配向に関連して維持される。
第5図においてはスパッタ装置においてウェーハlOの上に薄い層1を製造する ことが示されている。真空がま21においてはターゲット20とウェーハ10と の間にアルゴンプラズマが生せしめられる。このアルゴンプラズマは金属アトム がターゲット20から打出されるようにターゲット20に向けられる。次いでガ ス相から金属アトムがウェーハの表面に析出される。この場合には、テルビウム 及びデイポジニームとの酸化を回避するためにアルゴン雰囲気における酸素もし くは水分はできるだけ少なく保たれるように注意しなければならない。ターゲッ ト20はいわゆるモザイクターゲットとして構成され、ターゲットは3つのエレ メント、テルビウム、デイボジニーム及び鉄の個々の部体から成っている。この 場合、面は薄い層1の所望の組成が達成されるように選ばれている。選択的に合 金ターゲットを使用することもできる。ウェーハ10は冷却及び加熱可能な基板 保持体に配置されている。さらに基板保持体は層組成の一様性を改善するために 回転可能に支承されている。
さらに基板保持体には電圧、いわゆるバイアス電圧をかけ、これによって析出の 質に影響を与えることができる。さらにコイル22と23とが設けられ、これら のコイルの内、コイル22はウェーハに垂直な磁界を生ぜしめ、コイル23はウ ェーハの表面に対して平行な磁界を生ぜしめる。
コイル22.23の助けにより、達成可能な磁気ひずみ(いわゆる飽和磁気ひず み)の高さにも、いわゆる容易な磁化の方向にも影響を及ぼすこともできる。
曲げ変換器の作動のために必要な外側の磁界が容易に磁化される方向に対して平 行に位置していると、外側の磁界がわずかである場合にすでに、磁気ひずみに起 因する大きな長さ変化が達成される。これに対して外側の磁界が容易に磁化され る方向に対して垂直であると、比較可能な磁気ひずみ効果を達成するためには比 較的に大きな磁界が必要とされる。この大きな磁界は大きな費用でしか達成され ない。したがって効率のよい、費用的に有利に製作できる曲げ変換器にとっては 、外側の磁界の方向が容易な磁化の方向と合致すると有利である。
外側の磁石コイル22.23の稼働なしで層析出する場合には容易な磁化の方向 は一般的に層平面内に、すなわち基板の表面に対して平行に位置する。コイル2 3の磁界における層の析出によって層平面における優先方向が維持される。しか しながら外側の磁界が比較的に低い場合にはコイル23の稼働なしでの析出の場 合よりも著しく高い磁気ひずみ効果が達成される。
コイル22の磁界において層を析出することにより、容易な磁化の方向は層平面 に対して垂直にされる。これにより、層平面に対して垂直に配向された低い外側 の磁界の場合に高い磁気ひずみ効果が達成される。
別の可能性は加熱器24により薄い層1を加熱し、外側の磁界において再び冷却 することである。しかしながらこの場合には温度は約350℃を越えてはならな い。さもないと無定形の薄い層1の再結晶化が惹起され、これがヒステリシスの 増大をもたらす。
第6図においては薄い磁気ひずみ層3を有する、フレーム12に懸吊された曲げ ビーム11の別の有利な構成が示されている。薄い磁気ひずみ層3は、例えば市 販名パーマロイのもとで知られているFeNi合金のような、ヒステリシスのわ ずかな、磁気的な固有透磁率の大きな、軟磁的な薄い層13内に埋設されている 。薄い層13の軟磁的な材料によって外側の磁界の増強が達成される。したがっ てこの処置によって低い磁気的な磁界強さもしくは簡単なコイルを磁界を生ぜし めるために用いることができる。このような軟磁的な層は、付加的に、例えば大 気の酸素との反応による不都合な老化効果を阻止するための保護層としても役立 つ。同様に他の保護層、例えばシリジニームニトリド、ガラス、ニッケルークロ ーム合金又はチタンニトリドから成る保護層を用いることも同様に可能である第 7図においては曲げビーム11の上の磁気ひずみ層2をマイクロ弁に使用した第 1例が示されている。
ここに図示したマイクロ弁はDE−A14003619号明細書におけるサーモ メカニック駆動装置と似た形式の駆動装置と共に開示されている。マイクロ弁は 3つの構造化されたシリジューム板30.31.32から構成されている。中央 のシリジューム板31からは曲げビーム11と噴流分配器が構造化により形成さ れている。上方のシリジューム板30と中央のシリジューム板31との適当な構 造化により入口34と出口35が形成されている。中央のシリジューム板31と 下方のシリジューム板32との適当な構造化により出口36が形成されている。
