專利名稱：巨磁阻抗效應(yīng)二維磁場傳感器的制作方法
巨磁阻抗效應(yīng)二維磁場傳感器本發(fā)明涉及的是一種磁場測量器件，具體是一種巨磁阻抗效應(yīng)二維磁場傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
空間地磁場的精確測量對于確定電子設(shè)備的位置和取向是電子指南針的基本原理，相對于GPS全球定位系統(tǒng)來說，具有價格低，使用方便等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種移動設(shè)備如手機(jī)，汽車，筆記本電腦等。磁敏傳感器構(gòu)成了電子指南針系統(tǒng)的重要組成部分，常見的磁敏傳感器包括Hall霍爾傳感器，雖然可以通過半導(dǎo)體工藝進(jìn)行加工，且尺寸較小，但是，其存在輸出信號幅度弱，靈敏度較低，而且容易受溫度的影響。磁阻傳感器，新型娃基磁敏傳感器AMR各向異性磁阻傳感器,可以米用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)制備，但AMR磁阻變化率大小只有2% _4%，其磁場靈敏度小于1% /Oe0 GMR巨磁阻傳感器磁阻變化率可以達(dá)到80%以上，也可以獲得較高信號輸出，但驅(qū)動磁場很高(3000e以上)，其磁場靈敏度在1% -2% /Oe0巨磁阻抗傳感器是一種新型的磁敏傳感器，近年來得到廣泛研究，其原理是利用軟磁合金材料在很小直流磁場作用下展示巨磁阻抗(Giant magneto-1mpedance,簡稱為GMI)效應(yīng)，即當(dāng)磁場有微小變化時，將會引起軟磁材料交流阻抗巨大變化。人們已經(jīng)在非晶和納米晶體材料制備的薄膜、多層膜、帶材和絲材中獲得了很大的巨磁阻抗效應(yīng)，其磁場靈敏度達(dá)2% -300% /Oe,比AMR和GMR傳感器高I到2個數(shù)量級，是霍爾器件的10-100倍。且GMI傳感器具有高靈敏度、響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點，利用材料的這種高靈敏度特性，可以制作各種磁控開關(guān)、磁敏傳感器、位移傳感器、角度傳感器等，可以廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、機(jī)械、交通運輸、保安、電力、自動控制、航空航天等各個行業(yè)。非常適合于制備是用于電子指南針的維磁場傳感器。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，日本Aichi Micro Intelligent corporation公司的美國專利US6831457B2中描述了種二維巨磁阻抗效應(yīng)磁場傳感器，采用非晶絲來作為磁場傳感器的敏感材料，并制備了環(huán)繞非晶絲的感應(yīng)線圈來測量非晶絲對磁場的反應(yīng)信號，通過將巨磁阻抗效應(yīng)傳感器正交排列來測量平面二維磁場。由于非晶絲一般是通過拉絲方法制備的，其直徑在10-50微米范圍內(nèi)，其長度雖然可以達(dá)到毫米甚至厘米，無法與半導(dǎo)體加工工藝相兼容，因此在制備傳感器的過程中只能通過人工或機(jī)械操作的方法來實現(xiàn)其定位和加工。其次在制備信號感應(yīng)線圈的工藝上，需要再基片上加工深度達(dá)50微米的長槽來容納并對非晶絲實現(xiàn)定位，而且需要將非晶絲包裹硅膠或環(huán)氧進(jìn)行絕緣，其感應(yīng)線圈雖然也可以采用光刻等半導(dǎo)體工藝進(jìn)行加工，但是由于半導(dǎo)體工藝一般基于平面加工的方法實現(xiàn)，因此其制作方法在存在制作成本較高，成品低的特點，從而增加了生產(chǎn)的成本，其加工的尺寸和位置的精確性較低，將對測量信號形成不利的影響。與此相比，非晶軟磁薄帶其厚度一般在20-30微米范圍內(nèi)，具有大的接觸面積，因此可以通過環(huán)氧樹脂粘貼在基片上，而后通過掩模材料薄膜保護(hù)，采用光刻等工藝開腐蝕窗口，通過干法或濕法等半導(dǎo)體加工工藝，進(jìn)行加工，不但可以精確控制其尺寸以及相對取向，而且可以得到更加復(fù)雜的形狀如曲折、或螺旋形狀。此外其絕緣層以及環(huán)繞感應(yīng)線圈也可以通過旋涂聚酰亞胺薄膜、磨片、電鍍等半導(dǎo)體工藝進(jìn)行加工，因此在傳感器的加工上可以做到完全與半導(dǎo)體工藝相兼容，可以實現(xiàn)大規(guī)模的制造，從而降低其制造成本。