HELICOIDAL, PROCESO DE FABRICACIÓN Y APLICACIONES

Sector de Ia técnica

La presente invención se refiere un hilo magnético bimetálico que comprende cuatro capas diferentes, siendo una de ellas una capa ferromagnética con anisotropía helicoidal. Por tanto, Ia invención se encuentra enmarcada dentro del campo de materiales magnéticos, y concretamente de hilos magnéticos multicapas, y su aplicación dentro del campo de los elementos sensores, en particular el de los sensores magnéticos.

Estado de Ia técnica

Existen numerosos trabajos científicos de magnetismo técnico acerca de Ia generación de anisotropías magnéticas en materiales mediante tratamientos térmicos de los mismos en presencia de campos magnéticos o de tensiones mecánicas. Estas anisotropías inducidas son de interés tecnológico pues posibilitan el diseño de propiedades magnéticas particulares para el desarrollo de elementos sensores de utilidad en dispositivos sensores (de campo magnético, tensión mecánica).

Estos elementos sensores poseen generalmente forma de cinta o hilo, y en numerosos casos microestructura amorfa, en donde con relativa facilidad se puede generar de forma controlada determinadas anisotropías magnéticas y estructuras de dominios magnéticos cuyas prestaciones magnéticas son de utilidad tecnológica. La presente invención se centra en elementos sensores con geometría cilindrica. Algunos dispositivos sensores emplean principios de funcionamiento basados en las propiedades magnetoelásticas de esos elementos sensores de geometría cilindrica. Por ejemplo, para Ia detección de tensiones de torsión [/. Sasada "Torque detection apparatus" US Patent 4881414; I. Garshelis, RJ. Karí and S.P.L. Tollens, "Devices and methods for detecting rates of change of torque" US Patent 7386227]. Otros dispositivos se basan en las propiedades magnetoeléctricas de hilos amorfos. Por ejemplo, para Ia detección de campos magnéticos débiles utilizando el efecto de magnetoimpedancia gigante [K Mohrí and Y. Honkura "Amorphous Wire and CMOS IC Based Magneto-lmpedance Sensors: Orígin, Topics, and Future", Sensor Letters, VoI.5, pp.267-270 (2007); K. Mohri, T. Uchiyama, T. Maki, Y. Nakamura and Y. Inden "Human Spinal-cord Bio-Magnetic FIeId Detection Using Amorphous Wire CMOS IC pico-Tesla Magneto-lmpedance Sensor (pT-MI sensor)", IEEE Trans. Magn., VoI.45, No.10 (2009) in press].

Una familia de dispositivos sensores de particular relevancia para Ia medida de campos magnéticos son los llamados sensores de flux-gate, y en particular aquellos de tipo ortogonal [K Goleman and I. Sasada, "Performance of the U-Shaped Core Orthogonal Fluxgate Magnetometer, " Trans. Magn. Soc. Japan, 5, pp. 101-104, 2005;]. Dentro de esta familia de dispositivos de flux-gate, aquellos que utilizan elementos sensores con simetría cilindrica poseen ventajas específicas por poder inducir en ellos una anisotropía magnética helicoidal [P. Ripka and M. Butta "Ferromagnetic sensor" Czeck Patent PV 2007-220].

Una característica ventajosa de determinados dispositivos sensores es Ia posibilidad de cuantificar Ia magnitud a medir sin contacto entre el elemento sensor y el sistema de recogida de voltaje proporcional a Ia variación de Ia magnitud a medir. Por ejemplo mediante Ia fijación del elemento sensor a Ia superficie de una barra para medir su estado de tensión mecánica mediante voltaje inducido en bobinas rodeando Ia barra [ M. Sahashi "Torque sensor of the non-contact type" US Patent 1986, 4627298; K. Alasafi, H. Buehl, R. Gutoehrlein and E. Schiessle "Sensor for non-contact torque measurement on a shan as well as a measurement layer for such a sensor" US Patent 1996 5493921].

