基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件的製作方法

2023-10-07 19:21:04 6

專利名稱：基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種磁敏器件，具體是一種基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，屬於傳感器技術領域。
背景技術：
隨著微電子技術的迅速發展，在汽車電子、機器人技術、生物工程、自動化控制等需要一些新型的、小型化的、高性能的、高靈敏度的和響應速度快的新型磁敏傳感器來監測環境周圍的參數如磁場、速度、轉速、位移、角度、扭矩等。目前市場上正在使用或開發的磁敏傳感器有霍爾(Hall)效應傳感器、各向異性磁阻(AMR)效應和巨磁電阻(GMR)效應傳感器。霍爾效應傳感器是目前應用最廣泛的磁敏傳感器，可用於汽車發動機轉速的測量、點火裝置、汽車剎車防抱死系統(ABS)、磁敏開關等，但霍爾器件由於輸出信號很弱及溫度穩定性很差，其靈敏度受到了極大的限制。新型的矽基磁敏傳感器是基於AMR效應的磁敏傳感器，是採用微機電系統(MEMS)技術研製的用於測量磁場大小和方向的一個固態器件，但AMR效應的大小只有2％～4％，其磁場靈敏度小於1％/Oe。GMR效應可達80％以上，GMR傳感器可以獲得更高的信號輸出，但驅動磁場很高(300Oe以上)，其磁場靈敏度在1％～2％/Oe。近幾年來研究發現，軟磁材料在很小的直流磁場下展示巨磁阻抗(Giantmagneto-impedamce，簡寫為GMI)效應，即當磁場有微小變化時，將會引起軟磁材料交流阻抗的巨大變化。人們已經在非晶和納米晶材料製備的薄膜、多層膜、帶材和絲材中獲得了很大的巨磁阻抗效應，其磁場靈敏度達2％～300％/Oe，比AMR和GMR傳感器高1到2個數量級，是霍爾器件的10～100倍。且GMI傳感器具有高靈敏度、響應速度快、體積小等優點，利用材料的這種高靈敏度特性，可製作各種磁控開關、磁敏傳感器、位移傳感器、角度傳感器等，可廣泛用於汽車工業、機械、交通運輸、保安、電力、自動控制、航空航天等各個行業。
經文獻檢索發現，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)上發表了「Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micromagnetic sensors utilizingmagnetoimpedance(MI)and stress-impedance(SI)effects(美國電氣電子工程學會)」一文，該文提及了基於鈷基非晶絲巨磁阻抗效應的新型磁敏傳感器。作者採用鈷基非晶絲作為磁敏器件，並與CMOS控制電路相連，構成了基於非晶絲巨磁阻抗效應的新型磁敏傳感器，其測量磁場的範圍為±3Oe，解析度為1μOe的數量級，工作頻率為1MHz。Y.Nishibe等(Y.Nishibe，H.Yamadera，N.Ohta，K.Tsukada，Y.Nonomura)在《SENSORS AND ACTUATORS》(VOL.82，pp.155-160，2000)上發表了「Thin film magnetic field sensor utilizing magneto impedance effect(傳感器與執行器)」一文，該文提及了基於FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多層膜GMI效應的磁場傳感器，多層膜是採用磁控濺射方法製備的，傳感器的長度為10mm，寬度為2mm，巨磁阻抗變化率達100％，驅動頻率為1MHz，磁場靈敏度為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)上發表了「Sub-nano tesla resolution differential magnetic field sensor utilizingasymmetrical magnetoimpedance in multilayer films(美國電氣電子工程學會)」一文，提及了採用CoFeB/Cu/CoFeB多層膜反對稱巨磁阻抗效應的磁場傳感器，多層膜是採用磁控濺射方法製備的，多層膜的長度為5mm，寬度40μm，傳感器的量程為±1Oe，解析度為1μOe的數量級。