專利名稱：巨磁阻磁傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器及制法，尤其是巨磁限磁傳感器及其
制備方法。
背景技術(shù)：
巨磁電阻效應(yīng)是近io年來發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象，當(dāng)在具有巨磁效應(yīng)
的材料中通以恒定的高頻電流時，外部傲弱的磁場變化就能夠引起材料阻抗
的明顯變化，其變化率可髙達(dá)50%以上。由于巨磁阻材料優(yōu)異的磁場敏感性，
穩(wěn)定性和可靠性， 一因此結(jié)合巨磁阻:效應(yīng)高靈敏度:髙響應(yīng)度的特點(diǎn)并將之 應(yīng)用于弱磁場探測器，將大幅度地提髙方向探測的準(zhǔn)確度和精確度。目前，
人們?yōu)榱双@得具有巨磁阻效應(yīng)的磁傳感器，作了一些嘗試和努力，如在2005 年ll月19日公開的中國發(fā)明專利申請公開說明書CN 1694275A中披露的一
種"基于軟磁多層膜巨磁阻抗效應(yīng)的磁敏器件"。它意欲提供一種具有巨磁阻 抗效應(yīng)的磁傳感器。該磁敏器件由帶二氧化硅層的硅襯底、引腳、曲折狀三 明治結(jié)構(gòu)的軟磁多層膜和偏置永磁體組成，其中，引腳從多層膜兩端的銅層 引出，并設(shè)置在襯底上，整個曲折狀三明治結(jié)構(gòu)的軟磁多層膜位于帶二氧化 硅層的硅襯底上，偏置永磁體用環(huán)氧膠水粘貼于磁敏器件的背面。使用時， 通過永磁體對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。但是，這種磁敏器件存在著不足之處，首先，難以使粘貼于磁敏器件 背面的永磁體發(fā)出的磁場磁力線嚴(yán)格地平行于多層膜所在的平面，從而既降 低了其對磁場響應(yīng)的靈敏度和測試的精確度，又不能保證其成為批量產(chǎn)品時 的性能和質(zhì)量的整齊劃一；其次，環(huán)境或工作溫度的升高，也易使環(huán)氧膠水 軟化，造成永磁體的位移，進(jìn)而影響其靈敏度和精確度；再次，惡劣的工作 場所，如處于抖動或震動的工作環(huán)境中，也易使永磁體脫落，而使其喪失功 能；最后，作為提供偏置磁場的永磁體， 一旦粘貼于磁敏器件背面后，其磁 場強(qiáng)度就無法再行調(diào)整，從而使磁敏器件的使用環(huán)境和適用范圍均受到了較 大的限制
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問趙為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提
供一種有著較髙的精度和靈敏度、質(zhì)量穩(wěn)定，易于工業(yè)化生產(chǎn)的巨磁阻磁傳 感器及其制備方法。
巨磁阻磁傳感器包括基片和其上的絕緣層、夾裹有導(dǎo)電層的鐵磁層，特 別是所說夾裹有導(dǎo)電層的鐵磁層外套裝有線圈，所說線圑和鐵磁層均由絕緣 層裹覆。
作為巨磁阻磁傳感器的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的線圈為難射工藝形成的徹型
螺線管，其長、寬和髙的尺寸分別為20~ 2000徽米、10~ 2000微米和10~ 100徹米；所述的線豳的繞制方向?yàn)榇怪庇趯?dǎo)電層的電流方向；所述的基片 為硅片或石英片或藍(lán)寶石片或碳化硅片。
巨磁阻磁傳感器的制備方法包括基片的清潔和于其上進(jìn)行的掩模、光刻 或離子刻蝕、半導(dǎo)體薄膜加工工藝，特別是它是按以下步驟完成的(a)先 使用掩模、光刻或離子刻蝕工藝于基片上刻制線圏下層導(dǎo)線的陣列圖形，再 使用直流磁控濺射工藝于其上濺射金屬材料生成線圏下層導(dǎo)線陣列；(b)先 于基片上的線圈下層導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線的兩端部使用掩模工藝，再使用射 頻磁控濺射工藝或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝于覆有線豳下層導(dǎo)線陣列的 基片上生成下絕緣層；(c)使用半導(dǎo)體薄膜加工工藝于下絕緣層上生成由鐵 