CN108872889B - 一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法，包括磁敏材料、三维微型感应线圈和电路部分；采用玻璃包覆非晶丝作为磁敏材料，通过离子束溅射刻蚀技术在玻璃包覆非晶丝上直接制备三维微型感应线圈，绕有三维微型感应线圈的玻璃包覆非晶丝形成磁敏传感单元，将若干个磁敏传感单元组合并置于传感器基体中，引出导线后一体化集成到电路部分，得到磁敏传感器，通过信号采集处理电路实现对磁场传感器的信号激励及磁场感应信号的采集，来测量空间中的磁场变化。基于离子束溅射刻蚀技术制备出来的磁敏传感器具有高灵敏度、体积小、稳定性高的特点，解决了微型感应线圈三维成形和精确组装的难题，提高器件灵敏度，效率高，性能稳定，良品率高。

Description

一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地说，涉及一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法。

背景技术

众所周知，巨磁阻抗（GMI）传感器是一种新型的磁场传感器，其原理是利用软磁合金材料在很小磁场下展示巨磁阻抗效应，即当磁场有微小变化时，将会引起软磁材料交流阻抗巨大变化。

巨磁阻抗传感器一般由磁敏材料、感应线圈和激励电路系统构成，其结构为激励电路和感应线圈相连，磁敏材料放置在线圈之中来感应磁场的存在。其中磁敏材料的选取以及传感器的制造方法是区别不同类型巨磁阻抗传感器的关键特征。

专利“曲折多匝结构巨磁阻抗效应传感器（CN101644748）”、“一种自偏巨磁阻抗传感器探头及其制备方法（CN102707247A）”等磁敏材料是薄膜，灵敏度相对非晶丝较低，而且薄膜制备容易不均匀，造成性能不稳定。

专利“巨磁阻抗效应二维传感器（CN201020610144）”中磁敏材料为非晶薄带，通过微机电工艺（MEMS工艺）将非晶薄带和铜线圈等集成制备，确实将传感器体积减小，灵敏度提高，但是在MEMS工艺制备过程中，要对薄膜进行绝缘处理，而对非晶薄带的绝缘工艺会增加成本，容易影响器件质量，批产良率较低。

专利“空间三轴磁传感器（CN102129052A）”中，用漆包线缠绕成感应线圈置于非晶丝上来制备磁敏传感器，此种方法制备的产品体积较大，影响传感器灵敏度，工艺上也不宜批量生产。

现有的采用集成电路制造工艺（IC工艺）生产双轴磁场传感器的技术，如专利“用于双轴磁性传感器的单个封装设计（CN101120263）”、专利“Three-dimensional magneticdirection sensor, and magneto-impedance sensor element（US 7298140）”和文献“Anenhanced electronic topology aimed at improving the phase sensitivity of GMIsensors.（Measurement Science and Technology 2014）”，IC工艺的制造方式有污染，效率低，良率不高。

专利“磁阻抗传感器元件以及其制造方法（CN102334040A）”公布了采用铺设光刻胶、曝光、显影、刻蚀等工序制备传感器的方法，该方法确实能达到器件小型化的需求，但工艺过于繁琐，效率低，产品稳定性很难保证。

与传统的漆包线缠绕、薄膜光刻等制造工艺相比，本发明采用用玻璃包裹非晶丝作为磁敏材料，结合离子束溅射刻蚀技术制造巨磁阻抗效应磁敏传感器，产品体积小、灵敏度高，同时工艺简洁、良品率高，可稳定批量化生产。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法，基于离子束溅射刻蚀技术制备出来的磁敏传感器具有高灵敏度、体积小、稳定性高的特点，解决了微型感应线圈三维成形和精确组装的难题，提高器件灵敏度，效率高，性能稳定，良品率高。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种巨磁阻抗效应磁敏传感器，包括磁敏材料、三维微型感应线圈和电路部分，所述电路部分包括驱动电路和信号采集处理电路；

所述磁敏材料的表面设有金属导电层，金属导电层沿圆周方向被间隔刻蚀且在磁敏材料上形成三维微型感应线圈，磁敏材料和三维微型感应线圈构成磁敏传感单元，若干个所述磁敏传感单元组合到传感器基体凹槽中构成磁敏传感器，所述磁敏传感器的两端分别设有探头部分，两端的探头部分之间通过导线连接驱动电路，所述三维微型感应线圈的两端之间连接信号采集处理电路。

