CN113466754A

CN113466754A - 神经磁极及其制备方法

Info

Publication number: CN113466754A
Application number: CN202110746580.9A
Authority: CN
Inventors: 陈嘉民; 罗佳慧
Original assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Current assignee: Aerospace Information Research Institute of CAS
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2041-07-01
Also published as: CN113466754B

Abstract

本公开提供了一种神经磁极，包括：至少一个磁电阻传感器组件和电极；至少一个磁电阻传感器组件均匀分布设置在基底上；磁电阻传感器组件包括至少一个磁电阻传感器相互串联，且至少一个磁电阻传感器垂直堆叠；电极与磁电阻传感器通过引线与触点连接。本公开具有多敏感方向、高灵敏、低噪声的优势，对丰富神经科学研究手段、提高磁场测量水平有重大的科学意义。

Description

神经磁极及其制备方法

技术领域

本公开涉及微电子领域，尤其涉及一种神经磁极及其制备方法。

背景技术

大脑通过神经元细胞在神经元网络中以复杂的时间模式快速传递信息，了解大脑是如何工作在生命科学，尤其是神经生理学中是一项具有挑战性的任务。值得注意的是，神经元活动在产生电流的同时还会产生磁场，磁信号与电信号相比具有独特的优势与意义。宏观尺度下通过脑磁图(MEG)可以非侵入、无损伤的探测和成像大脑磁场，具有亚毫秒级的超高时间分辨率，但由于缺乏进行局部磁记录的工具，对MEG信号的解释基本上是基于未经验证的有关局部源性质的假设。

为解决这一难题，类比于神经电极，提出“神经磁极”的概念用于神经元活动产生的磁场的探测，基于磁电阻传感器的神经磁极能够实现室温、小尺寸、低功耗的磁信号探测。传统的器件为了提高磁场检测的灵敏度，降低1/f噪声，通常采用二维平面串联成阵列的方法，但显然不适用于神经磁极，这种方法不仅会降低对局部测量至关重要的空间分辨率，同时过大的占用面积会严重损伤生物组织，影响磁信号的探测。

另一方面，磁信号的优势之一在于通过设置不同敏感方向的磁电阻传感器，能够得到关于电流源大小和方向的矢量信息。现有技术中，最多可设置两个且只能是正交的敏感方向，实现方法是通过在强磁场下使用电压脉冲，利用焦耳加热对其中一个磁电阻传感器的参考层(也叫钉扎层)重新钉扎，从而达到局部磁化方向重定向的目的。然而这种技术的选择性和可控性较差，施加高压电压脉冲所产生的焦耳热不仅使得重定向的磁电阻传感器性能下降，同时也会不可避免的影响周围其它器件的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种神经磁极及其制备方法，以解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种神经磁极，包括：

至少一个磁电阻传感器组件，均匀分布设置在基底上；所述磁电阻传感器组件包括至少一个磁电阻传感器相互串联，且至少一个所述磁电阻传感器垂直堆叠；以及

电极，与所述磁电阻传感器通过引线与触点连接。

在本公开的一些实施例中，一个所述磁电阻传感器组件的敏感方向通过退火，固定所述参考层的磁化方向。

在本公开的一些实施例中，所述磁电阻传感器自下而上顺次包括：底电极层、自由层、中间层、参考层和顶电极层；或者

所述磁电阻传感器自下而上顺次包括：底电极层、参考层、中间层、自由层和顶电极层。

在本公开的一些实施例中，所述参考层具有固定磁化方向，所述参考层材料为IrMn、PtMn、FeMn中的一种或多种。

在本公开的一些实施例中，所述自由层材料为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种或多种。

在本公开的一些实施例中，所述中间层的材料为氧化铝、氧化镁、氧化镁铝、氧化镁镓和氧化镁锌中的一种或多种。

在本公开的一些实施例中，所述底电极层和所述顶电极层的材料为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN和TiN中的一种或多种。

