CN101885467B - 非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统技术领域的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，在衬底的一面溅射Cr/Cu底层；旋涂正胶、烘干；得到激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记的光刻胶图形；电镀底层线圈和定位标记；旋涂正胶得到连接导体和定位标记的光刻胶图形；电镀连接导体和定位标记；去光刻胶，刻蚀Cr/Cu底层；旋涂聚酰亚胺；旋涂聚酰亚胺，逐个粘贴预制非晶软磁合金磁芯，烘干；旋涂聚酰亚胺、烘干固化；抛光聚酰亚胺，直到连接导体暴露为止；溅射Cr/Cu底层；旋涂正胶、烘干；得到激励线圈和感应线圈的顶层线圈及电极的光刻胶图形；电镀底层线圈和电极；去光刻胶，刻蚀Cr/Cu底层，得到的传感器灵敏度高、线性测量范围宽。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电(MEM)技术领域的制备方法，具体是一种非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法.
背景技术
磁通门传感器作为一种传统的弱磁场检测器件，一直有着其独特的优势而无法为其他磁场传感器所取代，近年来更是不断在新的领域发现其应用潜力，例如小型移动设备GPS定位、导弹惯性制导、小卫星方位姿态控制、虚拟现实空间内的动作检测、对高清电视(HDTV)的地磁补偿和点噪声补偿等。近年来，由于各种场的应用逐渐地扩展，对于器件的要求趋向于更薄、更轻、更便宜。相应地，磁通门传感器也试图变得更薄、更轻、更便宜。
传统磁通门传感器使用一个坚固的骨架作为基座，将软磁带状磁芯固定于骨架上，然后在其上缠绕一个通过电流产生磁场的激励线圈，和一个在激励线圈诱发磁场基础上检测外部磁场效应的磁场感应线圈。这使得传统磁通门传感器的尺寸大、重量高、灵敏度低以及长期稳定性差。随着微机电系统(MEMS)技术的发展，为微型化磁通门传感器的研制提供了一条有效可靠的途径。与传统磁通门传感器探头相比较，MEMS磁通门传感器探头结构紧凑，体积、质量小，安装调试简单，不怕震动撞击，受环境温度变化影响小。采用MEMS技术研制微型磁通门传感器成为国内外研究开发的热点。
经对现有技术的文献检索发现，J.Kubik等(L.Pavel and P.Ripka)在《IEEE SENSORJOURNAL》(IEEE传感器杂志)(Vol.7，pp179-183，2007)上发表了“Low-Power Printed CircuitBoard Fluxgate Sensor”(低能耗印刷电路板磁通门传感器)一文，该文提及了一个由多层印刷电路板技术开发的微型磁通门传感器，磁芯为跑道型结构，采用的是25微米厚的Vitrovac6025 X非晶软磁合金薄带，在10kHz下磁通门传感器的灵敏度是94V/T，能耗只有3.9mW。由于制作过程中需要打出通孔来实现在磁芯上绕制线圈，传感器可能会在通孔过程中被损坏。另外，与MEMS技术相比，根据这种方法很难减小磁通门传感器的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，使得到的微型化磁通门传感器具有高的灵敏度、宽广的线性测量范围、低的功耗、好的热稳定性、体积小、重量轻、不怕震动撞击及成本低、成品率高、易于批量化生产等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明采用微机电系统(MEMS)技术，简化制造工艺流程，减少了套刻对准次数，提高了对准精度；采用准-LIGA光刻技术和微电镀技术制备激励线圈和接收线圈，以及高深宽比的连接导体；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法工艺带来的钻蚀现象；基于PAE(paste afteretch)磁芯工艺，利用聚酰亚胺绝缘底层线圈和连接导体，同时采用聚酰亚胺粘贴预制非晶软磁合金磁芯，采用定位标记提高磁芯水平对准精度；采用聚酰亚胺做绝缘材料，聚酰亚胺不仅起绝缘作用，还起到支撑、包裹的作用；采用精密抛光工艺，有效解决了激励线圈和接收线圈上、下层线圈的互联问题。
本发明包括如下步骤：
第一步、在衬底的一面溅射Cr/Cu底层，下面工艺均在此面上进行；
第二步、旋涂正胶、烘干；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记的光刻胶图形；电镀底层线圈和定位标记；
