CN1688035A - 基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件 - Google Patents
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Abstract
一种属于传感器技术领域的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，本发明由带SiO2层的硅衬底、引脚、曲折状三明治结构软磁多层膜和偏置永磁体组成，引脚从多层膜两端的铜层引出，并设置在衬底上，整个曲折状三明治结构软磁多层膜位于带SiO2层的硅衬底上。偏置永磁体用微细加工技术制备，并用环氧胶水粘贴于磁敏器件的背面。使其采用曲折状三明治结构多层膜可大大提高多层膜的巨磁阻抗效应；MEMS技术可以实现其制备工艺与IC工艺兼容，可与配套的检测电路制作在一起，实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高灵敏度、响应速度快，性能重复性好、温度稳定性好及易于大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种磁敏器件，具体是一种基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，属于传感器技术领域。
技术背景
随着微电子技术的迅速发展，在汽车电子、机器人技术、生物工程、自动化控制等需要一些新型的、小型化的、高性能的、高灵敏度的和响应速度快的新型磁敏传感器来监测环境周围的参数如：磁场、速度、转速、位移、角度、扭矩等。目前市场上正在使用或开发的磁敏传感器有霍尔(Hall)效应传感器、各向异性磁阻(AMR)效应和巨磁电阻(GMR)效应传感器。霍尔效应传感器是目前应用最广泛的磁敏传感器，可用于汽车发动机转速的测量、点火装置、汽车刹车防抱死系统(ABS)、磁敏开关等，但霍尔器件由于输出信号很弱及温度稳定性很差，其灵敏度受到了极大的限制。新型的硅基磁敏传感器是AMR效应的磁敏传感器，是采用微机电系统(MEMS)技术研制的用于测量磁场大小和方向的一个固态器件，但AMR效应的大小只有2％～4％，其磁场灵敏度小于1％/Oe。GMR效应可达80％以上，GMR传感器可以获得更高的信号输出，但驱动磁场很高(300Oe以上)，其磁场灵敏度在1％～2％/Oe。近几年来研究发现，软磁材料在很小的直流磁场下展示巨磁阻抗(Giant magneto-impedamce，简写为GMI)效应，即当磁场有微小变化时，将会引起软磁材料交流阻抗的巨大变化。人们已经在非晶和纳米晶材料制备的薄膜、多层膜、带材和丝材中获得了很大的巨磁阻抗效应，其磁场灵敏度达2％～300％/Oe，比AMR和GMR传感器高1到2个数量级，是霍尔器件的10～100倍。且GMI传感器具有高灵敏度、响应速度快、体积小等优点，利用材料的这种高灵敏度特性，可制作各种磁控开关、磁敏传感器、位移传感器、角度传感器等，可广泛用于汽车工业、机械、交通运输、保安、电力、自动控制、航空航天等各个行业。
经文献检索发现，K.Mohri等(K.Mohri，T.Uchiyama，L.P.Shen，C.M.Cai，L.V.Panina，Y.Honkura，and M.Yamamoto)在《IEEE TRANSACTION ONMAGNETICS》(VOL.38，NO.5，pp.3063-3068，SEPTEMBER 2002)上发表了“Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micromagnetic sensors utilizingmagnetoimpedance(MI)and stress-impedance(SI)effects(美国电气电子工程学会)”一文，该文提及了基于钴基非晶丝巨磁阻抗效应的新型磁敏传感器。作者采用钴基非晶丝作为磁敏器件，并与CMOS控制电路相连，构成了基于非晶丝巨磁阻抗效应的新型磁敏传感器，其测量磁场的范围为±3Oe，分辨率为1μOe的数量级，工作频率为1MHz。