因此，本項目采用軟磁非晶軟磁薄帶作為巨磁阻抗效應(yīng)傳感器的敏感材料，并通過采用微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)來制備兩個包含磁敏材料、以及環(huán)繞其外的檢測線圈、導(dǎo)線及引腳的二維磁場探測器，將在制造成本和制造質(zhì)量上得到很大的提聞，并將提聞其精確，靈敏度和可罪性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容在于提出了二維磁場傳感器設(shè)計及制造的一種新的方案，提供了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)和軟磁非晶薄帶巨磁阻抗效應(yīng)的二維磁場傳感器，米用MEMS技術(shù)在基片上制作正交的兩個非晶薄帶的磁敏單元以及環(huán)繞在其周圍的三維螺線圈、絕緣層以及相應(yīng)的導(dǎo)線和電極引腳，并配合集成電路IC模塊以實現(xiàn)通過對兩個磁敏傳感器的信號激勵以及磁場感應(yīng)信號的采集，來測量平面內(nèi)沿兩個磁敏傳感器方向磁場分量的測量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，本發(fā)明由基片(I)上兩個巨磁阻抗效應(yīng)磁敏傳感器(2)和(3)，以及傳感器中間位置的集成電路控制模塊(4)組成。所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏傳感器(2)由非晶薄帶磁芯(5)，以及纏繞于其外圍的感應(yīng)信號采集線圈出)，絕緣填充材料(7)，以及兩端的激勵電流電極(8)，信號采集電極(9)以及相應(yīng)導(dǎo)線(10)組成。所述的基片⑴為玻璃或硅材料；所述的非晶薄帶磁芯(5)可以為Fe基非晶合金材料如FeSiBNbCuCr, Co基非晶合金材料如CoFeSiB等材料；所述的非晶薄帶磁芯(5)具有沿非晶薄帶寬度方向的各向異性場；所述的感應(yīng)信號采集線圈(6)、激勵電流電極⑶、信號采集電極(9)、導(dǎo)線(10)材料為Cu ；所述的絕緣填充材料(7)為聚酰亞胺；所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏傳感器(2)位于玻璃或者硅片(I)的上面；所述的傳感器激勵信號為正弦或者脈沖信號；本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益的效果(I)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)實現(xiàn)非晶薄帶磁芯、信號采集線圈、絕緣填充材料以及導(dǎo)線、引腳的集成加工制造，易于實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，降低制造成本；(2)本發(fā)明采用MEMS技術(shù)制造磁敏傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器尺寸和精度非常精確，保證了樣品性能的可重復(fù)性；(3)本發(fā)明采用環(huán)繞于磁敏傳感器的三維螺線管的采集傳感器對磁場測量的信號，相對于直接測量磁敏傳感器的兩端電壓，具有更高的磁場靈敏度；


圖1為本發(fā)明的巨磁阻抗效應(yīng)二維磁場傳感器的頂視圖。其中1為基片，2，3為正交的巨磁阻抗傳感器，4為集成電路信號處理模塊，5為信號采集線圈，6為Cu引線，7為信號采集線圈信號引腳。
圖2為本發(fā)明2，3的二維巨磁阻抗磁場傳感器中的橫截面剖面圖。其中1為基片，5為軟磁非晶薄帶，6為信號采集線圈，9為絕緣填充材料
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的描述。如圖1-2所示，本發(fā)明由基片I上兩個巨磁阻抗磁敏傳感器2和3，以及集成電路信號處理模塊4組成；所述的巨磁阻抗二維磁場傳感器2和3由軟磁非晶薄帶4、信號采集線圈5以及絕緣填充材料6，導(dǎo)線7信號引腳8組成；所述的軟磁非晶薄帶4放置于信號采集線管5的軸線位置；所述的軟磁非晶薄帶的各向異性場為沿著薄帶的寬度方向；所述的集成電路信號處理模塊4用于軟磁非晶薄帶5的激勵信號以及信號采集線圈5的信號接收及處理，并完成兩個磁場信號分量的測量和合成。
權(quán)利要求
1.一種巨磁阻抗二維磁場傳感器，其特征在于，由基片I上兩個正交的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏傳感器2和3，以及集成電路信號處理模塊4組成，磁敏傳感器2和3分別測量平面磁場的兩個磁場分量，集成電路信號處理模塊4用于產(chǎn)生磁敏傳感器的信號激勵信號以及采集其對外磁場的相應(yīng)信號進(jìn)行處理和合成；