磁層、導(dǎo)電層和鐵磁層構(gòu)成的磁電阻傳感器；(d)使用射頻磁控濺射工藝或 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝于覆有磁電阻傳感器的下絕緣層上生成中絕緣 層，同時在生成中絕緣層的過程中配合使用掩模工藝來于基片上的線圍下層 導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線的兩端部處的中絕緣層中生成空心柱；(e)使用直流磁 控濺射工藝于中絕緣層中的空心柱處濺射金屬材料生成線圉豎直導(dǎo)線；(f) 先使用掩模、光刻或離子刻蝕工藝于中絕緣層上刻制線圍上層導(dǎo)線的陣列圖
形，再使用直流磁控濺射工藝于其上濺射金屬材料生成線圍上層導(dǎo)線陣列， 并使線圃上層導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線的兩端部分別與中絕緣層中的線圈豎直導(dǎo)
線電連接；(g)使用射頻磁控濺射工藝或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝于覆 有線圍上層導(dǎo)線陣列的中絕緣層上生成上絕緣層，從而制得巨磁阻磁傳感器。 作為巨磁阻磁傳感器的制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的使用直流磁控濺 射工藝生成線豳下層導(dǎo)線、線圑豎直導(dǎo)線和線豳上層導(dǎo)線的金屬材料為金屬 金或金屬銀或金屬銅或金屬鎳或其合金；所述的線圈下層導(dǎo)線和線圈上層導(dǎo)
線的寬度均為0.5~1.5微米、厚度均為0.5~1.5微米；所^1的下絕緣層、 中絕緣層和上絕緣層均為二氧化硅層，其中，下絕緣層和上絕緣層的厚度均 為2~2.5微米，中絕緣層的厚度為8~9.5徹米；所述的鐵磁層中的鐵磁體 為非晶或納米晶的鐵鈷硅硼(FeCoSiB)或鈷硅硼(CoSiB)或鐵銅釹硅硼 (FeCuNbSiB)，其厚度為10~ IOO咖；所述的導(dǎo)電層中的導(dǎo)電體為金厲金或 金屬銀或金厲銅或金屬鎳或其合金，其厚度為10~100nm。
相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，套裝于夾裹有導(dǎo)電層的鐵磁層外 的線圈，既能為由鐵磁層、導(dǎo)電層和鐵磁層構(gòu)成的磁電阻傳感器提供偏置磁 場，又能使其發(fā)出的磁場的磁力線精確地平行于磁電阻傳感器，還不會受自 身或外界的影響而使其與磁電阻傳感器間發(fā)生任何相對位移，同時還易于通 過調(diào)整線圍電流，方便地對其發(fā)出的磁場強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而使磁電阻傳感 器的適用性得以大大地增加。極大地提髙了磁電阻傳感器對磁場響應(yīng)的靈敏 度和測試的精確度，大大地穩(wěn)定了其性能和質(zhì)量，極易于工業(yè)化的生產(chǎn)；其 二，對制得的本發(fā)明磁傳感器測試后，由測試結(jié)果，即電阻隨外部磁場的變
化曲線可知，磁電阻變化率接近100%,表現(xiàn)出了較高的巨磁阻效應(yīng)，當(dāng)在其
上預(yù)加有一定的偏置磁場后，如果存在另外一個較小的外加磁場的方向與偏
置磁場的方向相同，本發(fā)明磁傳感器的磁電阻將增加，反之，磁電阻降低， 印證了其具有對外部磁場方向髙度靈敏辨別的性能；其三，制備方法科學(xué)、
合理，且簡單便捷、效果顯著、易掌握，便于工業(yè)化實(shí)施。
作為有益效果的進(jìn)一步體現(xiàn)， 一是線圍為釆用濺射工藝形成的徹型螺線 管，其長、寬和高的尺寸分別為20~ 2000微米、10~ 2000徹米和10~100 微米，使其不僅具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)，還有著功耗低、制作成本也 低的優(yōu)點(diǎn)；二是線圃的繞制方向采用垂直于導(dǎo)電層的電流方向，除易于調(diào)整 線圍，使其磁場發(fā)出的磁力線能與磁電阻傳感器精確地平行之外，還因其磁 場發(fā)出的磁力線與導(dǎo)電層電流流動時產(chǎn)生的磁場的磁力線間是呈垂直狀態(tài) 的，此時兩者間的相互作用力最大，而得以能以最小的輸入獲得最大的偏置