Y.Nishibe等(Y.Nishibe，H.Yamadera，N.Ohta，K.Tsukada，Y.Nonomura)在《SENSORS AND ACTUATORS》(VOL.82，pp.155-160，2000)上发表了“Thin film magnetic field sensor utilizing magneto impedance effect(传感器与执行器)”一文，该文提及了基于FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜GMI效应的磁场传感器，多层膜是采用磁控溅射方法制备的，传感器的长度为10mm，宽度为2mm，巨磁阻抗变化率达100％，驱动频率为1MHz，磁场灵敏度为5％/Oe。P.Delooze等(P.Delooze，L.V.Panina，D.J.Mapps，K.Ueno，H.Sano)在《IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS》(VOL.40，NO.4，pp.2664-2666，2004)上发表了“Sub-nano tesla resolution differential magnetic field sensor utilizingasymmetrical magnetoimpedance in multilayer films(美国电气电子工程学会)”一文，提及了采用CoFeB/Cu/CoFeB多层膜反对称巨磁阻抗效应的磁场传感器，多层膜是采用磁控溅射方法制备的，多层膜的长度为5mm，宽度40μm，传感器的量程为±1Oe，分辨率为1μOe的数量级。相对于薄膜而言，丝和带材比较容易制备，在其中易于形成理想的磁各向异性，可以获得较为理想的敏感性能。但是丝和薄带在微型化、器件性能的重复性和批量化生产及与检测电路的匹配方面，将会遇到许多问题，例如，丝和薄带在电路中的焊接、安装困难、丝和薄带容易破碎等。而薄膜GMI传感器具有批量化生产及与半导体集成电路相兼容的能力，能大大降低生产成本，因此薄膜材料GMI效应及其传感器的研究成为新型磁敏传感器研究开发的新热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，使其采用曲折状三明治结构多层膜可大大提高多层膜的巨磁阻抗效应；MEMS技术可以实现其制备工艺与IC工艺兼容，可与配套的检测电路制作在一起，实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高灵敏度、响应速度快，性能重复性好、温度稳定性好及易于大批量生产。而且，与声表面波(SurfaceAcoustic Wave，简称SAW)技术结合，可构成无线被动式磁敏传感器，用于检测恶劣环境下与速度、位移、角度等相关物理量的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由带SiO2层的硅衬底、引脚、曲折状三明治结构软磁多层膜和偏置永磁体组成，引脚从多层膜两端的铜层引出，并设置在衬底上，整个曲折状三明治结构软磁多层膜位于带SiO2层的硅衬底上。偏置永磁体用微细加工技术制备，并用环氧胶水粘贴于磁敏器件的背面。
所述的曲折状三明治结构软磁多层膜由中间的铜层、铜层外围包裹的FeNi软磁薄膜构成的曲折状三明治结构，中间铜层的宽度小于FeNi软磁薄膜的宽度，被FeNi软磁薄膜完全包裹。
所述的FeNi软磁薄膜的宽度为1mm。
所述的中间铜层的宽度为0.1～0.8mm。
进一步的，处于中间铜层上层和下层的FeNi软磁薄膜的厚度相同，均为2～15μm，中间铜层厚度为2～15μm，长度在6～20mm。
本发明的磁敏器件的制作方法采用薄膜技术和MEMS技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用准-LIGA光刻技术和微电镀技术制备曲折状三明治结构FeNi/Cu/FeNi软磁多层膜；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；通过选择合适的永磁体对多层膜的巨磁阻抗效应曲线进行偏置，使磁敏器件工作在线性区域。
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
(1)本发明采用准-LIGA技术和电镀工艺制备FeNi/Cu/FeNi软磁多层膜巨磁阻抗效应器件，具有高的灵敏度和响应速度快等优点及广泛的用途。而MEMS技术具有与大规模集成电路相兼容的能力，重复性好、成本低，易于大批量生产；又可以通过不同结构来提高其巨磁阻抗效应和磁场灵敏度；
