CN105572610B - Mems多层线圈及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MEMS多层线圈及其制备方法，该MEMS多层线圈包括底层线圈和顶层线圈，所述底层线圈的上侧、所述顶层线圈的下侧均设有磁性调控层。制备方法包括以下步骤：S1：在玻璃基底上溅射沉积底层线圈金属层，刻蚀出底层线圈后去胶；S2：溅射沉积底绝缘层；S3：溅射沉积磁性层，刻蚀出磁性调控层，并形成用于形成导电通道的过孔后去胶；S4：溅射沉积顶绝缘层；S5：刻蚀出导电通道的导电通孔后去胶；S6：溅射沉积顶层线圈金属层，用刻蚀出顶层线圈后去胶。本发明的MEMS多层线圈能够实现平面内的高精度磁场调控且具有结构简单紧凑、体积小等优点；制备方法工艺简单、成本低廉。

Description

MEMS多层线圈及其制备方法
技术领域
本发明属于弱磁场传感技术领域，涉及一种MEMS多层线圈及其制备方法。
背景技术
弱磁场传感技术广泛应用于磁性目标探测、地磁导航、磁存储、地质勘探、生物医学等军事和国民经济领域。现有技术中的AMR（Anisotropic Magnetoresistive，各向异性磁阻）磁敏感体，GMR（Giant Magnetoresistive，巨磁阻）磁敏感体、MTJ（Magnetic TunnelJunction，磁隧道结）磁敏感体相比其他类型磁敏感技术具有体积小、功耗低、易批量生产等特点，尤其是MTJ磁敏感体，具有电阻变化率高、灵敏度高和温度稳定性好等优点，具有发展成小型化高性能磁传感器的巨大潜力。在小型化高性能磁传感器中，为使磁敏感体工作在线性区域，同时最大限度的降低磁滞影响，通常采用外置线圈调节磁敏感体周围的磁场大小，从而实现大量程条件下的高分辨率磁场测量。传统的多层线圈大部分由电镀实现，电镀的薄膜不均匀且位置误差大，图形化精度低，不能满足高精度的磁场调控。
近年来，各研究小组对高精度磁场调控线圈的设计和制备进行了大量的研究。2009年9月9日公布的专利中（CN101526590A）通过直流溅射、射频溅射、半导体薄膜加工技术实现了纵向结构的巨磁阻磁传感器，但其垂向结构不能产生平面内磁场；2013年WugangTian等（Rev.Sci.Instrum.84, 035004 (2013)）采用平面线圈对GMR磁敏感体的磁场补偿，有效降低磁滞的影响，但是线圈体积大，引线端口布局不合理，对工艺兼容不利；在生物医学方面，2013年清华大学（CN102936754A）通过直流溅射、等离体化学气相沉积方法制备多层线圈，形成的磁梯度阵列可提高细胞图形化效率，但正反向电流在同一平面内因此很难形成平面均匀磁场且调控难度大；2014年Janez Trontelj等通过ASIC 工艺实现多层微线圈实现对霍尔元件的灵敏度改善，提升霍尔元件性能，但工艺相对复杂且成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中用于小型磁传感器平面磁场调控的多层线圈存在结构平面内磁场调控能力弱，精度与工艺难度无法兼顾等不足，提供一种能够实现平面内的高精度磁场调控、结构简单紧凑、体积小、成本低廉和制作方便的用于小型磁传感器平面磁场调控的MEMS多层线圈及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种MEMS多层线圈，包括底层线圈和顶层线圈，所述底层线圈的上侧、所述顶层线圈的下侧均设有磁性调控层。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述磁性调控层的材料为镍、钴、铁中的至少一种。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述磁性调控层的厚度为500nm～1000nm。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述磁性调控层的下侧设有底绝缘层，所述磁性调控层的上侧设有顶绝缘层。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述底层线圈和所述顶层线圈之间设有导电通道，所述底层线圈与顶层线圈通过所述导电通道电连接。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述底层线圈的材料为铬、铝、铜、银中的至少一种，所述顶层线圈的材料为铬、铝、铜、银中的至少一种。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述底层线圈的厚度为0.8μm～3μm，宽度为30μm～100μm；所述顶层线圈的厚度为0.8μm～3μm，宽度为30μm～100μm。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述底绝缘层的材料包括二氧化硅或氮化硅，所述顶绝缘层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