第三步、旋涂正胶、烘干；曝光、显影，得到连接导体和定位标记的光刻胶图形；电镀连接导体和定位标记；去光刻胶，刻蚀Cr/Cu底层；
第四步、旋涂聚酰亚胺、烘干固化；旋涂聚酰亚胺，逐个粘贴预制非晶软磁合金磁芯，烘干；
第五步、旋涂聚酰亚胺、烘干固化；抛光聚酰亚胺，直到连接导体暴露为止；
第六步、溅射Cr/Cu底层；旋涂正胶、烘干；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的顶层线圈及电极的光刻胶图形；电镀底层线圈和电极；去光刻胶，刻蚀Cr/Cu底层。
第一步中，所述Cr/Cu底层，厚度为20/80nm。
第二步中的技术要求为旋涂正胶的光刻胶厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟，电镀底层线圈和定位标记的厚度为20μm，电镀材料为铜。
第三步中的技术要求为旋涂正胶光刻胶的厚度为40μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为120分钟，电镀连接导体和定位标记厚度为40μm，电镀材料为铜，用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层。
第四步中所述的旋涂聚酰亚胺、烘干固化，具体为：聚酰亚胺厚度为5μm；烘干固化聚酰亚胺。
第四步中的技术要求为聚酰亚胺厚度为5μm，磁芯厚度为20μm，烘干温度为90℃，时间为60分钟，预制非晶软磁合金磁芯，通过采用化学湿法工艺图形化刻蚀非晶软磁合金薄带制备获得，尺寸误差小于10μm，磁芯宽度为200-800μm；粘贴时依靠定位标记对准，磁芯与线圈水平定位对准角度偏差小于0.01°。
第四步中所述的化学湿法工艺图形化刻蚀非晶软磁合金薄带为：在衬底上旋涂环氧树脂，粘贴非晶软磁合金薄带；旋涂正胶，光刻胶厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；正面曝光、显影，得到磁芯图形；化学湿法工艺刻蚀非晶软磁合金薄带；用丙酮去除所有的光刻胶，用环氧树脂溶剂去除环氧树脂，获得预制非晶软磁合金磁芯；
第五步中所述的旋涂聚酰亚胺，厚度为50μm。
第六步的技术要求为旋涂正胶光刻胶的厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟，电镀顶层线圈和电极的厚度为20μm，电镀材料为铜，用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层。
第四步和第五步中所述的烘干固化聚酰亚胺为：旋涂聚酰亚胺时先低速800转/分钟维持10秒，再快速2000转/分钟维持30秒，然后进行烘干固化，工艺流程为：120℃、180℃各2小时，然后250℃真空环境下固化2小时，最后随炉冷却。
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
(1)本发明改变了传统采用绕线方法制作磁芯结构螺线管型磁通门传感器，而采用微机电系统技术研制微型化磁通门传感器，微机电系统技术可以与大规模集成电路完全兼容，易于大批量生产，重复性好；
(2)本发明采用PAE磁芯工艺，磁芯制备与线圈制备同时进行，与常用集成微型磁通门传感器工艺流程相比减少了工艺步骤，有效缩短了生产周期，减小了生产成本，同时提高了批次成品率；
(3)本发明采用高性能的非晶软磁合金薄带作为磁芯材料，图形化湿法刻蚀工艺保证磁芯尺寸误差小于10μm，有效提高了微型化磁通门传感器性能，增强了微型化磁通门传感器的竞争力；
(4)本发明采用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀底层，避免了湿法刻蚀出现钻蚀现象，得到均匀的激励线圈和接收线圈；
(5)本发明采用聚酰亚胺为聚酰亚胺为绝缘层，聚酰亚胺具有很好的热稳定性、优异的机械性能及良好的抗环境影响能力；
(6)本发明采用聚酰亚胺材料作为密封材料，密封包裹整个磁通门传感器，避免了长时间工作状态下线圈和磁芯在空气中的氧化，延长了磁通门传感器的使用寿命；
(7)本发明采用精密抛光技术，提高了传感器加工工艺过程中基片的平整度，有效解决了激励线圈和接收线圈上下层连接出现断路的问题，同时又解决了传感器的均匀性和成品率；
(8)本发明采用微机电系统技术研制微型化磁通门传感器，与传统磁通门传感器相比稳定性好、重复性高，没有安装调试过程，更加牢固，不易受环境温度变化和外加应力影响；
