專(zhuān)利名稱(chēng)：基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種磁敏器件，具體是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在汽車(chē)電子、機(jī)器人技術(shù)、生物工程、自動(dòng)化控制等需要一些新型的、小型化的、高性能的、高靈敏度的和響應(yīng)速度快的新型磁敏傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境周?chē)膮?shù)如磁場(chǎng)、速度、轉(zhuǎn)速、位移、角度、扭矩等。目前市場(chǎng)上正在使用或開(kāi)發(fā)的磁敏傳感器有霍爾(Hall)效應(yīng)傳感器、各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)和巨磁電阻(GMR)效應(yīng)傳感器?；魻栃?yīng)傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的磁敏傳感器，可用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量、點(diǎn)火裝置、汽車(chē)剎車(chē)防抱死系統(tǒng)(ABS)、磁敏開(kāi)關(guān)等，但霍爾器件由于輸出信號(hào)很弱及溫度穩(wěn)定性很差，其靈敏度受到了極大的限制。新型的硅基磁敏傳感器是AMR效應(yīng)的磁敏傳感器，是采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研制的用于測(cè)量磁場(chǎng)大小和方向的一個(gè)固態(tài)器件，但AMR效應(yīng)的大小只有2％～4％，其磁場(chǎng)靈敏度小于1％/Oe。GMR效應(yīng)可達(dá)80％以上，GMR傳感器可以獲得更高的信號(hào)輸出，但驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)很高(300Oe以上)，其磁場(chǎng)靈敏度在1％～2％/Oe。近幾年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，軟磁材料在很小的直流磁場(chǎng)下展示巨磁阻抗(Giant magneto-impedamce，簡(jiǎn)寫(xiě)為GMI)效應(yīng)，即當(dāng)磁場(chǎng)有微小變化時(shí)，將會(huì)引起軟磁材料交流阻抗的巨大變化。人們已經(jīng)在非晶和納米晶材料制備的薄膜、多層膜、帶材和絲材中獲得了很大的巨磁阻抗效應(yīng)，其磁場(chǎng)靈敏度達(dá)2％～300％/Oe，比AMR和GMR傳感器高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，是霍爾器件的10～100倍。且GMI傳感器具有高靈敏度、響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，利用材料的這種高靈敏度特性，可制作各種磁控開(kāi)關(guān)、磁敏傳感器、位移傳感器、角度傳感器等，可廣泛用于汽車(chē)工業(yè)、機(jī)械、交通運(yùn)輸、保安、電力、自動(dòng)控制、航空航天等各個(gè)行業(yè)。
經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，K.Mohri等(K.Mohri，T.Uchiyama，L.P.Shen，C.M.Cai，L.V.Panina，Y.Honkura，and M.Yamamoto)在《IEEE TRANSACTION ONMAGNETICS》(VOL.38，NO.5，pp.3063-3068，SEPTEMBER 2002)上發(fā)表了“Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micromagnetic sensors utilizingmagnetoimpedance(MI)and stress-impedance(SI)effects(美國(guó)電氣電子工程學(xué)會(huì))”一文，該文提及了基于鈷基非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的新型磁敏傳感器。作者采用鈷基非晶絲作為磁敏器件，并與CMOS控制電路相連，構(gòu)成了基于非晶絲巨磁阻抗效應(yīng)的新型磁敏傳感器，其測(cè)量磁場(chǎng)的范圍為±3Oe，分辨率為1μO(píng)e的數(shù)量級(jí)，工作頻率為1MHz。Y.Nishibe等(Y.Nishibe，H.Yamadera，N.Ohta，K.Tsukada，Y.Nonomura)在《SENSORS AND ACTUATORS》(VOL.82，pp.155-160，2000)上發(fā)表了“Thin film magnetic field sensor utilizing magneto impedance effect(傳感器與執(zhí)行器)”一文，該文提及了基于FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多層膜GMI效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器，多層膜是采用磁控濺射方法制備的，傳感器的長(zhǎng)度為10mm，寬度為2mm，巨磁阻抗變化率達(dá)100％，驅(qū)動(dòng)頻率為1MHz，磁場(chǎng)靈敏度為5％/Oe。