CN113241401B - 多铁异质结磁传感器、其制备方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多铁异质结磁传感器、其制备方法及电子设备，所述磁传感器包括：具有背腔的基底以及固设于基底表面的压电振膜和磁致伸缩层，磁致伸缩层容置于背腔内，压电振膜设于基底背离背腔一侧；基底包括间隔设置围设形成背腔的两部分，基底的其中一部分包括支撑部和悬臂梁，悬臂梁一端固设于支撑部，另一端悬置于背腔上，压电振膜和磁致伸缩层固设于悬臂梁上；压电振膜包括设于基底的电极层以及夹设于电极层之间的压电层。通过以上方式，本发明使用磁致伸缩层的磁致伸缩效应、ΔE效应以及压电结构的正压电、逆压电效应，实现一个多铁异质结磁传感器可以通过两种检测模式下对全频段磁场信号的检测，同时使用MEMS技术，缩小器件尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种多铁异质结磁传感器、其制备方法及电子设备。
背景技术
电子设备按照其原理，主要分为几个种类：霍尔传感器、磁敏二极管传感器、巨磁阻抗传感器、超导量子干涉仪、隧道结磁阻传感器、磁通门传感器、各向异性磁阻传感器、感应线圈等。
随着生物科学技术的进步，核磁共振、X光、心电图等传统溅射项目还需要其他项目的补充完成医学诊断，脑磁、心磁信号的获取在其中发挥着越来越重要的作用，其信号的主要频域区间在1～20Hz。
现有成熟的高灵敏度电子设备主要是超导量子干涉仪，这种传感器成本高、体积大，不适宜广泛商业应用。同时目前的电子设备的工作模式单一，造成测量的信号频率区间也比较窄。
发明内容
基于此，本发明提供一种多铁异质结磁传感器、其制备方法及电子设备以解决目前存在的缺陷。
本发明提供了一种多铁异质结磁传感器，包括：
具有背腔的基底以及固设于所述基底表面的压电振膜和磁致伸缩层，所述磁致伸缩层容置于所述背腔内，所述压电振膜设于所述基底背离所述背腔一侧；
所述基底包括间隔设置围设形成背腔的两部分，所述基底的其中一部分包括支撑部和悬臂梁，所述悬臂梁一端固设于所述支撑部，另一端悬置于所述背腔上，所述压电振膜和磁致伸缩层固设于所述悬臂梁上；
所述压电振膜包括设于所述基底的电极层以及夹设于所述电极层之间的压电层。
在提供的一个实施例中，所述磁致伸缩层的磁致伸缩材料包括铽镝铁、FeNi合金、FeCo合金、FeGa合金中的至少一种或多种材料制备。
在提供的一个实施例中，所述磁致伸缩层的厚度为1-2μm。
在提供的一个实施例中，所述磁致伸缩层一端抵接所述支撑部，另一端与所述悬臂梁悬置的自由端齐平。
在提供的一个实施例中，所述压电层的压电材料包括氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。
在提供的一个实施例中，所述基底包括两层硅层以及夹设于两层所述硅层之间的氧化硅层。
在提供的一个实施例中，所述多铁异质结磁传感器还包括隔离层，所述压电振膜包括依次叠设于所述基底的第一电极层、压电层和第二电极层；
所述隔离层夹设于所述基底和第一电极层之间，所述第一电极层沿垂直所述悬臂梁方向的正投影落入所述隔离层。
在提供的一个实施例中，沿所述悬臂梁的悬置方向，所述第一电极层和压电层的两端齐平，所述第二电极层与所述第一电极层的一端齐平，所述第二电极层沿垂直所述悬臂梁的正投影落入所述压电层。
本发明还提供了一种多铁异质结磁传感器的制备方法，所述方法包括：
提供衬底，在所述衬底的表面形成隔离层；
对所述隔离层的表面进行图案化处理；
在图案化处理后的隔离层表面沉积压电振膜并进行图像化处理；
对所述衬底背离所述压电振膜的一表面进行刻蚀，形成背腔；
在所述衬底形成背腔的一侧沉积磁致伸缩层，使所述磁致伸缩层容设于所述背腔内，所述磁致伸缩层采用铽镝铁材料制备；
沿所述磁致伸缩层远离所述压电振膜的一端朝向所述衬底一侧进行刻蚀，在所述衬底上形成间隙以将所述衬底间隔成两部分形成所述基底。
本发明还提供了一种电子设备，所述传感器包括若干如以上所述多铁异质结磁传感器，若干所述多铁异质结磁传感器中悬臂梁的长度不同，若干所述多铁异质结磁传感器共用同一基底。