相對於薄膜而言，絲和帶材比較容易製備，在其中易於形成理想的磁各向異性，可以獲得較為理想的敏感性能。但是絲和薄帶在微型化、器件性能的重複性和批量化生產及與檢測電路的匹配方面，將會遇到許多問題，例如，絲和薄帶在電路中的焊接、安裝困難、絲和薄帶容易破碎等。而薄膜GMI傳感器具有批量化生產及與半導體集成電路相兼容的能力，能大大降低生產成本，因此薄膜材料GMI效應及其傳感器的研究成為新型磁敏傳感器研究開發的新熱點。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，使其採用曲折狀三明治結構多層膜可大大提高多層膜的巨磁阻抗效應；採用薄膜技術和MEMS技術可以實現其製備工藝與IC工藝兼容，可與配套的檢測電路製作在一起，實現整個傳感器的薄膜化、小型化，並具有高靈敏度、響應速度快，性能重複性好、溫度穩定性好及易於大批量生產。而且，與聲表面波(Surface Acoustic Wave，簡稱SAW)技術結合，可構成無線被動式磁敏傳感器，用於檢測惡劣環境下與速度、位移、角度等相關物理量的測量。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明由帶SiO2層的矽襯底、引腳、曲折狀三明治結構軟磁多層膜和偏置永磁體組成，引腳從多層膜兩端的銅層引出，並設置在襯底上，整個曲折狀三明治結構軟磁多層膜位於帶SiO2層的矽襯底上。偏置永磁體用微細加工技術製備，並用環氧膠水粘貼於磁敏器件的背面。
所述的曲折狀三明治結構軟磁多層膜由中間的銅層、銅層外圍包裹的軟磁薄膜構成的曲折狀三明治結構，中間銅層的寬度小於軟磁薄膜的寬度，被軟磁薄膜完全包裹。
所述的軟磁薄膜為FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜，寬度為1mm。
所述的中間銅層的寬度為0.1～0.8mm。
進一步的，處於中間銅層上層和下層的軟磁薄膜的厚度相同，均為2～6μm，中間銅層厚度為2～6μm，長度在6～20mm。
本發明的新型磁敏器件的製作方法採用薄膜技術和MEMS技術，對雙面氧化的矽片進行處理，得到雙面套刻對準符號，以便曝光時提高對準精度；採用薄膜技術和MEMS技術製備納米晶成份的曲折狀三明治結構軟磁多層膜材料；採用物理刻蝕技術去除底層，避免溼法刻蝕工藝帶來的鑽蝕現象；採用專用的化學腐蝕液刻蝕納米晶成份的曲折狀三明治結構軟磁多層膜，形成磁敏器件；通過選擇合適的永磁體對多層膜的巨磁阻抗效應曲線進行偏置，使磁敏器件工作在線性區域。
本發明與現有技術相比，具有以下有益的效果(1)本發明採用薄膜技術和MEMS技術製備軟磁多層膜巨磁阻抗效應器件，具有高的靈敏度和響應速度快等優點及廣泛的用途。而且薄膜技術具有與大規模集成電路相兼容的能力，重複性好、成本低，易於大批量生產；又可以通過不同結構來提高其巨磁阻抗效應和磁場靈敏度；(2)本發明採用納米晶成份的軟磁多層膜材料，可以獲得很高的巨磁阻抗效應，避免了採用非晶絲和薄帶作為磁敏材料時器件易碎、器件性能重複性差和加工困難及批量化等帶來的問題；(3)本發明改變了傳統直線型薄膜結構，而是採用曲折狀三明治結構多層膜，可以大大提高多層膜的巨磁阻抗效應及器件的靈敏度；(4)本發明可以通過改變納米晶成份的軟磁薄膜和銅層的寬度及厚度來提高巨磁阻抗效應，進而提高磁敏器件的靈敏度；(5)本發明可以通過退火工藝來提高多層膜的巨磁阻抗效應，進而提高磁敏器件的靈敏度。
(6)本發明採用微細加工技術製備偏置永磁體，以實現磁敏器件的線性化；(7)本發明採用交流驅動方式，可以方便實現濾波、調諧、振蕩等。


圖1為本發明的曲折狀三明治結構F/Cu/F多層膜的結構示意俯視圖。
