磁传感器阵列集成结构及其制作方法技术

技术编号:14775207 阅读:261 留言:0更新日期:2017-03-09 12:30
本发明专利技术公布了一种磁传感器阵列集成结构及其制作方法,所述磁传感器阵列由偏置磁铁、体声波谐振器阵列芯片、芯片管脚、陶瓷封装基座、磁流体和玻璃覆片组成。所述体声波谐振器阵列芯片包括:硅衬底、布拉格声反射层、底电极、压电薄膜层、顶电极、过孔填充、电极焊盘。本发明专利技术所涉及的磁传感器阵列首次提出了利用高频剪切波检测磁流体在饱和偏置场下对外磁场的流变响应的磁测量机理,充分利用磁流体响应范围广和厚度剪切波模式体声波谐振器分辨率高、集成高度高的优点,实现了一种高精度、宽量程的新型磁传感器阵列,可以有效满足微弱磁场成像对磁传感器阵列的技术需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁传感器,具体地指一种基于磁流体声学负载效应的磁传感器阵列集成结构,适用于微弱生物磁场检测和成像、高分辨率磁场探伤等领域。
技术介绍
高分辨率、宽量程的磁传感器阵列在生物医学磁成像和诊断、无损磁探伤等方面具有巨大的应用前景。由于元件尺寸限制,目前用于构建磁传感器阵列的单元结构大多数是基于霍尔效应、磁阻效应(GMR、AMR)或磁隧道结(MTJ)效应的。尽管这类元件有可能实现低至nT级别的测量精度,但通常需要在器件结构设计时候对其测量精度进行优化并以减小量程为代价,因而其应用场合常常受到限制。例如:在GMR器件中,通过增加非磁层的厚度可加强弱磁场下的磁阻增益,但同时也大幅减小了器件的量程。因此,有必要研究具有高精度、宽量程、高集成度的磁传感器阵列。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术的不足而提供磁传感器阵列集成结构及其制作方法,该磁传感器阵列的集成结构基于磁流体声学负载效应与体声波谐振器设计,能够获得极高的测量精度和更宽的测量量程。实现本专利技术目的采用的技术方案是一种磁传感器阵列的集成结构,该结构包括:陶瓷封装基座,该基座内设有磁流体加注孔;体声波谐振器阵列芯片,设于所述陶瓷封装基座内;所述芯片包括位于顶端的电极焊盘;芯片管脚,其一端与所述电极焊盘连接,另一端位于所述陶瓷封装基座的下表面;磁流体,加注在所述磁流体加注孔内;以及偏置磁铁,设于所述陶瓷封装基座的底部。此外,本专利技术还提供一种磁传感器阵列的制作方法,该方法包括以下步骤:(a)在单面抛光的硅片上,通过热氧化的方法沉积一层不小于1um的SiO2薄膜;(b)在所述SiO2薄膜层上,采用磁控溅射方法依次沉积3个周期性的W和SiO2薄膜作为布拉格声反射层,每层W或SiO2层厚度为声波在其中波长的1/4;(c)使用光刻工艺在上述布拉格声学反射层上形成底电极图案,接着采用磁控溅射方法分别沉积Ti和Au薄膜,最后采用湿法剥离工艺形成完整的底电极图型;(d)在上述底电极和布拉格反射层上,通过磁控溅射方法沉积压电薄膜层,控制溅射工艺确保压电薄膜极化取向垂直于基底;(e)使用光刻工艺上述压电薄膜层上生成底电极过孔图案,采用反应离子刻蚀或者感应耦合离子刻蚀工艺在光刻胶镂空的区域刻蚀过孔。利用陪片控制刻蚀深度,过孔刻蚀结束后使用等离子去胶机干法去胶;(f)再次光刻,使用光刻胶保护上述底电极过孔以外区域,采用反溅方法对过孔内进行清洁,使用磁控建溅射工艺沉积TiN薄膜,直到过孔被填满后采用等离子去胶机干法去胶;(g)使用化学机械抛光工艺将压电薄膜和过孔填充物上表面抛光、磨平;(h)使用光刻工艺在上述压电薄膜上形成顶电极图案并保护已经刻蚀的过孔,接着采用磁控溅射方法依次沉积Ti和Au薄膜,再采用正胶剥离工艺形成完整的顶电极图型;(i)采用光刻工艺在上述底电极过孔填充物和顶电极列引出线上形成电极焊盘图案,通过磁控溅射方法分别沉积Ti和Au薄膜,溅射前使用反溅工艺清洁接触面,最后采用正胶剥离工艺形成完整的电极焊盘图型;(j)将芯片管脚固定在陶瓷封装基座内侧壁的管脚安装槽内,确保芯片管脚和陶瓷封装基座内壁平齐;(k)将上述(a-i)步骤所制备的体声波谐振器阵列芯片倒扣在陶瓷封装基座的芯片安装槽内,并采用倒装焊工艺焊接电极焊盘和芯片管脚。