| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
| 专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
| 申请号 | CN202211274715.7 | 申请日 | 2022-10-18 |
| 公开(公告)号 | CN115513366A | 公开(公告)日 | 2022-12-23 |
| 申请人 | 南京工业大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 穆宜敏; 王晓荣; 朱文俊; 张梦怡; 易阳; | 第一发明人 | 穆宜敏 |
| 权利人 | 南京工业大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 南京工业大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：江苏省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：江苏省南京市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：江苏省南京市浦口区浦珠南路30号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：211816 |
| 主IPC国际分类 | H01L43/02 | 所有IPC国际分类 | H01L43/02 ; H01L43/08 ; H01L43/12 ; G01R33/09 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 8 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 南京源古知识产权代理事务所 | 专利代理人 | 毕景峰; |
| 摘要 | 本 发明 公开了表面图形 磁性 薄膜 平面叠层巨磁阻抗 传感器 ，包括非磁性导电层；非磁性导电层的上方和下方对称的设置有表面图形磁性薄膜；表面图形磁性薄膜和非磁性导电层之间设有绝缘层；下层表面图形磁性薄膜连接绝缘基底；非磁性导电层的两端均设有 电极 ；所述表面图形磁性薄膜由表面光滑磁性薄膜和多个条栅图案磁性薄膜组成；多个条栅图案磁性薄膜等间距地排列在表面光滑磁性薄膜上。本发明削弱了磁性薄膜宽度方向的退磁效应，可以显著增强表面图形磁性薄膜的巨磁阻抗效应，实现高灵敏度的 磁场 检测。 | ||
| 权利要求 | 1.表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器，包括非磁性导电层；其特征在于，非磁性导电层的上方和下方对称的设置有表面图形磁性薄膜；表面图形磁性薄膜和非磁性导电层之间设有绝缘层；下层表面图形磁性薄膜连接绝缘基底；非磁性导电层的两端均设有电极； |
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| 说明书全文 | 表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器及制备方法技术领域背景技术[0002] 磁传感器是利用磁敏感元件感知与磁信号有关的物理量，并将其转化成电信号的器件。被广泛应用在目标探测、流量监测、导航定位以及生物医学等领域。推进了大气科学、环境监测、资源开采、水下航行、疾病诊断的快速发展。