进一步的，所述磁敏材料为玻璃包覆非晶丝。

一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选择玻璃包覆非晶丝作为磁敏材料，通过拉丝法得到8-180μm直径的玻璃包覆非晶丝，备用；

步骤二、将步骤一得到的玻璃包覆非晶丝，将其玻璃表面粗糙化处理，然后将处理后的玻璃包覆非晶丝固定在自旋架上；

步骤三、自旋架带动玻璃包覆非晶丝做不同速率的自旋，在自旋的玻璃包覆非晶丝的玻璃表层磁控溅射或气相沉积一层金属导电层；

步骤四、将带有金属导电层的玻璃包覆非晶丝进行热处理，同时使金属导电层微观组织致密化；

步骤五、将热处理后的玻璃包覆非晶丝再次安装在自旋架上并置于离子束溅射刻蚀机上，离子束溅射刻蚀机进行设定：离子束在溅射刻蚀时沿着玻璃包覆非晶丝轴向缓慢移动，同时玻璃包覆非晶丝以一定速率自旋，离子束在玻璃包覆非晶丝的金属导电层表层螺旋状选择性轰击刻蚀，得到溅射刻蚀后的玻璃包覆非晶丝，金属导电层未被刻蚀部分形成三维微型感应线圈，绕有三维微型感应线圈的玻璃包覆非晶丝形成磁敏传感单元；

步骤六、根据传感器器件结构，将若干个磁敏传感单元组合并置于传感器基体凹槽中，喷射绝缘填充材料固定，引出导线后一体化集成到电路部分，得到磁敏传感器。

进一步的，所述步骤六之后，还包括以下步骤：

步骤七、所述电路部分的信号采集处理电路产生电流激励信号对磁敏传感器进行信号激励，信号采集处理电路采集磁敏传感器对外磁场感应信号，所述信号采集处理电路根据采集到的磁场感应信号进行测量磁敏传感器所处空间中的磁场变化。

进一步的，所述步骤一中，通过拉丝法得到的玻璃包覆非晶丝的直径为10-150μm。

进一步的，所述步骤二中，玻璃表面粗糙化处理所用到的溶液为HF溶液或NaOH溶液。

进一步的，所述步骤六得到的磁敏传感器为一维、二维或三维，磁敏传感器的维数与磁敏传感单元的个数相等。

进一步的，所述玻璃包覆非晶丝的成分为Co基非晶合金或Fe基非晶合金。

进一步的，所述金属导电层为铜、铝、锡、铬中的一种或几种复合材料。

进一步的，所述玻璃包覆非晶丝的最大灵敏度方向为其长度方向。

本发明的有益效果是：

一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法，基于离子束溅射刻蚀技术制备出来的磁敏传感器具有高灵敏度、体积小、稳定性高的特点，解决了微型感应线圈三维成形和精确组装的难题，提高器件灵敏度，效率高，性能稳定，良品率高；

相比于传统的缠绕漆包线、薄膜光刻和微型3D技术，能够显然减小三维微型感应线圈圆直径，提高器件灵敏度，无需考虑三维微型感应线圈与玻璃包覆非晶丝的精密定位、安装问题。并且可根据器件设计需要，将绕有三维微型感应线圈的玻璃包覆非晶丝即磁敏传感单元，若干个组合集成到电路部分，制备一维、二维甚至三维传感器，满足模块化生产。同时工艺简洁，效率较高，性能稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明磁敏传感器的结构原理示意图；

图2为本发明制备方法的流程图；

图3为实施例中二维磁敏传感器的结构示意图；

图4为实施例中三维磁敏传感器的结构示意图；

图中标记：1、磁敏材料，2、三维微型感应线圈，3、电路部分，301、驱动电路，302、信号采集处理电路，4、金属导电层，5、探头部分。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种巨磁阻抗效应磁敏传感器，包括磁敏材料1、三维微型感应线圈2和电路部分3，所述电路部分3包括驱动电路301和信号采集处理电路302；

