CN202033467U - 一种纵向结构的巨磁阻磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种纵向结构的巨磁阻磁传感器，包括基片，所述基片的表层为绝缘层，所述基片上纵向设置铁磁体，所述铁磁体为金属合金巨磁阻抗三明治结构体，即铁磁体层/导电层/铁磁体层，或是铁磁体层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁体层的多层薄膜结构，其中铁磁体层至少为两层，每两层铁磁体中夹裹有导电层；所述金属合金巨磁阻抗三明治结构体外置偏置线圈。本实用新型采用与半导体器件工艺相兼容的技术制作金属合金巨磁阻抗三明治结构体，制备具有偏转磁场的巨磁阻磁传感器，其具有低功耗，高的弱磁场探测灵敏度，响应速度快，尺寸小，可靠性高，适合电路集成等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种纵向结构的巨磁阻磁传感器。
背景技术
精确定位和导航技术已经变成了一项重要的技术手段被广泛的应用于航空航天等精度和准确度要求较高的场合。提供精度高、稳定性好、响应速度快的方向传感器是实现精确制导和导航的前提条件。目前，利用巨磁阻材料在微小的磁场变化下磁阻产生巨大的变化的现象制备弱磁场传感器并将它应用于方向探测是解决上述问题的理想方案。
巨磁电阻效应是近10年来发现的新现象。当在具有巨磁效应的材料中通以恒定的高频电流时，外部微弱的磁场变化就能够引起材料阻抗的明显变化（50%以上）。由于巨磁阻材料优异的磁场敏感性，即使在外加电子线路中不引入任何放大设备的情况下仍然能够保持探测的稳定性和可靠性。可以预见，结合巨磁阻抗效应高灵敏度、高响应度的特点并将之应用于地球磁场的方向辨别，将大幅度提高方向探测的准确度和精确度。
对于巨磁阻材料而言，其电阻随外加磁场的变化关系如图1所示，电阻随外加磁场的方向变化呈对称分布，因此，在未加偏置磁场的情况下，巨磁阻材料本身并不能反应外加磁场的方向信息。如果在该材料外部添加一个偏置磁场将巨磁阻材料的磁阻信号偏置到图1所示的A点，当地球磁场方向同偏置磁场方向相同时，材料磁电阻将大幅度降低，反之，将大幅度升高，磁阻的变化反映出偏置磁场方向同地球磁场的夹角。由于巨磁阻材料在微小的磁场变化下将表现出磁电阻的巨大变化，从而要求偏置磁场的精度较高，在较长时间内磁场变化较小稳定性好，否则偏置磁场本身的误差将为弱磁场的测量带来较大的噪声，影响方向测试的精度。
在2005年5月31日公告的中国发明专利申请说明书CN 1444049A中披露了一种使用印刷电路板技术的弱磁场传感器及其制造方法中提及通过多层印刷电路板的叠放形成微型线圈的方法，相对而言，该方法能够提供高精度、高稳定性的偏置磁场，但是，利用这种技术制备的巨磁阻磁传感器相对于集成电路的其它电子元器件而言，体积过大，有悖于集成电路技术小型化、集成化的发展方向。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种建立在巨磁阻理论基础上的纵向巨磁电阻传感器，该传感器能够满足当前电子元器件集成化、小型化的要求。
本实用新型为实现其目的采取的技术方案：一种纵向结构的巨磁阻磁传感器，包括基片，所述基片的表层为绝缘层，所述基片上纵向设置铁磁体，所述铁磁体为金属合金巨磁阻抗三明治结构体，该三明治结构体为铁磁体层/导电层/铁磁体层，或是铁磁体层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁体层的多层薄膜结构，其中铁磁体层至少为两层，每两层铁磁体中夹裹有导电层；所述金属合金巨磁阻抗三明治结构体外置偏置线圈。