Para poder realizar esas medidas, y además posibilitar el uso de sistemas no-contacto, es necesario que el elemento sensor posea unas características magnéticas específicas, en general una anisotropía magnética diseñada. Con frecuencia, en estos sensores sin-contacto se requiere Ia existencia de una anisotropía magnética helicoidal. Este tipo de anisotropía se puede inducir en un hilo ferromagnético simplemente aplicando una tensión de torsión. Para que una anisotropía helicoidal permanezca en el tiempo es preciso modificar adecuadamente el orden de corto alcance a escala atómica, Io cual se consigue mediante tratamientos termomecánicos en presencia de una torsión aplicada, o bien mediante un campo magnético helicoidal.

La presente invención se basa en inducir anisotropía magnética helicoidal en el elemento sensor mediante Ia aplicación de un campo magnético durante el proceso de electroquímico de fabricación del material. Numerosos trabajos han sido realizados sobre el efecto de Ia aplicación de campos magnéticos sobre películas magnéticas electrodepositadas, si bien se refieren a una configuración geométrica plana y con campos magnéticos uniáxicos [HJ. Cho, S. Bhansali and CH. Ahn, "Electroplated thick permanent magnet arrays with controlled direction of magnetization for MEMS application" J. Appl. Phys.87,(9)( 2000); J.B. Yi, X.P. Li, J. Ding, J. H. Yin, S. Thongmee and H. L. Seet "Microstructure Evolution of Ni80Fe20-Cu Deposited by Electroplating Under an Applied Field", IEEE Trans. Magn., VoI. 43, No. 6, JUNE 2007"; X.P. Lia, ZJ. Zhao, H. L. Seet, M. Heng, T. B. Oh and J. Y. Lee "Effect of magnetic field on the magnetic properties of electroplated NiFeOCu composite wires; J. Appl. Phys. 94, No 10, 15 NOVEMBER 2003"]. Sin embargo, no existe ningún ejemplo de fabricación de hilos magnéticos con anisotropía magnética helicoidal inducida de forma permanente durante el propio proceso de fabricación.

La presente invención constituye Ia primera vez que se obtienen hilos magnéticos bimetálicos con anisotropía helicoidal intrínseca, para Io cual se ha utiliza un procedimiento totalmente novedoso de preparación del hilo durante el cual se genera Ia propia anisotropía helicoidal. Este hilo magnético es apropiado para su empleo como elemento sensor en dispositivos de tipo no-contacto por ejemplo, en sensores de tipo flux-gate.

En esencia, Ia anisotropía helicoidal presenta Ia ventaja de Ia observación de voltajes longitudinales cuando se excita circularmente el elemento sensor, Io cual representa ventajas técnicas de medición. La anisotropía se induce durante el mismo proceso de fabricación del elemento sensor, Io que constituye una técnica original en donde se conjunta el proceso de fabricación de hilo bimetálico magnético [M. Vázquez, G. Badini, K. Pirota, J. Torrejón and H. Pfützner "Multifunctional sensor based in multilayer magnetic microwires" Patent PCT/ES2006/070173] con Ia novedad de diseñar el carácter magnético del tubo externo durante el proceso de electrodeposición del tubo externo mediante Ia inducción de Ia anisotropía magnética helicoidal en Ia capa magnética externa. Esto se consigue mediante el paso de una corriente eléctrica en el núcleo metálico que genera un campo magnético circular en el tubo externo. La utilidad muy concreta de Ia utilización de este tipo de microhilo bimetálico con anisotropía helicoidal en su tubo externo se particulariza en los sensores de flux-gate sin contacto [M. Butta, P. Ripka, S. Atalay, F. E. Atalay and XP. Li "Flux gate effect in twisted magnetic wire, J Magn Magn Mater (2007)]. Descripción Breve

Un primer aspecto de Ia presente invención es un hilo bi-metálico, en adelante hilo bimetálico de Ia invención, que comprende: (i) un núcleo metálico, (ii) una capa aislante que recubre dicho núcleo metálico, (iii) una capa nanométrica metálica sobre Ia capa aislante y (iv) una capa externa ferromagnética, en el que Ia capa ferromagnética tiene anisotropía magnética helicoidal. Un segundo aspecto de Ia presente invención es el procedimiento de fabricación de hilo bimetálico de Ia invención que comprende las siguientes etapas: a) fabricación de un hilo metálico cubierto de Pirex mediante Ia técnica de solidificación ultrarrápida y estiramiento, b) recubrimiento de Ia capa de Pirex con una capa nanométrica de un metal noble por medio de una técnica de metalización, c) recubrimiento de Ia capa nanométrica de oro con una capa de permalloy por electrodeposición, en el que Ia electrodeposición del permalloy se lleva a cabo en presencia de un campo magnético helicoidal. Ese campo helicoidal Io genera Ia aplicación de una corriente eléctrica que circula por el núcleo metálico interno, simultáneamente con Ia aplicación de un campo longitudinal generado por bobinas.

Un tercer aspecto de Ia invención es el uso del hilo bimetálico de Ia invención como elemento sensor, y más concretamente en sensores magnéticos tipo flux-gate.

Descripción de las figuras

Figura 1.- Esquema representando el hilo y las zonas locales cubiertas de parafilm previas al proceso de metalización. Figura 2.- Esquema donde se representa el proceso de arrollamiento de un extremo del hilo.

Figura 3.- Esquema de las distintas zonas de hilo hábiles para el proceso de electrodeposición.

Figura A - Esquema de Ia disposición del hilo en el portamuestras para Ia electrodeposición. Figura 5.- Esquema del proceso de electrodeposición. El hilo de partida se dispone verticalmente en el interior de Ia cuba electrolítica. Para generar Ia electrodeposición se establece una diferencia de potencial entre el propio hilo y el electrodo circular que se encuentra en Ia parte interna de Ia cuba electrolítica, originando una corriente de electrodeposición, Ui-piatmg- Esa cuba se encuentra a su vez en el espacio interior de unas bobinas de Helmholtz que generan un campo magnético vertical, H| _0ng , paralelo al propio hilo. Para generar el campo magnético circular, H _c ¡ _rc , en el hilo se hace circular una corriente eléctrica continua, l _c ¡rc-fieid, a través de él durante el proceso de electrodeposición.

Figura 6.- Micrografías por SEM de hilos bimetálicos con distinto espesor del tubo de permalloy (1 y 6 μm).

Figura 7.- Micrografía donde se observa Ia baja rugosidad del tubo de permalloy.

Figura 8.- Análisis composicional realizado por técnica EDS que confirma Ia pureza en composición del permalloy electrodepositado. Figura 9.- Esquema del hilo bimetálico para ser empleado en un sensor de flux-gate. Se hace pasar una corriente l _w¡re por el núcleo de cobre que genera un campo magnético circular en Ia capa magnética externa y Ia satura magnéticamente. V _w ¡re es Ia diferencia de potencial que aparece entre los extremos del hilo. B _ex t representa el campo magnético exterior que se quiere medir.

Figura 10.- Voltaje inducido en el núcleo de cobre al pasar una corriente eléctrica a su través en presencia de un campo magnético estático longitudinal (izquierda). Ciclos de histéresis circulares en presencia de campos estáticos longitudinales de ± 20 A/m (derecha).

Figure 11.- Dependencia de Ia componente de segundo armónico del voltaje inducido entre los extremos del hilo.

Descripción detallada

La presente invención se refiere a un hilo bimetálico que comprende cuatro capas diferentes, y que tiene Ia particularidad de que Ia capa más exterior es una capa ferromagnética con anisotropía magnética helicoidal. Este tipo de hilos magnéticos con distintas capas se han preparado con anterioridad, pero es Ia primera vez que se fabrican consiguiendo que Ia capa exterior posea este tipo de anisotropía, y que simultáneamente esté aislada eléctricamente de Ia capa interna. Las características ventajosas que presentan estos hechos concretos son: i) La existencia de anisotropía magnética helicoidal permite que un cambio en el tiempo de Ia componente azimutal (o circular) de Ia imanación en Ia capa externa de lugar a un voltaje eléctrico inducido entre los extremos del hilo (que es proporcional a Ia componente longitudinal de Ia imanación). ii) Ese cambio en Ia componente azimutal se consigue mediante el paso de una corriente alterna por el núcleo del hilo. Por tanto, el núcleo debe estar aislado eléctricamente de Ia capa externa para controlar que Ia corriente circule sólo por el núcleo.