(2)本发明采用准-LIGA技术和电镀工艺制备FeNi/Cu/FeNi软磁多层膜材料，通过电镀时施加磁场，可以很好的控制多层膜材料的磁各向异性场，可以获得很大的巨磁阻抗效应，其磁场灵敏度高于10％/Oe，远高于AMR和GMR传感器的磁场灵敏度，又避免了采用非晶丝和薄带作为磁敏材料时器件易碎、器件性能重复性差和加工困难及批量化等带来的问题；
(3)本发明改变了传统直线型薄膜结构，而是采用曲折状三明治结构多层膜，可以大大提高多层膜的巨磁阻抗效应及器件的灵敏度；
(4)本发明可以通过改变FeNi软磁薄膜和铜层的宽度及厚度来提高巨磁阻抗效应，进而提高磁敏器件的灵敏度；
(5)本发明可以通过退火工艺来提高多层膜的巨磁阻抗效应，进而提高磁敏器件的灵敏度。
(6)本发明采用微细加工技术制备偏置永磁体，以实现磁敏器件的线性化；
(7)本发明采用交流驱动方式，可以方便实现滤波、调谐、振荡等。
附图说明
图1为本发明的曲折状三明治结构FeNi/Cu/FeNi多层膜的结构示意俯视图。
其中：4为引脚，3为带SiO2层的硅衬底，2为电镀的Cu层，铜层外面包裹FeNi软磁薄膜1，1为电镀的FeNi软磁薄膜。
图2为本发明的曲折状三明治结构FeNi/Cu/FeNi多层膜的结构示意刨面视图。
其中：3为带SiO2层的硅衬底，2为电镀的Cu层，铜层外面包裹FeNi软磁薄膜1，5为偏置永磁体。
图3为本发明的曲折状三明治结构FeNi/Cu/FeNi多层膜的结构示意侧视图。
其中：3为带SiO2层的硅衬底，5为偏置永磁体，6为曲折状三明治结构FeNi/Cu/FeNi多层膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体结构进一步的描述。
如图1-3所示，本发明由带SiO2层的硅衬底3、引脚4、偏置永磁体5及曲折状三明治结构FeNi/Cu/FeNi软磁多层膜6组成，引脚4从磁敏器件两端的铜层引出，并设置在衬底平面上，曲折状三明治结构软磁多层膜6位于带SiO2层的衬底3上，偏置永磁体位于硅衬底下面。
所述的曲折状三明治结构软磁多层膜6由中间的铜层2、铜层2外围包裹的FeNi软磁薄膜1构成的曲折状三明治结构，中间铜层2的宽度小于FeNi软磁薄膜1的宽度。
所述的FeNi软磁薄膜宽度为1mm。
所述的中间铜层的宽度为0.1～0.8mm。
处于中间铜层2上层和下层的FeNi软磁薄膜1的厚度相同，均为2～15μm，铜层2厚度为2～15μm，长度在6～20mm。
Claims (7)
1、一种基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征在于，由衬底(3)、软磁多层膜巨磁阻抗材料(6)、偏置永磁体(5)、引脚(4)组成，引脚(4)从磁敏器件两端的铜层(2)引出，并设置在衬底平面(3)上，曲折状三明治结构软磁多层膜(6)位于带SiO2层的衬底(3)上，偏置永磁体(5)位于硅衬底下面。
2、如权利要求1所述的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征是，套刻符号为曝光提供准确的对准。
3、如权利要求1所述的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征是，曲折状三明治结构软磁多层膜(6)由中间的铜层(2)、铜层(2)外围包裹的FeNi软磁薄膜(1)构成的曲折状三明治结构，中间铜层(2)的宽度小于FeNi软磁薄膜(1)的宽度。
4、如权利要求1所述的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征是，所述的FeNi软磁薄膜(1)宽度为1mm。
5、如权利要求1所述的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征是，所述的中间铜层(2)的宽度为0.1～0.8mm。
6、如权利要求1或2、4所述的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征是，对所述的铜层(2)进一步限定：处于中间铜层(2)上层和下层的软磁薄膜(1)的厚度相同，均为2～15μm，铜层(2)厚度为2～15μm，长度在6～20mm。
7、如权利要求1所述的基于微机电系统的巨磁阻抗效应磁敏器件，其特征是，通过调节多层膜中各层材料结构参数及磁场退火，可以大大提高多层膜的巨磁阻抗效应和磁场灵敏度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |