CN101887604B - Atm机巨磁电阻验钞磁头及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种ATM机巨磁电阻验钞磁头及制作方法，磁头包括磁头外壳、芯片骨架、GMR芯片、磁铁、PCB板、盖板，GMR芯片安装口成品字形无缝相互错开布置，单芯片有效检测范围为3mm；方法包括：GMR芯片制作→GMR芯片放置在骨架上的无缝设置→GMR芯片焊接在骨架中的PCB板上→加偏磁→盖磁头盖板→测试→固定磁头盖板→测试→灌胶→最后总测试。

Description

ATM机巨磁电阻验钞磁头及制作方法

技术领域

本发明涉及ATM机的验钞模块，主要是指一种磁头单芯片有效检测范围为3mm的ATM机验钞模块的巨磁电阻(GMR)验钞磁头及制作方法。

背景技术

相关文献：CN200520095968.3公开了一种点钞机的巨磁电阻传感器，它采用巨磁电阻(GMR)传感器芯片作为感应芯片进行检测。其结构由外壳、GMR芯片、磁钢、芯架和接线柱等组成。GMR芯片、PCB板和磁钢自上而下通过芯架安装在外壳内，磁钢产生的磁力线通过该巨磁电阻传感器芯片时，与芯片表面巨磁电阻布线方向平行。这样由磁钢提供给GMR芯片合适的工作环境，需检测的纸币上的磁信号作用于芯片上，由GMR芯片产生阻值差值，从而产生检测信号提供给点钞机，完成纸币的检伪过程。

CN02248990.8公开了一种验钞机磁头传感器，包括电极和磁传感器，磁传感器包括第一测量电阻和第二测量电阻，第一测量电阻和第二测量电阻为自旋阀巨磁电阻，该自旋阀巨磁电阻包括钉扎层、被钉扎层、非磁间隔层、自由层。上述文献均未涉及到ATM机专用巨磁电阻(GMR)磁头，磁头单芯片有效检测范围小于10mm的整体无缝检测及对不同面值纸币检测等技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种ATM机巨磁电阻验钞磁头及制作方法，通过新的巨磁电阻(GMR)结构，可满足磁头空间分辨率3mm，克服了偏磁问题，实现了整体无缝检测和对不同面值纸币的检测，解决了现有技术存在分辨率低(10mm)的缺陷。

实现本发明的磁头结构是：这种GMR验钞磁头包括磁头外壳、芯片骨架、GMR芯片、磁铁、PCB板、盖板，其中在芯片骨架上设有两排GMR芯片安装口，在两排GMR芯片安装口之间设有引线孔，所述两排GMR芯片安装口成品字形无缝相互错开布置，在GMR芯片安装口内设置GMR芯片，每排的GMR芯片与GMR芯片之间的距离小于10mm，单芯片有效检测范围小于10mm，在每个GMR芯片的下方对应设有一块偏磁磁铁，所述GMR芯片为两个电阻串联组成的电阻桥，该电阻桥的中间接点输出由电磁产生的电信号，两端分别为电源脚和接地，所述GMR芯片还与PCB板连接。