作用；三是基片選用硅片或石英片或藍(lán)寶石片或碳化硅片，使基片原料的來
源廣且易得；四是線困下層導(dǎo)線和線圑上層導(dǎo)線的寬度均選為0.5~1.5微 米、厚度均選為0. 5 ~ 1. 5徹米，完全滿足了線圉工作時的對其通流量的需要;
五是下絕緣層、中絕緣層和上絕緣層均逸用二氧化硅層，且其厚度僅為2~
9.5傲米，既滿足了絕緣等級的要求，又有著制作成本低的特點(diǎn)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖i是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖2是對制得的本發(fā)明磁傳感器進(jìn)行測試后獲得的電阻隨外部磁場變化 的曲線圖，測試時的條件為溫度為25X:，驅(qū)動電流頻率為lMHz，圖中的橫坐 標(biāo)為外加磁場，縱坐標(biāo)為磁阻。由測試結(jié)果可知，磁電阻的變化率接近100%，
表現(xiàn)出了較髙的巨磁阻效應(yīng)；圖中A處所示為，當(dāng)在本發(fā)明磁傳感器上預(yù)加
有一定的偏置磁場后，如果存在另外一個較小的外加磁場的方向與偏置磁場 的方向相同，則本發(fā)明磁傳感器的磁電阻將增加，反之，磁電阻將發(fā)生一定 程度的降低，從而印證了本發(fā)明磁傳感器在偏置磁場的作用下，具有對外部
磁場方向的高度靈敏辨別性；
圖3是本發(fā)明制備方法的過程示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1,巨磁阻磁傳感器的構(gòu)成為基片1上置有絕緣
層2和線圈3，線圈3中套裝有夾裹著導(dǎo)電層5的鐵磁層4。其中，基片1 為硅片。鐵磁層4的厚度為10nm，鐵磁層4中的鐵磁體采用非晶的鐵鈷硅硼 (FeCoSiB)。導(dǎo)電層5的厚度為10nm，導(dǎo)電層5中的導(dǎo)電體選用金屬銅。線 團(tuán)3為濺射工藝形成的徹型螵線管，其是由金屬銅經(jīng)濺射工藝而得到的線團(tuán) 下層導(dǎo)線31、線圍豎直導(dǎo)線32和線圍上層導(dǎo)線33相連接組成，其中的線圃 下層導(dǎo)線31和線圈上層導(dǎo)線33的寬度均為0. 5微米、厚度均為0. 5微米； 線圈3的繞制方向?yàn)榇怪庇趯?dǎo)電層5的電流方向，其長、寬和髙的尺寸分別 為80微米、80微米和50微米。絕緣層2為二氧化硅層，線圍3和鐵磁層4 均被該二氧化硅層裹覆?。辉摱趸鑼佑上陆^緣層、中絕緣層和上絕緣層 均組成，其中的下絕緣層和上絕緣層的厚度均為2微米，中絕緣層的厚度為 8微米。
參見圖2和圖3,巨磁阻磁傳感器的制備方法為，首先用常規(guī)方法制得 或從巿場購得商業(yè)化的金屬金、金屬銀、金屬銅、金屬鑲和其合金、二氧化 硅、非晶或納米晶的鐵鈷硅硼(FeCoSiB)、鈷硅硼(CoSiB)和鐵鑣釹辟硼 (FeCuNbSiB)，接著，按以下步驟依次完成制備a)先使用掩模、光刻(或
離子刻蝕)工藝于基片上刻制線圍下層導(dǎo)線31的陣列圖形，再使用直流磁控 濺射工藝于其上濺射金厲材料金厲銅生成如圖3(a)圖中所示的線圍下層導(dǎo) 線31陣列；其中，線圈下層導(dǎo)線31的寬度為0.5 (可為0.5~1.5)傲米、 厚度為0.5(可為0.5~1.5)徹米。b)先于基片上的線圈下層導(dǎo)線31陣列 的每根導(dǎo)線的兩端部使用掩模工藝，再使用射頻磁控濺射(或等離子增強(qiáng)化 學(xué)氣相淀積)工藝于覆有線圍下層導(dǎo)線31陣列的基片上生成下絕緣層；其中， 下絕緣層為二氧化硅層，厚度為2(可為2~2.5)微米，在下絕緣層中對應(yīng)線 圈下層導(dǎo)線31陣列的每根導(dǎo)線的兩端部處留有如圖3 (b)圖中所示的空心 柱30。 c)使用半導(dǎo)體薄膜加工工藝于下絕緣層上生成如圖3(b)圖中所示 的由鐵磁層、導(dǎo)電層和鐵磁層構(gòu)成的磁電阻傳感器；其中，鐵磁層中的鐵磁 體為納米晶的鐵鈷硅硼(FeCoSiB),其厚度為10 (可為10~100) nm,導(dǎo)電 層中的導(dǎo)電體為金屬銅，其厚度為10 (可為10~100)咖。