CN102707247B - 一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法，属于信息功能器件技术领域。探头，包括非晶带状磁性材料和位于非晶带状磁性材料表面两端的金属对电极，所述金属对电极之间的非晶带状磁性材料两面分别沉积有一层钴铁氧体薄膜；上下两层钴铁氧体薄膜具有沿非晶带状磁性材料长度方向一致的硬磁相特性。探头制备时采用射频磁控溅射工艺在非晶带状磁性材料上沉积钴铁氧体薄膜和采用充磁机对钴铁氧体薄膜充磁使其呈现硬磁相的关键工艺。本发明提供的自偏置巨磁阻抗传感器探头具有体积小、易集成、无额外功耗的特点；产品制备简单、工艺可控、稳定性高；能够获得更宽范围的线性工作区，并大幅提高灵敏度。

Description

一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法

技术领域

本发明属于信息功能器件技术领域，涉及一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法。

背景技术

自1994年以来，巨磁阻抗效应的研究由于其在磁传感器及信息存储领域具有极大的应用前景，而倍受各国科学工作者的广泛关注。早期的研究主要集中在从理论和实验两个方面研究各种组分和材料形态（丝、带和薄膜）在不同的工艺条件下的阻抗的磁场与频率特性。这方面的研究已经取得了重要的进展。为了使巨磁阻抗效应能更好的应用于实际，目前的研究重点是如何提高巨磁阻抗传感器的阻抗变化率和灵敏度。

虽然与丝状或带状材料相比较，薄膜材料更容易通过光刻等与集成电路工艺技术来实现巨磁阻抗传感器的微型化，但由于显著的巨磁阻抗效应更容易在丝状或带状磁性材料中观察到，所以目前商品化的巨磁阻抗传感器均是由丝状或带状材料制成。但由于磁性材料自身特性的原因，使得常规磁性材料在不加任何处置的情况下所体现出的巨磁阻抗效应具有非线性特征，而且磁阻抗变化在零场附近呈现对称性，使得制成的巨磁阻抗传感器在零场附件对磁场的变化不敏感，灵敏度低。

为了改善这一内在缺陷，学术界和工业界采用零场附近非对称巨磁阻抗效应可以大幅度提高传感器的线性度和高灵敏度。丝状或带状材料的非对称巨磁阻抗效应可以采用以下方法实现：1）、偏置线圈法：通过在传感器上制备线圈，在线圈中通以电流产生偏置磁场，如果将两个沿相反方向偏置的巨磁阻抗探头以差分形式相连，则可实现零场附近的线性输出；但采用额外线圈产生偏置场的方法不但要增加传感器单元的制备难度与费用，更为重要的是在于加电流产生偏置场会显著增大探头的功耗，这是传感器在应用时不希望看到的。2）、永磁偏置法：与方式1）类似，但采用永磁体代替偏置线圈，这虽然不增加传感器的功耗，但会增大传感器的体积，不利于传感器的小型化。3）、退火法：对非晶带状材料在磁场下用不高于晶化温度的温度退火处理，则可形成表面晶化层，这种表面晶化层（硬磁）将与内部的非晶层（软磁）产生交换耦合作用而产生自偏置磁场，从而使巨磁阻抗效应呈非对称性[C.G.Kim,K.J.Jang,H.C.Kim,et al.,J.Appl.Phys.85,1999,5447]]。由于这种非对称特性是由于交换耦合作用形成的，所以功耗相对于方法1）大为减小，体积相对于方法2）也大为缩小，但由于这种硬磁/软磁交换耦合场由退火形成，非晶磁性材料暴露于空气中容易被氧化，会使制备的传感器探头的工作稳定性随时间的推移而降低，更为重要的是这种退火方式产生的硬磁层厚度有限（约100纳米），使得硬磁/软磁交换耦合场小，其零场线性工作区较小（小于±2Oe）、灵敏度不足。

发明内容

本发明提供一种自偏置巨磁阻抗传感器探头及其制备方法，所述自偏置巨磁阻抗传感器探头基于硬磁/软磁交换耦合产生自偏置磁场的原理，能够获得更宽范围的线性工作区，并大幅提高灵敏度，且具有体积小、易集成、无额外功耗的特点；其制备方法简单易行、有利于工业化生产。

本发明技术方案为：

一种自偏置巨磁阻抗传感器探头，如图1、2所示，包括非晶带状磁性材料2和位于非晶带状磁性材料2表面两端的金属对电极3，所述金属对电极3之间的非晶带状磁性材料2两面分别沉积有一层钴铁氧体薄膜1；上下两层钴铁氧体薄膜1具有沿非晶带状磁性材料2长度方向一致的硬磁相特性。

一种自偏置巨磁阻抗传感器探头的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：准备非晶带状磁性材料。将非晶磁性薄带材料裁剪成相同大小的单元材料，记为非晶带状磁性材料2，然后对非晶带状磁性材料2作清洁处理。具体清洁处理过程可以是：首先用常规弱酸、弱碱溶液清洗非晶带状磁性材料2，然后用去离子水漂洗、干氮吹干待用。

步骤2：沉积钴铁氧体薄膜。采用射频磁控溅射薄膜制备工艺，在清洁处理后的非晶带状磁性材料2两面沉积钴铁氧体薄膜1。

步骤3：光刻。采用光刻工艺，刻蚀掉两端部分钴铁氧体薄膜1，在非晶带状磁性材料2表面留出金属对电极3的沉积位置。

步骤4：充磁。利用充磁机对非晶带状磁性材料2两面沉积的钴铁氧体薄膜1进行充磁处理，使得上下两层钴铁氧体薄膜1呈现出沿非晶带状磁性材料2长度方向一致的硬磁相特性。

步骤5：金属电极制备。在非晶带状磁性材料2表面留出的金属对电极3的沉积位置沉积金属材料作为金属对电极3。金属对电极可在非晶带状磁性材料2单面制备，也可在非晶带状磁性材料2两面制备。

经过以上步骤，即可得到本发明所述自偏置巨磁阻抗传感器探头。

本发明通过磁控溅射方法在非晶带状磁性材料上镀制钴铁氧体薄膜（硬磁材料），然后对铁氧体薄膜进行充磁处理，使得钴铁氧体薄膜呈现出沿非晶带状磁性材料长度方向一致的硬磁相特性，这样钴铁氧体薄膜（硬磁相）与非晶带状磁性材料（软磁相）形成交换弹性耦合作用，对软磁相进行自偏置，使得非晶带状巨磁阻传感器探头呈现出非对称巨磁阻抗效应。这使得本发明提供的自偏置巨磁阻抗传感器探头具有体积小、易集成、无额外功耗的特点。

另外，由于射频磁控溅射薄膜制备工艺制备钴铁氧体薄膜硬磁材料相比于现有的退火工艺对非晶带状磁性材料表面进行硬磁化，射频磁控溅射薄膜制备工艺更容易控制，得到的产品一致性更佳，并且射频磁控溅射制备钴铁氧体薄膜能够在表面获得一层氧化层，从而对内层非晶磁性材料起到保护作用，使巨磁阻抗传感器探头的工作稳定性提高。

再有，在本发明可通过改变钴铁氧体薄膜的厚度来改变自偏置场的大小，从而使采用本发明所述巨磁阻抗传感器探头能适应不同的需求来调整偏置场的大小，以获得更宽范围的传感器探头的线性工作区和更高的灵敏度，而采用退火处理的巨磁阻抗传感器探头一旦选用的非晶磁性材料确定，其偏置场就固定不变，不能适应实际使用过程中的多样性需求。

附图说明

图1是本发明提供的自偏置巨磁阻抗传感器探头平面结构示意图。

图2是本发明提供的自偏置巨磁阻抗传感器探头的剖面结构示意图。

图3是本发明提供的自偏置巨磁阻抗传感器探头的制备工艺流程示意图。

附图标记：1为钴铁氧体薄膜，2为非晶带状磁性材料，3为金属对电极。

具体实施方式

具体实施方式一

采用如下过程制备自偏置巨磁阻抗传感器探头：

(1).选用商品牌号为Metglass的Co_82.17Fe_4.45Ni_1.63Si_8.6B_3.15非晶磁性薄带，其厚度为30微米，宽度2mm，从薄带上裁减一段长30mm的非晶薄带备用（记为：非晶带状磁性材料2）。

(2).对非晶带状磁性材料2进行如下清洁处理：用碱性溶液（氨水：双氧水：去离子水＝1：2：5）清洗超声15分钟，用去离子水超声5分钟，用酸性溶液（盐酸：去离子水＝1：8）超声清洗15分钟，用去离子水超声5分钟，用干氮吹干。