P.Delooze等(P.Delooze，L.V.Panina，D.J.Mapps，K.Ueno，H.Sano)在《IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS》(VOL.40，NO.4，pp.2664-2666，2004)上發(fā)表了“Sub-nano tesla resolution differential magnetic field sensor utilizingasymmetrical magnetoimpedance in multilayer films(美國(guó)電氣電子工程學(xué)會(huì))”一文，提及了采用CoFeB/Cu/CoFeB多層膜反對(duì)稱(chēng)巨磁阻抗效應(yīng)的磁場(chǎng)傳感器，多層膜是采用磁控濺射方法制備的，多層膜的長(zhǎng)度為5mm，寬度40μm，傳感器的量程為±1Oe，分辨率為1μO(píng)e的數(shù)量級(jí)。相對(duì)于薄膜而言，絲和帶材比較容易制備，在其中易于形成理想的磁各向異性，可以獲得較為理想的敏感性能。但是絲和薄帶在微型化、器件性能的重復(fù)性和批量化生產(chǎn)及與檢測(cè)電路的匹配方面，將會(huì)遇到許多問(wèn)題，例如，絲和薄帶在電路中的焊接、安裝困難、絲和薄帶容易破碎等。而薄膜GMI傳感器具有批量化生產(chǎn)及與半導(dǎo)體集成電路相兼容的能力，能大大降低生產(chǎn)成本，因此薄膜材料GMI效應(yīng)及其傳感器的研究成為新型磁敏傳感器研究開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，使其采用曲折狀三明治結(jié)構(gòu)多層膜可大大提高多層膜的巨磁阻抗效應(yīng)；MEMS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)其制備工藝與IC工藝兼容，可與配套的檢測(cè)電路制作在一起，實(shí)現(xiàn)整個(gè)傳感器的薄膜化、小型化，并具有高靈敏度、響應(yīng)速度快，性能重復(fù)性好、溫度穩(wěn)定性好及易于大批量生產(chǎn)。而且，與聲表面波(SurfaceAcoustic Wave，簡(jiǎn)稱(chēng)SAW)技術(shù)結(jié)合，可構(gòu)成無(wú)線被動(dòng)式磁敏傳感器，用于檢測(cè)惡劣環(huán)境下與速度、位移、角度等相關(guān)物理量的測(cè)量。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明由帶SiO2層的硅襯底、引腳、曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜和偏置永磁體組成，引腳從多層膜兩端的銅層引出，并設(shè)置在襯底上，整個(gè)曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜位于帶SiO2層的硅襯底上。偏置永磁體用微細(xì)加工技術(shù)制備，并用環(huán)氧膠水粘貼于磁敏器件的背面。
所述的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜由中間的銅層、銅層外圍包裹的FeNi軟磁薄膜構(gòu)成的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)，中間銅層的寬度小于FeNi軟磁薄膜的寬度，被FeNi軟磁薄膜完全包裹。
所述的FeNi軟磁薄膜的寬度為1mm。
所述的中間銅層的寬度為0.1～0.8mm。
進(jìn)一步的，處于中間銅層上層和下層的FeNi軟磁薄膜的厚度相同，均為2～15μm，中間銅層厚度為2～15μm，長(zhǎng)度在6～20mm。
本發(fā)明的磁敏器件的制作方法采用薄膜技術(shù)和MEMS技術(shù)，對(duì)雙面氧化的硅片進(jìn)行處理，得到雙面套刻對(duì)準(zhǔn)符號(hào)，以便曝光時(shí)提高對(duì)準(zhǔn)精度；采用準(zhǔn)-LIGA光刻技術(shù)和微電鍍技術(shù)制備曲折狀三明治結(jié)構(gòu)FeNi/Cu/FeNi軟磁多層膜；采用物理刻蝕技術(shù)去除底層，避免濕法刻蝕工藝帶來(lái)的鉆蝕現(xiàn)象；通過(guò)選擇合適的永磁體對(duì)多層膜的巨磁阻抗效應(yīng)曲線進(jìn)行偏置，使磁敏器件工作在線性區(qū)域。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益的效果(1)本發(fā)明采用準(zhǔn)-LIGA技術(shù)和電鍍工藝制備FeNi/Cu/FeNi軟磁多層膜巨磁阻抗效應(yīng)器件，具有高的靈敏度和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)及廣泛的用途。而MEMS技術(shù)具有與大規(guī)模集成電路相兼容的能力，重復(fù)性好、成本低，易于大批量生產(chǎn)；又可以通過(guò)不同結(jié)構(gòu)來(lái)提高其巨磁阻抗效應(yīng)和磁場(chǎng)靈敏度；(2)本發(fā)明采用準(zhǔn)-LIGA技術(shù)和電鍍工藝制備FeNi/Cu/FeNi軟磁多層膜材料，通過(guò)電鍍時(shí)施加磁場(chǎng)，可以很好的控制多層膜材料的磁各向異性場(chǎng)，可以獲得很大的巨磁阻抗效應(yīng)，其磁場(chǎng)靈敏度高于10％/Oe，遠(yuǎn)高于AMR和GMR傳感器的磁場(chǎng)靈敏度，又避免了采用非晶絲和薄帶作為磁敏材料時(shí)器件易碎、器件性能重復(fù)性差和加工困難及批量化等帶來(lái)的問(wèn)題；