d)使用射頻磁 控濺射(或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積)工藝于覆有磁電阻傳感器的下絕緣層 上生成中絕緣層，同時在生成中絕緣層的過程中配合使用掩模工藝來于基片 上的線圍下層導(dǎo)線31陣列的每根導(dǎo)線的兩端部處的中絕緣層中生成如圖3 (c)圖中所示的空心柱30;其中，中絕緣層為二氧化硅層，厚度為8(可為 8~9.5)徹米。e)使用直流磁控濺射工藝于中絕緣層中的空心柱30處濺射 金屬材料金屬銅生成如圖3(d)圖中所示的線團(tuán)豎直導(dǎo)線32。 f)先使用掩 模、光刻(或離子刻蝕)工藝于中絕緣層上刻制線圃上層導(dǎo)線33的陣列圖形， 再使用直流磁控濺射工藝于其上濺射金厲材料金屬銅生成如圖3(e)圖中所 示的線圃上層導(dǎo)線33陣列，并使線圉上層導(dǎo)線33陣列的每根導(dǎo)線的兩端部 分別與中絕緣層中的線圃豎直導(dǎo)線32電連接；其中，線圏上層導(dǎo)線33的寬 度為0.5(可為0.5~].5)微米、厚度為0.5(可為0.5~1.5)微米。g)使 用射頻磁控濺射(或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積)工藝于覆有線圈上層導(dǎo)線33 陣列的中絕緣層上生成上絕緣層;其中，上絕緣層為二氧化硅層，厚度為2 (可 為2~2.5)徹米。從而制得如圖1和圖3 (f)圖以及圖2中曲線所示的巨磁
阻磁傳感器.
再分別選用金厲材料中的金屬金或金屬銀或金屬鎳或其合金、二氣化珪、 鐵磁體中的非晶或納米晶的鈷硅硼(CoSiB)或鐵銅釹桂硼(FeCuNbSiB)，重
復(fù)上述制備的過程，同樣制得如圖l和圖3(f)圖以及圖2中曲線所示的巨 磁阻磁傳感器。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的巨磁阻磁傳感器及其制備方法 進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這 些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意 圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種巨磁阻磁傳感器，包括基片(1)和其上的絕緣層(2)、夾裹有導(dǎo)電層(5)的鐵磁層(4)，其特征在于所說夾裹有導(dǎo)電層(5)的鐵磁層(4)外套裝有線圈(3)，所說線圈(3)和鐵磁層(4)均由絕緣層(2)裹覆。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巨磁阻磁傳感器，其特征是線圍(3)為濺射 工藝形成的徹型螺線管，其長、寬和髙的尺寸分別為20~ 2000徹米、10~ 2000 微米和10~100微米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的巨磁阻磁傳感器，其特征是線圍(3)的 繞制方向?yàn)榇怪庇趯?dǎo)電層(5)的電流方向。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的巨磁阻磁傳感器，其特征是基片(1)為硅片 或石英片或藍(lán)寶石片或碳化硅片。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的巨磁阻磁傳感器的制備方法，包括基片的清潔 和于其上進(jìn)行的掩模、光刻或離子刻蝕、半導(dǎo)體薄膜加工工藝，其特征在于 是按以下步驟完成的(a) 先使用掩模，光刻或離子刻蝕工藝于基片上刻制線圈下層導(dǎo)線 的陣列圖形，再使用直流磁控濺射工藝于其上濺射金屬材料生成線圍下層導(dǎo) 線陣列；(b) 先于基片上的線圃下層導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線的兩端部使用掩模 工藝，再使用射頻磁控濺射工藝或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝于覆有線圃 下層導(dǎo)線陣列的基片上生成下絕緣層；(c) 