(3).采用射频磁控溅射薄膜制备工艺，在清洁处理后的非晶带状磁性材料2两面沉积钴铁氧体薄膜1。靶材采用CoFe₂O₄，具体射频磁控溅射工艺为：背底真空2×10^-6mbar，氩气工作气压1×10^-3mbar，氧气工作气压2×10^-4mbar，溅射功率100W；钴铁氧体薄膜1厚度为2微米。

(4).采用光刻工艺，刻蚀掉两端部分钴铁氧体薄膜1，在非晶带状磁性材料2表面留出金属对电极3的沉积位置。

(5).利用充磁机对非晶带状磁性材料2两面沉积的钴铁氧体薄膜1进行充磁处理，使得上下两层钴铁氧体薄膜1呈现出沿非晶带状磁性材料2长度方向一致的硬磁相特性。具体充磁用磁场强度为5000高斯，充磁时间10分钟。

(6).在非晶带状磁性材料2表面留出的金属对电极3的沉积位置沉积金属材料作为金属对电极3，完成自偏置巨磁阻抗传感器探头制备。

经过上述方法制备的自偏置巨磁阻抗传感器探头，经测试其线性工作区为-5～+5Oe，灵敏度为476％/Oe。而仅通过300摄氏度、5000高斯磁场下退火的同样尺寸的自偏置巨磁阻抗传感器探头的性能为：线性工作区-1.5～+1.5Oe，灵敏度为135％/Oe。由此可见，采用本发明的制备方法较退火法，使非晶薄带的线性工作区范围提高3倍，灵敏度提高近2倍多。

具体实施方式二

与具体实施方式一类似，只是将非晶磁性薄带材料换成(Co₉₄Fe₆)₇Si₁₀B₁₅的非晶磁性薄带（厚度为25微米，宽度2毫米，长度15毫米），钴铁氧体厚度1微米。经测试其线性工作区为-3.6～+3.6Oe，灵敏度为325％/Oe。而仅通过300摄氏度、5000高斯磁场下退火的同样尺寸的非晶薄带巨磁阻抗传感器探头的性能为：线性工作区-1.5～+1.5Oe，灵敏度为115％/Oe。由此可见，采用本发明的制备方法较退火法，使非晶薄带的线性工作区提高1倍，灵敏度提高近3倍。

需要说明的是：本发明制备自偏置巨磁阻抗传感器探头过程中，1、钴铁氧体薄膜1的厚度可控制在200纳米到2微米之间；2、制备钴铁氧体薄膜的靶材并不限于CoFe₂O₄，靶材中Co、Fe、O之间的原子比可根据现有技术进行调节；3、具体射频磁控溅射工艺可在以下范围变化：背底真空<5×10^-6mbar，氩气工作气压9×10^-4～9×10^-3mbar，氧氩比0.1～0.25，射频溅射功率50－200W；4、充磁处理时磁场强度和充磁时间也无需限定于上述具体实施方式所述范围，只要充磁处理能够使得上下两层钴铁氧体薄膜1呈现出沿非晶带状磁性材料2长度方向一致的硬磁相特性即可。

Claims (3)

1.一种自偏置巨磁阻抗传感器探头的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：准备非晶带状磁性材料；将非晶磁性薄带材料裁剪成相同大小的单元材料，记为非晶带状磁性材料(2)，然后对非晶带状磁性材料(2)作清洁处理；

步骤2：沉积钴铁氧体薄膜；采用射频磁控溅射薄膜制备工艺，在清洁处理后的非晶带状磁性材料(2)两面沉积钴铁氧体薄膜(1)；

步骤3：光刻；采用光刻工艺，刻蚀掉两端部分钴铁氧体薄膜(1)，在非晶带状磁性材料(2)表面留出金属对电极(3)的沉积位置；

步骤4：充磁；利用充磁机对非晶带状磁性材料(2)两面沉积的钴铁氧体薄膜(1)进行充磁处理，使得上下两层钴铁氧体薄膜(1)呈现出沿非晶带状磁性材料(2)长度方向一致的硬磁相特性；

步骤5：金属电极制备；在非晶带状磁性材料(2)表面留出的金属对电极(3)的沉积位置沉积金属材料作为金属对电极(3)。

2.根据权利要求1所述的自偏置巨磁阻抗传感器探头的制备方法，其特征在于，所述钴铁氧体薄膜(1)的厚度控制在200纳米到2微米之间。

3.根据权利要求1所述的自偏置巨磁阻抗传感器探头的制备方法，其特征在于，步骤5制备金属对电极时，金属对电极可在非晶带状磁性材料(2)单面制备，也可在非晶带状磁性材料(2)两面制备。