Hilos magnéticos bimetálicos con anisotropía helicoidal, proceso de fabricación y aplicaciones.

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, la 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

Hilos magnéticos bimetálicos con anisotropía helicoidal, proceso de fabricación y aplicaciones.

Sector de la 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, la 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 la técnica

Existen numerosos trabajos científicos de magnetismo técnico acerca de la 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 cilíndrica. Algunos dispositivos sensores emplean principios de funcionamiento basados en las propiedades magnetoelásticas de esos elementos sensores de geometría cilíndrica. Por ejemplo, para la detección de tensiones de torsión [I. Sasada "Torque detection apparatus" US Patent 4881414; I. Garshelis, R.J. Kan 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 la detección de campos magnéticos débiles utilizando el efecto de magnetoimpedancia gigante [K. Mohri and Y. Honkura "Amorphous Wire and CMOS IC Based Magneto-Impedance Sensors: Origin, Topics, and Future", Sensor Letters, Vol.5, pp.267-270 (2007); K. Mohri, T. Uchiyama, T. Maki, Y. Nakamura and Y. Inden "Human Spinal-cord Bio-Magnetic Field Detection Using Amorphous Wire CMOS IC pico-Tesla Magneto-Impedance Sensor (pT-MI sensor)", IEEE Trans. Magn., Vol.45, No. 10 (2009) in press].

Una familia de dispositivos sensores de particular relevancia para la 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 cilíndrica 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 la posibilidad de cuantificar la magnitud a medir sin contacto entre el elemento sensor y el sistema de recogida de voltaje proporcional a la variación de la magnitud a medir. Por ejemplo mediante la fijación del elemento sensor a la superficie de una barra para medir su estado de tensión mecánica mediante voltaje inducido en bobinas rodeando la 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 shaft 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 la 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, lo 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 la aplicación de un campo magnético durante el proceso de electroquímico de fabricación del material. Numerosos trabajos han sido realizados sobre el efecto de la aplicación de campos magnéticos sobre películas magnéticas electrodepositadas, si bien se refieren a una configuración geométrica plana y con campos magnéticos uniáxicos [H.J. Cho, S. Bhansali and C.H. 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., Vol. 43, No. 6, JUNE 2007; X.P. Lia, Z.J. Zhao, H.L. Seet, M. Heng, T.B. Oh and J.Y. Lee "Effect of magnetic field on the magnetic properties of electroplated NiFe\tilde{O}Cu 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 la primera vez que se obtienen hilos magnéticos bimetálicos con anisotropía helicoidal intrínseca, para lo cual se ha utiliza un procedimiento totalmente novedoso de preparación del hilo durante el cual se genera la 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, la anisotropía helicoidal presenta la ventaja de la observación de voltajes longitudinales cuando se excita circularmente el elemento sensor, lo cual representa ventajas técnicas de medición. La anisotropía se induce durante el mismo proceso de fabricación del elemento sensor, lo 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 la novedad de diseñar el carácter magnético del tubo externo durante el proceso de electrodeposición del tubo externo mediante la inducción de la anisotropía magnética helicoidal en la 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 la 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 X.P. Li "Flux gate effect in twisted magnetic wire", J Magn Magn Mater (2007)].

Descripción breve

Un primer aspecto de la presente invención es un hilo bi-metálico, en adelante hilo bimetálico de la invención, que comprende: (i) un núcleo metálico, (ii) una capa aislante que recubre dicho núcleo metálico, (iii) una capa nanométrica metálica sobre la capa aislante y (iv) una capa externa ferromagnética, en el que la capa ferromagnética tiene anisotropía magnética helicoidal.

Un segundo aspecto de la presente invención es el procedimiento de fabricación de hilo bimetálico de la invención que comprende las siguientes etapas: a) fabricación de un hilo metálico cubierto de Pirex mediante la técnica de solidificación ultrarrápida y estiramiento, b) recubrimiento de la capa de Pirex con una capa nanométrica de un metal noble por medio de una técnica de metalización, c) recubrimiento de la capa nanométrica de oro con una capa de permalloy por electrodeposición, en el que la electrodeposición del permalloy se lleva a cabo en presencia de un campo magnético helicoidal. Ese campo helicoidal lo genera la aplicación de una corriente eléctrica que circula por el núcleo metálico interno, simultáneamente con la aplicación de un campo... [Seguir leyendo]

1. Hilo bi-metálico que comprende: (i) un núcleo metálico, (ii) una capa aislante que recubre dicho núcleo metálico, (iii) una capa nanométrica metálica sobre la capa aislante y (iv) una capa externa ferromagnética, caracterizado porque dicha capa ferromagnética tiene anisotropía magnética helicoidal.

2. Hilo bimetálico según reivindicación anterior caracterizado porque el núcleo metálico (i) es de cobre.

3. Hilo bimetálico según reivindicación 1 caracterizado porque la capa aislante (ii) es de pirex.

4. Hilo bimetálico según reivindicación 1 caracterizado porque la capa nanométrica metálica (iii) es de oro.

5. Hilo bimetálico según reivindicación 1 caracterizado porque la capa ferromagnética (iv) es de permalloy.

6. Hilo bimetálico según reivindicaciones anteriores caracterizado porque sus dimensiones son micrométricas, comprendidas dentro del rango de 1 a 500 micras de diámetro.

7. Procedimiento de fabricación del hilo bimetálico descrito en las reivindicaciones anteriores que comprende las siguientes etapas:

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

b) Recubrimiento de la capa de Pirex del hilo metálico con una capa nanométrica de un metal noble por medio de una técnica de metalización.

c) Recubrimiento de la capa nanométrica del metal noble con una capa de permalloy por electrodeposición,

caracterizado porque la electrodeposición del permalloy se lleva a cabo en presencia de un campo magnético helicoidal.

8. Procedimiento de fabricación del hilo bimetálico según reivindicación 7 caracterizado porque el metal noble utilizado en el recubrimiento de la capa de Pirex es oro.

9. Procedimiento de fabricación del hilo bimetálico según reivindicación 7 caracterizado porque la técnica de metalización utilizada en la etapa b) es el sputtering.

10. Uso del hilo bimetálico descrito en las reivindicaciones 1-6 como elemento sensor.

11. Uso del hilo bimetálico de la invención según reivindicación 10 como elemento sensor en sensores magnéticos.

12. Uso del hilo bimetálico de la invención según reivindicación 11 como elemento sensor en sensores magnéticos tipo Flux-gate.