使用半導(dǎo)體薄膜加工工藝于下絕緣層上生成由鐵磁層、導(dǎo)電層 和鐵磁層構(gòu)成的磁電阻傳感器；(d) 使用射頻磁控濺射工藝或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝于覆有 磁電阻傳感器的下絕緣層上生成中絕緣層，同時在生成中絕緣層的過程中配 合使用掩模工藝來于基片上的線圈下層導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線的兩端部處的中 絕緣層中生成空心柱；(e) 使用直流磁控濺射工藝于中絕緣層中的空心柱處濺射金羼材料 生成線團(tuán)豎直導(dǎo)線；(f) 先使用掩模、光刻或離子刻蝕工藝于中絕緣層上刻制線圍上層導(dǎo)線的陣列圖形，再使用直流磁控濺射工藝于其上濺射^厲林料生成線圑上 層導(dǎo)線陣列，并使線圍上層導(dǎo)線陣列的每根導(dǎo)線的兩端部分別與中絕緣層中的線圑豎直導(dǎo)線電連接；(g)使用射頻磁控濺射工藝或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積工藝于覆有 線圍上層導(dǎo)線陣列的中絕緣層上生成上絕緣層，從而制得巨磁阻磁傳感器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巨磁阻磁傳感器的制備方法，其特征是使用直 流磁控濺射工藝生成線圈下層導(dǎo)線、線圍豎直導(dǎo)線和線圃上層導(dǎo)線的金厲材
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的巨磁阻磁傳感器的制備方法，其特征是線 圈下層導(dǎo)線和線圈上層導(dǎo)線的寬度均為0. 5 ~ 1. 5微米、厚度均為0. 5 ~ 1. 5 徵米。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巨磁阻磁傳感器的制備方法，其^F征是下絕緣層、中絕緣層和上絕緣層均為二氧化硅層，其中，下絕鳒層和上絕緣層的厚 度均為2 ~ 2. 5傲米，中絕緣層的厚度為8 ~ 9. 5徹米。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巨磁阻磁傳感器的制備方法，其特征是鐵磁層中的鐵磁體為非晶或納米晶的鐵鈷硅硼或鈷硅硼或鐵銅釹硅硼，其厚度為 10~ 100nm。
10、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的巨磁阻磁傳感器的制備方法，其特征是導(dǎo)電層中的導(dǎo)電體為金屬金或金屬銀或金屬銅或金屬鎳或其合金，其厚度為10~ IOO咖'
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巨磁阻磁傳感器及其制備方法。傳感器包括基片(1)和其上的絕緣層(2)、夾裹有導(dǎo)電層(5)的鐵磁層(4)，特別是夾裹有導(dǎo)電層(5)的鐵磁層(4)外套裝有線圈(3)，線圈(3)和鐵磁層(4)均由絕緣層(2)裹覆；方法為先后分別多次使用掩模、光刻或離子刻蝕、直流磁控濺射、射頻磁控濺射或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、半導(dǎo)體薄膜加工工藝于基片上進(jìn)行刻制、濺射和生成出線圈下層導(dǎo)線、下絕緣層、由鐵磁層、導(dǎo)電層和鐵磁層構(gòu)成的磁電阻傳感器、中絕緣層、線圈豎直導(dǎo)線、線圈上層導(dǎo)線和上絕緣層，并將線圈下層導(dǎo)線、線圈豎直導(dǎo)線和線圈上層導(dǎo)線電連接，從而制得巨磁阻磁傳感器。它具有高的精度和靈敏度，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號H01L43/08GK101212017SQ20061015597
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月26日
發(fā)明者姬長建, 尹志軍, 李新化, 林新華, 王玉琦, 凱 邱, 飛 鐘, 陳家榮, 陳池來, 高理升 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院