專利名稱：一種gmi和gmr相結(jié)合的磁敏傳感器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及巨磁阻抗和巨磁電阻相結(jié)合的磁敏傳感器。
背景技術(shù)：
巨磁阻抗效應(yīng)(Giant Magneto-1mpedance,簡稱GMI)是由日本名古屋大學(xué)K. Mohri在1992年發(fā)現(xiàn)并提出的，是指在一定頻率的交流信號激勵下，材料的阻抗隨著外加磁場的變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng)。非晶軟磁絲、薄帶及其薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料都具有較大的GMI效應(yīng)。S. Xiao等人利用射頻濺射法制備的Fe73.5Si13.5B9CUlNb3/Cu/Fe73^Si115B9Cu1Nb3三層膜中觀察到阻抗變化率高達1700%，靈敏度高達87%/0e (Phy. Rev.B 2000, 61，5734-5739)。GMI磁敏傳感器就是基于GMI效應(yīng)的高靈敏磁場傳感器，其阻抗變
ΓΖ νΖ Ο 化率由公式v z(Q)V 100%算出，其中Z(H)，Ζ(0)分別為有、無外加磁場時的阻抗。
GMI磁場傳感器是典型的交流驅(qū)動器件，可采用高頻交流驅(qū)動信號予以激勵，但其缺點是所測磁場范圍較窄，一般為(Γ幾十高斯。巨磁電阻效應(yīng)Giant Magneto-resistance,簡稱GMR)是由德國的彼得 格林貝格和法國的艾爾伯·費爾在1988年發(fā)現(xiàn)的，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎，是指材料的電阻率隨著外加磁場的變化而產(chǎn)生顯著變化的效應(yīng)。利用GMR效應(yīng)已經(jīng)形成巨磁阻磁頭、存儲器和磁場傳感器等多種商業(yè)化器件。GR Nabiyouni等人在Si沉底的Co/Cu, Ni/Cu多層中測到可使電阻變化的磁場范圍到達2000Gauss (Metrol. Meas.Syst. 2009，16，519-529)。GMR磁敏傳感器就是基于GMR效應(yīng)的高靈敏磁場傳感器，其電阻
變化率由公式R =[R(t^^(0)]xK)0%算出，其中R(H)，R(0)分別為有、無外加磁場時的電
R(O)
阻。GMR磁敏傳感器雖然能夠測量的磁場范圍很寬(在30GauSiT2000GauSS之間)，但由于受到GMR多層結(jié)構(gòu)中磁性層矯頑力的限制，其磁疇翻轉(zhuǎn)頻率較低，通常被認為是一種典型的直流驅(qū)動器件(其驅(qū)動信號通常采用直流信號予以激勵)，且GMR磁敏傳感器無法準確測量磁場強度小于30Gauss的微弱磁場。由此可見，GMI磁敏傳感器優(yōu)勢是在弱磁場的高靈敏度，GMR磁敏傳感器在高磁場區(qū)有較好的線性度，如何將二者結(jié)合起來，對弱、強磁場測試中的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)在0^2000Gauss范圍內(nèi)高靈敏度的磁敏傳感器，是本領(lǐng)域需要解決的技術(shù)問題。中國專利文獻CN1694275號公開了基于軟磁多層膜下的GMI效應(yīng)的磁敏傳感器件，中國專利文獻CN102323554號公開了集成線圈偏置下的GMR效應(yīng)的磁敏傳感器件。此夕卜，還有很多關(guān)于巨磁阻抗和巨磁電阻設(shè)計的磁敏傳感器件，但是將GMI和GMR兩種磁場傳感器結(jié)合起來形成一種能夠同時準確測量弱磁場和強磁場的新型磁場傳感器，到目前為止國內(nèi)外專利均無相關(guān)報道
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，通過將GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器串聯(lián)集成在同一襯底基片上，利用兩種器件各自的優(yōu)勢互補性，采用交流信號驅(qū)動，形成OlOOOGauss范圍內(nèi)的全量程、高精度磁場傳感器。本發(fā)明技術(shù)方案如下—種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件,如圖1、2所不,包括位于同一襯底基片I上的GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3 ;所述GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3之間具有金屬連接電極4實現(xiàn)二者相互串聯(lián)，GMI結(jié)構(gòu)單元2另一端具有金屬電極5作為整個磁敏傳感器件的輸入或輸出電極，GMR結(jié)構(gòu)單兀3另一端具有金屬電極6作為整個磁敏傳感器件的輸出或輸入電極。本發(fā)明提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，使用時如圖3所示，在GMI結(jié)構(gòu) 單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3形成的串聯(lián)電路兩端輸入交流驅(qū)動信號，然后在待測磁場環(huán)境中分別提取GMI結(jié)構(gòu)單元2兩端、GMR結(jié)構(gòu)單元3兩端，以及GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3形成的串聯(lián)電路兩端的電壓信號VeM1、Vgme, VeMI■送入后續(xù)處理電路經(jīng)計算、判斷得到待測磁場大小。