專利名稱：一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息功能器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭及其制備方法。
背景技術(shù)：
自1994年以來(lái)，巨磁阻抗效應(yīng)的研究由于其在磁傳感器及信息存儲(chǔ)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，而倍受各國(guó)科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。早期的研究主要集中在從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究各種組分和材料形態(tài)(絲、帶和薄膜)在不同的工藝條件下的阻抗的磁場(chǎng)與頻率特性。這方面的研究已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展。為了使巨磁阻抗效應(yīng)能更好的應(yīng)用于實(shí)際，目前的研究重點(diǎn)是如何提高巨磁阻抗傳感器的阻抗變化率和靈敏度。
雖然與絲狀或帶狀材料相比較，薄膜材料更容易通過(guò)光刻等與集成電路工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)巨磁阻抗傳感器的微型化，但由于顯著的巨磁阻抗效應(yīng)更容易在絲狀或帶狀磁性材料中觀察到，所以目前商品化的巨磁阻抗傳感器均是由絲狀或帶狀材料制成。但由于磁性材料自身特性的原因，使得常規(guī)磁性材料在不加任何處置的情況下所體現(xiàn)出的巨磁阻抗效應(yīng)具有非線性特征，而且磁阻抗變化在零場(chǎng)附近呈現(xiàn)對(duì)稱性，使得制成的巨磁阻抗傳感器在零場(chǎng)附件對(duì)磁場(chǎng)的變化不敏感，靈敏度低。為了改善這一內(nèi)在缺陷，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界采用零場(chǎng)附近非對(duì)稱巨磁阻抗效應(yīng)可以大幅度提高傳感器的線性度和高靈敏度。絲狀或帶狀材料的非對(duì)稱巨磁阻抗效應(yīng)可以采用以下方法實(shí)現(xiàn)1)、偏置線圈法通過(guò)在傳感器上制備線圈，在線圈中通以電流產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)，如果將兩個(gè)沿相反方向偏置的巨磁阻抗探頭以差分形式相連，則可實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)附近的線性輸出；但采用額外線圈產(chǎn)生偏置場(chǎng)的方法不但要增加傳感器單元的制備難度與費(fèi)用，更為重要的是在于加電流產(chǎn)生偏置場(chǎng)會(huì)顯著增大探頭的功耗，這是傳感器在應(yīng)用時(shí)不希望看到的。2)、永磁偏置法與方式I)類似，但采用永磁體代替偏置線圈，這雖然不增加傳感器的功耗，但會(huì)增大傳感器的體積，不利于傳感器的小型化。3)、退火法對(duì)非晶帶狀材料在磁場(chǎng)下用不高于晶化溫度的溫度退火處理，則可形成表面晶化層，這種表面晶化層(硬磁)將與內(nèi)部的非晶層(軟磁)產(chǎn)生交換耦合作用而產(chǎn)生自偏置磁場(chǎng)，從而使巨磁阻抗效應(yīng)呈非對(duì)稱性[C. G. Kim, K. J. Jang, H. C. Kim, et al.，J. Appl. Phys. 85，1999，5447]]。由于這種非對(duì)稱特性是由于交換耦合作用形成的，所以功耗相對(duì)于方法I)大為減小，體積相對(duì)于方法2)也大為縮小，但由于這種硬磁/軟磁交換耦合場(chǎng)由退火形成，非晶磁性材料暴露于空氣中容易被氧化，會(huì)使制備的傳感器探頭的工作穩(wěn)定性隨時(shí)間的推移而降低，更為重要的是這種退火方式產(chǎn)生的硬磁層厚度有限(約100納米)，使得硬磁/軟磁交換耦合場(chǎng)小，其零場(chǎng)線性工作區(qū)較小(小于±20e)、靈敏度不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭及其制備方法，所述自偏置巨磁阻抗傳感器探頭基于硬磁/軟磁交換耦合產(chǎn)生自偏置磁場(chǎng)的原理，能夠獲得更寬范圍的線性工作區(qū)，并大幅提高靈敏度，且具有體積小、易集成、無(wú)額外功耗的特點(diǎn)；其制備方法簡(jiǎn)單易行、有利于工業(yè)化生產(chǎn)。