Es decir, ambas características posibilitan que el paso de una corriente variable en el tiempo por el núcleo conductor dé lugar a un voltaje en los extremos de Ia capa ferromagnética externa. En definitiva, el hilo multicapa actúa simultáneamente como agente activo (paso de corriente) y pasivo (voltaje inducido).

Por tanto, un aspecto de Ia presente invención es el hilo bi-metálico, en adelante hilo bimetálico de Ia invención, que comprende: (i) Un núcleo metálico,

(ii) Una capa aislante que recubre dicho núcleo metálico,

(iii) Una capa nanométrica metálica sobre Ia capa aislante,

(iv) Una capa externa ferromagnética,

en el que Ia capa ferromagnética tiene anisotropía magnética helicoidal.

En esta invención se entiende que un material posee anisotropía magnética helicoidal cuando sus momentos magnéticos tienden a orientarse preferentemente según una hélice y, por tanto, con simetría helicoidal. Como consecuencia, los momentos magnéticos en un material que posea anisotropía magnética helicoidal poseerán simultáneamente componentes de imanación azimutal (o circular) y longitudinal (o axial).

Un aspecto preferente de Ia presente invención es el hilo bimetálico de Ia invención en el que el núcleo metálico (i) es de cobre. Otro aspecto preferente de Ia invención es el hilo bimetálico de Ia invención en el que Ia capa aislante (ii) es de pirex.

Otro aspecto preferente de Ia invención es el hilo bimetálico de Ia invención en el que Ia capa nanométrica metálica (iii) es de oro. La capa de oro tiene un espesor entorno a los 30 nm.

Otro aspecto preferente de Ia invención es el hilo bimetálico de Ia invención en el que Ia capa ferromagnética es de permalloy. El permalloy es una aleación ferromagnética compuesta por níquel y hierro en Ia proporción Fe2oNiβo-

Otro aspecto preferente de Ia presente invención es el hilo bimetálico de Ia invención con dimensiones micrométricas, comprendidas dentro del rango 1 a 500 mieras de diámetro.

Un segundo aspecto de Ia presente invención es el procedimiento de fabricación del hilo bimetálico de Ia invención que comprende las siguientes etapas

a) Fabricación de un hilo metálico cubierto de Pirex mediante Ia técnica de solidificación ultrarrápida y estiramiento.

b) Recubrimiento de Ia capa de Pirex del hilo metálico con una capa nanométrica de un metal noble por medio de una técnica de metalización. c) Recubrimiento de Ia capa micrométrica de oro con una capa de permalloy por electrodeposición,

en el que Ia electrodeposición del permalloy se lleva a cabo en presencia de un campo magnético helicoidal. Ese campo helicoidal Io genera Ia aplicación de una corriente eléctrica que circula por el núcleo metálico interno, simultáneamente con Ia aplicación de un campo longitudinal generado por bobinas. En Ia presente invención se definen como técnicas de metalización aquellas técnicas que posibilitan el recubrimiento de una superficie mediante una capa de carácter metálico. Así mismo se define como electrodeposición al proceso que permite el crecimiento de una capa conductora mediante el establecimiento de una diferencia de potencial entre dos electrodos, siendo uno de ellos Ia superficie sustrato donde se deposita esa capa.

Otro aspecto preferente de Ia presente invención es el procedimiento de fabricación de los hilos bimetálicos de Ia invención en el que el metal noble utilizado en el recubrimiento de Ia capa de Pirex es oro.

Otro aspecto preferente de Ia presente invención es el procedimiento de fabricación de los hilos bimetálico de Ia invención en el que Ia técnica de metalización utilizada en Ia etapa b) es Ia pulverización catódica o sputteríng. La pulverización catódica consiste, esencialmente, en Ia deposición sobre un sustrato de átomos arrancados previamente de dos o más blancos que constituirán Ia aleación de Ia capa depositada. Un tercer aspecto de Ia invención es el uso del hilo bimetálico de Ia invención como elemento sensor.