本發(fā)明的實質(zhì)是將GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器串聯(lián)集成在同一襯底基片上，利用兩種器件各自的優(yōu)勢互補性，采用交流信號驅(qū)動，形成OlOOOGauss范圍內(nèi)的全量程高精度磁場傳感器。傳統(tǒng)觀點認為GMI磁敏傳感器是交流信號驅(qū)動，而GMR磁敏傳感器是直流驅(qū)動器件，因此通常認為二者無法結(jié)合在一起并采用相同的驅(qū)動信號予以激勵。而實際上，GMR磁敏傳感器為多層膜器件，對于采用電流垂直于膜面加載的GMR器件來說，在頻率不太高的情況下，其阻抗變化與外加磁場仍然具有很好的線性關(guān)系。本專利就是以此為出發(fā)點，突破傳統(tǒng)思維模式，將通常認為的交流驅(qū)動GMI磁敏傳感器和直流驅(qū)動的GMR磁敏傳感器串聯(lián)在一起，采用較低頻率(75 125KHz)的交流信號驅(qū)動，形成OlOOOGauss全量程、高精度磁敏傳感器。將上述形成的傳感器接入驅(qū)動電路中，通過實驗確定最佳驅(qū)動電流的頻率。最佳驅(qū)動頻率的選擇依據(jù)是=GMI單元的磁場靈敏度要優(yōu)于GMR單元，并且GMR的靈敏度會隨驅(qū)動頻率的增加而減小，而太低的驅(qū)動頻率會降低GMI的靈敏度，二者靈敏度隨頻率的變化趨勢如圖4和圖5所示。因此需要選擇合適的驅(qū)動頻率，達到犧牲一定的GMI性能而盡量保持GMR靈敏度的目的。經(jīng)驗算，本發(fā)明采用75 125KHz (優(yōu)選85KHZ)的交流電作為驅(qū)動信號。本發(fā)明提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，并非是簡單地將GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器串聯(lián)在一起，而是在確鑿的理論分析和實驗驗證的基礎(chǔ)上，將GMR磁敏傳感器的工作模式由直流驅(qū)動變?yōu)榻涣黩?qū)動，同時兼顧GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器的靈敏度選擇合適的驅(qū)動頻率來實現(xiàn)的。本發(fā)明提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，采用同一低頻交流驅(qū)動信號，在弱磁場和強磁場下分別通過GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)對磁場的測量?？朔爽F(xiàn)有GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器固有的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)OlOOOGauss全量程范圍的高精度測量。


圖1為本發(fā)明提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提供的另一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件及外圍電路整體框架圖。圖4為GMR結(jié)構(gòu)單元在不同驅(qū)動頻率下的阻抗變化率與磁場的關(guān)系曲線圖。箭頭方向為頻率增大的方向。圖5為GMI結(jié)構(gòu)單元的阻抗變化率與驅(qū)動頻率的關(guān)系曲線圖。圖6為85KHz、IOmA激勵下GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元的阻抗變化率隨外磁場的變化曲線。可以看出在O到30Gauss范圍內(nèi)，GMI結(jié)構(gòu)單元的變化率大于GMR結(jié)構(gòu)單元的變化率，并且在30Gauss左右兩者相等；在30Guass到2000Gauss范圍，GMR結(jié)構(gòu)單元的變化率大于GMI結(jié)構(gòu)單元的變化率。在O到30Gauss范圍內(nèi)GMI變化率可近似認為是線性的，在30Guass到2000Gauss范圍GMR變化率可近似認為是線性的。圖7為經(jīng)過單片機處理后傳感器的總輸出曲線。
具體實施例方式—種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件,如圖1、2所不,包括位于同一襯底基片I上的GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3 ;所述GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3之間具有金屬連接電極4實現(xiàn)二者相互串聯(lián)，GMI結(jié)構(gòu)單元2另一端具有金屬電極5作為整個磁敏傳感器件的輸入或輸出電極，GMR結(jié)構(gòu)單兀3另一端具有金屬電極6作為整個磁敏傳感器件的輸出或輸入電極。