CN101975934A - 集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统技术领域的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，包括：表面氧化的Si衬底、曲折多匝传感器、螺线管偏置线圈以及绝缘材料，曲折多匝传感器位于螺线管偏置线圈的内部轴心位置，绝缘材料包裹于曲折多匝传感器外部，线圈位于Si衬底表面。本发明采用MEMS微机电系统技术加工了曲折形状的NiFe/Cu/NiFe三明治薄膜巨磁阻抗效应传感器和螺线管偏置线圈，传感器位于螺线管偏置线圈的轴心位置，通过在线圈中通过直流电流，利用其产生的磁场实现对GMI传感器的工作点的偏置，从而实现传感器的合理磁场工作区间范围。

Description

集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的装置，具体是一种集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器。
背景技术
在磁场测量领域，电子导航，以及汽车电子传感器领域如汽车轮速传感器，以及位置传感器如磁编码器等，以及电流传感器，以及生物医学领域对于磁性纳米粒子的探测等领域，都需要广泛应用到磁敏传感器，通过将磁场信号转变成电信号实现磁场强度，方向，速度，位置，电流，以及生物分子信息的探测。目前所用的各种磁敏传感器包括霍尔效应Hall效应传感器，磁通门传感器，巨磁阻GMR传感器，各向异性磁阻传感器AMR等，Hall传感器采用半导体材料制备，其灵敏度较低，输出信号弱，稳定性差，新型硅基AMR磁敏传感器，是采用微机电系统MEMS技术研制用于测量磁场大小和方向一种固态器件，但AMR磁阻变化率大小只有2％-4％，其磁场灵敏度小于1％/Oe。GMR传感器磁阻变化率可以达到80％以上，可以获得较高信号输出，但驱动磁场很高300Oe以上，其磁场灵敏度在1％-2％/Oe。磁通门传感器则磁场灵敏度高，但磁场反应速度低，而且磁场测量范围小。近年来兴起的巨磁阻抗效应传感器，具有磁场灵敏度高，可以达到纳特斯拉级别，磁场响应速度快，在MHz以上，体积小等优点。可以制作各种磁控开关、磁敏传感器、位移传感器、角度传感器等，可以广泛应用于汽车工业、机械、交通运输、保安、电力、自动控制、航空航天等各个行业。
GMI效应传感器包括丝材，带材和薄膜材料三种形式，其中丝材具有最高的磁场灵敏度，但是丝材不易与MEMS或IC加工技术兼容，带材则需要粘贴的形式才能固定在基体上进行加工，而且丝材和带材一般为非经纳米晶材料，具有易脆的特点。而薄膜材料则可以通过溅射或者电镀的方法得到，可以通过MEMS技术进行加工。一般情况下三明治结构形式具有高于单层薄膜的巨磁阻抗效应，由于其形成闭合磁路，此外，曲折结构通过各个线条之间形成的额外的磁路，也会导致GMI效应的大大提高。
巨磁阻抗效应传感器对外磁场的阻抗反应通常是对称的，即对于正向磁场和反向磁场的电压反应是相同的，并且其线形工作区域位于0磁场的一侧，因此不能判断磁场的方向。因此必须使得传感器的电压-磁场曲线发生移动，使得其工作点和磁场线形区间处于正负磁场之间的范围内。通常做法是采用偏置磁场作用于传感器。常用的偏置形式有，采用永磁体进行偏置，以及采用偏置线圈缠绕在传感器上，通过直流电流来实现其偏置。
经文献检索发现：Y.Honkura在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》(磁学和磁性材料，2002年249期：375-381)上发表了“development of amorphous wire type MIsensors for automobile use”(非晶丝类型磁阻抗传感器在汽车上应用的开发)采用在丝材的巨磁阻阻抗传感器上缠绕偏置线圈的方法来实现其工作点的移动，但是其线圈为采用传统的手工或机器绕制，体积大，难以精确控制。
Y.Nishibe等人Y.Nishibe，N.Ohta，K.Tsukada，H.Yamadera，Y.Nonomura，K.Mohriand T.Uchiyama在《IEEE Transactions on Vehicular Technology》(IEEE车辆技术汇刊，2004年53期：1827-1834)上发表了“Sensing of passing vehicles using a lane marker on a roadwith built-in thin-film MI sensor and power source”(采用路面上放置嵌入式薄膜磁阻抗传感器和电源路标的方法来感应过往车辆)曲折三明治结构CoZrNb/Cu/CoZrNb的传感器采用薄片式FeCoCr硬磁在传感器的下面来实现传感器的磁场偏置，从而实现工作点的移动，但是硬磁材料难以加工，并且难以实现其偏置磁场方向的精确控制。
P.Delooze等人P.Delooze，L.V.Panina，D.J.Mapps，K.Ueno and H.Sano在《IEEETransactions on Magnetics》(IEEE磁学汇刊，2004年40期：2664-2666)上发表了“Sub-NanoTesla Resolution differential magnetic field sensor utilizing asymmetrical magnetoimpedance inmultilayer films”(采用多层膜的非对称磁阻抗亚纳特斯拉分辨率差分磁场传感器)中的三明治结构CoFeB/Cu/CoFeB的传感器，通过直流偏置电流叠加在交流激励电流的方法，同时通过在上下两层磁性层中采用交叉的各向异性，从而实现工作点的移动，虽然不要求线圈或者偏置硬磁，但是，其要求上下两层交叉的各向异性，导致在薄膜制作过程难以精确控制，从而增加了制作工艺的复杂性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，采用MEMS微机电系统技术加工了曲折形状的NiFe/Cu/NiFe三明治薄膜巨磁阻抗效应传感器和螺线管偏置线圈，传感器位于螺线管偏置线圈的轴心位置，通过在线圈中通过直流电流，利用其产生的磁场实现对GMI传感器的工作点的偏置，从而实现传感器的合理磁场工作区间范围。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：表面氧化的Si衬底、曲折多匝传感器、螺线管偏置线圈以及绝缘材料，其中：曲折多匝传感器位于螺线管偏置线圈的内部轴心位置，绝缘材料包裹于曲折多匝传感器外部，线圈位于Si衬底表面。
所述的曲折多匝传感器具体为电镀生长的NiFe薄膜包裹的电镀生长的Cu薄膜，其匝数为3-10匝，NiFe薄膜的宽度为120-200μm，厚度为2-3μm Cu薄膜的宽度为100-120μm，厚度2-3μm，线间距为50-60μm；
所述的曲折多匝传感器的线条长度为5mm；
所述的螺线管偏置线圈为Cu电镀生长制成，该螺线管偏置线圈包括：由上而下依次设置的顶层线圈、中间连接柱和底层线圈，其中：底层线圈线宽为80-100μm，线间距为50-80μm，厚度为20-30μm，匝数为10-20匝；中间连接柱高度为40-60μm；
所述的绝缘材料为聚酰亚胺或氧化铝。
本发明的器件制作方法采用薄膜技术和MEMS技术，对单面氧化的硅片进行处理，得到对准符号，以便暴光时对准精度；采用准-LIGA光刻技术和微电镀技术制备多匝曲折结构多层薄膜NiFe/Cu/NiFe和螺线管线圈，采用物理抛光的方法，采用物理刻蚀技术去除底层。
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
本发明采用MEMS技术制备集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，相对于采用手工绕制偏置线圈的方法，使得整个传感器尺寸更小，而且可以实现批量生产，尺寸更为精确；可重复性强；本发明由于螺线管线圈和传感器采用绝缘材料形成封闭结构，整个器件结构强度增强；
由于线圈尺寸小，而且其相互之间的距离小，因此偏置电流强度也减小，功率较少；
附图说明
图1为本发明的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器的俯视图；
图2为本发明的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器横截面剖面图；
图中：1表面氧化的Si基片、2曲折多匝传感器、3螺线管偏置线圈、4引线、5引脚、6绝缘层、7NiFe薄膜、8Cu薄膜、9螺线管线圈顶层、10三位螺线管底层、11螺线管线圈中间的连接柱。
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。
如图1-2所示，本发明由表面氧化的Si基片1上的螺线管偏置线圈3和位于其轴心位置的曲折多匝传感器2，以及引线4和引脚5和用于相互分隔的绝缘材料6组成。
所述的曲折多匝传感器2包含曲折结构的NiFe薄膜7包裹的Cu薄膜8的三明治结构组成，两端由Cu引线4连接到Cu引脚5上，传感器曲折匝数为3-10匝，其间距为50-60μm，线条长度为5mm，线条宽度为120-200μm，中间层宽度为100-120μm，NiFe薄膜和包裹Cu层的厚度为2-3μm，2-3μm。
所述的螺线管偏置线圈3包含线圈顶层9，线圈底层10和中间连接柱11，上下层直线线宽为80-100μm，匝数为10-20匝，中间连接柱11高度为40-60μm。
本装置采用的20匝巨磁阻抗效应传感器最大阻抗变化率为160％，磁场峰值在0-15Oe范围内，电流频率为5MHz，其阻抗变化率曲线相当于0磁场为对称结构，其对于磁场的方向不能判断，而采用集成偏置线圈，并通过30-100mA直流偏置电流，其GMI曲线相对于原点发生了移动，曲线变成不对称，并且其线性区间位于-7～7Oe之间，从而可以对磁场方向进行判断。