本發(fā)明技術(shù)方案為—種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭，如圖1、2所示，包括非晶帶狀磁性材料2和位于非晶帶狀磁性材料2表面兩端的金屬對(duì)電極3，所述金屬對(duì)電極3之間的非晶帶狀磁性材料2兩面分別沉積有一層鈷鐵氧體薄膜I ;上下兩層鈷鐵氧體薄膜I具有沿非晶帶狀磁性材料2長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性。一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備方法，包括以下步驟步驟I :準(zhǔn)備非晶帶狀磁性材料。將非晶磁性薄帶材料裁剪成相同大小的單元材料，記為非晶帶狀磁性材料2，然后對(duì)非晶帶狀磁性材料2作清潔處理。具體清潔處理過(guò)程可以是首先用常規(guī)弱酸、弱堿溶液清洗非晶帶狀磁性材料2，然后用去離子水漂洗、干氮吹干待用。 步驟2 :沉積鈷鐵氧體薄膜。采用射頻磁控濺射薄膜制備工藝，在清潔處理后的非晶帶狀磁性材料2兩面沉積鈷鐵氧體薄膜I。步驟3 :光刻。采用光刻工藝，刻蝕掉兩端部分鈷鐵氧體薄膜1，在非晶帶狀磁性材料2表面留出金屬對(duì)電極3的沉積位置。步驟4 :充磁。利用充磁機(jī)對(duì)非晶帶狀磁性材料2兩面沉積的鈷鐵氧體薄膜I進(jìn)行充磁處理，使得上下兩層鈷鐵氧體薄膜I呈現(xiàn)出沿非晶帶狀磁性材料2長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性。步驟5 :金屬電極制備。在非晶帶狀磁性材料2表面留出的金屬對(duì)電極3的沉積位置沉積金屬材料作為金屬對(duì)電極3。金屬對(duì)電極可在非晶帶狀磁性材料2單面制備，也可在非晶帶狀磁性材料2兩面制備。經(jīng)過(guò)以上步驟，即可得到本發(fā)明所述自偏置巨磁阻抗傳感器探頭。本發(fā)明通過(guò)磁控濺射方法在非晶帶狀磁性材料上鍍制鈷鐵氧體薄膜(硬磁材料)，然后對(duì)鐵氧體薄膜進(jìn)行充磁處理，使得鈷鐵氧體薄膜呈現(xiàn)出沿非晶帶狀磁性材料長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性，這樣鈷鐵氧體薄膜(硬磁相)與非晶帶狀磁性材料(軟磁相)形成交換彈性耦合作用，對(duì)軟磁相進(jìn)行自偏置，使得非晶帶狀巨磁阻傳感器探頭呈現(xiàn)出非對(duì)稱巨磁阻抗效應(yīng)。這使得本發(fā)明提供的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭具有體積小、易集成、無(wú)額外功耗的特點(diǎn)。另外，由于射頻磁控濺射薄膜制備工藝制備鈷鐵氧體薄膜硬磁材料相比于現(xiàn)有的退火工藝對(duì)非晶帶狀磁性材料表面進(jìn)行硬磁化，射頻磁控濺射薄膜制備工藝更容易控制，得到的產(chǎn)品一致性更佳，并且射頻磁控濺射制備鈷鐵氧體薄膜能夠在表面獲得一層氧化層，從而對(duì)內(nèi)層非晶磁性材料起到保護(hù)作用，使巨磁阻抗傳感器探頭的工作穩(wěn)定性提高。再有，在本發(fā)明可通過(guò)改變鈷鐵氧體薄膜的厚度來(lái)改變自偏置場(chǎng)的大小，從而使采用本發(fā)明所述巨磁阻抗傳感器探頭能適應(yīng)不同的需求來(lái)調(diào)整偏置場(chǎng)的大小，以獲得更寬范圍的傳感器探頭的線性工作區(qū)和更高的靈敏度，而采用退火處理的巨磁阻抗傳感器探頭一旦選用的非晶磁性材料確定，其偏置場(chǎng)就固定不變，不能適應(yīng)實(shí)際使用過(guò)程中的多樣性需求。