所述偏置线圈设内层绝缘圆柱和外层绝缘柱，内层绝缘圆柱与所述金属合金巨磁阻抗三明治结构体绝缘；所述偏置线圈由金属环之间通过金属短棒连接构成，上、下层金属环形成螺旋结构。
所述铁磁体包含非晶或纳米晶的软磁合金单层膜，其组分可以是铁钴硅硼或钴硅硼或铁铜铌硅硼。
所述导电层是具有高电导率的导体材料，包含金属金或金属银或金属铜或此三种金属组成的合金材料。
所述基片采用的材料包括半导体材料或绝缘体材料；所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓、氮化铝和碳化硅；所述绝缘体材料为玻璃、陶瓷、石英和蓝宝石。
本实用新型的有益效果：本实用新型建立在巨磁阻效应理论基础上，采用与半导体器件工艺相兼容的技术（包括：磁控溅射、光刻、等）制作金属合金巨磁阻抗三明治结构体，制备具有偏转磁场的巨磁阻磁传感器，其具有低功耗，高的弱磁场探测灵敏度，响应速度快，尺寸小，可靠性高，适合电路集成等特点。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
图1为具有金属合金巨磁阻抗三明治状多层结构体FeCoSiB/Cu/FeCoSiB巨磁阻薄膜材料在温度为25℃驱动电流频率为1MHz时，电阻随外部磁场的变化曲线图；
图2为本实用新型立体结构示意图；
图3为图2 A的放大图。
图中1.基片 ，2.绝缘层，3.内层绝缘圆柱，4. 金属合金巨磁阻抗三明治结构体，5.金属环，6.金属短棒，7.外层绝缘柱，8.偏置线圈。
具体实施方式
本实用新型采用金属合金巨磁阻抗三明治结构体即铁磁体层/导电层/铁磁体层三层结构，或者是铁磁体层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁体层多层结构，其中铁磁体层可以是非晶或纳米晶的铁钴硅硼（FeCoSiB）、钴硅硼（CoSiB）、铁铜铌硅硼（FeCuNbSiB）等软磁合金薄膜材料，导电层使用高电导率的金属金或金属银或金属铜或上述材料的多元复合物。相对于单一结构的巨磁阻材料而言，该金属合金巨磁阻抗三明治结构体的优点在于既具有导体层的高电导特性，又具有软磁层的优质的软磁特性，在较低频率的磁场作用下即可表现出优异的巨磁阻效应。克服了单层膜只在很高频率下才出现巨磁阻抗效应的劣势，当在该多层膜中通以1～10MHz的高频电流时，中间的导电层将作为电流的主要通路，从而大大降低磁性膜对电流的阻力，外部的磁性层形成了闭合的磁回路，将成为磁通量的主要通路，从而减少杂散磁场和退磁场的影响，提高了材料的磁导率。图1是具有三明治状多层结构FeCoSiB/Cu/FeCoSiB巨磁阻薄膜材料在温度为25℃驱动电流频率为1MHz时，电阻随外部磁场的变化曲线，从图1不难看出上述多层结构的巨磁阻材料磁电阻在磁场作用下变化率接近100％，一般来说，这种结构的巨磁阻材料磁电阻的变化在0-1段由磁性层中软磁材料内畴壁移动决定，1-2段由磁矩转动决定，研究表明，由磁矩转动决定的磁电阻随温度波动不大，因此选用图1中所示的A点为上述巨磁阻磁传感器磁场偏置点。在上述三明治状多层结构外部通过半导体加工工艺制备出精确的线圈，在具体工作过程中，在线圈中通以恒定电流形成螺线管提供偏置磁场，使上述多层结构偏置到图1所示A点，当地磁场方向同偏置磁场方向相同时，上述巨磁阻磁传感器磁阻将出现较大的降低，反之，巨磁阻磁传感器磁电阻将出现较大程度的升高，如果地磁场方向同偏置磁场方向呈一定角度，磁阻变化反应的是地磁场沿偏置磁场方向分量的信号大小，这些信号通过一定的外加电路转换，就可以实现方向信息和位置信息的反馈。
本实用新型建立在巨磁阻效应理论基础上，采用与半导体器件工艺相兼容的技术（包括：磁控溅射、光刻、等）制作属合金巨磁阻抗三明治结构，制备具有偏转磁场的磁场传感器，具有低功耗，高的弱磁场探测灵敏度，响应速度快，尺寸小，可靠性高，适合电路集成等特点。为了给上述巨磁阻磁传感器提供高精度，高稳定性的偏置磁场，采用在上述金属合金巨磁阻抗三明治结构外绕置线圈，并在线圈内部通以电流以提供所需偏置磁场。