(9)本发明采用MEMS技术研制，可直接在本发明基础上实现二轴微型磁通门传感器以及磁通门传感器阵列，同时工艺过程与大规模集成电路工艺相兼容，可直接与接口电路集成制造，从而提供更多磁测量功能适应不同应用领域需求，例如飞机、导弹和车辆的定位，虚拟现实空间内的动作检测，对高清电视(HDTV)的地磁补偿和点噪声补偿，小卫星方位姿态控制等。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例制备得到的基于微机电系统技术的微型化磁通门传感器，闭合的矩形磁芯上对称绕制两组相连的三维螺线管激励线圈，与激励线圈垂直绕制一组三维螺线管接收线圈。激励线圈和接收线圈均位于衬底上，激励线圈和接收线圈两端连接引脚，激励线圈和接收线圈的底层线圈、顶层线圈、连接导体均通过聚酰亚胺绝缘材料与磁芯绝缘隔离。磁芯为湿法刻蚀的非晶软磁合金薄带。
以下实施例中，所涉及的Cr/Cu底层，其制备参数为：基底的真空为3×10-4Pa，溅射条件选择为溅射Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和600W，氩气流量为50SCCM。
所涉及的采用化学湿法工艺刻蚀Cr层，其中采用的溶液浓度为HCl∶H2O＝30∶70，温度为45℃。
所涉及的烘干固化聚酰亚胺，具体参数为：旋涂聚酰亚胺时先低速800转/分钟维持10秒，再快速2000转/分钟维持30秒，然后进行烘干固化，工艺流程为：120℃、180℃各2小时，然后250℃真空环境下固化2小时，最后随炉冷却。
实施例1
(1)在衬底的一面(称为正面)溅射Cr/Cu底层，厚度为80nm。后续工艺均在正面上进行；
(2)旋涂正胶，光刻胶厚度为15μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记的光刻胶图形；然后电镀激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记，厚度为15μm，电镀材料为铜；旋涂正胶，光刻胶的厚度为40μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为120分钟；曝光、显影，得到连接导体和定位标记的光刻胶图形；电镀连接导体和定位标记，厚度为40μm，电镀材料为铜；用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层；
(3)旋涂聚酰亚胺，厚度为5μm；烘干固化聚酰亚胺；旋涂聚酰亚胺，厚度为5μm逐个粘贴预制非晶软磁合金磁芯，磁芯宽度为200μm；聚酰亚胺烘干温度为90℃，时间为60分钟；
(4)旋涂聚酰亚胺，厚度为50μm；烘干固化聚酰亚胺；抛光聚酰亚胺，直到连接导体暴露为止；
(5)旋涂正胶，光刻胶的厚度为15μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的顶层线圈及电极的光刻胶图形；电镀顶层线圈和电极，厚度为15μm，电镀材料为铜；用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层。
本实施例制得的基于微机电系统技术的微型化磁通门传感器，尺寸小于6mm×5mm，当激励线圈中通一频率为40kHz、电流幅值为40mA的交流电流时，感应线圈能够探测到±50nT以下的磁场，线性量程为±150μT。
实施例2
(1)在衬底的一面(称为正面)溅射Cr/Cu底层，厚度为80nm。后续工艺均在正面上进行；
(2)旋涂正胶，光刻胶厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记的光刻胶图形；然后电镀激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记，厚度为20μm，电镀材料为铜；旋涂正胶，光刻胶的厚度为40μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为120分钟；曝光、显影，得到连接导体和定位标记的光刻胶图形；电镀连接导体和定位标记，厚度为40μm，电镀材料为铜；用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层；
(3)旋涂聚酰亚胺，厚度为5μm；烘干固化聚酰亚胺；旋涂聚酰亚胺，厚度为5μm；逐个粘贴预制非晶软磁合金磁芯，磁芯宽度为600μm；聚酰亚胺烘干温度为90℃，时间为60分钟；
(4)旋涂聚酰亚胺，厚度为50μm；烘干固化聚酰亚胺；抛光聚酰亚胺，直到连接导体暴露为止；
(5)旋涂正胶，光刻胶的厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的顶层线圈及电极的光刻胶图形；电镀顶层线圈和电极，厚度为20μm，电镀材料为铜；用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层。