在本公开的一些实施例中，所述磁电阻传感器形状为5段长40-50μm，宽3-6μm的折形，或者宽1-6μm，长40-120μm的轭形。

在本公开的一些实施例中，所述电极的材料为具有生物相容性的金属或金属氧化物；所述电极的形状为边长10-50μm的正方形。

根据本公开的一个方面，还提供了一种神经磁极制备方法，包括：

在所述基底上磁控溅射沉积所述磁电阻传感器组件；所述磁电阻传感器组件包括至少一个磁电阻传感器相互串联，且至少一个磁电阻传感器垂直堆叠；

光刻并刻蚀至所述磁电阻传感器组件中最底部的底电极层，定义所述磁电阻传感器形状并暴露出所述底电极层；

溅射并刻蚀钝化层，暴露出所述磁电阻传感器的顶电极层和底电极层；

退火定义敏感方向；

定义电极和引线的形状；

深反应离子刻蚀所述神经磁极的形状。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开神经磁极及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开基于三维串联磁电阻传感器的神经磁极的设计，使得电流垂直通过膜面，消除了非磁金属层的分流效应，并且强迫传导电子必须穿过所有界面，产生更强的自旋相关散射，因此可以获得更大的磁电阻效应，进而提高神经磁极的磁场检测灵敏度。

(2)本公开打破传统磁电阻传感器二维平面串联占用面积大的限制，通过垂直堆叠多个磁电阻传感器，在保证空间分辨率的前提下降低器件噪声，提高磁场检测灵敏度。

(3)本公开通过激光脉冲局部退火设置多敏感方向的磁电阻传感器，能够获得神经电流源信号大小和方向的矢量信息，可在给定时刻精确定位大脑中神经元活动的来源。

附图说明

图1为本公开实施例神经磁极的示意图。

图2为图1中磁电阻传感器组件结构示意图。

图3为本公开实施例神经磁极制备方法的示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-磁电阻传感器组件；

10-磁电阻传感器；

101-底电极层；

102-自由层；

103-中间层；

104-参考层；

2-电极；

3-引线。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种神经磁极。图1为本公开实施例神经磁极的示意图。如图1所示，本公开神经磁极包括：至少一个磁电阻传感器组件1和电极2；至少一个磁电阻传感器组件1均匀分布设置在基底上；磁电阻传感器组件1包括至少一个磁电阻传感器10相互串联，且至少一个磁电阻传感器10垂直堆叠；电极2与磁电阻传感器10通过引线3与触点连接。传感器形状为长40-50μm，宽3-6μm的折形，或者宽1-6μm，长40-120μm的轭形。

以下分别对本实施例神经磁极的各个组成部分进行详细描述。

如图2所示，磁电阻传感器10可以选择隧道磁电阻传感器或者巨磁电阻传感器，具有室温下高灵敏、低功耗的优点。单个磁电阻传感器10的结构包括：底电极层101、自由层102、中间层103、参考层104、顶电极层。在其他一些实施例中自由层102和参考层104的位置可以进行对调。

关于底电极层101和所述顶电极层，在具体实施例提供的堆栈结构中，下层磁电阻传感器10的顶电极层可以同时作为相邻上层磁电阻传感器10的底电极层101，减少设置一层底电极层101或所述顶电极层。底电极层101和所述顶电极层的材料一般为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电材料。

参考层104具有固定磁化方向，其磁化方向不会受到外界磁场方向影响，参考层104的材料一般为IrMn、PtMn、FeMn中的一种反铁磁材料。

自由层102磁场方会随着外界平行磁场方向的改变而改变，自由层102的材料为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料。

中间层103在隧道磁电阻传感器和巨磁电阻传感器中材料的选择有所不同。在隧道磁电阻传感器中中间层103作为绝缘层设置，这时中间层103的材料一般由包括氧化铝、氧化镁、氧化镁铝、氧化镁镓，氧化镁锌等氧化物构成。在巨磁电阻传感器中中间层103作为非磁性层，这时中间层103的材料一般由铜、银、铜锌合金、银锌合金、银镁合金构成。

传统的巨磁电阻传感器工作时，电流从沉积在多层膜结构两侧的电极输入，沿着膜面方向通过，此时垂直堆叠只能并联多个巨磁电阻传感器，无法达到降噪的目的。本实施例中通过将底电极层101和顶电极层设置在磁性层的上下两侧，使得电流垂直流过膜面，不仅可以获得更大的巨磁电阻效应，而且能够直接通过垂直堆叠，在保证不增加占用面积的前提下实现串联。进一步的，可以在神经磁极占用面积允许的情况下，二维平面串联少量磁电阻传感器10，垂直堆叠串联大量磁电阻传感器10，进而实现三维串联多个磁电阻传感器的神经磁极的设计。

