一种微型无线圈磁通门传感器及其制备方法与流程

本发明涉及微型传感器领域，尤其涉及一种微型无线圈磁通门传感器及其制备方法。

背景技术：

磁通门传感器是一种具有非常优良综合性能的矢量磁场测量器件。无线圈磁通门采用Cu导线上电镀磁层的线-芯结构，没有激励线圈和感应线圈。无线圈磁通门是基于铁磁性磁通门铁芯的螺旋各向异性原理，如何使电镀的铁芯具有螺旋各向异性是线-芯结构无线圈磁通门能否工作的关键。

文献1“Fluxgate effect in twisted magnetic wire.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320：e974e978”公开了一种应力感生螺旋各向异性无线圈磁通门。对电镀的双金属线，里层是铜导线，通激励电流；外层是电镀NiFe层。机械扭转装置反向旋转所产生的扭矩施加到双金属线上，使NiFe层因机械扭转产生螺旋各向异性。文献2“Magnetic Microwires With Field-Induced Helical Anisotropy for Coil-Less Fluxgate.IEEE Transactions on Magnetic，2010，43(7)：2562-2565”公开了一种磁场感生螺旋各向异性无线圈磁通门。在电镀的过程中，利用赫姆霍兹线圈产生的长轴磁场和流过Cu导线的直流电流产生的圆周磁场的叠加来产生螺旋场，使电镀NiFe层产生螺旋各向异性。

然而，文献1施加到NiFe层的扭矩并非一个常量，因为NiFe层内温度的变化会改变由扭矩所产生的NiFe层内的结构，从而导致灵敏度和输出电压的改变，即此种方法对无线圈磁通门的输出稳定性影响大。而且文献1和文献2中NiFe层螺旋各向异性旋转角度不易控制与调整。

技术实现要素：

为了克服现有技术对螺旋各向异性旋转角度控制与调整的不足的问题。

本发明的技术解决方案如下：

根据本发明的第一方面，本发明提供一种微型无线圈磁通门传感器，包括 NiFe线、NiFe线引线焊盘、Cu导线15和Cu导线引线焊盘16；所述NiFe线由上层NiFe线12和下层NiFe线13两部分构成；所述NiFe线引线焊盘包括上层NiFe线引线焊盘121和下层NiFe线引线焊盘131；上层NiFe线12和下层NiFe线13分别位于Cu导线15的上面或下面；上层NiFe线12和下层NiFe线13为不同的排布方向；上层NiFe线12和下层NiFe线13在首尾处依次交替相连；上层NiFe线12由上层NiFe线引线焊盘121引出；下层NiFe线13由下层NiFe线引线焊盘131引出；上层NiFe线12与下层NiFe线13将Cu导线15包围在中间，Cu导线15由两端的Cu导线引线焊盘16引出。

优选的，NiFe线(即上层NiFe线12和下层NiFe线13)与Cu导线15之间没有绝缘层和保护层。

NiFe线与Cu导线15之间没有绝缘层和保护层，可以使传感器的信号性能更强。

优选的，上层NiFe线12为逆时针方向旋转；下层NiFe线13为顺时针方向旋转，它们具有相同的旋转角度。

这样做的好处是上层和下层NiFe线由形状感生螺旋各向异性，NiFe层内的结构受温度影响小。

进一步优选的，上层NiFe线沿逆时针旋转角度为15°、30°、45°或60°四种方式；下层NiFe线沿顺时针旋转角度为-15°、-30°、-45°或-60°四种方式。

进一步优选的，微型无线圈磁通门传感器位于衬底11上，衬底11是带有SiO2绝缘层的Si衬底。

这样做的好处是Si衬底为整个结构提供支撑，Si衬底上的SiO2绝缘层用于绝缘。

根据本发明的第二方面，本发明提供一种微型无线圈磁通门传感器制备方法，包括以下步骤：

步骤1：Si衬底20上生长SiO2绝缘层21；

步骤2：生长Cu种子层22；

步骤3：制备下层NiFe层23；

步骤4：制备Cu层24；

步骤5：制备上层NiFe层25；

步骤6：去除Cu电镀种子层22；

步骤7：旋涂聚酰亚胺保护层。

优选的，所述步骤1具体为通过热氧化在Si衬底20生长SiO2绝缘层21，所生长的SiO2绝缘层21厚度优选为250nm。

优选的，所述步骤2具体为采用磁控溅射溅射生成Cu种子层22，优选的Cu种子层22的厚度为200nm。

优选的，所述步骤3具体为利用电镀工艺，结合下层NiFe掩膜板通过紫外光刻工艺制备下层NiFe层23。

优选的，所述步骤4具体为利用电镀工艺，结合Cu层掩膜板通过紫外光刻工艺制备Cu层24。

优选的，所述步骤5具体为利用电镀工艺，结合上层NiFe掩膜板通过紫外光刻工艺制备上层NiFe层25。

优选的，所述步骤6具体为通过湿法刻蚀去除Cu电镀种子层22。

优选的，所述步骤7具体为旋涂聚酰亚胺保护层，湿法刻蚀聚酰亚胺使用于引线的焊盘26露出。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用上层NiFe线和下层NiFe线的铁芯结构以及标准MEMS工艺，所以NiFe线由形状感生螺旋各向异性，故NiFe线内的结构受温度影响小；同时微加工工艺能很好控制与调整NiFe线螺旋各向异性旋转角度。

(2)本发明的微加工工艺制备流程简单，可提高产品良品率。

(3)本发明大量采用如紫外光刻、电镀、湿法刻蚀等低成本MEMS工艺，在保证与集成电路很好集成的前提下降低成本。

附图说明

图1为本发明微型无线圈磁通门传感器的俯视示意图。

图2为本发明微型无线圈磁通门传感器制备方法示意图。

附图标记说明：

11：衬底、12：上层NiFe线、13：下层NiFe线、121：上层NiFe线引线焊 盘、131：下层NiFe线引线焊盘、15：Cu导线、16：Cu导线引线焊盘。

20：Si衬底、21：SiO2绝缘层、22：Cu种子层、23：下层NiFe层、24：Cu层、25：上层NiFe层、26：焊盘。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。

如图1所示为本发明微型无线圈磁通门传感器的俯视示意图。由图1可知：本发明微型无线圈磁通门传感器包括NiFe线、NiFe线引线焊盘、Cu导线15和Cu导线引线焊盘16。

NiFe线由两部分构成分别为上层NiFe线12和下层NiFe线13。NiFe线引线焊盘包括上层NiFe线引线焊盘121和下层NiFe线引线焊盘131。上层NiFe线12和下层NiFe线13分别位于Cu导线15的上面或下面；上层NiFe线12和下层NiFe线13为不同的排布方向；例如上层NiFe线12为逆时针方向旋转，下层NiFe线13为顺时针方向旋转，但是它们具有相同的旋转角度；这样做的好处是上层和下层NiFe线由形状感生螺旋各向异性，NiFe层内的结构受温度影响小。

上层NiFe线12和下层NiFe线13在首尾处依次交替相连。NiFe线由两端的NiFe线引线焊盘引出，即上层NiFe线12由上层NiFe线引线焊盘121引出，下层NiFe线13由下层NiFe线引线焊盘131引出；上层NiFe线12与下层NiFe线13将Cu导线15包围在中间，NiFe线与Cu导线15两者之间没有绝缘层和保护层，Cu导线15由两端的Cu导线引线焊盘16引出。

整个微型无线圈磁通门传感器位于衬底11上，衬底11是带有SiO2绝缘层的Si衬底。Si衬底为整个结构提供支撑，Si衬底上的SiO2绝缘层用于绝缘。下层NiFe线13、Cu导线15和上层NiFe线12依次生长在SiO2绝缘层上。

本发明的微型无线圈磁通门传感器完全采用标准MEMS(Micro Electro Mechanical System)工艺。主要工艺包括：采用磁控溅射工艺制备电镀种子层，采用紫外光刻工艺(在制备NiFe线和Cu导线时，对各自的掩膜版用紫外光照射才能出现需要的图形)和电镀工艺制备NiFe线、Cu导线，采用湿法刻蚀工艺去除种子层。