确保磁流体加注孔的底部与上述顶电极层紧密接触,并密封磁流体加注孔底部和顶电极之间的缝隙;(l)使用移液管向陶瓷封装基座上的每一个磁流体加注孔加注等量的磁流体液,确保磁流体没有溢出加注孔侧壁和顶电极所形成的空腔;(m)将偏置磁铁固定在陶瓷封装基座的磁铁安装槽内,确保偏置磁铁和上述(a-i)所制备的体声波谐振器阵列芯片的底部相互紧贴,并确保上述加注的磁流体被吸附在磁流体加注孔的底部;(n)在真空环境中,将玻璃覆片固定在陶瓷封装基座上的玻璃覆片安装槽内,在安装时需要对腔体抽真空,并密封玻璃覆片和安装槽之间的空隙。本专利技术所用体声波谐振器阵列芯片为厚度剪切谐振模式,能够精确监测置于其上的磁流体,当外磁场发生改变时,磁流体界面凝聚层内的波动力学特性发生改变,从而令其声学负载发生变化并引起谐振器发生频移。这种磁传感器阵列的结构具有以下两方面的优点:1)剪切波在液体环境中衰减较小,高频剪切波谐振器对于表面声学负载的变化具有极高的灵敏性,从而可以获得极高的测量精度。2)通过施加垂直方向的偏置磁场,调整磁流体流变力学特性,因而能实现远大于传统磁阻器件的磁响应范围,也就能实现更宽的测量量程。附图说明图1为本专利技术实施例所涉及的磁传感器阵列结构拆解示意图,其中,1为偏置磁铁、2为体声波谐振器阵列芯片、3为芯片管脚、4为陶瓷封装基座、5为磁流体、6为玻璃覆片。图2为图1中陶瓷封装基座4的结构示意图,其中,4a为磁流体加注孔、4b为玻璃覆片安装槽、4c为芯片安装槽、4d为偏置磁铁安装槽、4e为管脚安装槽。图3为图1中体声波谐振器阵列芯片2的结构示意图,其中,2a为硅衬底、2b为布拉格声学反射层、2c为底电极、2d为压电薄膜层、2e为过孔填充物、2f为顶电极、2g为电极焊盘。图4为图2中底电极2c示意图,其中,2c-1为呈行列分布的环形图案,2c-2为底电极行互联线。图5为图2中顶电极2f示意图,其中,2f-1为呈行列分布的圆形图案,2f-2为顶电极列互联线。图6为本专利技术实施例所涉及的磁传感器阵列组装示意图。图7为制作本专利技术磁传感器阵列结构方法每一步骤中所得产物的结构示意图。具体实施方式现在参照附图来详细描述本专利技术的示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数值表达式和数值不限制本专利技术的范围。以下对示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本专利技术及其应用或使用的任何限制。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不做详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。下面结合符合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明:本专利技术提供一种磁传感器阵列的集成结构,利用磁流体动态响应范围宽和厚度剪切模式的体声波波谐振器对声学负载检测灵敏度高的优点实现对磁场空间分布的高分辨率检测。参考图1,本专利技术所涉及的集成结构由偏置磁铁1、体声波谐振器阵列芯片2、芯片管脚3、陶瓷封装基座4、磁流体5、玻璃覆片6组装而成。偏置磁铁1为扁平形状,其上表面面积不小于体声波谐振器阵列芯片2的底面积,以确保偏置磁场覆盖本专利技术所有的器件。优选的,偏置磁铁1可用钕铁硼磁铁强力磁铁。参考图2,陶瓷封装基座4为Al2O3材质,从上到下依次设有:玻璃覆片安装槽4a、多个磁流体加注孔4b、芯片安装槽4c、偏置磁铁安装槽4d,其侧内壁还设有管脚安装槽4e。其中玻璃覆片安装槽4a为矩形,位于陶瓷封装基座4的顶端;磁流体加注孔4b设于玻璃覆片安装槽4c的下方,多个磁流体加注孔4b形成通孔阵列,每个磁流体加注孔4b为孔底半径小、孔顶半径大的通孔阵列,且孔径从孔顶至孔底逐渐变小形成倒锥形状;芯片安装槽4c为矩形,位于磁流体加注孔4b的下方;玻璃覆片安装槽4a、芯片安装槽4c、偏置磁铁安装槽4d的中心在垂直方向上对准。管脚安装槽4e位于陶瓷封装基座4的内壁并沿垂直方向延伸。参考图3,体声波谐振器阵列芯片2自下而上分别由:Si衬本文档来自技高网...
磁传感器阵列集成结构及其制作方法

