一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件制造技術(shù)

一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，屬于磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域。包括位于同一襯底基片上的GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元，GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元之間采用金屬連接電極實(shí)現(xiàn)串聯(lián)。本發(fā)明專利技術(shù)在確鑿的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，將GMR磁敏傳感器的工作模式由直流驅(qū)動(dòng)變?yōu)榻涣黩?qū)動(dòng)，同時(shí)兼顧GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器的靈敏度選擇合適的驅(qū)動(dòng)頻率。本發(fā)明專利技術(shù)提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，采用同一低頻交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在弱磁場和強(qiáng)磁場下分別通過GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場的測量。克服了現(xiàn)有GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器固有的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)0~2000Gauss全量程范圍的高精度測量。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于磁傳感器
，涉及巨磁阻抗和巨磁電阻相結(jié)合的磁敏傳感器。
技術(shù)介紹
巨磁阻抗效應(yīng)(Giant Magneto-1mpedance,簡稱GMI)是由日本名古屋大學(xué)K. Mohri在1992年發(fā)現(xiàn)并提出的，是指在一定頻率的交流信號(hào)激勵(lì)下，材料的阻抗隨著外加磁場的變化而發(fā)生顯著變化的效應(yīng)。非晶軟磁絲、薄帶及其薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的材料都具有較大的GMI效應(yīng)。S. Xiao等人利用射頻濺射法制備的Fe73.5Si13.5B9CUlNb3/Cu/Fe73^Si115B9Cu1Nb3三層膜中觀察到阻抗變化率高達(dá)1700%，靈敏度高達(dá)87%/0e (Phy. Rev.B 2000, 61，5734-5739)。GMI磁敏傳感器就是基于GMI效應(yīng)的高靈敏磁場傳感器，其阻抗變 ΓΖ νΖ Ο 化率由公式v z(Q)V 100%算出，其中Z(H)，Ζ(0)分別為有、無外加磁場時(shí)的阻抗。GMI磁場傳感器是典型的交流驅(qū)動(dòng)器件，可采用高頻交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)予以激勵(lì)，但其缺點(diǎn)是所測磁場范圍較窄，一般為(Γ幾十高斯。巨磁電阻效應(yīng)Giant Magneto-resistance,簡稱GMR)是由德國的彼得 格林貝格和法國的艾爾伯·費(fèi)爾在1988年發(fā)現(xiàn)的，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，是指材料的電阻率隨著外加磁場的變化而產(chǎn)生顯著變化的效應(yīng)。利用GMR效應(yīng)已經(jīng)形成巨磁阻磁頭、存儲(chǔ)器和磁場傳感器等多種商業(yè)化器件。GR Nabiyouni等人在Si沉底的Co/Cu, Ni/Cu多層中測到可使電阻變化的磁場范圍到達(dá)2000Gauss (Metrol. Meas.Syst. 2009，16，519-529)。GMR磁敏傳感器就是基于GMR效應(yīng)的高靈敏磁場傳感器，其電阻變化率由公式R =[R(t^^(0)]xK)0%算出，其中R(H)，R(0)分別為有、無外加磁場時(shí)的電 R(O)阻。GMR磁敏傳感器雖然能夠測量的磁場范圍很寬(在30GauSiT2000GauSS之間)，但由于受到GMR多層結(jié)構(gòu)中磁性層矯頑力的限制，其磁疇翻轉(zhuǎn)頻率較低，通常被認(rèn)為是一種典型的直流驅(qū)動(dòng)器件(其驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常采用直流信號(hào)予以激勵(lì))，且GMR磁敏傳感器無法準(zhǔn)確測量磁場強(qiáng)度小于30Gauss的微弱磁場。由此可見，GMI磁敏傳感器優(yōu)勢是在弱磁場的高靈敏度，GMR磁敏傳感器在高磁場區(qū)有較好的線性度，如何將二者結(jié)合起來，對(duì)弱、強(qiáng)磁場測試中的優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)在0^2000Gauss范圍內(nèi)高靈敏度的磁敏傳感器，是本領(lǐng)域需要解決的技術(shù)問題。