圖I是本發(fā)明提供的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提供的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備工藝流程示意圖。附圖標(biāo)記1為鈷鐵氧體薄膜，2為非晶磁性帶狀材料，3為金屬對(duì)電極。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一采用如下過(guò)程制備自偏置巨磁阻抗傳感器探頭(I).選用商品牌號(hào)為Metglass的Co82. ^Fe445Nih63Sii6B3.15非晶磁性薄帶,其厚度為30微米，寬度2mm，從薄帶上裁減一段長(zhǎng)30mm的非晶薄帶備用(記為非晶帶狀磁性材料2)。(2).對(duì)非晶帶狀磁性材料2進(jìn)行如下清潔處理用堿性溶液(氨水雙氧水去離子水=I 2 5)清洗超聲15分鐘，用去離子水超聲5分鐘，用酸性溶液(鹽酸去離子水=I 8)超聲清洗15分鐘，用去離子水超聲5分鐘，用干氮吹干。(3).采用射頻磁控濺射薄膜制備工藝，在清潔處理后的非晶帶狀磁性材料2兩面沉積鈷鐵氧體薄膜I。靶材采用CoFe2O4，具體射頻磁控濺射工藝為背底真空2X10_6mbar，氬氣工作氣壓IX 10_3mbar，氧氣工作氣壓2X 10_4mbar，濺射功率100W ;鈷鐵氧體薄膜I厚度為2微米。(4).采用光刻工藝，刻蝕掉兩端部分鈷鐵氧體薄膜1，在非晶帶狀磁性材料2表面留出金屬對(duì)電極3的沉積位置。(5).利用充磁機(jī)對(duì)非晶帶狀磁性材料2兩面沉積的鈷鐵氧體薄膜I進(jìn)行充磁處理，使得上下兩層鈷鐵氧體薄膜I呈現(xiàn)出沿非晶帶狀磁性材料2長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性。具體充磁用磁場(chǎng)強(qiáng)度為5000高斯，充磁時(shí)間10分鐘。(6).在非晶帶狀磁性材料2表面留出的金屬對(duì)電極3的沉積位置沉積金屬材料作為金屬對(duì)電極3，完成自偏置巨磁阻抗傳感器探頭制備。經(jīng)過(guò)上述方法制備的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭，經(jīng)測(cè)試其線性工作區(qū)為-5 +50e，靈敏度為476% /Oe0而僅通過(guò)300攝氏度、5000高斯磁場(chǎng)下退火的同樣尺寸的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的性能為線性工作區(qū)-I. 5 +1. 50e，靈敏度為135% /Oe0由此可見，采用本發(fā)明的制備方法較退火法，使非晶薄帶的線性工作區(qū)范圍提高3倍，靈敏度提高近2倍多。
具體實(shí)施方式
二與具體實(shí)施方式
一類似，只是將非晶磁性薄帶材料換成(Co94Fe6) 7Si1(lB15的非晶磁性薄帶(厚度為25微米，寬度2毫米，長(zhǎng)度15毫米)，鈷鐵氧體厚度I微米。經(jīng)測(cè)試其線性工作區(qū)為-3. 6 +3. 60e，靈敏度為325% /Oe0而僅通過(guò)300攝氏度、5000高斯磁場(chǎng)下退火的同樣尺寸的非晶薄帶巨磁阻抗傳感器探頭的性能為線性工作區(qū)-I. 5 +1. 50e，靈 敏度為115% /Oe。由此可見，采用本發(fā)明的制備方法較退火法，使非晶薄帶的線性工作區(qū)提高I倍，靈敏度提高近3倍。需要說(shuō)明的是本發(fā)明制備自偏置巨磁阻抗傳感器探頭過(guò)程中，I、鈷鐵氧體薄膜I的厚度可控制在200納米到2微米之間；2、制備鈷鐵氧體薄膜的靶材并不限于CoFe2O4,靶材中Co、Fe、0之間的原子比可根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；3、具體射頻磁控濺射工藝可在以下范圍變化背底真空<5X 10_6mbar，氬氣工作氣壓9X 10_4 9 X 10_3mbar，氧氬比0. I
0.25， 射頻濺射功率50 - 200W ;4、充磁處理時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度和充磁時(shí)間也無(wú)需限定于上述具體實(shí)施方式
所述范圍，只要充磁處理能夠使得上下兩層鈷鐵氧體薄膜I呈現(xiàn)出沿非晶帶狀磁性材料2長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性即可。
