一种基于ltcc技术的低功耗磁阻传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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 temperatureCo-firedCeramics)技术实现低功耗磁阻传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002] 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= RQ+ARC0S2 0 (R。:零磁场下的电阻值；AR:各向异性磁阻最大变化值；0 :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/RESETFunction forMagneticSensors"，ApplicationnoteAN213,HoneywellSensorProducts,Solid StateElectronicsCenter,www.magneticsensors.com,December, 2002 中Figure3 所不。 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、C〇Fe、C〇等制成）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。
[0003] 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 =R。-ARC0S2 0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200e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1-5ym 的SiOjl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200e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200e大小的磁场 (U.S.PatentUS6717403B2)。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】
[0004] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种基于LTCC技术的低功耗磁阻传感 器及其制备方法。本发明磁阻传感器采用优化结构的置位/复位线圈层且采用LTCC技术 制备，使得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，且工艺简单，易于实现。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器，包括衬底、依次位于衬底之上的底层线 圈、第一生瓷料带层、顶层线圈、第二生瓷料带层、四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单 元层；所述底层线圈与顶层线圈通过金属通孔连接，且底层线圈与顶层线圈中电流流动方 向一致，可增强磁场。
[0007] 进一步地，所述衬底、底层线圈、第一生瓷料带层、顶层线圈、第二生瓷料带层、四 端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层的电桥引出导线部分采用LTCC技术制备，所述 四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层中的磁性传感单元采用真空镀膜技术制备。
[0008] 进一步地，所述底层线圈和顶层线圈的厚度为1~5ym，所述第一生瓷料带层和 第二生瓷料带层的厚度为10~50ym。
[0009] 进一步地，所述底层线圈和顶层线圈中的线间距相同，线宽相对应。
[0010] 一种基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1 :选用非磁性的LTCC介质材料作为流延基板材料，采用LTCC技术制作衬 底；
[0012] 步骤2 :在步骤1得到的衬底上制备底层线圈；然后在底层线圈上制备一层生瓷料 带膜片，得到第一生瓷料带层；
[0013] 步骤3 :在步骤2得到的第一生瓷料带层上制备顶层线圈，然后在顶层线圈上制备 一层或两层生瓷料带膜片，作为第二生瓷料带层；所述顶层线圈与底层线圈通过金属通孔 连接；
[0014] 步骤4 :在步骤3得到的第二生瓷料带层上制备四端惠斯通电桥式各向异性磁阻 传感单元层的电桥引出导线部分，然后进行生瓷料带膜片与金属导体的共烧；最后采用真 空蒸镀法沉积磁性材料，得到四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层中的磁性传感单 元，从而完成本发明所述磁阻传感器的制备过程。
[0015] 进一步地，步骤2所述底层线圈的制备使用银浆，采用丝网印刷的方法制备得到； 步骤3所述顶层线圈的制备使用银浆，采用丝网印刷的方法制备得到；所述金属通孔中采 用银浆填孔，实现底层线圈和顶层线圈的连通。
[0016] 进一步地，步骤4中所述电桥引出导线部分使用银浆制备，采用丝网印刷方法。
[0017] 进一步地，所述生瓷料带膜片的厚度为10~50ym，所述底层线圈和顶层线圈的 厚度为1~5ym。
[0018] 进一步地，所述底层线圈和顶层线圈中的线间距相同，线宽相对应。
[0019] 本发明的有益效果为：
[0020] 1、本发明采用底层线圈和顶层线圈组成的双层耦合型线圈作为置位/复位线 圈层，可大大提高磁场，使得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；通过理论仿真计算，在固定置位/复位线圈层所占用面积为长3000ym及宽 W彡3000ym范围内（参照目前Honeywell公司HMC102X系列产品置位/复位线圈层尺 寸），固定线间距dg为20ym，选用不同的线宽及线圈匝数的情况下，为距置位/复位线圈 层10-20iim(l-2层生瓷料带厚度）的四端惠斯通电桥式各向异性磁阻传感单元层提供 200e大小的磁场，其瞬时功耗仅在0. 189W-0. 368W之间，如表1所示，较目前商业化的同类 磁阻传感器的瞬时功耗有500%以上的下降。
[0021] 2、本发明将LTCC技术引入磁阻传感器的制备中，可方便实现双层线圈的制备，简 化了制备工艺，易于大规模实现；同时，由于LTCC技术中的生瓷料带膜片本身绝缘，不需要 另外镀制绝缘层，简化了磁阻传感器的制备工艺，降低了成本。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明提供的基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器中底层线圈和顶层线圈 组成的置位/复位线圈层的结构示意图，其中，1为底层线圈，2为顶层线圈，3为金属通孔；
[0023] 图2为本发明提供的基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器中顶层线圈的示意图；
[0024] 图3为本发明提供的基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器中底层线圈的示意图；
[0025] 图4为本发明提供的基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器中顶层预留四端惠斯通 电桥桥臂磁性传感单元制备区域及光刻对准标志示意图，其中，4为四端惠斯通电桥桥臂上 磁性传感单元镀制位置，5为光刻对准标志；
[0026]图5为本发明提供的基于LTCC技术的低功耗磁阻传感器置位/复位线圈电路作 用前后传感器响应曲线对比图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步地介绍。
[0028] 如图1所示，为本发明提供的磁阻传感器中的置位/复位线圈层的结构示意图；所 述置位/复位线圈层为双层耦合型线圈，包括底层线圈1和顶层线圈2,所述底层线圈和顶 层线圈通过金属通孔3连接，且底层线圈与顶层线圈中电流流动方向一致，可增强磁场。
[0029] 进一步地，所述底层线圈和顶层线圈中的线间距相同，线宽相对应。
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