Otro aspecto preferente de Ia presente invención es el uso del hilo bimetálico de Ia invención como elemento sensor en sensores magnéticos. Otro aspecto más preferente de Ia presente invención es el uso del hilo bimetálico de Ia invención como elemento sensor en sensores magnéticos tipo flux-gate. Los sensores flux-gate son un tipo de sensor de campo magnético convencional que se basan en Ia ley de Faraday, con una geometría específica, y que trabajan en régimen de saturación. Como elemento sensor estos sensores requieren de materiales magnéticos blandos con elevada susceptibilidad magnética. Ejemplo de realización de Ia invención

Fabricación de un hilo bimetálico con anisotropía helicoidal. La fabricación se realiza mediante las siguientes etapas: a) Fabricación de un hilo metálico cubierto de Pirex mediante Ia técnica de solidificación ultrarrápida y estiramiento. Esta técnica consiste esencialmente en Ia solidificación ultrarápida (a una velocidad típica de 10 ⁵ a 10 ^{6 0} CVs) de una aleación metálica que se encuentra en el interior de un tubo de pirex. La aleación se funde mediante una bobina de inducción Io que hace fundir también el pirex. Dada Ia elevada viscosidad del pirex, es preciso extraer por estiramiento Ia aleación metálica en el interior del pirex posibilitando que se forme en el propio proceso de fabricación el hilo consistente en un núcleo metálico con microestructura amorfa y diámetro micrométrico, de aquella aleación, cubierto por una capa micrométrica de pirex. b) Recubrimiento de Ia capa de pirex del hilo metálico con una capa micrométrica de oro por proceso de metalización o sputtering (término inglés que se traduce como pulverización catódica). Antes de proceder al recubrimiento, una de las terminaciones del hilo de cobre cubierto de pirex se recubre de parafilm con objeto de protegerla del proceso de metalización. Asimismo, otra región centrada del hilo es cubierta de parafilm para interrumpir Ia zona expuesta a Ia pulverización catódica. Las dimensiones concretas del hilo y de las zonas cubiertas o no de parafilm se representan en Ia Figura 1.

A continuación, se bobina Ia zona no cubierta a un anillo de plástico y se fija a él mediante parafilm que evita su desplazamiento, tal como puede verse en Ia Figura 2. En el proceso de metalización o sputtering, el hilo se dispone en el interior de una cámara. Este proceso de metalización o sputtering comercial permite obtener un recubrimiento de Au de los hilos de 30 nm de espesor. c) Recubrimiento de Ia capa micrométrica de oro con una capa de permalloy por electrodeposición en presencia de un campo magnético helicoidal.

Después del proceso de metalización se quita Ia capa protectora de parafilm y se desenrolla el hilo del anillo de modo que se retienen una serie de zonas locales cubiertas de oro en donde en principio se puede proceder a Ia electrodeposición, tal como se indica en Ia Figura 3. No obstante, en el proceso de electrodeposición se aplica Ia corriente exclusivamente en Ia primera zona de Au, es decir, los 5 cm primeros a Ia izquierda en Ia Figura 3. A continuación se coloca el hilo en el portamuestras para el proceso de electrodeposición tal como se indica en las Figura 4. El portamuestras contiene 3 partes cubiertas de cobre para permitir el paso de corriente. Las 2 primeras, cuyo contacto se hace con pintura de plata para mejorar el contacto eléctrico (marcadas con Ag en Figura 4) están separadas 2 cm y a ellas se fijan el extremo del hilo y el comienzo de Ia primera zona de Au del hilo. Para posibilitar el contacto eléctrico, Ia parte inicial de pirex se retira por proceso mecánico. El contacto al tercer punto de plata (3 en Ia Figura 4) se realiza también con pintura de plata.

El esquema del proceso de electrodeposición se indica en Ia Figura 5, en el que por claridad no se representa el portamuestras completo sino sólo el hilo. El portamuestras se dispone verticalmente en el interior de Ia cuba electrolítica Ia cual se encuentra a su vez en el espacio interior de unas bobinas de Helmholtz que generan un campo magnético vertical (H| _0ng ), paralelo al propio hilo. En nuestro ejemplo particular, se aplica una corriente de 200 mA por las bobinas de Helmholtz que genera un campo magnético longitudinal de 0.6 mT).

