CN103033770A - 巨磁阻抗效应二维磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
一种属于传感器技术领域的巨磁阻抗效应二维磁场传感器，本发明由基片上1两个正交的巨磁阻抗效应磁敏传感器2和3，以及集成电路信号处理模块4组成，每个磁敏传感器2和3由非晶薄带4，以及以其为磁芯的信号采集线圈5，绝缘填充材料6以及两端的Cu导线7，以及电极引脚8组成，传感器的非晶薄带的各向异性场沿着宽度方向，具有直线，曲折几何形状，传感器为通过微机电***MEMS工艺制造。传感器工作时，信号处理模块提供磁芯中流过0.1-100MHz的高频交流信号或者0.1ns的脉冲信号，信号采集线圈用于感应磁芯对外磁场的反应，由于磁敏传感器对沿着线条长度方向的磁场具有最大灵敏度，因此可以分别对芯片平面内沿着线条长度方向的磁场分量进行测量，从而确定磁场在平面内的方向和大小。本发明可以作为电子指南针来确定汽车，手机等的姿态，具有体积小，反应灵敏度高，快速响应，低功耗的特点。
Description
本发明涉及的是一种磁场测量器件，具体是一种巨磁阻抗效应二维磁场传感器，属于传感器技术领域。
技术背景
空间地磁场的精确测量对于确定电子设备的位置和取向是电子指南针的基本原理，相对于GPS全球定位***来说，具有价格低，使用方便等优点，因此被广泛应用于各种移动设备如手机，汽车，笔记本电脑等。磁敏传感器构成了电子指南针***的重要组成部分，常见的磁敏传感器包括Hall霍尔传感器，虽然可以通过半导体工艺进行加工，且尺寸较小，但是，其存在输出信号幅度弱，灵敏度较低，而且容易受温度的影响。磁阻传感器，新型硅基磁敏传感器AMR各向异性磁阻传感器，可以采用微机电***MEMS技术制备，但AMR磁阻变化率大小只有2％-4％，其磁场灵敏度小于1％/Oe。GMR巨磁阻传感器磁阻变化率可以达到80％以上，也可以获得较高信号输出，但驱动磁场很高(300Oe以上)，其磁场灵敏度在1％-2％/Oe。巨磁阻抗传感器是一种新型的磁敏传感器，近年来得到广泛研究，其原理是利用软磁合金材料在很小直流磁场作用下展示巨磁阻抗(Giant magneto-impedance，简称为GMI)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。人们已经在非晶和纳米晶体材料制备的薄膜、多层膜、带材和丝材中获得了很大的巨磁阻抗效应，其磁场灵敏度达2％-300％/Oe，比AMR和GMR传感器高1到2个数量级，是霍尔器件的10-100倍。且GMI传感器具有高灵敏度、响应速度快、体积小等优点，利用材料的这种高灵敏度特性，可以制作各种磁控开关、磁敏传感器、位移传感器、角度传感器等，可以广泛应用于汽车工业、机械、交通运输、保安、电力、自动控制、航空航天等各个行业。非常适合于制备是用于电子指南针的维磁场传感器。
经文献检索发现，日本Aichi Micro Intelligent corporation公司的美国专利US6831457B2中描述了种二维巨磁阻抗效应磁场传感器，采用非晶丝来作为磁场传感器的敏感材料，并制备了环绕非晶丝的感应线圈来测量非晶丝对磁场的反应信号，通过将巨磁阻抗效应传感器正交排列来测量平面二维磁场。由于非晶丝一般是通过拉丝方法制备的，其直径在10-50微米范围内，其长度虽然可以达到毫米甚至厘米，无法与半导体加工工艺相兼容，因此在制备传感器的过程中只能通过人工或机械操作的方法来实现其定位和加工。其次在制备信号感应线圈的工艺上，需要再基片上加工深度达50微米的长槽来容纳并对非晶丝实现定位，而且需要将非晶丝包裹硅胶或环氧进行绝缘，其感应线圈虽然也可以采用光刻等半导体工艺进行加工，但是由于半导体工艺一般基于平面加工的方法实现，因此其制作方法在存在制作成本较高，成品低的特点，从而增加了生产的成本，其加工的尺寸和位置的精确性较低，将对测量信号形成不利的影响。与此相比，非晶软磁薄带其厚度一般在20-30微米范围内，具有大的接触面积，因此可以通过环氧树脂粘贴在基片上，而后通过掩模材料薄膜保护，采用光刻等工艺开腐蚀窗口，通过干法或湿法等半导体加工工艺，进行加工，不但可以精确控制其尺寸以及相对取向，而且可以得到更加复杂的形状如曲折、或螺旋形状。此外其绝缘层以及环绕感应线圈也可以通过旋涂聚酰亚胺薄膜、磨片、电镀等半导体工艺进行加工，因此在传感器的加工上可以做到完全与半导体工艺相兼容，可以实现大规模的制造，从而降低其制造成本。因此，本项目采用软磁非晶软磁薄带作为巨磁阻抗效应传感器的敏感材料，并通过采用微机电***MEMS技术来制备两个包含磁敏材料、以及环绕其外的检测线圈、导线及引脚的二维磁场探测器，将在制造成本和制造质量上得到很大的提高，并将提高其精确，灵敏度和可靠性。
发明内容
本发明的内容在于提出了二维磁场传感器设计及制造的一种新的方案，提供了一种基于微机电***MEMS技术和软磁非晶薄带巨磁阻抗效应的二维磁场传感器，采用MEMS技术在基片上制作正交的两个非晶薄带的磁敏单元以及环绕在其周围的三维螺线圈、绝缘层以及相应的导线和电极引脚，并配合集成电路IC模块以实现通过对两个磁敏传感器的信号激励以及磁场感应信号的采集，来测量平面内沿两个磁敏传感器方向磁场分量的测量。