2.如權(quán)利I所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁場傳感器2和3，其特征在于，傳感器由軟磁非晶薄帶5、信號采集線管線圈6，以及絕緣填充材料7，導(dǎo)線8，信號采集電極9組成；
3.如權(quán)利I所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁場傳感器2和3，其特征在于，非晶薄帶5中通過高頻交流信號或者脈沖信號，當(dāng)有外磁場作用時，通過測量信號采集線圈6兩端感應(yīng)信號的變化來測量外磁場的強(qiáng)度；
4.如權(quán)利I所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁場傳感器2和3，其特征在于，高頻交流信號頻率為O.1-1OOMHz，脈沖信號脈寬為O.1ns ；
5.如權(quán)利3所述的軟磁非晶薄帶4的各向異性場為沿著線條的寬度方向；
6.如權(quán)利3所述的軟磁非晶薄帶4為Fe基非晶材料如FeSiBNbCu或Co基非晶合金材料如CoFeSiB材料。
7.如權(quán)利3所述的軟磁非晶薄帶材料4形狀為直線長條狀、曲折多匝形狀等；
8.如權(quán)利3所述的軟磁非晶薄帶4的磁場最大靈敏度方向為沿著線條長度方向；
9.如權(quán)利I所述的基片可以為玻璃、表面氧化的硅片，陶瓷片等材料；
10.如權(quán)利2所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁場傳感器2和3，其特征在于，其填充材料為聚酰亞胺9，信號采集線圈材料6為Cu。
11.如權(quán)利I所述的巨磁阻抗效應(yīng)磁場傳感器2和3，其特征在于，傳感器制備工藝為微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)，其制造工藝如下a在基片上濺射一層Cr/Cu種子層b以光刻膠作為鑄模，電鍍Cu來形成底層線圈c以光刻膠為鑄模，電鍍中間Cu柱,去種子層d旋涂聚酰亞胺膠體，高溫固化e機(jī)械磨片結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)使得Cu柱漏出f采用環(huán)氧樹脂膠粘帖非晶薄帶，以光刻膠作為掩模材料，濕法腐蝕薄帶，得到磁芯g濺射種子層，并電鍍Cu柱子，去種子層h旋涂聚酰亞胺，固化，機(jī)械磨片結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕使得Cu柱漏出i濺射種子層，以光刻膠作為鑄模，電鍍上層線圈
12.如權(quán)利I所述的非晶薄帶材料，其特征在于磁場各向異性為采用磁場退火在·300-400度來實現(xiàn)。
全文摘要
一種屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域的巨磁阻抗效應(yīng)二維磁場傳感器，本發(fā)明由基片上1兩個正交的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏傳感器2和3，以及集成電路信號處理模塊4組成，每個磁敏傳感器2和3由非晶薄帶4，以及以其為磁芯的信號采集線圈5，絕緣填充材料6以及兩端的Cu導(dǎo)線7，以及電極引腳8組成，傳感器的非晶薄帶的各向異性場沿著寬度方向，具有直線，曲折幾何形狀，傳感器為通過微機(jī)電系統(tǒng)MEMS工藝制造。傳感器工作時，信號處理模塊提供磁芯中流過0.1-100MHz的高頻交流信號或者0.1ns的脈沖信號，信號采集線圈用于感應(yīng)磁芯對外磁場的反應(yīng)，由于磁敏傳感器對沿著線條長度方向的磁場具有最大靈敏度，因此可以分別對芯片平面內(nèi)沿著線條長度方向的磁場分量進(jìn)行測量，從而確定磁場在平面內(nèi)的方向和大小。本發(fā)明可以作為電子指南針來確定汽車，手機(jī)等的姿態(tài)，具有體積小，反應(yīng)靈敏度高，快速響應(yīng)，低功耗的特點。
文檔編號B81C1/00GK103033770SQ20111030079
公開日2013年4月10日 申請日期2011年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月9日
發(fā)明者周志敏 申請人:周志敏, 劉明, 胡曉東