傳感器中GMR結(jié)構(gòu)單元和GMI結(jié)構(gòu)單元的集成可以通過以下兩種方式實現(xiàn)一種是通過光刻掩膜真空鍍膜工藝在同一基片上分別制備GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3，然后采用同樣的掩膜工藝制備Cu輸入和輸出電極，并完成GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單3的串聯(lián)連接，形成GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，如圖1所示；另一種是將現(xiàn)有的分立GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3采用粘結(jié)劑7粘接在同一基材上，通過涂覆或電鍍導(dǎo)線形成串聯(lián)連接，如圖2所示。在Si基片上，通過光刻掩膜濺射鍍上制備(Co/Cu)3多層GMR結(jié)構(gòu)單元3 ;采用Fe77Si11B5Cu3Nb4軟磁非晶帶制作GMI結(jié)構(gòu)單元2 ;然后制作Cu電極將二者串聯(lián)。將傳感器接入激勵電路中，驅(qū)動電流頻率為85KHz，大小為10mA。輸出經(jīng)處理電路輸入到單片機，依次取每一磁場下GMR結(jié)構(gòu)單元3和GMI結(jié)構(gòu)單元2所對應(yīng)的阻抗變化率的值，結(jié)果如圖6中所示。由圖6可以看出在O到30Gauss范圍內(nèi)，GMI結(jié)構(gòu)單元的變化率大于GMR結(jié)構(gòu)單元的變化率，并且在30Gauss左右兩者相等；在30Guass到2000Gauss范圍，GMR結(jié)構(gòu)單元的變化率大于GMI結(jié)構(gòu)單元的變化率。在O到30Gauss范圍內(nèi)GMI變化率可近似認為是線性的，在30Guass到2000Gauss范圍GMR變化率可近似認為是線性的。將兩路信號分別輸入單片機，經(jīng)過計算、比較并且篩選出變化率大的信號作為輸出信號，形成傳感器總體的阻抗變化率曲線，結(jié)果如圖7所示。
權(quán)利要求
1.一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件,包括位于同一襯底基片(I)上的GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3);所述GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3)之間具有金屬連接電極(4)實現(xiàn)二者相互串聯(lián)，GMI結(jié)構(gòu)單元(2)另一端具有金屬電極(5)作為整個磁敏傳感器件的輸入或輸出電極，GMR結(jié)構(gòu)單兀(3)另一端具有金屬電極(6)作為整個磁敏傳感器件的輸出或輸入電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，其特征在于，所述GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3)采用光刻掩膜真空鍍膜工藝在同一基片上分別制備，然后采用同樣的掩膜工藝制備Cu輸入和輸出電極，并完成GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單3的串聯(lián)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，其特征在于，所述GMI 結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3)采用分立GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3)，將分立 GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3)采用粘結(jié)劑(7)粘接在同一基材上，然后通過涂覆或電鍍導(dǎo)線形成串聯(lián)連接。
全文摘要
一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，屬于磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域。包括位于同一襯底基片上的GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元，GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元之間采用金屬連接電極實現(xiàn)串聯(lián)。本發(fā)明在確鑿的理論分析和實驗驗證的基礎(chǔ)上，將GMR磁敏傳感器的工作模式由直流驅(qū)動變?yōu)榻涣黩?qū)動，同時兼顧GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器的靈敏度選擇合適的驅(qū)動頻率。本發(fā)明提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，采用同一低頻交流驅(qū)動信號，在弱磁場和強磁場下分別通過GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元實現(xiàn)對磁場的測量?？朔爽F(xiàn)有GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器固有的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)0~2000Gauss全量程范圍的高精度測量。
文檔編號G01R33/09GK103018688SQ20121051818
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者宋遠強, 周維為, 向勇, 張博, 劉愛芳, 嚴鵬飛 申請人:電子科技大學(xué)