中國專利文獻(xiàn)CN1694275號(hào)公開了基于軟磁多層膜下的GMI效應(yīng)的磁敏傳感器件，中國專利文獻(xiàn)CN102323554號(hào)公開了集成線圈偏置下的GMR效應(yīng)的磁敏傳感器件。此夕卜，還有很多關(guān)于巨磁阻抗和巨磁電阻設(shè)計(jì)的磁敏傳感器件，但是將GMI和GMR兩種磁場傳感器結(jié)合起來形成一種能夠同時(shí)準(zhǔn)確測量弱磁場和強(qiáng)磁場的新型磁場傳感器，到目前為止國內(nèi)外專利均無相關(guān)報(bào)道
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，通過將GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器串聯(lián)集成在同一襯底基片上，利用兩種器件各自的優(yōu)勢互補(bǔ)性，采用交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，形成OlOOOGauss范圍內(nèi)的全量程、高精度磁場傳感器。本專利技術(shù)技術(shù)方案如下—種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件,如圖1、2所不,包括位于同一襯底基片I上的GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3 ;所述GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3之間具有金屬連接電極4實(shí)現(xiàn)二者相互串聯(lián)，GMI結(jié)構(gòu)單元2另一端具有金屬電極5作為整個(gè)磁敏傳感器件的輸入或輸出電極，GMR結(jié)構(gòu)單兀3另一端具有金屬電極6作為整個(gè)磁敏傳感器件的輸出或輸入電極。本專利技術(shù)提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，使用時(shí)如圖3所示，在GMI結(jié)構(gòu) 單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3形成的串聯(lián)電路兩端輸入交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后在待測磁場環(huán)境中分別提取GMI結(jié)構(gòu)單元2兩端、GMR結(jié)構(gòu)單元3兩端，以及GMI結(jié)構(gòu)單元2和GMR結(jié)構(gòu)單元3形成的串聯(lián)電路兩端的電壓信號(hào)VeM1、Vgme, VeMI■送入后續(xù)處理電路經(jīng)計(jì)算、判斷得到待測磁場大小。本專利技術(shù)的實(shí)質(zhì)是將GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器串聯(lián)集成在同一襯底基片上，利用兩種器件各自的優(yōu)勢互補(bǔ)性，采用交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，形成OlOOOGauss范圍內(nèi)的全量程高精度磁場傳感器。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為GMI磁敏傳感器是交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而GMR磁敏傳感器是直流驅(qū)動(dòng)器件，因此通常認(rèn)為二者無法結(jié)合在一起并采用相同的驅(qū)動(dòng)信號(hào)予以激勵(lì)。而實(shí)際上，GMR磁敏傳感器為多層膜器件，對(duì)于采用電流垂直于膜面加載的GMR器件來說，在頻率不太高的情況下，其阻抗變化與外加磁場仍然具有很好的線性關(guān)系。本專利就是以此為出發(fā)點(diǎn)，突破傳統(tǒng)思維模式，將通常認(rèn)為的交流驅(qū)動(dòng)GMI磁敏傳感器和直流驅(qū)動(dòng)的GMR磁敏傳感器串聯(lián)在一起，采用較低頻率(75 125KHz)的交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，形成OlOOOGauss全量程、高精度磁敏傳感器。將上述形成的傳感器接入驅(qū)動(dòng)電路中，通過實(shí)驗(yàn)確定最佳驅(qū)動(dòng)電流的頻率。最佳驅(qū)動(dòng)頻率的選擇依據(jù)是=GMI單元的磁場靈敏度要優(yōu)于GMR單元，并且GMR的靈敏度會(huì)隨驅(qū)動(dòng)頻率的增加而減小，而太低的驅(qū)動(dòng)頻率會(huì)降低GMI的靈敏度，二者靈敏度隨頻率的變化趨勢如圖4和圖5所示。因此需要選擇合適的驅(qū)動(dòng)頻率，達(dá)到犧牲一定的GMI性能而盡量保持GMR靈敏度的目的。