上述的MEMS多层线圈，优选的，所述底绝缘层的厚度为200nm～600nm；所述顶绝缘层的厚度为200nm～600nm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的MEMS多层线圈的制备方法，包括以下步骤：
S1：在一玻璃基底上溅射沉积底层线圈金属层，用底层线圈掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出底层线圈后去胶；
S2：溅射沉积底绝缘层；
S3：溅射沉积磁性层，用磁性调控层掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出磁性调控层，并形成用于形成导电通道的过孔后去胶；
S4：溅射沉积顶绝缘层；
S5：用过孔掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀顶绝缘层和底绝缘层，使所述过孔形成导电通道的导电通孔后去胶；
S6：溅射沉积顶层线圈金属层，用顶层线圈掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出顶层线圈后去胶，划片、去胶清洗后得MEMS多层线圈。
本发明基于以下原理：相互平行的导线中通以同向电流时将会形成平行于导线平面的磁场，导线间的中心区域磁场近似为均匀磁场，磁性调控层可消除反向电流的磁场干扰，增强同向电流磁场的强度，可降低线圈工作所需电流，从而降低功耗。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的MEMS多层线圈，利用磁性调控层能有效屏蔽底层线圈电流产生的磁场并且增强顶层线圈电流产生的磁场，达到消除传统单层线圈结构中的反向电流干扰作用，提升平面磁场均匀性和调控能力，大幅降低线圈功耗。
2、本发明的MEMS多层线圈的制备方法，基于MEMS技术的高精度图形化优势，使得多层线圈具有较高的图形化精度来，从而保证了平面MEMS线圈的高精度磁场调控能力；所有膜层均采用磁控溅射和湿法腐蚀工艺，大大简化了工艺设备体系，降低了成本。
总之，本发明通过磁场可调控结构设计，采用溅射与湿法腐蚀结合优化工艺体系，基于紫外光刻对准技术保证图形化精度，因此磁场调控能力强且工艺简单，可控性好，成本低。此外，本发明的结构设计思路和制备方法还可广泛应用于其他基于磁性调控层和结构设计来实现磁场调控的场合。
附图说明
图1为本发明MEMS多层线圈的俯视示意图，图中箭头为电流方向。
图2为本发明MEMS多层线圈的截面示意图。
图3为本发明实施例1的玻璃基底表面生成底层线圈金属层的示意图。
图4为本发明实施例1中刻蚀底层线圈金属层，形成底层线圈的示意图。
图5为本发明实施例1中沉积底绝缘层、再沉积磁性层的示意图。
图6为本发明实施例1中刻蚀磁性层，形成磁性调控层和过孔的示意图。
图7为本发明实施例1中沉积顶绝缘层的示意图。
图8为本发明实施例1刻蚀顶绝缘层和底绝缘层，形成导电通孔的示意图。
图9为本发明实施例1沉积顶层线圈金属层、刻蚀顶层线圈金属层，形成顶层线圈和导电通道的示意图。
图10为本发明MEMS多层线圈的磁场特征仿真图。
图例说明：1、导电通道；2、顶层线圈；3、底层线圈；4、顶绝缘层；5、磁性调控层；6、底绝缘层；7、玻璃基底。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1和图2示出了本发明的MEMS多层线圈实施例，该MEMS多层线圈包括底层线圈3和顶层线圈2，底层线圈3的上侧、顶层线圈2的下侧均设有磁性调控层5。利用磁性调控层能有效屏蔽底层线圈电流产生的磁场并且增强顶层线圈电流产生的磁场，达到消除传统单层线圈结构中的反向电流干扰作用，提升平面磁场均匀性和调控能力，大幅降低线圈功耗。
本实施例中，磁性调控层5为Cr(50nm)/Ni(500nm)/Cr(50nm)磁性层通过刻蚀得到。
本实施例中，磁性调控层5的厚度为600nm。
本实施例中，磁性调控层5的下侧设有底绝缘层6，磁性调控层5的上侧设有顶绝缘层4。
本实施例中，底层线圈3和顶层线圈2之间设有导电通道，底层线圈3与顶层线圈2通过导电通道1电连接。
本实施例中，底层线圈3为Cr(50nm)/Al(8000nm)/Cr(50nm)金属层通过刻蚀得到，顶层线圈2为Cr(50nm)/Al(1500nm)/Cr(50nm)金属层通过刻蚀得到。
本实施例中，底层线圈3的厚度为0.8μm～3μm，宽度为30μm～100μm；顶层线圈2的厚度为0.8μm～3μm，宽度为30μm～100μm。
本实施例中，底绝缘层6的材料为二氧化硅，顶绝缘层4的材料为二氧化硅。
本实施例中，底绝缘层6的厚度为300nm；顶绝缘层4的厚度为300nm。
图3至图9示出了本发明的MEMS多层线圈的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：氧离子清洗抛光后的玻璃基底；得基底层7；