该磁头结构还包括：

所述单芯片有效检测范围为3mm。

所述偏磁磁铁的S极对着巨磁阻芯片。

所述偏磁磁铁为钕铁硼磁铁(NdFeB)。

所述GMR芯片的磁阻条垂直于纸币进入方向。

实现本发明磁头的方法是：

GMR芯片制作→GMR芯片放置在骨架上的无缝设置→GMR芯片焊接在骨架中的PCB板上→加偏磁→盖磁头盖板→测试→固定磁头盖板→测试→灌胶→后总测试。

该方法还包括：

所述GMR芯片制作包括下列步骤：

基片清洗→基片氧化→磁控溅射镀GMR薄膜→光刻→离子束刻蚀→去胶→形成图形→光刻→溅射镀铝硅→去胶→形成引线→光刻→PECVD纯化层→去胶→形成纯化层；其中

所述基片清洗和氧化包括清洗时先用1#清洗液超声清洗0.5-1.5小时左右，用去离子水冲洗30分钟左右，然后用2#清洗液超声清洗1小时左右，再用去离子水冲洗30分钟左右，达到洁净度要求，取出后放入75°左右恒温箱中烘2小时左右，把清洗干净的硅片放入热氧化炉中进行氧化，炉管装片端置于垂直层流罩下，罩下保持着经过过滤的空气流，氧化温度控制在250-1200℃之间，气流速率约为0.5-2L/min，氧化系统采用微处理器来调控气体流入顺序，控制硅片的自动推入及拉出，控制炉温自动从低温按设定的升温曲线分段线性地升高，先升高到250摄氏度，在此温度保持10分钟，然后升高到1200摄氏度的氧化温度，同时还要保持氧化温度的变化在1200℃±1℃之内，在此温度氧化1小时，氧化层SiO2的厚度达到测试折射率为1.45～1.46之间；

所述磁控溅射镀GMR薄膜包括用高真空直流磁控溅射法在4英寸Si(100)上制备结构为GMR材料层间耦合多层膜的Co/Cu/NiFe结构，溅射过程中衬底以20RPM的速度旋转以提高膜厚的均匀性，因为在执行溅镀之间，靶材的表面可能已遭到程度不同的污染，为避免这些不纯物带进沉积膜内，并防止合金金属在溅射初期的成份不定的影响，我们用挡板把靶和晶片隔开，靶起辉后，待靶表面条件稳定后才移开挡板，进行沉积；

所述光刻包括前烘-甩胶-曝光-显影的过程，把Si片放入75℃的烘箱中前烘30分钟，便于甩胶，再2500rpm速率甩胶至光刻胶厚度约1～2μm，然后再曝光机下盖上掩膜板曝光，掩膜板上有图形的部分，光刻胶就被光辐照到了，没图形的部分光刻胶就被保护起来了，对于正胶工艺，显影后，被光辐照到了的光刻胶就没有了，其它部分还保留着，所以掩膜板上的图形就成功的转移到了光刻胶上了；

所述离子束刻蚀包括为了获得GMR图形，把上述光刻胶图形转移到光刻胶下面的GMR层材料上面去，通过刻蚀工艺完成这种图形转移，把GMR层材料未掩膜部分选择性地去掉，采用湿法化学腐蚀和干法刻蚀法；

所述溅射镀铝硅包括真空室内真空度先抽到10-2Pa以下，再通入气体(通常氩气)，使工作气压为10Pa，靶上加的工作直流电压-2KV～-5KV使之产生异常辉光放电，等离子区中的正离子由于被阴极靶前的阴极电位降所加速而轰击阴极靶，从而使靶材产生溅射，溅射开始前为了保证基片表面的清洁度，先进行3分种左右的反溅，基片温度控制在100℃以下，控制溅射功率在2800W左右沉积，把AlSi膜厚度控制在

所述PECVD制作钝化层包括等离子增强型化学气相沉积法或低压化学气相沉积法或射频等离子增强型化学气相沉积法或光化学气相淀积或射频磁控反应溅射法。

所述GMR芯片放置在骨架上的无缝连接包括设置两排GMR芯片，每排GMR芯片之间的距离为3mm，两排GMR芯片相互错开布置，即两个GMR芯片之间的空位正好由另一排的GMR芯片填补，这样就实现了无缝连接。

所述加偏磁包括GMR芯片是由两条磁阻组成的半桥芯片，先把芯片固定在骨架的固定位置，给半桥芯片加一个电压，理论上中点输出电压为1/2个电压，记下实际中点输出电压值，再在背面加上磁铁，这时中点电压值会改变，上下前后轻轻移动磁铁，使中点电压值与开始记下的值一样，点胶固定。

半桥芯片的工作原理：当磁头划过纸币的磁性油墨时，磁阻元件MR1和MR2磁场发生变化，MR1和MR2的阻值发生变化，引起MR1和MR2接点处的输出电压变化，将磁信号转换为电信号。