本发明的有益效果在于提供了一种多铁异质结磁传感器、其制备方法及电子设备，所述多铁异质结磁传感器包括：具有背腔的基底以及固设于所述基底表面的压电振膜和磁致伸缩层，所述磁致伸缩层容置于所述背腔内，所述压电振膜设于所述基底背离所述背腔一侧；所述基底包括间隔设置围设形成背腔的两部分，所述基底的其中一部分包括支撑部和悬臂梁，所述悬臂梁一端固设于所述支撑部，另一端悬置于所述背腔上，所述压电振膜和磁致伸缩层固设于所述悬臂梁上；所述压电振膜包括设于所述基底的电极层以及夹设于所述电极层之间的压电层。通过以上方式，本发明使用磁致伸缩层的磁致伸缩效应、ΔE效应以及压电结构的正压电、逆压电效应，实现一个多铁异质结磁传感器可以通过两种检测模式下对全频段磁场信号的检测，同时使用MEMS技术，缩小器件尺寸。
附图说明
图1-图8为本发明实施例的多铁异质结磁传感器制备过程中的结构示意图；
图9为本发明实施例的多铁异质结磁传感器的结构示意图；
图10为图9多铁异质结磁传感器的两种检测方式的工作原理示意图；
图11为本发明实施例的多铁异质结磁传感器的制备方法流程图；
图12为本发明实施例的电子设备的结构示意图；
附图中各标号的含义为：
100-多铁异质结磁传感器；1-基底；11-背腔；12-支撑部；13-悬梁臂；14-间隙；15-衬底；151-硅层；152-氧化硅层；153-背封；2-压电振膜；21-第一电极层；22-第二电极层；23-压电层；3-磁致伸缩层；4-隔离层；200-电子设备；第一多铁异质结磁传感器210；第二次传感单元220。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1-图9，图9为本发明实施例提供的一种多铁异质结磁传感器100，多铁异质结磁传感器100包括具有背腔11的基底1、固设于基底1两个相对表面的压电振膜2和磁致伸缩层3。磁致伸缩层3容置于背腔11内，压电振膜2设于所述基底1背离背腔11一侧。
可选的，本发明实施例的基底1是由一个整体的衬底15经过刻蚀处理形成，首先通过刻蚀在衬底15的一个表面形成背腔11，然后在背腔11的一端继续刻蚀形成一贯通衬底15的间隙14，该间隙14连通背腔11，将基底1间隔形成两个部分。基底1包括间隔设置围设形成背腔11的两部分，所述基底1的其中一部分包括支撑部12和悬臂梁13，所述悬臂梁13一端固设于所述支撑部12，另一端悬置于所述背腔11上，所述压电振膜2和磁致伸缩层3固设于所述悬臂梁13上。
压电振膜2包括固定于所述基底1的电极层以及夹设于所述电极层之间的压电层23。可选的，在本发明实施例中压电振膜2包括依次叠设于基底1上的第一电极层21、压电层23和第二电极层22。实际中的压电振膜2还可以包括下电极层、第一压电层23、中间电极层、第二压电层23以及上电极层，另外压电振膜2的层数可以不局限于以上三层和五层的多层。
本发明实施例的多铁异质结磁传感器100中磁致伸缩层3采用磁致伸缩材料制备的薄膜，压电层23采用压电材料制备的薄膜。本发明实施例的多铁异质结磁传感器100能够在同一器件内同时完成谐振工作模式以及磁电耦合工作模式，两种不同的检测方式实现磁场全频段检测；另外，本发明使用MEMS加工工艺，体积小、成本低，可以完成阵列化测量。
请参阅图10，本发明的多铁异质结磁传感器100的两种方式的工作原理为：
在谐振模式下工作时，首先，第一电极层21和第二电极层22加载一定频率的交流电信号，检测压电层23在逆压电效应下产生体声波；其次，再撤出第一电极层21和第二电极层22输入的交流电信号，检测压电层23的体声波信号，收集振动幅值、频率等信号，对比两次的体声波信号，分析悬臂梁13的固有频率改变量，依据固有频率偏移量分析磁场信号，对比两次固有频率偏移量获得杨氏模量的变化。
在磁电耦合模式下工作时，外加磁场环境发生变化，使得磁致伸缩层3发生形变，进而将形变量传递到悬臂梁13上，悬臂梁13上的压电层23随之产生形变，并通过压电效应使与之固接的第一电极层21和第二电极层22引出信号，根据引出的信号确定磁场信号的大小及频率。