所述磁敏材料1的表面设有金属导电层4，金属导电层4沿圆周方向被间隔刻蚀且在磁敏材料1上形成三维微型感应线圈2，磁敏材料1和三维微型感应线圈2构成磁敏传感单元，若干个所述磁敏传感单元组合到传感器基体凹槽中构成磁敏传感器，所述磁敏传感器的两端分别设有探头部分5，两端的探头部分5之间通过导线连接驱动电路301，所述三维微型感应线圈2的两端之间连接信号采集处理电路302。

进一步的，所述磁敏材料1为玻璃包覆非晶丝。

如图2所示，一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选择玻璃包覆非晶丝作为磁敏材料1，通过拉丝法得到8-180μm直径的玻璃包覆非晶丝，备用；

步骤二、将步骤一得到的玻璃包覆非晶丝，将其玻璃表面粗糙化处理，然后将处理后的玻璃包覆非晶丝固定在自旋架上；其中，玻璃表面粗糙化处理，使用的是HF溶液或NaOH溶液；

步骤三、自旋架带动玻璃包覆非晶丝做不同速率的自旋，在自旋的玻璃包覆非晶丝的玻璃表层磁控溅射或气相沉积一层金属导电层4；

步骤四、将带有金属导电层4的玻璃包覆非晶丝进行热处理，使得玻璃包覆非晶丝获得最佳软磁性能，同时使金属导电层微观组织致密化，提高金属导电层与玻璃包覆非晶丝的玻璃界面的结合力；

步骤五、将热处理后的玻璃包覆非晶丝再次安装在自旋架上并置于离子束溅射刻蚀机上，离子束溅射刻蚀机进行设定：离子束在溅射刻蚀时沿着玻璃包覆非晶丝轴向缓慢移动，同时玻璃包覆非晶丝以一定速率自旋，离子束在玻璃包覆非晶丝的金属导电层4表层螺旋状选择性轰击刻蚀，得到溅射刻蚀后的玻璃包覆非晶丝，金属导电层4未被刻蚀部分形成三维微型感应线圈2，绕有三维微型感应线圈2的玻璃包覆非晶丝形成磁敏传感单元；

步骤六、根据传感器器件结构，将若干个磁敏传感单元组合并置于传感器基体凹槽中，喷射绝缘填充材料固定，引出导线后一体化集成到电路部分3，得到磁敏传感器。

进一步的，所述步骤六之后，还包括以下步骤：

步骤七、所述电路部分3的信号采集处理电路302产生电流激励信号对磁敏传感器进行信号激励，信号采集处理电路302采集磁敏传感器对外磁场感应信号，所述信号采集处理电路302根据采集到的磁场感应信号进行测量磁敏传感器所处空间中的磁场变化。当外磁场发生变化时，通过测量三维微型感应线圈2两端感应信号的变化来测量外磁场的变化。

进一步的，所属步骤七中，电流激励信号为中低频交流信号或者高频脉冲信号。

进一步的，所述步骤一中，通过拉丝法得到的玻璃包覆非晶丝的直径为10-150μm。

进一步的，所述步骤二中，玻璃表面粗糙化处理所用到的溶液为HF溶液或NaOH溶液。

进一步的，所述步骤六得到的磁敏传感器为一维、二维或三维，磁敏传感器的维数与磁敏传感单元的个数相等。如图3所示为二维磁敏传感器的结构示意图，如图4所示为三维磁敏传感器的结构示意图。

进一步的，所述玻璃包覆非晶丝的成分为Co基非晶合金或Fe基非晶合金。

进一步的，所述金属导电层4为铜、铝、锡、铬中的一种或几种复合材料。

进一步的，所述玻璃包覆非晶丝的最大灵敏度方向为其长度方向。

进一步的，所述离子束溅射刻蚀机的离子束为Ar⁺或Kr⁺ 或Xe⁺。

实施例1

一种巨磁阻抗效应磁敏传感器，包括磁敏材料1、三维微型感应线圈2和电路部分3，所述电路部分3包括驱动电路301和信号采集处理电路302；

所述磁敏材料1的表面设有金属导电层4，金属导电层4沿圆周方向被间隔刻蚀且在磁敏材料1上形成三维微型感应线圈2，磁敏材料1和三维微型感应线圈2构成磁敏传感单元，若干个所述磁敏传感单元组合到传感器基体凹槽中构成磁敏传感器，所述磁敏传感器的两端分别设有探头部分5，两端的探头部分5之间通过导线连接驱动电路301，所述三维微型感应线圈2的两端之间连接信号采集处理电路302。本实施例中，磁敏传感单元的个数可以为1个、2个、3个，对应的磁敏传感器为一维、二维、三维，如图3所示为二维磁敏传感器的结构示意图，如图4所示为三维磁敏传感器的结构示意图。