本发明的有益效果：实现了整体无缝检测，具有分辨率高和检测不同面值纸币等特点。

附图说明

图1为本发明的磁头制作工艺流程图。

图2为本发明的GMR薄膜材料生产工艺流程图。

图3为本发明的芯片原理示意图。

图4为本发明的检测磁头内部结构示意图。

图5为本发明的磁头示意图。

图6是图5的磁头盖板主视图。

图7是图6的侧视图。

图8是图5的芯片骨架示意图，骨架中增加了一块PCB板。

图9是图8的骨架辅助PCB板示意图，骨架辅助PCB板芯片的引线焊在PCB板上，然后通过PCB中的焊盘把磁头的引脚引出。

图10是本发明的功能划分框图。

图11是本发明的数据处理流程图。

图12是本发明的系统输入输出接口图，该接口列表没有列出与外部缓存的接口。

图13是本发明的输入时序图。

图14是本发明的输入接口时序图。

图15是本发明的输出接口时序图，RS232信号连接图。

图16是本发明的红外传感器的透明LED电路原理图。

图17是本发明的红外传感器的黑色LED电路原理图，黑色LED感应时S1输出低电平，有钞票遮挡时黑色LED不感应，S1输出高电平。。

图18是本发明的放大电路原理图。

图19是本发明的整个数据采集及传输电路原理图。

图20是本发明的100元RMB上磁信号的分布图。

图21是本发明的磁头性能图。

图22是本发明的检测电路原理图。

图23是本发明的加偏磁后的内部结构示意图。

图中：1外壳、2磁头盖板、3芯片骨架、31芯片安装口、32引脚、33PCB板、4巨磁阻芯片、5感应方向、6引线、7磁阻条、8磁铁、9GMR薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明基于适合的材料和结构及加偏磁的方法可以实现单个磁头来检测纸币的金属线和磁性油墨。

磁头设计方案：先做有效检测宽度为3mm的分立的磁头，经测试后，再做整体的设计。

如图3所示，给该芯片加偏磁加在60Oe左右，就能检测很微小的磁信号变化。单条磁阻就能实现检测，跟它匹配一条一样的磁阻，是为了提高抗干扰能力。

如图4所示，做成检测磁头后的结构。引线：采用超声波压焊技术，先把引线绑定在薄膜9上的焊盘上，然后再用电烙铁将引线焊在骨架3上的引脚32上。

如图5所示，磁头总体组装图，由外壳1、磁头盖板2、芯片骨架3、PCB板33、巨磁阻芯片4组成。

磁头制作，如图1所示

芯片制作，如图2所示

基片清洗和氧化

采用的基片是4英寸Si(100)基片。清洗时先用1#清洗液超声清洗0.5-1.5小时，用去离子水冲洗30分钟，然后用2#清洗液超声清洗2小时，再用去离子水冲洗30分钟，达到洁净度要求。取出后放入70°恒温箱中烘2小时。把清洗干净的Si片放入热氧化炉中进行氧化，炉管装片端置于垂直层流罩下，罩下保持着经过过滤的空气流，垂直层流罩大大减少了硅片周围空气中的灰尘和微粒数，使装片时可能受到的沾污减少到最小。氧化温度控制在200-1300℃之间，气流速率约为2L/min。氧化系统采用微处理器来调控气体流入顺序，控制硅片的自动推入及拉出，控制炉温自动从低温按设定的升温曲线分段线性地升高，先升高到300摄氏度，在此温度保持15分钟，然后升高到1200摄氏度的氧化温度，这样可以使硅片不致因突然改变温度而翘曲，同时还要保持氧化温度的变化在±1℃之内，在此温度氧化1小时。氧化层SiO2的厚度达到

