CN113008419A - 一种磁电阻式集成应力传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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孟皓
迟克群
金立川
唐晓莉
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Abstract

本发明涉及通信领域，公开了种磁电阻式集成应力传感器及其制备方法和应用，包括：基底；永磁薄膜层，永磁薄膜层在基底一侧；压磁薄膜层，压磁薄膜层在相对于永磁薄膜层另一侧的基底上，用于受外应力输出电压；以及金属电极，所述金属电极在压磁薄膜层上。本发明可实现通过压磁薄膜层上电桥磁导率发生变化，使材料本身的磁矩发生改变，材料磁矩的改变会导致材料的磁电阻发生变化，从而实现了对压力方向、大小的测量。

Description

一种磁电阻式集成应力传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及电子材料与传感器技术领域，具体是指一种磁电阻式集成应力传感器及其制备方法和应用。
背景技术
人类使用磁传感器已有两千多年的历史了，最早人们通过测量地球磁场的方向在茫茫无际的大海上航行。随着科学技术的进步以及信息化社会的不断发展，很多产业特别是农业、工业、信息产业，开始由人工操作模式快速变革至人工智能、精准操作的模式。此时，智能设备的需求量急剧上升，智能检测传感器的需求也迅速增加。于是多种磁电阻传感器被发明出来用在不同场合。但是人类对要测量的数据种类越来越多，各种测量的精度要求也越来越高，传感器也要求越来越高的集成度。于是急需各种类型的传感器测量工具和高集成度的传感器。
采用非磁性金属和半导体材料制成的应变片，可测试应力大小，但是应变片的尺寸大、灵敏度低、响应时间长、器件功耗大且温度稳定性较差。基于各向异性磁电阻(AMR)效应的磁传感器凭借其完善的技术，已广泛应用于角度测量、速度测量、电流测量、无损检测以及弱磁场测量(磁强计)等工作，可广泛应用于医疗健康监测、工业自动化、汽车电子、可穿戴电子设备、智能家居、机器人等领域。然而，传统的集成磁电阻式传感器(AMR、巨磁电阻、隧道结磁电阻)多采用磁致伸缩系数小的磁性金属材料制备而成，磁电阻输出与应变无关，无法实现对应力大小及方向的检测。
随着物联网技术和可穿戴电子设备的普及，我们迫切需要一种磁电阻式集成应力传感器及其制备方法和应用。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种磁电阻式集成应力传感器，能够实现对应力大小以及方向的检测。
本发明的另一方面还提供巨自旋霍尔角合金材料的制备方法和用途。
根据一示例性实施例，提供一种磁电阻式集成应力传感器，包括：基底；永磁薄膜层，永磁薄膜层在基底一侧；压磁薄膜层，压磁薄膜层在相对于永磁薄膜层另一侧的基底上，用于受外应力输出电压；以及金属电极，所述金属电极在压磁薄膜层上。
在一些示例中，压磁薄膜层包括电桥，所述电桥和金属电极连接。
在一些示例中，基底采用的材料包括但不限于单晶硅片、砷化镓基片、玻璃、陶瓷和柔性高分子材料中的一种或多种。
在一些示例中，永磁薄膜层采用的材料包括但不限于AlNiCo、SmCo、NbFeB和永磁铁氧体中的一种或多种。
在一些示例中，压磁薄膜层采用的材料包括但不限于TbFeCo、CoPt、GdFe、FeRe和SmFe2中的一种或多种。
在一些示例中，压磁薄膜层材料的厚度为0.01～2μm。
根据另一示例性实施例，提供一种磁电阻式集成应力传感器的制备方法，包括：将永磁薄膜层固定在洁净的基底上；在洁净的基底相对于固定永磁薄膜材料的另一侧上固定有压磁薄膜层；在压磁薄膜层上光刻电桥以及生长金属电极；在电桥两端使用负性光刻胶光刻电极图形，电极图形形成后剥离负性光刻胶与金属电极连接。
在一些示例中，永磁薄膜层采用包括但不限于电镀、溅射或粘贴中的一种或多种固定在基底上。
在一些示例中，压磁薄膜层采用包括但不限于磁控溅射、蒸发、化学电镀、激光脉冲沉积或分子束外延法中的一种或多种固定在基底上。