Claims (7)

1.一种集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，包括：表面氧化的Si衬底、曲折多匝传感器、螺线管偏置线圈以及绝缘材料，其特征在于：曲折多匝传感器位于螺线管偏置线圈的内部轴心位置，绝缘材料包裹于曲折多匝传感器外部，线圈位于Si衬底表面。
2.根据权利要求1所述的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，其特征是，所述的曲折多匝传感器为电镀生长的NiFe薄膜包裹的电镀生长的Cu薄膜，其匝数为3-10匝。
3.根据权利要求2所述的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，其特征是，所述的NiFe薄膜的宽度为120-200μm，厚度为2-3μm，所述的Cu薄膜的宽度为100-120μm，厚度2-3μm，线间距为50-60μm。
4.根据权利要求1或2所述的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，其特征是，所述的曲折多匝传感器的线条长度为5mm。
5.根据权利要求1所述的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，其特征是，所述的螺线管偏置线圈为Cu电镀生长制成。
6.根据权利要求1或5所述的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，其特征是，所述的螺线管偏置线圈包括：由上而下依次设置的顶层线圈、中间连接柱和底层线圈，其中：底层线圈线宽为80-100μm，线间距为50-80μm，厚度为20-30μm，匝数为10-20匝；中间连接柱高度为40-60μm。
7.根据权利要求1所述的集成偏置线圈式巨磁阻抗效应磁敏传感器，其特征是，所述的绝缘材料为聚酰亚胺或氧化铝。
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