测试折射率为1.45～1.46之间。

磁控溅射镀GMR薄膜

电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上。

磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。我们用高真空直流磁控溅射法在4英寸Si(100)上制备了结构为GMR材料层间耦合多层膜的Co/Cu/NiFe三明治结构。溅射系统为美国Kurt J.Lesker公司的CMS-A六靶磁控溅射系统。溅射时先将真空抽至本底真空1.0×10-8Torr，再通入高纯氩气，工作气体压力为1.5mTorr，衬底通过高压氮气来冷却。溅射过程中衬底以20RPM的速度旋转以提高膜厚的均匀性。因为在执行溅镀之间，靶材的表面可能已遭到程度不同的污染，为避免这些不纯物带进沉积膜内，并防止合金金属在溅射初期的成份不定的影响，用挡板把靶和晶片隔开，靶起辉后，待靶表面条件稳定后才移开挡板，进行沉积。

光刻

光刻就是将掩膜上的几何图形转移到覆盖在半导体晶片表面的对光辐照敏感薄膜材料(光刻胶)上去的工艺过程。它包括前烘-甩胶-曝光-显影的过程。用把Si片放入80℃的烘箱中前烘30分钟，便于甩胶，再3000rpm速率甩胶至光刻胶厚度约1～2μm，然后再曝光机下盖上掩膜板曝光，掩膜板上有图形的部分，光刻胶就被光辐照到了，没图形的部分光刻胶就被保护起来了，对于正胶工艺，显影后，被光辐照到了的光刻胶就没有了，其它部分还保留着，所以掩膜板上的图形就成功的转移到了光刻胶上了。

离子束刻蚀

为了获得GMR图形，必须把上述光刻胶图形转移到光刻胶下面的GMR层材料上面去。通过刻蚀工艺完成这种图形转移，把GMR层材料未掩膜部分选择性地去掉。这道工艺通常采用湿法化学腐蚀和干法刻蚀的的办法。因为湿法化学腐蚀的最大缺陷就是掩膜正下方的材料层过蚀刻，结果损失了刻蚀图形的分辨率。干法刻蚀能提高刻蚀图形的分辨率，在干法刻蚀方法中，离子因为拥有更大的质量并且散射弱于电子，所以离子束刻蚀能获得比其它如x射线衍射刻蚀、电子束刻蚀等更高的分辨率。它是一种物理刻蚀过程，正性离子高速轰击被刻蚀物表面和溅射去除表面层，使得没被光刻胶保护的部分被刻蚀掉，继而把图形成功地转移到GMR层材料上。

溅射镀铝硅

溅射铝硅的目的是制作引线层。真空直流溅射镀铝硅膜是指待镀材料源(称为靶)和基体一起放入真空室中，然后利用正离子轰击作为阴极的靶，使靶材中的原子、分子逸出并在基体表面上凝聚成膜。又称为阴极溅射镀膜，被镀膜的基体和固定基体的工件架为阳极(通常接地)，被溅射材料做成靶作为阴极，真空室内真空度先抽到10-2Pa以下，再通入气体(通常氩气)，使工作气压为10Pa，靶上加的工作直流电压-2KV～-5KV使之产生异常辉光放电，等离子区中的正离子由于被阴极靶前的阴极电位降所加速而轰击阴极靶，从而使靶材产生溅射。

溅射开始前为了保证基片表面的清洁度，先进行3分种左右的反溅。基片温度控制在100℃以下，控制溅射功率在2800W左右沉积，把AlSi膜厚度控制在

PECVD制作钝化层

用PECVD法制备一层SiO2钝化层，把除PAD以外的部分保护起来，使得芯片不易被污染氧化等。目前，用来制备二氧化硅薄膜的方法主要有：等离子增强型化学气相沉积法(PECVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、射频等离子增强型化学气相沉积法(RF-PECVD)、光化学气相淀积(光CVD)、射频(RF)磁控反应溅射法等。其中，PECVD法具有以下特点：(1)生长设备简单、工艺重复性好。(2)沉积温度低(＜400℃)、台阶覆盖性能好。PECVD的等离子激活所需的温度范围低。(3)生成的二氧化硅薄膜结构致密，缺陷密度低，具有良好的抗潮湿、抗腐蚀性。