本实施例制得的基于微机电系统技术的微型化磁通门传感器，尺寸小于6mm×5mm，当激励线圈中通一频率为40kHz、电流幅值为100mA的交流电流时，感应线圈能够探测到±50nT以下的磁场，线性量程为±500μT。
Claims (10)
1.一种非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步、在衬底的一面溅射Cr/Cu底层，下面工艺均在此面上进行；
第二步、旋涂正胶、烘干；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的底层线圈以及定位标记的光刻胶图形；电镀底层线圈和定位标记；
第三步、旋涂正胶、烘干；曝光、显影，得到连接导体和定位标记的光刻胶图形；电镀连接导体和定位标记；去光刻胶，刻蚀Cr/Cu底层；
第四步、旋涂聚酰亚胺、烘干固化；旋涂聚酰亚胺，逐个粘贴预制非晶软磁合金磁芯，烘干；所述预制非晶软磁合金磁芯的上表面低于所述连接导体和定位标记的上表面；
第五步、旋涂聚酰亚胺、烘干固化；抛光聚酰亚胺，直到连接导体暴露为止；
第六步、溅射Cr/Cu顶层；旋涂正胶、烘干；曝光、显影，得到激励线圈和感应线圈的顶层线圈及电极的光刻胶图形；电镀顶层线圈和电极；去光刻胶，刻蚀Cr/Cu顶层。
2.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第一步中，所述Cr/Cu底层，厚度为80nm。
3.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第二步中的技术要求为旋涂正胶的光刻胶厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟，电镀底层线圈和定位标记的厚度为20μm，电镀材料为铜。
4.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第三步中的技术要求为旋涂正胶光刻胶的厚度为40μm，光刻胶烘干温度为90℃，时间为120分钟，电镀连接导体和定位标记厚度为40μm，电镀材料为铜，用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu底层。
5.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第四步中所述的旋涂聚酰亚胺、烘干固化，具体为：聚酰亚胺厚度为5μm；烘干固化聚酰亚胺。
6.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第四步中的技术要求为聚酰亚胺厚度为5μm，磁芯厚度为20μm，烘干温度为90℃，时间为60分钟，预制非晶软磁合金磁芯，通过采用化学湿法工艺图形化刻蚀非晶软磁合金薄带制备获得，尺寸误差小于10μm，磁芯宽度为200-800μm；粘贴时依靠定位标记对准，磁芯与线圈水平定位对准角度偏差小于0.01°。
7.根据权利要求6所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第四步中所述的化学湿法工艺图形化刻蚀非晶软磁合金薄带为：在衬底上旋涂环氧树脂，粘贴非晶软磁合金薄带；旋涂正胶，光刻胶厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟；正面曝光、显影，得到磁芯图形；化学湿法工艺刻蚀非晶软磁合金薄带；用丙酮去除所有的光刻胶，用环氧树脂溶剂去除环氧树脂，获得预制非晶软磁合金磁芯；
8.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第五步中所述的旋涂聚酰亚胺，厚度为50μm。
9.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第六步的技术要求为旋涂正胶光刻胶的厚度为20μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为60分钟，电镀顶层线圈和电极的厚度为20μm，电镀材料为铜，用丙酮去除所有的光刻胶，用Ar等离子体刻蚀工艺刻蚀Cr/Cu顶层。
10.根据权利要求1所述的非晶磁芯微型磁通门传感器的制备方法，其特征是，第四步和第五步中所述的烘干固化聚酰亚胺为：旋涂聚酰亚胺时先低速800转/分钟维持10秒，再快速2000转/分钟维持30秒，然后进行烘干固化，工艺流程为：120℃、180℃各2小时，然后250℃真空环境下固化2小时，最后随炉冷却。
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