根据另一示例性实施例，一种磁电阻式集成应力传感器的应用，基于所述的磁电阻式集成应力传感器应用于医疗健康监测、餐馆入座率监测、汽车电子、可穿戴电子设备、智能家居以及工业机器人中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可实现通过压磁薄膜层受到水平方向的压力导致压磁材料发生压缩形变时，压磁薄膜材料沿水平方向的磁导率会减小，同时垂直于压力方向的磁导率会增大。当压磁薄膜材料受到水平方向的拉力导致压磁材料发生拉伸形变时，沿着力的拉伸方向磁导率增大，同时垂直于压力方向的磁导率会减小。
(2)本发明可实现通过压磁薄膜层上电桥磁导率发生变化，使材料本身的磁矩发生改变，材料磁矩的改变会导致材料的磁电阻发生变化，从而实现了对压力方向、大小的测量。
本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是显而易见的。本披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方面的方法、手段和组合的实践或者使用得以实现和达到。
附图说明
本发明的多个实施例的某些特征在所附权利要求中进行具体说明。参考以下详细描述可以获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中阐述了利用了本发明的原理的说明性实施例以及附图，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示磁电阻式集成应力传感器的结构示意图。
图2是根据本说明书一些实施例所示磁电阻式集成应力传感器的电桥示意图。
其中，1压磁薄膜层，2基底，3永磁薄膜层。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施例。
实施例一：
参见图1，一种磁电阻式集成应力传感器，包括：基底；永磁薄膜层，永磁薄膜层在基底一侧；压磁薄膜层，压磁薄膜层在相对于永磁薄膜层另一侧的基底上，用于受外应力输出电压；以及金属电极，所述金属电极在压磁薄膜层上。
基底作用是支撑用磁薄膜层和压磁薄膜层，永磁薄膜施加一个静态磁场，相当于磁铁，让压磁薄膜里面的磁矩朝向某个特定方向，一旦存在外应力，改变压磁薄膜的磁矩取向分布，可以测试外应力的方向。压磁薄膜层受到水平方向的压力导致压磁材料发生压缩形变时，压磁薄膜层沿水平方向的磁导率会减小，同时垂直于压力方向的磁导率会增大。当压磁薄膜层受到水平方向的拉力导致压磁材料发生拉伸形变时，沿着力的拉伸方向磁导率增大，同时垂直于压力方向的磁导率会减小。即当有外应力作用在压磁材料上，由于应力导致磁导率改变，从而压磁薄膜层上的磁电阻也改变，压磁薄膜层的输出电压变化。如果没有外应力，输出电压为零。
金属电极方便传感器的封装和测试。
在一些示例中，压磁薄膜层包括电桥，电桥和金属电极连接。
参见图2，本实施例中，电桥采用惠斯通电桥，惠斯通电桥由四个各向异性磁电阻单元构成，包括各向异性磁电阻单元为迂回线段连接构成(AABB)，这四个各向异性磁电阻单元使用压磁薄膜材料，四个各向异性磁电阻单元完全对称排布，迂回线段的两端与金属电极连接，无外力时，电桥没有电压输出；有外力时，电桥输出不为零。
当图2受到来自水平方向的压力的时候，A相当于受到垂直方向的拉力，导致A单元垂直方向的磁导率增大。B单元水平方向受到压力，导致B单元垂直方向的磁导率增大，整个器件垂直方向的磁导率增大。具体的关系是压磁材料的相对磁导率变化与应力σ之间的关系为：
Figure BDA0002945672080000031
λs为饱和磁致伸缩系数，Bs为压磁材料的饱和磁感应强度，μ为磁导率。惠斯通电桥压磁薄膜材料的磁导率发生变化会导致材料本身的磁矩发生改变，材料磁矩的改变会导致材料的磁电阻发生变化。A单元磁电阻和B单元的磁电阻之差为2ΔR，则输出电压Vout为：
Figure BDA0002945672080000041
由于压应力、压磁薄膜材料磁导率、各向异性磁电阻变化率有关，压应力改变了磁导率，引起了磁电阻的改变，从而实现了对压力方向、大小的测量。
在一些示例中，基底采用的材料包括但不限于单晶硅片、砷化镓基片、玻璃、陶瓷和柔性高分子材料中的一种或多种。
基底采用的材料具有稳定性、耐高温、柔性好、抗腐蚀。
在一些示例中，永磁薄膜层采用的材料包括但不限于AlNiCo、SmCo、NbFeB和永磁铁氧体中的一种或多种。
在本实施例中，永磁薄膜层材料的厚度为0.1～200μm。