PECVD是在常压CVD或LPCVD的沉积反应空间中导入等离子体而发展起来的一种CVD工艺技术。引入的等离子体使存在于沉积反应空间中的气体被活化，吸附在衬底上而发生化学反应，从而能够在更低的温度下生成新的介质薄膜，而沉积反应中可能形成的副产物则从衬底上解吸出来，随主气流由真空泵泵出系统。在80℃以下通入(SiH4/NH3)反应气体，制备

的SiO2钝化层。

焊接

芯片的引线用超声波压焊，引线焊接在PCB板上用电烙铁手工焊。

加偏磁方法

由于本发明的检测精度达到3mm(GMR芯片之间的距离是3mm)，由于GMR芯片之间的距离较近，必然会出现磁干扰现象，解决这个问题的方法就是加偏磁。GMR芯片是由两条磁阻组成的半桥芯片。先把芯片固定在骨架的固定位置，给半桥芯片加5V的电压，理论上中点输出电压为2.5V，但由于制作工艺的误差会存在偏差，记下实际中点输出电压值，再在背面加上磁铁，这时中点电压值会改变，上下前后轻轻移动磁铁，使中点电压值与开始记下的值一样，点胶固定。

测试

在加盖板前，先对58个磁头分别进行测试，确认每个芯片都有信号输出，才固定盖板。测试时把磁头插入放大电路中，然后盖上盖板，用钞票的磁性油墨部分刷过，看是否有信号输出，然后测刷这个磁头对相邻磁头是否有输出，并测试是否为无缝输出。

固定盖板

测试合格后，先用快干胶把盖板固定好，然后再进行测试，没有问题后就可以灌胶了。

灌胶

用双组份环保环氧树脂胶，胶的配比为A∶B＝10∶4，从磁头的背面灌进去。静置24小时即可。

汇总测试

把做好的磁头插入焊好的放大电路中，重复上述测试步骤。

放大电路、数据采集及传输

测试电路

钞票的金属线和磁性油墨刷过GMR芯片时，会引起GMR磁阻的变化，用两个GMR磁阻接成半桥形式，桥路会发生的微弱的电压信号，这个弱信号通过交流耦合，接到后面的放大芯片LMV321，放大倍数22000，然后再通过LMV321接成的比较器，就能输出脉冲波(原理图见图)。

数据采集及传输

目的

采样64路信号进行存储，并将64路信号串行输出，PC机通过串口调试软件接收到该64路信号数据；采样时，当检测到开始信号S1后，再过几个编码器脉冲(可调整)后开始对64路信号进行采样；采样时，编码器每给一个脉冲就对64路信号采样一次并存储，编码器脉冲频率大约是69微秒一次；采样大约1000次后一个周期采样完毕，此时开始串行发送数据；

方案

多路输入信号串行输出包括数据采集和传输两个部分，基本要求是芯片采样到端口输入的采样控制信号后开始采集64路输入信号，采样完毕后开始向主机以串口通信的方式传送。

系统的输入输出信号说明：如图20-23所示

T0：信号采集周期，T0内包含1000个T3。

T1：开始脉冲宽度。

T2：编码器脉冲总长，该时间内有多少个脉冲需确定。

T3：采样数据的时间段，从采集脉冲的下降沿开始，该时间段在20～30微秒之内。

T4：数据上传时间，该时间内不接收数据。

T5：两个数据采集开始脉冲之间的时间69微妙。

T6：一个采样周期结束脉冲宽度。

工作原理：

本巨磁电阻验钞磁头安装在ATM机上，用于存取纸币的检测，纸币横向经过磁头，纸币每移动0.1mm，磁头采样一次，得到一组采样数据，当纸币全部通过磁头，采样800组，将数据发送到CPU进行分析，得到纸币磁性特征分布图，与标准纸币磁性分布图对照，得到纸币的真伪结果。

Claims (1)