A continuación se hace pasar una corriente eléctrica a través del núcleo interno de Cu del hilo. Esta corriente, circulando por el núcleo de Cu, genera un campo magnético circular alrededor del hilo. En nuestro ejemplo particular, esta corriente es de 150 mA que genera un campo circular de aproximadamente 450 A/m.

La combinación de campo longitudinal y circular da lugar a una campo magnético helicoidal en Ia zona externa del hilo donde se electrodeposita simultáneamente Ia microcapa de permalloy. Este campo helicoidal es el que origina Ia buscada anisotropía helicoidal en Ia capa externa del hilo.

El proceso de electrodeposición se realiza de modo convencional obteniendo una capa de permalloy conectando el generador de corriente a Ia celda terminal en el contacto de Ag interno del portamuestras. En función del tiempo de electrodeposición, se puede controlar el espesor de Ia capa externa de permalloy, que en nuestro ejemplo toma valores de hasta 10 μm.

El hilo bimetálico obtenido está constituido por un núcleo de cobre, recubierto por tubos de Pirex y oro, y finalmente por un tubo externo de permalloy. Caracterización del hilo bimetálico obtenido

De acuerdo al proceso descrito anteriormente se han obtenido hilos bimetálicos cuya caracterización morfológica y estructural describimos a continuación. La Figura 6 muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido, SEM, del corte transversal de un hilo bimetálico. En ella se observa el núcleo central metálico de cobre, Ia región intermedia de pirex y Ia capa externa de permalloy. La capa intermedia de oro no se aprecia por su reducido espesor nanométrico.

En Ia Figura 7 se muestra una imagen SEM de Ia superficie exterior del hilo bimetálico en Ia que se observa Ia baja rugosidad de Ia superficie de permalloy.

Por último, Ia Figura 8 muestra los resultados del análisis composicional mediante EDS de una capa externa de permalloy de 6 μm de espesor. Este análisis permite confirmar Ia ausencia de contaminación de elementos ajenos al Fe y Ni.

Comprobación de Ia anisotropia magnética helicoidal del hilo bimetálico v respuesta de un elemento flux-gate A continuación se muestra un ejemplo en el que se muestra que el hilo bimetálico obtenido en Ia presente invención presenta anisotropia magnética helicoidal, así como Ia respuesta del mismo como elemento sensor de flux-gate. La Figura 9 representa esquemáticamente el hilo por cuyo núcleo de cobre se hace pasar una corriente alterna, l _w ¡re, que genera un campo magnético circular en Ia capa magnética externa y Ia satura magnéticamente en esa dirección. V _w¡re es el voltaje inducido entre los extremos del hilo. Por su parte, B _ex t representa el campo magnético exterior que se quiere medir, y que en nuestro ejemplo Io generamos de forma controlada mediante unas bobinas de Helmholtz.

La Figura 10 (izquierda) muestra Ia dependencia del voltaje inducido entre los extremos del hilo de Ia invención al pasar una corriente eléctrica por el núcleo central de cobre. Las 2 curvas representan los resultados al aplicar campos magnéticos estáticos longitudinales de ± 20 A/m (mediante los carretes de Helmholtz), respectivamente. Como se puede observar los picos inducidos aparecen en sentidos opuestos Io que pone de manifiesto Ia existencia de una componente de anisotropía helicoidal. En otro caso, no debería observarse ese desplazamiento de picos sino solamente una modificación en Ia altura de los mismos.

Por su parte, Ia Figura 10 (derecha) representa los ciclos de histéresis circulares (M _c & H _c ) de Ia capa de permalloy. En este caso, Ia existencia de Ia anisotropía helicoidal se pone de manifiesto en el desplazamiento de los ciclos al invertir el campo estático longitudinal.

Por último, y para comprobar el tipo de respuesta que puede ser empleada de forma real en un sensor de tipo de flux-gate, se ha medido Ia componente de segundo armónico en el voltaje inducido entre los extremos del hilo de Ia invención. La Figura 11 representa dicho armónico para una excitación con corriente sinusoidal por el núcleo de cobre (30 mA de amplitud y 10 kHz de frecuencia). Se puede observar Ia existencia de una región lineal central entorno al campo en el intervalo ±40 μT.