(3)本發(fā)明改變了傳統(tǒng)直線型薄膜結(jié)構(gòu)，而是采用曲折狀三明治結(jié)構(gòu)多層膜，可以大大提高多層膜的巨磁阻抗效應(yīng)及器件的靈敏度；(4)本發(fā)明可以通過(guò)改變FeNi軟磁薄膜和銅層的寬度及厚度來(lái)提高巨磁阻抗效應(yīng)，進(jìn)而提高磁敏器件的靈敏度；(5)本發(fā)明可以通過(guò)退火工藝來(lái)提高多層膜的巨磁阻抗效應(yīng)，進(jìn)而提高磁敏器件的靈敏度。
(6)本發(fā)明采用微細(xì)加工技術(shù)制備偏置永磁體，以實(shí)現(xiàn)磁敏器件的線性化；(7)本發(fā)明采用交流驅(qū)動(dòng)方式，可以方便實(shí)現(xiàn)濾波、調(diào)諧、振蕩等。


圖1為本發(fā)明的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)FeNi/Cu/FeNi多層膜的結(jié)構(gòu)示意俯視圖。
其中4為引腳，3為帶SiO2層的硅襯底，2為電鍍的Cu層，銅層外面包裹FeNi軟磁薄膜1，1為電鍍的FeNi軟磁薄膜。
圖2為本發(fā)明的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)FeNi/Cu/FeNi多層膜的結(jié)構(gòu)示意刨面視圖。
其中3為帶SiO2層的硅襯底，2為電鍍的Cu層，銅層外面包裹FeNi軟磁薄膜1，5為偏置永磁體。
圖3為本發(fā)明的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)FeNi/Cu/FeNi多層膜的結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。
其中3為帶SiO2層的硅襯底，5為偏置永磁體，6為曲折狀三明治結(jié)構(gòu)FeNi/Cu/FeNi多層膜。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的描述。
如圖1-3所示，本發(fā)明由帶SiO2層的硅襯底3、引腳4、偏置永磁體5及曲折狀三明治結(jié)構(gòu)FeNi/Cu/FeNi軟磁多層膜6組成，引腳4從磁敏器件兩端的銅層引出，并設(shè)置在襯底平面上，曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜6位于帶SiO2層的襯底3上，偏置永磁體位于硅襯底下面。
所述的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜6由中間的銅層2、銅層2外圍包裹的FeNi軟磁薄膜1構(gòu)成的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)，中間銅層2的寬度小于FeNi軟磁薄膜1的寬度。
所述的FeNi軟磁薄膜寬度為1mm。
所述的中間銅層的寬度為0.1～0.8mm。
處于中間銅層2上層和下層的FeNi軟磁薄膜1的厚度相同，均為2～15μm，銅層2厚度為2～15μm，長(zhǎng)度在6～20mm。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征在于，由襯底(3)、軟磁多層膜巨磁阻抗材料(6)、偏置永磁體(5)、引腳(4)組成，引腳(4)從磁敏器件兩端的銅層(2)引出，并設(shè)置在襯底平面(3)上，曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜(6)位于帶SiO2層的襯底(3)上，偏置永磁體(5)位于硅襯底下面。
2.如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征是，套刻符號(hào)為曝光提供準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征是，曲折狀三明治結(jié)構(gòu)軟磁多層膜(6)由中間的銅層(2)、銅層(2)外圍包裹的FeNi軟磁薄膜(1)構(gòu)成的曲折狀三明治結(jié)構(gòu)，中間銅層(2)的寬度小于FeNi軟磁薄膜(1)的寬度。
4.如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征是，所述的FeNi軟磁薄膜(1)寬度為1mm。
5.如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征是，所述的中間銅層(2)的寬度為0.1～0.8mm。
6.如權(quán)利要求1或2、4所述的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征是，對(duì)所述的銅層(2)進(jìn)一步限定處于中間銅層(2)上層和下層的軟磁薄膜(1)的厚度相同，均為2～15μm，銅層(2)厚度為2～15μm，長(zhǎng)度在6～20mm。
7.如權(quán)利要求1所述的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，其特征是，通過(guò)調(diào)節(jié)多層膜中各層材料結(jié)構(gòu)參數(shù)及磁場(chǎng)退火，可以大大提高多層膜的巨磁阻抗效應(yīng)和磁場(chǎng)靈敏度。
全文摘要
一種屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域的基于微機(jī)電系統(tǒng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁敏器件，本發(fā)明由帶SiO
文檔編號(hào)H01L43/08GK1688035SQ20051002660
公開(kāi)日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者周勇, 丁文, 曹瑩, 陳吉安, 周志敏 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)