【技术保护点】
一种磁传感器阵列集成结构,其特征在于,包括:陶瓷封装基座,该基座内设有磁流体加注孔;体声波谐振器阵列芯片,设于所述陶瓷封装基座内;所述芯片包括位于顶端的电极焊盘;芯片管脚,其一端与所述电极焊盘连接,另一端位于所述陶瓷封装基座的下表面;磁流体,加注在所述磁流体加注孔内;以及偏置磁铁,设于所述陶瓷封装基座的底端。

【技术特征摘要】
1.一种磁传感器阵列集成结构,其特征在于,包括:陶瓷封装基座,该基座内设有磁流体加注孔;体声波谐振器阵列芯片,设于所述陶瓷封装基座内;所述芯片包括位于顶端的电极焊盘;芯片管脚,其一端与所述电极焊盘连接,另一端位于所述陶瓷封装基座的下表面;磁流体,加注在所述磁流体加注孔内;以及偏置磁铁,设于所述陶瓷封装基座的底端。2.根据权利要求1所述磁传感器阵列集成结构,其特征在于所述陶瓷封装基座包括:玻璃覆片安装槽,其设于陶瓷封装基座的顶部,玻璃覆片安装槽内安装有玻璃覆片;多个磁流体加注孔,所述加注孔位于所述玻璃覆片安装槽的下方,加注孔的孔底半径小、孔顶半径大,且的孔径从孔顶至孔底逐渐变小;芯片安装槽,设于所述多个磁流体加注孔的下方,所述体声波谐振器阵列芯片安装在所述芯片安装槽内;偏置磁铁安装槽,设于所述芯片安装槽的下方,偏置磁铁安装在所述偏置磁铁安装槽内;以及管脚安装槽,设于陶瓷封装基座的内壁,所述芯片管脚镶嵌在所述管脚安装槽内;所述玻璃覆片安装槽、芯片安装槽和偏置磁铁安装槽的中心在垂直方向上对准。3.根据权利要求1所述磁传感器阵列集成结构,其特征在于所述体声波谐振器阵列芯片还包括Si衬底、布拉格声反射层、底电极、压电薄膜、过孔填充物和顶电极,所述Si衬底、布拉格声反射层、底电极、压电薄膜、过孔填充物和顶电极从下至上依次设置在所述电极焊盘的下方。4.根据权利要求3所述磁传感器阵列集成结构,其特征在于:所述硅衬底的抛光面上热氧化一层不小于1um的SiO2;所述布拉格反射层由三周期的W/Si薄膜在所述硅衬底的SiO2面上按照W在下、SiO2在上的次序依次交叠堆积,其中每层W或SiO2薄膜层厚度为声波在其中波长的1/4;所述底电极为Au/Ti双层结构,按照Ti在下、Au在上的次序沉积在所述布拉格声反射层上;所述压电薄膜层沉积在所述底电极和布拉格反射层上,压电薄膜层极化轴垂直于衬底方向;所述压电薄膜上设有过孔,过孔数量和底电极的行互联线相等;所述顶电极为Au/Ti双层结构,按照Ti在下、Au在上的次序沉积在所述压电薄膜层上;所述过孔填充物填充在所述压电薄膜层的过孔中,过孔填充物一端与底电极行引出线接触,另一端与所述压电薄膜上表面平齐;所述电极焊盘为Au/Ti双层结构,按照Ti在下、Au在上的次序沉积在过孔填充物顶部和顶电极列引出线顶端,其几何图形为圆形。5.根据权利要求4所述磁传感器阵列集成结构,其特征在于:所述底电极包括多个环形区域,多个环形区域呈行列分布,每一个环形区域对应于一个磁传感器单元,位于同一行的多个环形区域通过行互联线连接引出;所述顶电极包括多个实心圆形区域,多个实心圆形区域呈行列分布,每一个实心圆形区域对应于一个磁传感器单元,位于同一列的实心圆形区域通过列互联线连接后引出;所述顶电极上的每一个实心圆形区域与所述底电极中环型区域一一对应并同心对准。6.根据权利要求1~5任一项所述磁传感器阵列集成结构,其特征在于:所述偏置磁铁为扁平形状,其上表面面积不小于所述体声波谐振器阵列芯片的底面积。7.根据权利要求6所述磁传感器阵列集成结构,其特征在于:所述磁流体加注在上述磁流体加注孔的内侧壁与体...

【专利技术属性】
技术研发人员:闻心怡廖庆斌尤晓健陈梦珂姚蓉马剑陈刚
申请(专利权)人:中国船舶重工集团公司第七一九研究所
类型:发明
国别省市:湖北;42

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