磁电阻传感器10的敏感方向是通过在给定的外加磁场和温度下退火，固定参考层104的磁化方向来定义的。退火时，首先将神经磁极置于高温磁场退火炉中，在给定的外加磁场和温度的条件下退火，将所有磁电阻传感器定义为一个相同的敏感方向。其中，根据所选材料的居里温度等相关特性确定退火所施加的磁场、温度以及退火时间。

接着在给定的外加磁场条件下使用激光脉冲，依次对二维平面内的不同磁电阻传感器组件1进行局部退火，实现参考层104磁化方向重定向进而设置不同的敏感方向，动态光斑和可变激光能量对每个磁电阻传感器组件1中的参考层104进行选择性加热，具有均匀性好、可控性高、敏感方向任意的优点。

电极2用于检测神经电信号，对比检测到的电信号和磁信号可以判定传感器信号是否存在异常。电极2一般选择生物相容性好的金属或金属氧化物，例如Pt、Au、铂合金、金合金等，形状为边长10-50μm的正方形。

引线3用于将磁电阻传感器的底电极层101、顶电极层和电极2引出至神经磁极尾部，便于后续与PCB板连接。一般选择选择生物相容性好的金属或金属氧化物，例如Pt、Au、铂合金、金合金等，厚度为150-400nm。

整个神经磁极表面除电极2外均覆盖有绝缘层，用于对整个神经磁极进行绝缘，防止器件在生物组织中使用时被介质腐蚀而失效。绝缘层的材料可以选择二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、氧化铝、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯中的一个或多个。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种神经磁极的制备方法。图3为本公开实施例神经磁极制备方法的示意图。如图3所示，本公开神经磁极制备方法包括：操作S301～操作S311。

操作S301，依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗基底，用N₂吹干。

操作S302，在所述基底上磁控溅射沉积所述磁电阻传感器组件；所述磁电阻传感器组件包括至少一个磁电阻传感器相互串联，且至少一个磁电阻传感器垂直堆叠。

操作S303，光刻并刻蚀至所述磁电阻传感器组件中最底部的底电极层，定义所述磁电阻传感器形状并暴露出所述底电极层。

操作S304，溅射钝化层，防止传感器的各磁性层氧化，并防止相邻的两个磁性层之间短接。

操作S305，刻蚀钝化层，暴露出所述磁电阻传感器的顶电极层和底电极层。

操作S306，高温磁场退火炉退火定义敏感方向。

操作S307，蒸发沉积金属或金属氧化物。

操作S308，Lift-off工艺定义电极和引线的形状。

操作S309，沉积绝缘层，光刻并刻蚀出窗口。

操作S310，深反应离子刻蚀(DRIE)定义最终的神经磁极的形状。

操作S311，光脉冲局部退火重定向多个敏感方向。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开神经磁极及其制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种基于三维串联磁电阻传感器的神经磁极的设计，使得电流垂直通过膜面，消除了非磁金属层的分流效应，并且强迫传导电子必须穿过所有界面，产生更强的自旋相关散射，因此可以获得更大的磁电阻效应，进而提高神经磁极的磁场检测灵敏度，对丰富神经科学研究手段、提高磁场测量水平有重大的科学意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种神经磁极，包括：

电极，与所述磁电阻传感器通过引线与触点连接。

2.根据权利要求1所述的神经磁极，其中，一个所述磁电阻传感器组件的敏感方向通过退火，固定所述参考层的磁化方向。

3.根据权利要求1所述的神经磁极，其中，所述磁电阻传感器自下而上顺次包括：底电极层、自由层、中间层、参考层和顶电极层；或者

4.根据权利要求3所述的神经磁极，其中，所述参考层具有固定磁化方向，所述参考层材料为IrMn、PtMn、FeMn中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的神经磁极，其中，所述自由层材料为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的神经磁极，其中，所述中间层的材料为氧化铝、氧化镁、氧化镁铝、氧化镁镓和氧化镁锌中的一种或多种。

7.根据权利要求3所述的神经磁极，其中，所述底电极层和所述顶电极层的材料为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN和TiN中的一种或多种。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的神经磁极，其中，所述磁电阻传感器形状为5段长40-50μm，宽3-6μm的折形，或者宽1-6μm，长40-120μm的轭形。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的神经磁极，其中，所述电极的材料为具有生物相容性的金属或金属氧化物；所述电极的形状为边长10-50μm的正方形。

10.一种神经磁极制备方法，包括：

退火定义敏感方向；

定义电极和引线的形状；

深反应离子刻蚀所述神经磁极的形状。