如图2所示为本发明微型无线圈磁通门传感器的制备方法示意图。由图2可 知：本发明微型无线圈磁通门传感器的制备方法主要包括以下步骤：

步骤1：Si衬底20上生长SiO2绝缘层21。

上述步骤1具体为通过热氧化在Si衬底20生长SiO2绝缘层21，如图2(a)所示。所生长的SiO2绝缘层21厚度优选为250nm。

这里需要强调的是，通过步骤1得到的生长有SiO2绝缘层的Si衬底即为图1中的衬底11。

步骤2：生长Cu种子层22。

上述步骤2具体为采用磁控溅射溅射生成Cu种子层22，如图2(a)所示。优选的Cu种子层22的厚度为200nm。

这里Cu种子层22在电镀工艺时起导电作用。

步骤3：制备下层NiFe层23。

上述步骤3具体为利用电镀工艺，结合下层NiFe掩膜板通过紫外光刻工艺制备下层NiFe层23，如图2(b)所示。

这里需要强调的是，通过步骤3得到下层NiFe层23即为图1中的下层NiFe线13和下层NiFe线引线焊盘131。

步骤4：制备Cu层24。

上述步骤4具体为利用电镀工艺，结合Cu层掩膜板通过紫外光刻工艺制备Cu层24，如图2(c)所示。

这里需要强调的是，此步骤制备的Cu层24即为图1中的Cu导线15和Cu导线引线焊盘16。

步骤5：制备上层NiFe层25。

上述步骤5具体为利用电镀工艺，结合上层NiFe掩膜板通过紫外光刻工艺制备上层NiFe层25，如图2(d)所示。

这里需要强调的是，此步骤制备的上层NiFe层25即为图1中的上层NiFe线12和上层NiFe线引线焊盘121。

步骤6：去除Cu电镀种子层。

上述步骤6具体为通过湿法刻蚀去除Cu电镀种子层。进行这个步骤的原因是，因为在进行划片时，必须去除铜种子层才能进行划片。

步骤7：旋涂聚酰亚胺保护层。

上述步骤7具体为旋涂聚酰亚胺保护层，湿法刻蚀聚酰亚胺使用于引线的焊盘26露出，如图2(e)所示。这里引线的焊盘26是指图1中的上层NiFe线引线焊盘121、下层NiFe线引线焊盘131以及Cu导线引线焊盘16。聚酰亚胺的作用是保护焊盘。

上述步骤完全采用标准MEMS工艺。主要工艺包括：采用磁控溅射工艺制备电镀种子层，采用紫外光刻工艺和电镀工艺制备NiFe线、Cu导线，采用湿法刻蚀工艺去除种子层。上述步骤中大量采用紫外光刻、电镀和湿法刻蚀等低成本工艺保证了经济性。

上层NiFe线、下层NiFe线、Cu导线、NiFe线引线焊盘以及Cu导线引线焊盘等整个传感器的制作包括磁控溅射、紫外光刻、电镀和湿法刻蚀四种工艺步骤。

具体实施例：

根据前述的一种微型无线圈磁通门传感器及其制备方法所制作的微型无线圈磁通门传感器如下：

本实施例中，上层NiFe线和下层NiFe线采用电镀Ni81Fe19合金，宽度均为50μm，厚度均为1μm，上层NiFe线沿逆时针旋转角度为15°、30°、45°或60°四种方式，所述四种旋转角度分别对应的NiFe线长度为580μm、302μm、221μm或260μm，所述四种旋转角度分别对应的NiFe线间距为760μm、373μm、240μm或173μm，所述四种旋转角度分别对应的NiFe线匝数为7匝、13匝、21匝或29匝。

下层NiFe线沿顺时针旋转角度为-15°、-30°、-45°或-60°四种方式，所述四种旋转角度分别对应的NiFe线长度为580μm、302μm、221μm或260μm，所述四种旋转角度分别对应的NiFe线间距为760μm、373μm、240μm或173μm，所述四种旋转角度分别对应的NiFe线匝数为7匝、13匝、21匝或29匝。

需要说明的是：NiFe线匝数是指上层NiFe线或下层NiFe线的个数。Cu导线采用电镀Cu，长度为5000μm，宽度为50μm，厚度为2μm。

另外需要强调的是，上述实施例是四种不同结构的微型无线圈磁通门传感器。例如其中的一种为：上层NiFe线和下层NiFe线采用电镀Ni81Fe19合金， 宽度均为50μm，厚度均为1μm；上层NiFe线沿逆时针旋转角度为15°，长度为580μm，上层NiFe线间距为760μm，匝数为7匝；相应的下层NiFe线沿顺时针旋转角度为-15°，长度为580μm，下层NiFe线间距为760μm，匝数为7匝。

其他三种结构与上述类似。

本发明微型无线圈磁通门传感器采用上层NiFe线和下层NiFe线的结构，上层NiFe线与下层NiFe线分别沿逆时针和顺时针方向旋转相同角度，然后交替首尾依次相连。由于采用标准MEMS工艺，所以NiFe线由形状感生螺旋各向异性，故NiFe线内的结构受温度影响小；同时微加工工艺能很好控制与调整NiFe线螺旋各向异性旋转角度。

本发明公开的微型无线圈磁通门传感器的微加工工艺制备流程简单，可提高产品的良品率。