进一步的，所述磁敏材料1为玻璃包覆非晶丝。磁敏材料1的玻璃包覆非晶丝选择表面包覆玻璃的FeCo基非晶丝。

如图2所示，一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选择玻璃包覆非晶丝即玻璃包覆FeCo基非晶丝作为磁敏材料1，通过拉丝法得到30μm直径的玻璃包覆FeCo基非晶丝，备用；

步骤二、将步骤一得到的玻璃包覆FeCo基非晶丝，将其玻璃表面粗糙化处理，即用HF溶液浸润玻璃包覆FeCo基非晶丝，使其玻璃表面粗糙化；然后将处理后的玻璃包覆FeCo基非晶丝固定在自旋架上；

步骤三、自旋架带动玻璃包覆FeCo基非晶丝做不同速率的自旋，在自旋的玻璃包覆FeCo基非晶丝的玻璃表层磁控溅射或气相沉积一层15μm厚的铜导电层；

步骤四、将带有铜导电层的玻璃包覆FeCo基非晶丝在350℃温度环境下进行热处理0.5h，使得玻璃包覆FeCo基非晶丝获得最佳软磁性能，同时使铜导电层微观组织致密化，提高铜导电层与玻璃包覆FeCo基非晶丝的玻璃界面的结合力；

步骤五、将热处理后的玻璃包覆FeCo基非晶丝再次安装在自旋架上并置于离子束溅射刻蚀机上，离子束溅射刻蚀机进行设定：离子束在溅射刻蚀时沿着玻璃包覆FeCo基非晶丝轴向缓慢移动，同时玻璃包覆FeCo基非晶丝以一定速率自旋，离子束在玻璃包覆FeCo基非晶丝的铜导电层表层螺旋状选择性轰击刻蚀，得到溅射刻蚀后的玻璃包覆FeCo基非晶丝，铜导电层未被刻蚀部分形成三维微型感应线圈2，绕有三维微型感应线圈2的玻璃包覆FeCo基非晶丝形成磁敏传感单元；

步骤六、根据传感器器件结构，将1个或2个或3个磁敏传感单元组合并置于传感器基体凹槽中，喷射绝缘树脂固定，引出导线后连接三维微型感应线圈2并一体化集成到电路部分3，得到磁敏传感器。

进一步的，所述步骤六之后，还包括以下步骤：

步骤七、所述电路部分3的信号采集处理电路302产生电流激励信号对磁敏传感器进行信号激励，信号采集处理电路302采集磁敏传感器对外磁场感应信号，所述信号采集处理电路302根据采集到的磁场感应信号进行测量磁敏传感器所处空间中的磁场变化。当外磁场发生变化时，通过测量三维微型感应线圈2两端感应信号的变化来测量外磁场的变化。

进一步的，所属步骤七中，电流激励信号为中低频交流信号或者高频脉冲信号。

进一步的，所述步骤六得到的磁敏传感器为一维、二维或三维，磁敏传感器的维数与磁敏传感单元的个数相等。本实施例中，磁敏传感单元的个数可以为1个、2个、3个，对应的磁敏传感器为一维、二维、三维，如图3所示为二维磁敏传感器的结构示意图，如图4所示为三维磁敏传感器的结构示意图。

进一步的，所述玻璃包覆非晶丝的最大灵敏度方向为其长度方向，即玻璃包覆FeCo基非晶丝的长度方向为其最大灵敏度方向。

进一步的，所述离子束溅射刻蚀机的离子束为Ar⁺或Kr⁺ 或Xe⁺。

综上所述，一种巨磁阻抗效应磁敏传感器及制备方法，基于离子束溅射刻蚀技术制备出来的磁敏传感器具有高灵敏度、体积小、稳定性高的特点，解决了微型感应线圈三维成形和精确组装的难题，提高器件灵敏度，效率高，性能稳定，良品率高；