本发明是通过以下技术方案实现，本发明由基片(1)上两个巨磁阻抗效应磁敏传感器(2)和(3)，以及传感器中间位置的集成电路控制模块(4)组成。
所述的巨磁阻抗效应磁敏传感器(2)由非晶薄带磁芯(5)，以及缠绕于其***的感应信号采集线圈(6)，绝缘填充材料(7)，以及两端的激励电流电极(8)，信号采集电极(9)以及相应导线(10)组成。
所述的基片(1)为玻璃或硅材料；
所述的非晶薄带磁芯(5)可以为Fe基非晶合金材料如FeSiBNbCuCr，Co基非晶合金材料如CoFeSiB等材料；
所述的非晶薄带磁芯(5)具有沿非晶薄带宽度方向的各向异性场；
所述的感应信号采集线圈(6)、激励电流电极(8)、信号采集电极(9)、导线(10)材料为Cu；
所述的绝缘填充材料(7)为聚酰亚胺；
所述的巨磁阻抗效应磁敏传感器(2)位于玻璃或者硅片(1)的上面；
所述的传感器激励信号为正弦或者脉冲信号；
本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：
(1)本发明采用MEMS技术实现非晶薄带磁芯、信号采集线圈、绝缘填充材料以及导线、引脚的集成加工制造，易于实现大规模生产，降低制造成本；
(2)本发明采用MEMS技术制造磁敏传感器，能够实现传感器尺寸和精度非常精确，保证了样品性能的可重复性；
(3)本发明采用环绕于磁敏传感器的三维螺线管的采集传感器对磁场测量的信号，相对于直接测量磁敏传感器的两端电压，具有更高的磁场灵敏度；
附图说明
图1为本发明的巨磁阻抗效应二维磁场传感器的顶视图。
其中：1为基片，2，3为正交的巨磁阻抗传感器，4为集成电路信号处理模块，5为信号采集线圈，6为Cu引线，7为信号采集线圈信号引脚。
图2为本发明2，3的二维巨磁阻抗磁场传感器中的横截面剖面图。
其中：1为基片，5为软磁非晶薄带，6为信号采集线圈，9为绝缘填充材料
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体结构进一步的描述。
如图1-2所示，本发明由基片1上两个巨磁阻抗磁敏传感器2和3，以及集成电路信号处理模块4组成；所述的巨磁阻抗二维磁场传感器2和3由软磁非晶薄带4、信号采集线圈5以及绝缘填充材料6，导线7信号引脚8组成；
所述的软磁非晶薄带4放置于信号采集线管5的轴线位置；
所述的软磁非晶薄带的各向异性场为沿着薄带的宽度方向；
所述的集成电路信号处理模块4用于软磁非晶薄带5的激励信号以及信号采集线圈5的信号接收及处理，并完成两个磁场信号分量的测量和合成。
Claims (12)
1.一种巨磁阻抗二维磁场传感器，其特征在于，由基片1上两个正交的巨磁阻抗效应磁敏传感器2和3，以及集成电路信号处理模块4组成，磁敏传感器2和3分别测量平面磁场的两个磁场分量，集成电路信号处理模块4用于产生磁敏传感器的信号激励信号以及采集其对外磁场的相应信号进行处理和合成；
2.如权利1所述的巨磁阻抗效应磁场传感器2和3，其特征在于，传感器由软磁非晶薄带5、信号采集线管线圈6，以及绝缘填充材料7，导线8，信号采集电极9组成；
3.如权利1所述的巨磁阻抗效应磁场传感器2和3，其特征在于，非晶薄带5中通过高频交流信号或者脉冲信号，当有外磁场作用时，通过测量信号采集线圈6两端感应信号的变化来测量外磁场的强度；
4.如权利1所述的巨磁阻抗效应磁场传感器2和3，其特征在于，高频交流信号频率为0.1-100MHz，脉冲信号脉宽为0.1ns；
5.如权利3所述的软磁非晶薄带4的各向异性场为沿着线条的宽度方向；
6.如权利3所述的软磁非晶薄带4为Fe基非晶材料如FeSiBNbCu或Co基非晶合金材料如CoFeSiB材料。
7.如权利3所述的软磁非晶薄带材料4形状为直线长条状、曲折多匝形状等；
8.如权利3所述的软磁非晶薄带4的磁场最大灵敏度方向为沿着线条长度方向；
9.如权利1所述的基片可以为玻璃、表面氧化的硅片，陶瓷片等材料；
10.如权利2所述的巨磁阻抗效应磁场传感器2和3，其特征在于，其填充材料为聚酰亚胺9，信号采集线圈材料6为Cu。
11.如权利1所述的巨磁阻抗效应磁场传感器2和3，其特征在于，传感器制备工艺为微机电***MEMS技术，其制造工艺如下
a在基片上溅射一层Cr/Cu种子层
b以光刻胶作为铸模，电镀Cu来形成底层线圈
c以光刻胶为铸模，电镀中间Cu柱，去种子层
d旋涂聚酰亚胺胶体，高温固化
e机械磨片结合反应离子刻蚀技术使得Cu柱漏出
f采用环氧树脂胶粘帖非晶薄带，以光刻胶作为掩模材料，湿法腐蚀薄带，得到磁芯
g溅射种子层，并电镀Cu柱子，去种子层
h旋涂聚酰亚胺，固化，机械磨片结合反应离子刻蚀使得Cu柱漏出
i溅射种子层，以光刻胶作为铸模，电镀上层线圈
12.如权利1所述的非晶薄带材料，其特征在于磁场各向异性为采用磁场退火在300-400度来实现。
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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