基于以上实施例的多铁异质结磁传感器100，在一个可选的实施方式中，磁致伸缩层3的磁致伸缩材料包括但不限于铽镝铁、FeNi合金、FeCo合金、FeGa合金中的至少一种或多种材料。可选的，磁致伸缩层3一端抵接支撑部12，另一端与所述悬臂梁13悬置的自由端齐平，进而使得磁致伸缩层3与悬臂梁13悬置于背腔11上方的长度相同，使磁致伸缩层3与悬臂梁13有更大的接触面积，尽可能产生更大的形变量或杨氏模量的变化量以提高器件灵敏度。另外，磁致伸缩层3与悬臂梁13上方的压电结构没有电接触，仅依据磁致伸缩层3的性质通过应力或固有频率的改变传递信号。可选的，磁致伸缩层3堆叠在基底1上的厚度为1-2μm，在此厚度范围内，多铁异质结磁传感器100的灵敏度更好。
在一个可选的实施方式中，所述基底1采用现有的SOI硅片，SOI硅片不带背封153时包括两层硅层151以及夹设于两层所述硅层151之间的氧化硅层152，SOI硅片不带背封153时包括两层硅层151、夹设于两层所述硅层151之间的氧化硅层152以及设于其中一层硅层151外侧的背封153绝缘层，以上两种SOI硅片均可，若选择带背封153的SOI硅片后续需要去除背封153。可选的，多铁异质结磁传感器100还包括隔离层4，隔离层4夹设于所述基底1和所述压电振膜2之间，用于隔绝压电振膜2中的电极，防止电极漏电。可选的，隔离层4采用氧化绝缘材料制成，包括二氧化硅。在基底1采用SOI硅片制备的情况下，只需热氧化硅层152即能形成二氧化硅隔离层4。当然也可采用低压力化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法等工艺形成。另外，隔离层4需要经过图案化处理。
在一个可选的实施方式中，第一电极层21、压电层23以及第二电极层22依次层叠于基底1上，隔离层4固接于基底1上且夹设于基底1与第一电极层21之间。为了避免第一电极层21漏电，可选的，隔离层4的面积大于第一电极层21，且第一电极层21沿垂直悬臂梁13方向的正投影落入隔离层4内。为了避免第一电极层21和第二电极层22之间出现短路，可选的，压电层23的面积大于第二电极层22的面积，且第二电极层22沿垂直悬臂梁13的正投影落入压电层23。可选的，沿悬臂梁13悬置的方向，第一电极层21和压电层23的两端齐平，第二电极层22与第一电极层21的一端齐平。
在一个可选的实施方式中，压电层23的压电材料包括但不限于氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。可选的，第一电极和第二电极的材料优选导电性强且易溅射的金属，包括但不限于钼、钛钼合金、铂、铬、金铝或钨中的一种或多种材料的组合。
请参阅图1-9以及图11，图11为本发明实施例提供的一种多铁异质结磁传感器100的制备方法，图1-图9为图11多铁异质结磁传感器100制备方法步骤中的结构示意图，具体包括以下步骤，
步骤S100,提供衬底15，在所述衬底15的表面形成隔离层4；
具体地，衬底15为SOI硅片，且在本发明实施例中提供的为带背封153的SOI硅片，隔离层4形成于远离背封153一侧表面。在形成隔离层4之前，可先对衬底15进行清洗处理，清洗后的背封153的SOI硅片作为衬底15使用，以用于MEMS刻蚀成型，衬底15可以制成单个多铁异质结磁传感器100的基底1，也可以制成多个多铁异质结磁传感器100的基底1对电子设备200的基底1一体成型。隔离层4可以为二氧化硅，只需热氧化硅层152即能形成二氧化硅隔离层4。当然也可采用低压力化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法等工艺形成。
步骤S200,对所述隔离层4的表面进行图案化处理；
具体的，图案化处理采用的方法包括但不限于干法刻蚀、感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀、缓冲氧化物刻蚀液(BOE溶液)或氢氟酸(HF)气相刻蚀技术。由于采用了带背封153的SOI硅片，则还需要去除背封153。