弁は磁界を生ぜしめる外側のコイル33により取り囲まれている。この磁界は曲 げビーム11に対して平行に配向されている。曲げビーム11はこの場合には出 発位置にあり、外側の磁界なしで示されている。薄い層2と曲げビーム11との 間の内部応力により、曲げビーム11は軽(上方へ反らされている。入口34を 通って侵入する流体噴流は曲げビーム11により出口35に変向される。コイル 33によって外側の磁界が生ぜしめられると、薄い層2は膨張される。この結果 、第3図の説明の冒頭に記述したように、曲げビームは薄い層2が配置されてい ない側、この場合には下方へ曲げられる。入口34を通って侵入する流体噴流は 曲げビーム11の上側に付着するので、曲げビーム11が下方へ変向されると、 流体噴流は、出口36を通って弁か流出するように噴流分配器37に向かって変 向される。コイル33により生ぜしめられた磁界により流体噴流は任意に両方の 出口35と36との間で切換えることができる。
コイル33はこの場合には普通のエアフィルとして構成されている。この弁構造 において有利であることは特に、磁気ひずみ効果が第3図に相応する磁界の方向 により特に大きいことである。さらに弁の内部に電気的な供給導線が必要とされ ない。これにより弁の構造は著しく簡易化される。この配置における欠点は弁と コイルとが個別に接合されなければならないことである。
第8図においてはDE−A13919876号明細書に記述されているマイクロ 弁に対して用いられるようなマイクロ弁の別の構成が示されている。しかしなが ら前記明細書に記述されている弁は圧電式の駆動装置を有している。第8図のマ イクロ弁の特別な利点は弁全体が1つの基板から多数製作できることである。
特に、弁体と磁界を生ぜしめるコイルを別個に製作し、次の別のステップで接合 する必要はない。弁は3つのンリジニーム板41.42.43から構成されてい る。この場合、中央のシリジューム板42からはダイヤフラム49が構成され、 このダイヤフラム49の上にはシールブロック45が位置している。このシール ブロック45は開口横断面を制限するストッパとして用いられ、シール特性を改 善する。中央のシリジューム板もしくは下方のシリジューム板43の適当な構造 化によって入口46が形成される。さらに下方のシリジューム板43は開口、出 口47を有し、この出口47は弁坐50により取り囲まれている。出口47は適 当なエツチングプロセスにより、出口47がシャープな縁、いわゆる引裂き縁4 8を有するように構造化されている。シリジューム板41の上面とシリジューム 板43の下面には厚膜技術により厚膜コイル44のための導体路が設けられてい る。択一的にコイルは薄膜技術によって製作することもできる。この場合には導 体路はカルバニプロセスによってその厚さを増大させることができる。ダイヤフ ラム49の上には薄い磁気ひずみ層2が施されている。
厚膜コイル44によっては、薄い層2の表面に対してほぼ垂直な磁界が生ぜしめ られている。この磁界によっては先に第4図の説明で記述したように薄い層2が 磁界に対して垂直に、すなわちダイヤフラム49の表面に対して平行に収縮する ことが惹き起される。ダイヤフラム49はこの結果、薄い層2が配置されている 側へ、つまり下方へ、弁坐50に向かって変向される。ダイヤフラム49の前記 変向によりシールブロック45は弁坐50に圧着される。出口47はこれにより 閉鎖される。この場合には出発位置で示しであるダイヤフラム49の変形は、ダ イヤフラム49と上方のシリジューム板41とによって形成された中空室と入口 46との間に圧力差が生じると行われる。この場合には薄い層によって生せしめ ることのできる力の1部は、この圧力差を克服するために使用されなければなら ない。提供されているノコをできるだけ効果的に運動に変換するために行われた この弁の改善の特徴は、シールブロック45が閉じられたダイヤフラム49に懸 吊されているのではなく、ダイヤフラム49が開口を有していることである。さ らにシールブロック45は個々の曲げビームに懸吊されていることもできる。こ の処置により、曲げ部材の両側で圧力がほぼ等しくなり、わずかな圧力差に対し てのみ働かなければならないことが達成される。
第8図に示されたコイルと薄い層2との配置の場合にはコイル44が層技術によ ってシリジューム板複合体の上面もしくは下面に施され得ることが有利である。
厚膜コイルは特に価格的に有利であり、多くの弁を平行して同時に製造すること ができる。これはコイルが薄膜技術で製造されている場合にも当嵌まる。欠点と しては、第8図において曲げ部材の曲げに使用可能な薄い層2の磁気ひずみ効果 はい(らが小さいことが挙げられる。
開放状態では薄い層2に適当な磁気的な交番磁界を作用させることによってダイ ヤフラム49もしくはシールブロック45に高周波振動を与えることができる。
励振がシールブロック45とダイヤフラム49とから成る系の固有周波数で行わ れると、出力が小さい場合にもこの振動の高い振幅が達成される。ダイヤフラム 49の剛性が適当である場合にはこの振動は超音波の範囲にあることができ、液 体が出口47から流出する場合の噴霧化が改善される。さらにこの場合に有利で あることは出口47がシャープな引裂き縁48を有していることである。流出す る液体の噴霧化は例えば、図示の弁をモータにベンジンを噴射するために使用す る場合には有利である。さらに、高周波の振動を励起することによっては汚染の 危険が低下させられる。