其中4為引腳，3為帶SiO2層的矽襯底，2為電鍍的銅層，銅層外面包裹軟磁薄膜1，軟磁薄膜1和F為FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜。
圖2為本發明的曲折狀三明治結構F/Cu/F多層膜的結構示意刨面視圖。
其中3為帶SiO2層的矽襯底，2為電鍍的銅層，銅層外面包裹軟磁薄膜1，5為偏置永磁體，軟磁薄膜1和F為FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜。
圖3為本發明的曲折狀三明治結構F/Cu/F多層膜的結構示意側視圖。
其中3為帶SiO2層的矽襯底，5為偏置永磁體，6為曲折狀三明治結構F/Cu/F多層膜，F為FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明的具體結構進一步的描述。
如圖1-3所示，本發明由帶SiO2層的矽襯底3、引腳4、納米晶成份的曲折狀三明治結構軟磁多層膜6和偏置永磁體5組成，引腳4從磁敏器件兩端的銅層引出，並設置在帶SiO2層的矽襯底平面上，曲折狀三明治結構軟磁多層膜6位於帶SiO2層的矽襯底3上，偏置永磁體5位於帶SiO2層的矽襯底3下面。
所述的納米晶成份的曲折狀三明治結構軟磁多層膜6由中間的銅層2、銅層2外圍包裹的納米晶成份的軟磁薄膜1構成的曲折狀三明治結構，中間銅層2的寬度小於軟磁薄膜1的寬度。
所述的軟磁薄膜為FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜，寬度為1mm。
所述的中間銅層的寬度為0.1～0.8mm。
處於中間銅層2上層和下層的軟磁薄膜1的厚度相同，均為2～6μm，銅層2厚度為2～6μm，長度在6～20mm。
權利要求
1.一種基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，其特徵在於，由襯底(3)、引腳(4)、納米晶成份的曲折狀三明治結構軟磁多層膜(6)和偏置永磁體(5)組成，引腳(4)從磁敏器件兩端的銅層(2)引出，並設置在帶SiO2層的矽襯底(3)上，曲折狀三明治結構軟磁多層膜(6)位於帶SiO2層的矽襯底(3)上，偏置永磁體(5)位於帶SiO2層的矽襯底(3)下面。
2.如權利要求1所述的基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，其特徵是，所述的納米晶成份的曲折狀三明治結構軟磁多層膜(6)由中間的銅層(2)、銅層(2)外圍包裹的納米晶成份的軟磁薄膜(1)構成的曲折狀三明治結構，中間銅層(2)的寬度小於軟磁薄膜(1)的寬度。
3.如權利要求2所述的基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，其特徵是，所述的納米晶成份軟磁薄膜(1)為FeCuNbSiB和FeCuNbCrSiB薄膜，寬度為1mm。
4.如權利要求1所述的基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，其特徵是，所述的中間銅層的寬度為0.1～0.8mm。
5.如權利要求1或2、4所述的基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，其特徵是，對所述的銅層(2)進一步限定處於中間銅層(2)上層和下層的軟磁薄膜(1)的厚度相同，均為2～6μm，銅層(2)厚度為2～6μm，長度在6～20mm。
6.如權利要求1所述的基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，其特徵是，通過調節多層膜中各層材料結構參數及磁場退火，可以大大提高多層膜的巨磁阻抗效應和磁場靈敏度。
全文摘要
一種基於軟磁多層膜巨磁阻抗效應的磁敏器件，屬於傳感器技術領域。本發明由帶SiO
文檔編號H01L43/08GK1694275SQ200510026608
公開日2005年11月9日 申請日期2005年6月9日 優先權日2005年6月9日
發明者周勇, 丁文, 曹瑩, 陳吉安, 周志敏 申請人:上海交通大學