步骤S300,在图案化处理后的隔离层4表面沉积压电振膜2并进行图像化处理；
具体的，在本发明实施例中压电振膜2可以经过三次沉积后依次沉积第一电极层21、压电层23以及第二电极层22。可选的，第一电极层21和第二电极层22包括但不限于钼、钛钼合金、铂、铝或钨中的一种或多种材料的组合；压电层23的压电材料包括但不限于氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。本发明实施例中的第一电极层21采用15nm铬+300nm金制备而成，压电层23采用1μm氧化锌制备而成，第二电极层22采用1.5μm铝制备而成。
为了避免第一电极层21漏电，沉积第一电极层21于隔离层4上时，第一电极层21的面积小于隔离层4，且第一电极层21沿垂直悬臂梁13方向的正投影落入隔离层4内，保证隔离层4完全隔绝第一电极层21和悬臂梁13。为了避免第一电极层21和第二电极层22之间出现短路，沉积第二电极层22于压电层23上时，第二电极层22的面积小于压电层23的面积，且第二电极层22沿垂直悬臂梁13的正投影落入压电层23，以保证压电层23完全隔绝第一电极层21和第二电极层22。另外，依次沉积第一电极层21、压电层23和第二电极层22时，沿悬臂梁13悬置的方向，第一电极层21、压电层23和第二电极层22的其中一端齐平，第一电极层21与压电层23的另一端也齐平，保证压电层23与第一电极层21的两端齐平。
压电振膜2内的每一层沉积完成之后，均要单独进行一次图像化处理。先沉积第一电极层21之后图像化处理第一电极层21，然后沉积压电层23并图像化处理压电层23，最后再沉积第二电极层22并图像化处理第二电极层22。
当然压电振膜2也可以经过五次沉积后依次沉积下电极层、第一压电层23、中间电极层、第二压电层23以及上电极层，另外压电振膜2的沉积次数可以不局限于以上三次和五次的多次沉积。
步骤S400,对所述衬底15背离所述压电振膜2的一表面进行刻蚀，形成背腔11；
具体的，先对衬底15背离压电振膜2的表面进行感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀，刻蚀停止于隔离层4，形成背腔11区域。
步骤S500,在所述衬底15形成背腔11的一侧沉积磁致伸缩层3，使所述磁致伸缩层3容设于所述背腔11内，所述磁致伸缩层3采用铽镝铁材料制备；
具体的，沿着背腔11的两端之间在背腔11的底部(即衬底15背离压电振膜2的另一表面)溅射磁致伸缩层3，此时的磁致伸缩层3两端抵接背腔11两侧的衬底15。在本发明实施例中磁致伸缩层3为厚度为2μm的铽镝铁合金。
步骤S600,沿所述磁致伸缩层3远离振膜层的一端朝向衬底15一侧进行刻蚀，在衬底15上形成间隙14以将所述衬底15间隔成两部分形成所述基底1。
具体的，采用ICP刻蚀磁致伸缩层3远离压电振膜2的一端，朝向衬底15刻蚀并刻穿衬底15，形成间隙14，释放悬臂梁13，后基底1形成。所述基底1被间隙14分割成两部分，其中一部分包括支撑部12和悬臂梁13，所述悬臂梁13一端固设于所述支撑部12，另一端悬置于所述背腔11上。且最后形成的磁致伸缩层3与悬臂梁13悬置的长度相同，且磁致伸缩层3一端抵接所述支撑部12，另一端与所述悬臂梁13悬置的自由端齐平。
请参阅图11，为本发明实施例提供的一种电子设备200，该电子设备200包括至少两个多铁异质结磁传感器100，如图中的第一多铁异质结磁传感器210和第二多铁异质结磁传感器220，第一多铁异质结磁传感器210和第二多铁异质结磁传感器220共用同一个基底1，第一多铁异质结磁传感器210和第二多铁异质结磁传感器220的区别主要在于内部的悬臂梁13的长度不同。由此沿悬臂梁13悬置的方向上，悬臂梁13抵接的磁致伸缩层3长度也不同，且压电振膜2的长度也不相同。为了实现统一电子设备200的全频段测量，采用长短不一、固有频率相差较大的悬臂梁13形成的多铁异质结磁传感器。第一多铁异质结磁传感器210的固有频率低、具有较长的悬臂梁13，用于测量交变磁场，固有频率在1kHz以下；第二多铁异质结磁传感器220的固有频率高、具有较短的悬臂梁13，用于测量直流或低频交流磁场，固有频率2kHz～10kHz。在实际应用过程中，还可以设置两个以上的多铁异质结磁传感器100，这些多铁异质结磁传感器100均可以共用一个基底1，且其悬臂梁13的长度各不相同，根据实际需求进行调整。