图2为本实用新型立体结构示意图，基片1的表层为绝缘层2，基片1上纵向设置金属合金巨磁阻抗三明治结构体4。该三明治结构体为铁磁体层/导电层/铁磁体层结构，或是铁磁体层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁体层的多层薄膜结构，其中铁磁体层至少为两层，每两层铁磁体中夹裹有导电层。金属合金巨磁阻抗三明治结构体4外置偏置线圈8。偏置线圈8设内层绝缘圆柱3和外层绝缘柱7，内层绝缘圆柱3与金属合金巨磁阻抗三明治结构体4绝缘。铁磁体包含非晶或纳米晶的软磁合金单层膜，其组分可以是铁钴硅硼或钴硅硼或铁铜铌硅硼。导电层是具有高电导率的导体材料，包含金属金或金属银或金属铜或此三种金属组成的合金材料。基片材料包括半导体材料或绝缘体材料；所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓、氮化铝和碳化硅；绝缘体材料为玻璃、陶瓷、石英和蓝宝石。偏置线圈8是采用直流磁控溅射方法溅射而成，金属环5之间通过金属短棒6连接，上、下层金属环5形成微尺寸螺旋结构，参见图3。工作时通入一定大小的直流电流，通过调节直流电流的大小，可以调整微螺线管内部的磁场到一定数值，从而为微螺线管内部磁电阻传感器提供适当大小的偏置磁场。利用上述结构制备的传感器具有精度高，响应快等特性，且体积小，成本低的特点；同时，如果本实用新型是在硅片上制备的，可以方便地与其它半导体电路实现集成。
Claims (5)
1.一种纵向结构的巨磁阻磁传感器，包括基片（1），所述基片的表层为绝缘层（2），其特征在于：所述基片（1）上纵向设置铁磁体，所述铁磁体为金属合金巨磁阻抗三明治结构体（4），该三明治结构体为铁磁体层/导电层/铁磁体层，或是铁磁体层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁体层的多层薄膜结构，其中铁磁体层至少为两层，每两层铁磁体中夹裹有导电层；所述金属合金巨磁阻抗三明治结构体（4）外置偏置线圈（8）。
2.根据权利要求1所述的纵向结构的巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述偏置线圈（8）设内层绝缘圆柱（3）和外层绝缘柱（7），内层绝缘圆柱（3）与所述金属合金巨磁阻抗三明治结构体绝缘；所述偏置线圈（8）由金属环（5）之间通过金属短棒（6）连接构成，上、下层金属环形成螺旋结构。
3.根据权利要求1所述的纵向结构的巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述铁磁体包含非晶或纳米晶的软磁合金单层膜，其组分可以是铁钴硅硼或钴硅硼或铁铜铌硅硼。
4.根据权利要求1所述的纵向结构的巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述导电层是具有高电导率的导体材料，包含金属金或金属银或金属铜或此三种金属组成的合金材料。
5.根据权利要求1所述的纵向结构的巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述基片采用的材料包括半导体材料或绝缘体材料；所述半导体材料为硅、锗、砷化镓、氮化镓、氮化铝和碳化硅；所述绝缘体材料为玻璃、陶瓷、石英和蓝宝石。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111109 Termination date: 20120316 |