權(quán)利要求
1.一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭，包括非晶帶狀磁性材料(2)和位于非晶帶狀磁性材料(2)表面兩端的金屬對(duì)電極(3);其特征在于，所述金屬對(duì)電極(3)之間的非晶帶狀磁性材料(2)兩面分別沉積有一層鈷鐵氧體薄膜(I);上下兩層鈷鐵氧體薄膜(I)具有沿非晶帶狀磁性材料(2)長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭，其特征在于，所述鈷鐵氧體薄膜(I)厚度在200納米到2微米之間。
3.一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備方法，包括以下步驟 步驟I :準(zhǔn)備非晶帶狀磁性材料；將非晶磁性薄帶材料裁剪成相同大小的單元材料，記為非晶帶狀磁性材料(2)，然后對(duì)非晶帶狀磁性材料(2)作清潔處理； 步驟2 :沉積鈷鐵氧體薄膜；采用射頻磁控濺射薄膜制備工藝，在清潔處理后的非晶帶狀磁性材料(2 )兩面沉積鈷鐵氧體薄膜(I); 步驟3 :光刻；采用光刻工藝，刻蝕掉兩端部分鈷鐵氧體薄膜(I )，在非晶帶狀磁性材料(2)表面留出金屬對(duì)電極(3)的沉積位置； 步驟4 :充磁；利用充磁機(jī)對(duì)非晶帶狀磁性材料(2)兩面沉積的鈷鐵氧體薄膜(I)進(jìn)行充磁處理，使得上下兩層鈷鐵氧體薄膜(I)呈現(xiàn)出沿非晶帶狀磁性材料(2)長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性； 步驟5 :金屬電極制備；在非晶帶狀磁性材料(2)表面留出的金屬對(duì)電極(3)的沉積位置沉積金屬材料作為金屬對(duì)電極(3 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備方法，其特征在于，步驟I中所述清潔處理首先用常規(guī)弱酸、弱堿溶液清洗非晶帶狀磁性材料(2)，然后用去離子水漂洗、干氮吹干待用。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備方法，其特征在于，所述鈷鐵氧體薄膜(I)的厚度控制在200納米到2微米之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備方法，其特征在于，步驟2沉積鈷鐵氧體薄膜時(shí)的靶材為CoFe2O4 ;具體射頻磁控濺射工藝為背底真空<5X 10_6mbar，氬氣工作氣壓9X 1(T4 9 X KT3Hibar，氧氬比0. I 0. 25，射頻濺射功率50-200W。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭的制備方法，其特征在于，步驟5制備金屬對(duì)電極時(shí)，金屬對(duì)電極可在非晶帶狀磁性材料(2)單面制備，也可在非晶帶狀磁性材料(2)兩面制備。
全文摘要
一種自偏置巨磁阻抗傳感器探頭及其制備方法，屬于信息功能器件技術(shù)領(lǐng)域。探頭，包括非晶帶狀磁性材料和位于非晶帶狀磁性材料表面兩端的金屬對(duì)電極，所述金屬對(duì)電極之間的非晶帶狀磁性材料兩面分別沉積有一層鈷鐵氧體薄膜；上下兩層鈷鐵氧體薄膜具有沿非晶帶狀磁性材料長(zhǎng)度方向一致的硬磁相特性。探頭制備時(shí)采用射頻磁控濺射工藝在非晶帶狀磁性材料上沉積鈷鐵氧體薄膜和采用充磁機(jī)對(duì)鈷鐵氧體薄膜充磁使其呈現(xiàn)硬磁相的關(guān)鍵工藝。本發(fā)明提供的自偏置巨磁阻抗傳感器探頭具有體積小、易集成、無(wú)額外功耗的特點(diǎn)；產(chǎn)品制備簡(jiǎn)單、工藝可控、穩(wěn)定性高；能夠獲得更寬范圍的線性工作區(qū)，并大幅提高靈敏度。
文檔編號(hào)G01R33/09GK102707247SQ20121018368
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月6日
發(fā)明者劉爽, 唐曉莉, 張懷武, 白飛明, 蘇樺, 鐘智勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)