何故ならばこの場合には弁体の内側における堆積はほぼ回避されるからである。
これは容易に汚染するマイクロ弁の機能性を維持するために特に有利である。
濁恣遣審報牛 ―−−−ムーー PCT/DE 93100489フロントページの続き (72)発明者 ベンツ、ゲルハルト ドイツ連邦共和国 D −71032ベーブリンゲン ブルックナーシュトラー セ 8(72)発明者 フリック、ゴツトフリートドイツ連邦共和国 D −7 1229レオンベルク ブルクハルデ 52

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.磁界を生ぜしめる手段(33,34)とTB(1−x)DY(x)Fe2( 0<X<1)から成る、磁界に配置された駆動機構とを有する磁気ひずみ変換器 において、駆動機構が曲げ部材(11,49)の上に施された薄い層(1,2, 3)から構成されていることを特徴とする、磁気ひずみ変換器。 2.薄い層(1,2,3)が金属蒸気から析出されている、請求項1記載の磁気 ひずみ変換器。 3.薄い層が無定形である、請求項1又は2記載の磁気ひずみ変換器。 4.薄い層(1,2,3)が平均粒子直径が50ナノメータよりもわずかなナノ 結晶である、請求項1又は2記載の磁気ひずみ変換器。 5.薄い層(2,3)が構造化されている、請求項1から4までのいずれか1項 記載の磁気ひずみ変換器6.薄い層(3)が電気的に分離された範囲が生じるよ うに構造化されている、請求項5記載の磁気ひずみ変換器。 7.曲げ部材が曲げビーム(11)又はダイヤフラム(49)として構成されて いる、請求項1から6までのいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。 8.薄い層(1,2,3)が外側の磁界に調質されている、請求項1から7まで のいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。 9.薄い層(1,2,3)が外側の磁界に析出されている、請求項1から7まで のいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。 10.薄い層(1,2,3)が軟磁材料から成る別の薄い層(13)内に埋設さ れている、請求項1から9までのいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。 11.薄い磁気ひずみ層(1,2,3)がSi3N4、TiN、NiCr又はN iFeから成る保護層を備えている、請求項1から10までのいずれか1項記載 の磁気ひずみ変換器。 12.磁界を生ぜしめる手段が厚膜コイル又は薄膜コイル(44)として構成さ れている、請求項1から11までのいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。 13.駆動機構が弁に使用され、流体噴流が少なくとも1つの入口開口(34) を通って流入するようになっており、流れ方向に対して平行に薄い層(2,3) を有する曲げビーム(11)が配置され、曲げビーム(11)の変位によって流 体噴射が少なくとも2つの出口通路(35,36)の1つに変向可能である、請 求項1から12までのいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。 14.駆動機構が弁に使用されており、弁が少なくとも1つの出口(47)と入 口(46)と、さらに曲げ部材(49)に懸吊されたシールブロック(45)と を有し、薄い層(2)が曲げ部材(49)に配置され、シールブロック(45) の変位によって出口(47)が閉鎖可能である、請求項1から12までのいずれ か1項記載の磁気ひずみ変換器。 15.出口(47)が開かれた状態で曲げ部材(49)が曲げ部材(49)の固 有周波数の振動に磁界によって励振可能である、請求項14記載の磁気ひずみ変 換器。 16.前記振動により液状の媒体が噴霧化可能である、請求項15記載の磁気ひ ずみ変換器。 17.弁が少なくとも部分的にシリジューム板(30,31,32,41,42 ,43)からの構造化されている、請求項13から16までのいずれか1項記載 の磁気ひずみ変換器。 18.弁が少なくとも部分的に金属基板、特に鋼、ニッケル又はチタンから構造 化により製作されている、請求項12から18までのいずれか1項記載の磁気ひ ずみ変換器。 19.磁界を生ぜしめる手段が弁の外側に配置されている、請求項12から18 までのいずれか1項記載の磁気ひずみ変換器。
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