在一些示例中，压磁薄膜层采用的材料包括但不限于TbFeCo、CoPt、GdFe、FeRe和SmFe2中的一种或多种。
在本实施例中，压磁薄膜层的材料为具有巨磁致伸缩系数的金属，包括钴基、铁基等铁磁金属或非晶态合金、晶态合金。具体为由Co、Fe、Ni、Pt、Re、Ir、Sn、Ga、Cr、Mn、Si、B、C和稀土元素等构成磁性非晶态合金或晶态合金，包括但不限于TbFeCo、CoPt，GdFe，FeRe、SmFe2等非晶态合金或晶态合金。
在一些示例中，压磁薄膜层材料的厚度为0.01～2μm。
实施例二：
一种磁电阻式集成应力传感器的制备方法，包括：将永磁薄膜层固定在洁净的基底上；在洁净的基底相对于固定永磁薄膜材料的另一侧上固定有压磁薄膜层；在压磁薄膜层上光刻电桥以及生长金属电极；在电桥两端使用负性光刻胶光刻电极图形，电极图形形成后剥离负性光刻胶与金属电极连接。
具体制备方法为：清洗基底；采用电镀、溅射方法或永磁薄片粘贴在基底上形成永磁材料层；采用磁控溅射、蒸发、化学电镀、激光脉冲沉积或分子束外延法在基底正面生长压磁薄膜材料，在压磁薄膜层上光刻电桥，在电桥两端使用负性光刻胶光刻电极图形形成电极图形，后通过磁控溅射或者蒸发生长厚度为2～3μm的金属电极在压磁薄膜层上，剥离负性光刻胶，电极图形与金属电极连接，其中，金属电极的材料包括但不限于Au或Cu电极。
在一些示例中，永磁薄膜层采用包括但不限于电镀、溅射或粘贴中的一种或多种固定在基底上。
在一些示例中，压磁薄膜层采用包括但不限于磁控溅射、蒸发、化学电镀、激光脉冲沉积或分子束外延法中的一种或多种固定在基底上。
实施例三：一种磁电阻式集成应力传感器的应用，基于所述的磁电阻式集成应力传感器应用于医疗健康监测、餐馆入座率监测、汽车电子、可穿戴电子设备、智能家居以及工业机器人中。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种磁电阻式集成应力传感器，其特征在于，包括：
基底；
永磁薄膜层，所述永磁薄膜层在基底一侧；
压磁薄膜层，所述压磁薄膜层在相对于永磁薄膜层另一侧的基底上，用于受外应力输出电压；以及
金属电极，所述金属电极在压磁薄膜层上。
2.根据权利要求1所述的一种磁电阻式集成应力传感器，其特征在于，所述压磁薄膜层包括电桥，所述电桥和金属电极连接。
3.根据权利要求1所述的一种磁电阻式集成应力传感器，其特征在于，所述基底采用的材料包括但不限于单晶硅片、砷化镓基片、玻璃、陶瓷和柔性高分子材料中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种磁电阻式集成应力传感器，其特征在于，所述永磁薄膜层采用的材料包括但不限于AlNiCo、SmCo、NbFeB和永磁铁氧体中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种磁电阻式集成应力传感器，其特征在于，所述压磁薄膜层采用的材料包括但不限于TbFeCo、CoPt、GdFe、FeRe和SmFe2中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种磁电阻式集成应力传感器，其特征在于，所述压磁薄膜层材料的厚度为0.01～2μm。
7.一种磁电阻式集成应力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
将永磁薄膜层固定在洁净的基底上；
在洁净的基底相对于固定永磁薄膜材料的另一侧上固定有压磁薄膜层；
在压磁薄膜层上光刻电桥以及生长金属电极；
在电桥两端使用负性光刻胶光刻电极图形，电极图形形成后剥离负性光刻胶与金属电极连接。
8.根据权利要求6所述的一种磁电阻式集成应力传感器的制备方法，其特征在于，所述永磁薄膜层采用包括但不限于电镀、溅射或粘贴中的一种或多种固定在基底上。
9.根据权利要求6所述的一种磁电阻式集成应力传感器的制备方法，其特征在于，所述压磁薄膜层采用包括但不限于磁控溅射、蒸发、化学电镀、激光脉冲沉积或分子束外延法中的一种或多种固定在基底上。
10.一种磁电阻式集成应力传感器的应用，其特征在于，基于权利要求1～6所述的磁电阻式集成应力传感器应用于医疗健康监测、餐馆入座率监测、汽车电子、可穿戴电子设备、智能家居以及工业机器人中。
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