本发明实施例的电子设备200至少具有两个固有频率差别较大的多铁异质结磁传感器100，各多铁异质结磁传感器100引线方式、结构等设计内容相似，通过至少两个多铁异质结磁传感器100覆盖前文记载的两种不同的信号检测方式及固有频率的不同检测不同频段的信号，实现全频段磁场测量，满足不同环境变量的检测需求。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种多铁异质结磁传感器，其特征在于，包括：
具有背腔的基底以及固设于所述基底表面的压电振膜和磁致伸缩层，所述磁致伸缩层容置于所述背腔内，所述压电振膜设于所述基底背离所述背腔一侧；
所述基底包括间隔设置围设形成背腔的两部分，所述基底的其中一部分包括支撑部和悬臂梁，所述悬臂梁一端固设于所述支撑部，另一端悬置于所述背腔上，所述压电振膜和磁致伸缩层固设于所述悬臂梁上；
所述压电振膜包括设于所述基底的电极层以及夹设于所述电极层之间的压电层。
2.如权利要求1所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩层的磁致伸缩材料包括铽镝铁、FeNi合金、FeCo合金、FeGa合金中的至少一种或多种材料制备。
3.如权利要求1所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩层的厚度为1-2μm。
4.如权利要求1所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，所述磁致伸缩层一端抵接所述支撑部，另一端与所述悬臂梁悬置的自由端齐平。
5.如权利要求1所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，所述压电层的压电材料包括氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅、氮化铝钪中的一种或多种材料的组合。
6.如权利要求1所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，所述基底包括两层硅层以及夹设于两层所述硅层之间的氧化硅层。
7.如权利要求1所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，所述多铁异质结磁传感器还包括隔离层，所述压电振膜包括依次叠设于所述基底的第一电极层、压电层和第二电极层；
所述隔离层夹设于所述基底和第一电极层之间，所述第一电极层沿垂直所述悬臂梁方向的正投影落入所述隔离层。
8.如权利要求7所述的多铁异质结磁传感器，其特征在于，沿所述悬臂梁的悬置方向，所述第一电极层和所述压电层的两端齐平，所述第二电极层与所述第一电极层的一端齐平，所述第二电极层沿垂直所述悬臂梁的正投影落入所述压电层。
9.一种多铁异质结磁传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底，在所述衬底的表面形成隔离层；
对所述隔离层的表面进行图案化处理；
在图案化处理后的隔离层表面沉积压电振膜并进行图像化处理；
对所述衬底背离所述压电振膜的一表面进行刻蚀，形成背腔；
在所述衬底形成背腔的一侧沉积磁致伸缩层，使所述磁致伸缩层容设于所述背腔内，所述磁致伸缩层采用铽镝铁材料制备；
沿所述磁致伸缩层远离所述压电振膜的一端朝向所述衬底一侧进行刻蚀，在所述衬底上形成间隙以将所述衬底间隔成两部分形成基底。
10.一种电子设备，其特征在于，所述传感器包括若干如权利要求1-8任一所述多铁异质结磁传感器，若干所述多铁异质结磁传感器中悬臂梁的长度不同，若干所述多铁异质结磁传感器共用同一基底。
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