[发明专利]一种基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，具体涉及一种采用LTCC(Low temperature Co-fired Ceramics)技术实现低功耗磁阻传感器的制备方法。

背景技术

各向异性磁阻传感器是利用磁性材料，如NiFe、CoFe、Co等，在不同的磁场作用下呈现不同的电阻值来实现对外磁场的探测；其中，各向异性磁电阻的大小R满足：R＝R₀+ΔRcos²θ(R₀：零磁场下的电阻值；ΔR：各向异性磁阻最大变化值；θ：电流方向与磁性层磁化方向的夹角)。目前该类传感器已广泛应用于磁阻编码器、位移传感器、电子罗盘等领域。而美国Honeywell公司是该类传感器的主要提供商。目前，该公司提供的磁阻传感器主要基于半导体技术结合真空薄膜沉积技术制成，其基本构成如SET/RESET Function for Magnetic Sensors,Application note AN213,Honeywell Sensor Products,Solid State Electronics Center,www.magneticsensors.com,December,2002中Figure 3所示。从该图中可见Honeywell公司提供的磁阻传感器采用Si基片作为基底材料，而整个传感器主要由偏置线圈层、置位/复位线圈层及四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层(由具有较大各向异性磁阻效应的材料，如NiFe、CoFe、Co等制成)三部分构成。其中偏置线圈层主要用于消除四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层在零场时的电桥偏置，由于对零场时电桥偏置的消偏也可由置位/复位线圈层来实现，因而在制备过程中可以省略。

对于一可靠的各向异性磁阻传感器，置位/复位线圈层是至关重要的，其主要起着保证各向异性磁阻传感器精度及可靠性的作用。置位/复位线圈层的功能如下：当四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层制备完成后，其用于磁传感的磁性层中的磁矩最初将沿平行于长轴方向取向，而其短轴方向则为探测方向。根据各向异性磁电阻的表达式R＝R₀+ΔRcos²θ可知，在测试电流方向一定的前提下，各向异性磁电阻的大小取决于磁性层的磁化方向，而磁性层的磁化方向由所需要探测的外磁场及探测前磁性层中的磁矩取向共同确定。由于探测前磁性层中磁矩取向会由于前次测试磁场及外界干扰磁场的影响而偏离最初沿平行于长轴方向的取向，因而为保证对磁场探测的准确性及可靠性，在利用各向异性磁电阻传感器进行探测前均需要将磁性层的磁矩磁化到平行于长轴方向的取向。而置位/复位线圈层就是利用置位/复位线圈中通过的电流所产生的沿磁性层长轴方向且足够大的磁场(一般为磁传感单元磁性层矫顽力的5倍)来实现将各向异性磁阻传感器磁性层中所有磁矩取向于平行长轴方向。以常用的各向异性磁阻传感材料NiFe为例，其一般需要置位/复位线圈层在各向异性磁阻传感器磁性层中产生大于20Oe的磁场来实现磁传感层中的磁性层磁矩沿长轴取向。但是，由于置位/复位线圈层与四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层均由金属材料制成，因而在这两层之间工业界一般采用真空沉积1-5μm的SiO₂层来实现这两层的绝缘，而绝缘层的加入提升了在各向异性磁阻传感器磁性层中产生大于20Oe磁场的难度。为了解决这一问题，以美国Honeywell公司为代表的该类传感器提供商，主要采用在置位/复位线圈上增加一层磁性辅助层来起到聚集磁力线增大磁场的作用，且置位/复位线圈中需要通以0.5A大小的电流才能达到所需20Oe大小的磁场(U.S.Patent US6717403B2)。但是，这种做法使得光刻、镀膜次数增加，增大了传感器制备的难度；另外，在每次测试前均会进行置位/复位操作，当其应用于密集型、大数据量以及不间断测试时，置位/复位操作将带来较大的能耗。以美国Honeywell公司的HMC1021型磁阻传感器为例，其置位/复位操作带来的瞬时能耗为1.75W。因此，如能从置位/复位线圈层结构优化设计出发，在不附加任何磁性辅助层的基础上，提供满足应用需求的磁场，并同时降低置位/复位操作所带来的能耗，且能在不增加或降低工艺难度的基础上实现该类传感器的制备，这将大大降低该类传感器的成本和制备难度，有助于磁传感领域的发展。

发明内容