1.一种ATM机巨磁电阻验钞磁头的制作方法，其特征是包括下列步骤：

GMR芯片制作→GMR芯片放置在骨架上的无缝设置→GMR芯片焊接在骨架中的PCB板上→加偏磁→盖磁头盖板→测试→固定磁头盖板→测试→灌胶→最后总测试；其中

所述GMR芯片制作包括下列步骤：

基片清洗→基片氧化→磁控溅射镀GMR薄膜→光刻→离子束刻蚀→去胶→形成图形→光刻→溅射镀铝硅→去胶→形成引线→光刻→PECVD纯化层→去胶→形成纯化层；其中

所述基片清洗和氧化包括清洗时先用1#清洗液超声清洗0.5-1.5小时，用去离子水冲洗30分钟，然后用2#清洗液超声清洗1小时，再用去离子水冲洗30分钟，达到洁净度要求，取出后放入75°恒温箱中烘2小时，把清洗干净的硅片放入热氧化炉中进行氧化，炉管装片端置于垂直层流罩下，罩下保持着经过过滤的空气流，氧化温度控制在250-1200℃之间，气流速率为0.5-2L/min，氧化系统采用微处理器来调控气体流入顺序，控制硅片的自动推入及控出，控制炉温自动从低温按设定的升温曲线分段线性地升高，先升高到250摄氏度，在此温度保持10分钟，然后升高到1200摄氏度的氧化温度，同时还要保持氧化温度的变化在1200℃±1℃之内，在此温度氧化1小时，氧化层SiO2的厚度达到

测试折射率为1.45～1.46之间；

所述磁控溅射镀GMR薄膜包括用高真空直流磁控溅射法在4英寸Si(100)上制备结构为GMR材料层间耦合多层膜的Co/Cu/NiFe结构，溅射过程中衬底以20RPM的速度旋转以提高膜厚的均匀性，因为在执行溅镀之间，靶材的表面可能已遭到程度不同的污染，为避免这些不纯物带进沉积膜内，并防止合金金属在溅射初期的成份不定的影响，我们用挡板把靶和晶片隔开，靶起辉后，待靶表面条件稳定后才移开挡板，进行沉积；

所述光刻就是将掩膜上的几何图形转移到覆盖在半导体晶片表面的对光辐照敏感薄膜材料光刻胶上去的工艺过程，它包括前烘-甩胶-曝光-显影的过程，把Si片放入75℃的烘箱中烘30分钟，便于甩胶，再以2500rpm的速率甩胶，光刻胶厚度达到1～2μm，然后在曝光机下盖上掩膜板曝光，掩膜板上有图形的部分，光刻胶就被光辐照到了，没图形的部分光刻胶就被保护起来了，对于正胶工艺，显影后，被光辐照到了的光刻胶就没有了，其它部分还保留着，所以掩膜板上的图形就成功的转移到了光刻胶上了；

所述离子束刻蚀包括为了获得GMR图形，把上述光刻胶图形转移到光刻胶下面的GMR层材料上面去，通过刻蚀工艺完成这种图形转移，把GMR层材料未掩膜部分选择性地去掉，采用湿法化学腐蚀和干法刻蚀法；

所述溅射镀铝硅包括真空室内真空度先抽到10-2Pa以下，再通入氩气，使工作气压为10Pa，靶上加的工作直流电压-2KV～-5KV使之产生异常辉光放电，等离子区中的正离子由于被阴极靶前的阴极电位降所加速而轰击阴极靶，从而使靶材产生溅射，溅射开始前为了保证基片表面的清洁度，先进行3分种的反溅，基片温度控制在100℃以下，控制溅射功率在2800W沉积，把AlSi膜厚度控制在

所述PECVD制作纯化层包括在常压CVD或LPCVD的沉积反应空间中导入等离子体；

所述GMR芯片放置在骨架上的无缝连接包括设置两排GMR芯片，每排GMR芯片之间的距离为3mm，两排GMR芯片相互错开布置，即两个GMR芯片之间的空位正好由另一排的GMR芯片填补，这样就实现了无缝连接；

所述加偏磁包括GMR芯片是由两条磁阻组成的半桥芯片，先把芯片固定在骨架的固定位置，给半桥芯片加一个电压，理论上中点输出电压为1/2个电压，记下实际中点输出电压值，再在背面加上磁铁，这时中点电压值会改变，上下前后轻轻移动磁铁，使中点电压值与开始记下的值一样，点胶固定。

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