步骤2：在步骤1所得的基底层7上采用磁控溅射法均匀溅射沉积Cr(50nm)/Al(8000nm)/Cr(50nm) 金属层作为底层线圈金属层，如图3所示；
步骤3：用底层线圈掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出底层线圈3后去胶，底层线圈3的宽度为30μm～100μm，如图4所示；
步骤4：采用射频磁控溅射法沉积300nm SiO2作为底绝缘层6，再在底绝缘层6上直流溅射沉积Cr(50nm)/Ni(500nm)/Cr(50nm)磁性层，如图5所示；
步骤5：用磁性调控层掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出磁性调控层5后去胶，形成磁性调控层的图案，并形成过孔，如图6所示；
步骤6：采用射频磁控溅射法沉积300nm SiO2作为顶绝缘层4，如图7所示；
步骤7：用过孔掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀绝缘层和底绝缘层，使过孔形成导电通道的导电通孔后去胶，通孔直径50μm～80μm，如图8所示；
步骤8：采用磁控溅射法沉积Cr(50nm)/Al(1500nm)/Cr(50nm)金属层，导电通孔内的Cr(50nm)/Al(1500nm)/Cr(50nm)金属层与导电通孔组成导电通道1；
步骤9：用顶层线圈掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出顶层线圈2，后去胶，顶层线圈2的宽度为30μm～100μm，如图9所示；
步骤10：划片、去胶清洗，得到MEMS多层线圈。
本发明的MEMS多层线圈的制备方法，基于MEMS技术的高精度图形化优势，使得多层线圈具有较高的图形化精度来，从而保证了平面MEMS线圈的高精度磁场调控能力。所有膜层均采用磁控溅射和湿法腐蚀工艺，大大简化了工艺设备体系，降低了成本。
对本发明的MEMS多层线圈的磁场特性进行仿真，其中顶层线圈2通以同向电流，并与底层线圈3的电流方向相反。仿真结果如图10所示，从图中可以看出平行导线在导线中心区域形成了均匀磁场，均匀度与导线几何参数、间距等有关，因此可根据实际需要对平行导线的几何参数及间距进行调整，实现目标磁场强度和均匀度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种MEMS多层线圈，包括底层线圈和顶层线圈，其特征在于，所述底层线圈的上侧、所述顶层线圈的下侧均设有磁性调控层；
所述磁性调控层的下侧设有底绝缘层，所述磁性调控层的上侧设有顶绝缘层；
所述底层线圈和所述顶层线圈之间设有导电通道，所述底层线圈与顶层线圈通过所述导电通道电连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS多层线圈，其特征在于，所述磁性调控层的材料为镍、钴、铁中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的MEMS多层线圈，其特征在于，所述磁性调控层的厚度为500nm～1000nm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的MEMS多层线圈，其特征在于，所述底层线圈的材料为铬、铝、铜、银中的至少一种，所述顶层线圈的材料为铬、铝、铜、银中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的MEMS多层线圈，其特征在于，所述底层线圈的厚度为0.8μm～3μm，宽度为30μm～100μm；所述顶层线圈的厚度为0.8μm～3μm，宽度为30μm～100μm。
6.根据权利要求5所述的MEMS多层线圈，其特征在于，所述底绝缘层的材料包括二氧化硅或氮化硅，所述顶绝缘层的材料包括二氧化硅或氮化硅。
7.根据权利要求6所述的MEMS多层线圈，其特征在于，所述底绝缘层的厚度为200nm～600nm；所述顶绝缘层的厚度为200nm～600nm。
8.一种MEMS多层线圈的制备方法，包括以下步骤：
S1：在一玻璃基底上溅射沉积底层线圈金属层，用底层线圈掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出底层线圈后去胶；
S2：溅射沉积底绝缘层；
S3：溅射沉积磁性层，用磁性调控层掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出磁性调控层，并形成用于形成导电通道的过孔后去胶；
S4：溅射沉积顶绝缘层；
S5：用过孔掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀顶绝缘层和底绝缘层，使所述过孔形成导电通道的导电通孔后去胶；
S6：溅射沉积顶层线圈金属层，用顶层线圈掩膜板光刻固胶，湿法腐蚀出顶层线圈后去胶，划片、去胶清洗后得MEMS多层线圈。
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