經(jīng)驗(yàn)算，本專利技術(shù)采用75 125KHz (優(yōu)選85KHZ)的交流電作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本專利技術(shù)提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，并非是簡單地將GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器串聯(lián)在一起，而是在確鑿的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，將GMR磁敏傳感器的工作模式由直流驅(qū)動(dòng)變?yōu)榻涣黩?qū)動(dòng)，同時(shí)兼顧GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器的靈敏度選擇合適的驅(qū)動(dòng)頻率來實(shí)現(xiàn)的。本專利技術(shù)提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，采用同一低頻交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在弱磁場和強(qiáng)磁場下分別通過GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場的測量。克服了現(xiàn)有GMI磁敏傳感器和GMR磁敏傳感器固有的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)OlOOOGauss全量程范圍的高精度測量。附圖說明圖1為本專利技術(shù)提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)提供的另一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本專利技術(shù)提供的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件及外圍電路整體框架圖。圖4為GMR結(jié)構(gòu)單元在不同驅(qū)動(dòng)頻率下的阻抗變化率與磁場的關(guān)系曲線圖。箭頭方向?yàn)轭l率增大的方向。圖5為GMI結(jié)構(gòu)單元的阻抗變化率與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系曲線圖。圖6為85KHz、IOmA激勵(lì)下GMI結(jié)構(gòu)單元和GMR結(jié)構(gòu)單元的阻抗變化率隨外磁場的變化曲線。可以看出在O到30Gauss范圍內(nèi)，GMI結(jié)構(gòu)單元的變化率大于GMR結(jié)構(gòu)單元的變化率，并且在30Gauss左右兩者相等；在30Guass到2000Gauss范圍，GMR結(jié)構(gòu)單元的變化率大于GMI結(jié)構(gòu)單元的變化率。在O到30Gauss范圍內(nèi)GMI變化率可近似認(rèn)為是線性的，在30Guass到2000Gauss范圍GMR變化率可近似認(rèn)為是線性的。圖7為經(jīng)過單片機(jī)處理后傳感器的總輸出曲線。具體實(shí)施例方式—種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件,如圖1、2所不,包括位于同一襯底基片I本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，包括位于同一襯底基片（1）上的GMI結(jié)構(gòu)單元（2）和GMR結(jié)構(gòu)單元（3）；所述GMI結(jié)構(gòu)單元（2）和GMR結(jié)構(gòu)單元（3）之間具有金屬連接電極（4）實(shí)現(xiàn)二者相互串聯(lián)，GMI結(jié)構(gòu)單元（2）另一端具有金屬電極（5）作為整個(gè)磁敏傳感器件的輸入或輸出電極，GMR結(jié)構(gòu)單元（3）另一端具有金屬電極（6）作為整個(gè)磁敏傳感器件的輸出或輸入電極。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件,包括位于同一襯底基片(I)上的GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3);所述GMI結(jié)構(gòu)單元(2)和GMR結(jié)構(gòu)單元(3)之間具有金屬連接電極(4)實(shí)現(xiàn)二者相互串聯(lián)，GMI結(jié)構(gòu)單元(2)另一端具有金屬電極(5)作為整個(gè)磁敏傳感器件的輸入或輸出電極，GMR結(jié)構(gòu)單兀(3)另一端具有金屬電極(6)作為整個(gè)磁敏傳感器件的輸出或輸入電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GMI和GMR相結(jié)合的磁敏傳感器件，其特征在于，所述GMI結(jié)構(gòu)單元...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：宋遠(yuǎn)強(qiáng)，周維為，向勇，張博，劉愛芳，嚴(yán)鵬飛，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：