相比于传统的缠绕漆包线、薄膜光刻和微型3D技术，能够显然减小三维微型感应线圈圆直径，提高器件灵敏度，无需考虑三维微型感应线圈与玻璃包覆非晶丝的精密定位、安装问题。并且可根据器件设计需要，将绕有三维微型感应线圈的玻璃包覆非晶丝即磁敏传感单元，若干个组合集成到电路部分，制备一维、二维甚至三维传感器，满足模块化生产。同时工艺简洁，效率较高，性能稳定。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：该磁敏传感器包括磁敏材料（1）、三维微型感应线圈（2）和电路部分（3），所述电路部分（3）包括驱动电路（301）和信号采集处理电路（302）；

所述磁敏材料（1）的表面设有金属导电层（4），金属导电层（4）沿圆周方向被间隔刻蚀且在磁敏材料（1）上形成三维微型感应线圈（2），磁敏材料（1）和三维微型感应线圈（2）构成磁敏传感单元，若干个所述磁敏传感单元组合到传感器基体凹槽中构成磁敏传感器，所述磁敏传感器的两端分别设有探头部分（5），两端的探头部分（5）之间通过导线连接驱动电路（301），所述三维微型感应线圈（2）的两端之间连接信号采集处理电路（302）；

该制备方法，包括以下步骤：

步骤一、选择玻璃包覆非晶丝作为磁敏材料（1），通过拉丝法得到8-180μm直径的玻璃包覆非晶丝，备用；

步骤二、将步骤一得到的玻璃包覆非晶丝的玻璃表面粗糙化处理，然后将处理后的玻璃包覆非晶丝固定在自旋架上；

步骤三、自旋架带动玻璃包覆非晶丝做不同速率的自旋，在自旋的玻璃包覆非晶丝的玻璃表层磁控溅射或气相沉积一层金属导电层（4）；

步骤四、将带有金属导电层（4）的玻璃包覆非晶丝进行热处理，同时使金属导电层微观组织致密化；

步骤五、将热处理后的玻璃包覆非晶丝再次安装在自旋架上并置于离子束溅射刻蚀机上，离子束溅射刻蚀机进行设定：离子束在溅射刻蚀时沿着玻璃包覆非晶丝轴向缓慢移动，同时玻璃包覆非晶丝以一定速率自旋，离子束在玻璃包覆非晶丝的金属导电层（4）表层螺旋状选择性轰击刻蚀，得到溅射刻蚀后的玻璃包覆非晶丝，金属导电层（4）未被刻蚀部分形成三维微型感应线圈（2），绕有三维微型感应线圈（2）的玻璃包覆非晶丝形成磁敏传感单元；

步骤六、根据传感器器件结构，将若干个磁敏传感单元组合并置于传感器基体凹槽中，喷射绝缘填充材料固定，引出导线后一体化集成到电路部分（3），得到磁敏传感器；

步骤七、所述电路部分（3）的信号采集处理电路（302）产生电流激励信号对磁敏传感器进行信号激励，信号采集处理电路（302）采集磁敏传感器对外磁场感应信号，所述信号采集处理电路（302）根据采集到的磁场感应信号测量磁敏传感器所处空间中的磁场变化。

2.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述磁敏材料（1）为玻璃包覆非晶丝。

3.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，通过拉丝法得到的玻璃包覆非晶丝的直径为10-150μm。

4.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，玻璃表面粗糙化处理所用到的溶液为HF溶液或NaOH溶液。

5.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤六得到的磁敏传感器为一维、二维或三维，磁敏传感器的维数与磁敏传感单元的个数相等。

6.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述玻璃包覆非晶丝的成分为Co基非晶合金或Fe基非晶合金。

7.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述金属导电层（4）为铜、铝、锡、铬中的一种或几种复合材料。

8.根据权利要求1所述的一种巨磁阻抗效应磁敏传感器的制备方法，其特征在于：所述玻璃包覆非晶丝的最大灵敏度方向为其长度方向。

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