进入到智能感知时代，人工智能、新能源汽车、机器人、智能健康检测等新兴产业对高灵敏度的磁场传感器的需求越来越大。 [0003] 目前，霍尔传感器灵敏度低；磁通门传感器结构复杂，功耗高；超导量子干涉效应磁传感器体积大，操作繁琐，成本高。相反，巨磁阻抗传感器，由于其灵敏度高、结构简单，成本低，在制备高灵敏度的磁传感器中具有显著的优势。 [0004] 巨磁阻抗(GMI)效应是指当软磁材料被施加了一个交流激励时，其阻抗会随外加磁场发生显著变化。其物理机理是软磁材料的磁导率随外加磁场发生显著变化，从而实现高灵敏度的磁场测量。 [0005] 目前，按照结构的不同，GMI磁传感器主要分为了3类，分别是非晶丝结构、平面薄膜结构和平面叠层结构。 [0006] 其中，非晶丝结构的磁传感器的优势是灵敏度高。目前，主要通过对材料进行热处理以及增加拾取线圈的方法来进一步提高其灵敏度。但是，由于退磁效应弱，导致非晶丝在非常小的外加磁场下就进入到磁饱和状态，失去磁场检测能力。所以，非晶丝磁传感器的敏感区间非常小，限制了其广泛的应用。 [0007] 相反，平面结构的GMI薄膜磁传感器测量范围更广，更容易与微加工技术兼容，以实现小型化、集成化。但是，磁性材料一旦制成确定形状的平面薄膜，平面结构引起的退磁效应导致磁性薄膜的横向有效磁导率远小于磁性材料标称的磁导率，使得传感器灵敏度的提升受到了极大的限制。此外，为了获得显著的阻抗变化，激励频率通常都在几百MHz甚至GHz的量级，不仅增加了功耗和成本，还导致磁性薄膜的磁性特急剧恶化。 [0008] 相较于平面薄膜磁阻抗传感器。平面叠层结构的磁阻抗传感器在相对较低的频率(≤1MHz)下呈现出显著的电感变化率，可以实现高灵敏度的磁场检测。主要原因是在低频激励条件下，磁感应效应起主导作用。 [0009] 现有技术，公开号为：CN 112813407 A公开的一种巨磁阻抗效应石墨烯/纳米晶复合材料及制备方法，通过化学气相沉积法，在纳米晶薄带上直接制备石墨烯，得到石墨烯/纳米晶的双层结构。石墨烯作为导电层，可以作为高频电流的主要流通路径，大大降低了趋肤效应。同时，还保持了纳米晶磁性薄带的磁性能。 [0010] 公开号为：CN 112349834 A公开的一种三明治结构巨磁阻抗效应复合材料及制备方法，先利用化学镀膜技术，在纳米晶Fe73.5Cu1Nb3Si13B9.5薄带上制备一层氧化石墨烯内层，随后，通过磁控溅射获得FeCo外层。这样，FeCo外层提供了一个封闭的磁路，增加了纳米晶薄带的磁导率，增强了GMI效应和灵敏度。 [0011] 上述的现有技术仅对磁性薄膜/薄带的表面工艺或结构进行改进来提高灵敏度，但并没有从根本上解决退磁效应引起灵敏度低的问题。因此，需要一种方法来削弱横向退磁效应，以实现高灵敏度的磁场测量。 发明内容[0012] 1.所要解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器及制备方法。 [0013] 2.技术方案：表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器，包括非磁性导电层；非磁性导电层的上方和下方对称的设置有表面图形磁性薄膜；表面图形磁性薄膜和非磁性导电层之间设有绝缘层；下层表面图形磁性薄膜连接绝缘基底；非磁性导电层的两端均设有电极； 所述表面图形磁性薄膜由表面光滑磁性薄膜和多个条栅图案磁性薄膜组成；多个条栅图案磁性薄膜等间距地排列在表面光滑磁性薄膜上；表面光滑磁性薄膜连接绝缘层； 表面光滑磁性薄膜和条栅图案磁性薄膜均为矩形；条栅图案磁性薄膜的长边垂直于表面光滑磁性薄膜的长边；条栅图案磁性薄膜的长度和表面光滑磁性薄膜的宽度相同；条栅图案磁性薄膜的长宽比不低于十。 [0014] 进一步地，所述基底的材质为刚性材料或者柔性材料。 [0015] 进一步地，两个电极分别为激励信号输入端和激励信号输出端；激励信号的电流方向与表面光滑磁性薄膜的长度方向平行。 [0016] 优选的，所述非磁性导电层为金属导电层。 [0017] 另外提供表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器的制备方法，包括：步骤S1:通过微加工工艺或者激光加工工艺制备具有表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器形状的传感器半成品； 步骤S2：将传感器半成品进行高温真空磁场退火，高温真空磁场产生的磁场方向垂直于下层表面光滑磁性薄膜的长边。 [0018] 具体的，所述步骤S1的微加工工艺包括：步骤S11:在绝缘基底上制备下层表面图形磁性薄膜；对基底进行预处理，在基底上沉积第一保护层；在第一保护层上旋涂第一光刻胶；烘烤后用具有多个条栅图案磁性薄膜形状的第一光刻板进行曝光；显影后刻蚀除去条栅图案磁性薄膜所在区域的第一保护层；沉积第一磁性层，即下层条栅图案磁性薄膜； 在第一磁性层上沉积第二保护层使其与第一保护层齐平；剥离除去第一光刻胶； 将第二光刻胶旋涂在第一保护层和第二保护层上；烘烤后用具有表面光滑磁性薄膜形状的第二光刻板进行曝光，显影后刻蚀除去表面光滑磁性薄膜所在区域的第一保护层和第二保护层；沉积第二磁性层，即下层表面光滑磁性薄膜；完成下层表面图形磁性薄膜的制备； 步骤S12：在下层表面图形磁性薄膜上制备非磁性导电层；在第二磁性层上沉积第三保护层；剥离除去第二光刻胶；在第一保护层和第三保护层上旋涂第三光刻胶；烘烤后用具有非磁性导电层形状的第三光刻板进行曝光；显影后刻蚀除去非磁性导电层所在区域的部分第一保护层和第三保护层；沉积非磁性导电层；未被刻蚀的第三保护层作为下层绝缘层； 步骤S13:在非磁性导电层上制备上层表面图形磁性薄膜；剥离除去第三光刻胶； 在非磁性导电层和第三保护层上沉积第四保护层；在第四保护层上旋涂第四光刻胶；烘烤后用具有表面光滑磁性薄膜形状的第二光刻板进行曝光，显影后刻蚀除去上层表面光滑磁性薄膜所在区域的部分第四保护层；沉积第三磁性层，即上层表面光滑磁性薄膜；未被刻蚀的第四保护层作为上层绝缘层 在上层表面光滑磁性薄膜上沉积第五保护层；剥离除去第四光刻胶；在第五保护层上旋涂第五光刻胶；烘烤后用具有多个条栅图案磁性薄膜形状的第一光刻板进行曝光； 显影后刻蚀除去条栅图案磁性薄膜所在区域的第五保护层；沉积第四磁性层，即上层条栅图案磁性薄膜； 步骤S14：在非磁性导电层上制备电极：在上层条栅图案磁性薄膜上沉积第六保护层，剥离除去第五光刻胶；在第四保护层、第五保护层和第六保护层上旋涂第六光刻胶；烘烤后使用具有电极形状的第四光刻板曝光；显影后刻蚀除去电极所在区域的第四保护层； 沉积非磁性导电材料得到电极；剥离除去第六光刻胶；得到传感器半成品。 [0019] 进一步地，全部的磁性层、全部的保护层、非磁性导电层和非磁性导电材料的沉积方式均采用化学沉积或物理沉积。 [0020] 具体的，所述步骤S1的激光加工工艺包括：S11：制备上层和下层的表面图形磁性薄膜；将软磁薄带粘贴在绝缘基底上；利用激光切割出具有表面光滑磁性薄膜形状的矩形图案；再利用激光在矩形图案上刻蚀出相邻条栅图案磁性薄膜之间的间隔，得到表面图形磁性薄膜；将其从绝缘基底上取下； S12：制备具有电极的非磁性导电层；将非磁性导电膜粘贴在绝缘基底上；利用激光切割得到具有电极的非磁性导电层；将其从绝缘基底上取下； S13：将上层表面图形磁性薄膜、非磁性导电层、下层表面图形磁性薄膜和基底通过绝缘光固化胶粘贴的方式组装得到传感器半成品； 进一步地，所述步骤S2基于退火装置，所述退火装置包括托盘；托盘上通过螺钉对称的固定有两个固定片；固定片上安装高温磁铁；利用高温胶带将步骤S1得到的传感器半成品固定在两个高温磁铁之间的托盘上；传感器半成品的表面光滑磁性薄膜的长度方向垂直于高温磁铁的长度方向；将退火装置和传感器半成品整体放进高温退火炉，进行真空退火，并在真空环境下冷却至室温。 [0021] 3.有益效果：磁传感器的磁敏感元件多采用磁性薄膜，对于确定形状的磁性薄膜，沿长度方向的退磁因子与其长宽比成反比。本发明采用表面图形磁性薄膜作为磁敏感元件。表面图形磁性薄膜的单个条栅图案磁性薄膜的长宽比不低于十，沿条栅图案磁性薄膜长度方向的形状退磁效应显著降低。当磁性薄膜的长宽比大于10时，沿长度方向的退磁效应可以忽略不计；沿条栅图案磁性薄膜长度方向的有效磁导率会显著增强。 [0022] 对于平面叠层巨磁阻抗传感器，对巨磁阻抗效应和灵敏度起关键作用的磁导率是垂直于激励电流方向的磁导率。对于传统的表面光滑磁性薄膜，横向有效磁导率(即沿表面光滑磁性薄膜宽度方向的有效磁导率)对灵敏度起作用。但是，表面光滑磁性薄膜沿宽度方向的有效磁导率远小于沿长度方向的有效磁导率，因此表面光滑磁性薄膜作为磁敏感元件的磁阻抗传感器的灵敏度低。而对于表面图形磁性薄膜，对灵敏度起作用的磁导率是沿条栅图案磁性薄膜长度方向的有效磁导率。由于条栅图案磁性薄膜的长宽比大于10，沿条栅图案磁性薄膜长度方向的有效磁导率显著提高。 [0024] 图1为本发明具有刚性基底的磁传感器的分解结构示意图；图2为本发明表面图形磁性薄膜的结构示意图； 图3为本发明非磁性导电层的结构示意图； 图4为本发明具有刚性基底的磁传感器的结构示意图； 图5为本发明实施例2第一光刻板的结构示意图； 图6为本发明实施例2第二光刻板的结构示意图； 图7为本发明实施例2第三光刻板的结构示意图； 图8为本发明实施例2第四光刻板的结构示意图； 图9为本发明的退火装置结构示意图； 图10为本发明具有刚性基底的磁传感器封装结构示意图； 图11为本发明具有柔性基底的磁传感器的结构示意图； 图12为本发明实施例4表面光滑磁性薄膜和表面图形磁性薄膜的有效场数据图。 具体实施方式[0025] 下面结合附图对本发明进行具体的说明。 [0026] 实施例1如图1 4和图11所示，表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器，包括非磁性导~ 电层3；非磁性导电层3的上方和下方对称的设置有表面图形磁性薄膜2；表面图形磁性薄膜 2和非磁性导电层3之间设有绝缘层4；下层表面图形磁性薄膜2连接绝缘基底1；非磁性导电层3的两端均设有电极； 表面图形磁性薄膜2由表面光滑磁性薄膜和多个条栅图案磁性薄膜组成；多个条栅图案磁性薄膜等间距地排列在表面光滑磁性薄膜上；表面光滑磁性薄膜连接绝缘层4；表面光滑磁性薄膜和条栅图案磁性薄膜均为矩形；条栅图案磁性薄膜的长边垂直于表面光滑磁性薄膜的长边；条栅图案磁性薄膜的长度和表面光滑磁性薄膜的宽度相同；条栅图案磁性薄膜的长宽比不低于十。 [0027] 基底1的材质为刚性材料或者柔性材料。图1中的磁传感器的基底为刚性材料；图11中的传感器的基底为柔性材料。 [0028] 两个电极分别为激励信号输入端和激励信号输出端；激励信号的电流方向与表面光滑磁性薄膜的长度方向平行。 [0029] 非磁性导电层3为金属导电层。 [0030] 实施例2表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器的制备方法，制备具有刚性基底的磁传感器（图1），包括： 步骤S1：采用微加工工艺制备传感器半成品，具体的包括以下步骤： 步骤S11: 在绝缘基底上制备下层表面图形磁性薄膜； 制备下层条栅图案磁性薄膜：选择硅基片作为基底材料；硅基片依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗各5 min，以去除硅基片表面的污物。随后使用干燥氮气将硅基片表面的液体吹干，并将硅基片放入真空烘干箱内烘烤2 h； 在硅基片上溅射沉积1600 nm厚度的第一保护层；第一保护层为氮化硅，用甩胶机以1500 r/min的转速将第一光刻胶旋涂在第一保护层上，光刻胶的厚度为6 μm，然后在90 ℃的电加热板上烘烤120秒； 使用光刻机对具有多个条栅图案磁性薄膜形状的第一光刻板（图5）进行曝光，第一光刻板对应三种不同规格的条栅图案磁性薄膜，宽分别为：10 μm、20 μm和30 μm。并在显影液中显影45秒，随后用去离子水冲洗35秒； 使用反应离子刻蚀系统将第一保护层刻蚀 1600 nm，通过磁控溅射沉积600 nm的第一磁性层；即下层条栅图案磁性薄膜； 制备下层表面图形磁性薄膜：在第一磁性层上沉积1000 nm的第二保护层；第二保护层为氮化硅；用丙酮剥离第一光刻胶，并用去离子水超声清洗15秒；用甩胶机以1500 r/min的转速将第二光刻胶旋涂在第一保护层和第二保护层上，第二光刻胶的厚度为6 μm，然后在90 ℃的电加热板上烘烤120秒。 [0031] 使用光刻机对具有表面光滑磁性薄膜形状的第二光刻板（图6）进行曝光，第二光刻板对应三种不同规格的表面光滑磁性薄膜，宽为2 mm，长分别为6 mm、12 mm和18 mm；并在显影液中显影45秒，随后用去离子水冲洗35秒， 使用反应离子刻蚀系统将第一保护层和第二保护层刻蚀1000 nm， 溅射沉积第二磁性层600 nm，即下层表面光滑磁性薄膜；完成下层表面图形磁性薄膜的制备；步骤S12：在下层表面图形磁性薄膜上制备非磁性导电层：在第二磁性层上沉积 400 nm的第三保护层，第二保护层为氮化硅；以防止磁性薄膜氧化；用丙酮剥离第二光刻胶，并用去离子水超声清洗15秒；用甩胶机以1500 r/min的转速将第三光刻胶旋涂在第一保护层和第三保护层上，第三光刻胶的厚度为6 μm，然后在90 ℃的电加热板上烘烤120秒； 使用光刻机对具有非磁性导电层形状的第三光刻板（图7）进行曝光；并在显影液中显影45秒，随后用去离子水冲洗35秒， 使用反应离子刻蚀系统将第一保护层和第三保护层刻蚀300 nm， 溅射钛+铜300 nm，得到非磁性导电层；其中未被刻蚀的100 nm厚度的第三保护层作为下层绝缘层； 步骤S13:在非磁性导电层上制备上层表面图形磁性薄膜：用丙酮剥离第三光刻胶，并用去离子水超声清洗15秒；溅射1800 nm厚度的第四保护层，第四保护层为氮化硅；用甩胶机以1500 r/min的转速将第四光刻胶旋涂在第四保护层上，第四光刻胶的厚度为6 μm，然后在90 ℃的电加热板上烘烤120秒。 [0032] 使用光刻机对具有表面光滑磁性薄膜形状的第二光刻板（图6）进行曝光，并在显影液中显影45秒，随后用去离子水冲洗35秒，刻蚀第四保护层1400 nm， 溅射沉积第三磁性层600 nm，即上层表面光滑磁性薄膜；其中未被刻蚀的400 nm厚度的第四保护层作为上层绝缘层；在上层表面光滑磁性薄膜上溅射沉积800nm厚度的第五保护层，第五保护层为氮化硅，以防止其氧化，用丙酮剥离第四光刻胶，并用去离子水超声清洗15秒；用甩胶机以 1500 r/min的转速将第五光刻胶旋涂在第五保护层上，第五光刻胶的厚度为6 μm，然后在 90 ℃的电加热板上烘烤120秒。 [0033] 使用光刻机对具有多个条栅图案磁性薄膜形状的第一光刻板（图5）进行曝光；并在显影液中显影45秒，随后用去离子水冲洗35秒，刻蚀第五保护层800 nm，溅射第四磁性层600 nm，即上层条栅图案磁性薄膜； 步骤S14：在非磁性导电层上制备电极：在上层条栅图案磁性薄膜上沉积200 nm厚度的第六保护层，以防止其氧化；第六保护层为氮化硅；用丙酮剥离第五光刻胶，并用去离子水超声清洗15秒；用甩胶机以1500 r/min的转速将第六光刻胶旋涂在第四保护层、第五保护层和第六保护层上，第六光刻胶的厚度为6 μm，然后在90 ℃的电加热板上烘烤120秒。 [0034] 使用光刻机对具有电极形状的第四光刻板（图8）进行曝光，并在显影液中显影45秒，随后用去离子水冲洗35秒，刻蚀第四保护层1800 nm；溅射1800 nm钛+铜，得到电极；丙酮、无水乙醇去除第六光刻胶；得到传感器半成品；步骤S2：将传感器半成品进行高温真空磁场退火，高温真空磁场产生的磁场方向垂直于下层表面光滑磁性薄膜的长边； 高温真空磁场退火基于退火装置（图9），所述退火装置包括托盘5；托盘5上通过螺钉6对称的固定有两个固定片7；固定片7上安装高温磁铁8；利用高温胶带将步骤S14得到的传感器半成品固定在两个高温磁铁8之间的托盘上；传感器半成品的表面光滑磁性薄膜的长度方向垂直于高温磁铁8的长度方向，磁场的幅值大于100 Oe；将退火装置和传感器半成品整体放进高温退火炉，进行真空退火1h，退火温度小于全部磁性层材料的居里温度；并在真空环境下冷却至室温。 [0036] 实施例3表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器的制备方法，制备具有柔性基底的磁传感器（图11），包括： 步骤S1：采用激光加工工艺制备传感器半成品，具体的包括以下步骤； 步骤S11：制备上层和下层的表面图形磁性薄膜；将非晶软磁薄带粘贴在绝缘柔性基底上，利用激光切割出具有表面光滑磁性薄膜形状的矩形图案，再利用激光在矩形图案上刻蚀出相邻条栅图案磁性薄膜之间的间隔，间隔的深度为软磁薄带厚的一半，完成表面图形磁性薄膜的制备，并将表面图形磁性薄膜从柔性基底上取下； 步骤S12：制备具有电极的非磁性导电层；将金属铜膜粘贴在绝缘柔性基底上，利用激光切割出具有电极的非磁性导电层，并将其从柔性基底上取下。 [0037] 步骤S13：将上层表面图形磁性薄膜、非磁性导电层、下层表面图形磁性薄膜和基底通过绝缘光固化胶粘贴的方式组装得到传感器半成品；采用实施例2相同的步骤S2进行高温真空磁场退火。 [0038] 实施例4图12为表面光滑磁性薄膜和表面图形磁性薄膜的有效场数据图。表面光滑磁性薄膜的长、宽、厚分别为6 mm、2 mm和20 μm，表面图形磁性薄膜总的长、宽、厚也分别为6 mm、2 mm和20 μm，其条栅图案磁性薄膜宽为40 μm，厚度为10 μm，相邻条栅图案磁性薄膜的间距 5 为0.46 mm。两种磁性薄膜的初始磁导率均为10 ，外加磁场为10 Oe，方向沿两种磁性薄膜的长度方向。由实验数据可知，相比于相同厚度的表面光滑磁性薄膜，表面图形磁性薄膜在没有条栅图案磁性薄膜处的有效场提高了至少1倍多，这是由沿条栅图案磁性薄膜长度方向退磁效应减弱导致的。由此可以证明表面图形磁性薄膜平面叠层巨磁阻抗传感器的巨磁阻抗效应将显著提高，实现高灵敏度的磁场检测。 |
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