谐振式双轴磁传感器及双轴磁传感器测试系统
技术领域
本发明涉及一种磁传感器，特别涉及一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器及双轴磁传感器测试系统，属于传感器
技术领域
。背景技术
磁传感器作为一种位置类的传感器，可以用于位置感应和磁场强度探测，还可以用在矿产勘查、无损材料检测、非接触开关和导航系统等领域。基于微机电系统(MEMS)工艺的谐振结构磁传感器得益于其小体积、低重量、低功耗、低成本、更高的灵敏度和高分辨率等优势，有望成为未来磁传感器的重要发展方向。现有基于磁性薄膜的磁传感器，存在只能对单一方向的磁场进行传感，且灵敏度较低，实用性上受限制的问题。如在智能手机中传感器应用越来越广泛，个人导航成为一种必备的技术，单轴磁传感器在传感上很受限制，无法对位置进行精确感应，探测磁场的方向也很单一，在往实际应用中转化时很困难。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器及双轴磁传感器测试系统，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器，包括：ΔE效应敏感结构，所述ΔE效应敏感结构包括依次叠设的第一电极层、压电层和至少一FeGa/高k值材料复合磁性薄膜，
所述FeGa/高k值材料复合磁性薄膜包括叠设的FeGa磁性薄膜层和高k值材料薄膜层，其中，至少一FeGa磁性薄膜层叠设在压电层上并作为第二电极层；所述FeGa磁性薄膜层具有(110)或(100)晶体学择优取向，在FeGa磁性薄膜层的面内和面外两个方向上均具有ΔE效应。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供了一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器，含有(110)择优取向FeGa磁性薄膜，该择优取向FeGa磁性薄膜具有各向异性的ΔE效应，能实现器件面内和面外两个方向上的磁场强度传感；
2)本发明实施例提供了一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器是基于体声波谐振器实现的，所以本身具有谐振频率f和回波损耗S11两种读出方式，能避免电学噪声对磁场强度传感的消极影响；
3)本发明实施例提供了一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器，其中的高k值材料薄膜能提高复合磁性薄膜的ΔE效应高频响应特性，也能减小磁传感器的涡流损耗，减小谐振器声波能量损耗，提高磁传感器灵敏度，且隔离空气，减小空气环境对FeGa磁性薄膜的长期氧化。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例1中提供的一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的制备流程示意图；
图3是本发明实施例1中磁控溅射制备FeGa薄膜的粉末X射线衍射图；
图4是本发明所采用的一种双轴磁传感器测试系统示意图；
图5是在面内磁场作用下谐振频率f和回波损耗S11与外加磁场的关系；
图6是在面外磁场作用下谐振频率f与外加磁场强度的关系；
图7是在面外磁场作用下回波损耗S11与外加磁场强度的关系；
图8是在面内不同角度磁场作用下谐振频率f与外加磁场强度的关系；
图9是在面内不同角度磁场作用下回波损耗S11与外加磁场强度的关系；
图10是本发明实施例2中提供的一种基于FeGa/Al2O3复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的牺牲层结构示意图；
图11是本发明实施例3中提供的一种基于FeGa/Al2O3复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的布拉格反射层结构示意图；
图12、图13是本发明对比例1中提供的基于FeGa的谐振式磁传感器的性能表征结果。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本案发明人研究发现，磁性薄膜材料中的ΔE效应表现出磁弹性耦合，即在外加磁场的作用下，材料的杨氏模量E随着磁场强度的变化而变化，且对于不同择优取向的FeGa薄膜表现出各向异性的ΔE效应，因此其能够被应用于双轴磁性传感器。
本发明实施例提供了一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器，包括：ΔE效应敏感结构；所述ΔE效应敏感结构包括依次叠设的第一电极层、压电层和至少一FeGa/高k值材料复合磁性薄膜，
所述FeGa/高k值材料复合磁性薄膜包括叠设的FeGa磁性薄膜层和高k值材料薄膜层，其中，至少一FeGa磁性薄膜层叠设在压电层上并作为第二电极层；所述FeGa磁性薄膜层具有(110)或(100)晶体学择优取向，在FeGa磁性薄膜层的面内和面外两个方向上均具有ΔE效应。
进一步的，所述FeGa磁性薄膜层的厚度为40-800nm，所述高k值材料薄膜层的厚度为5-100nm。
进一步的，所述高k值材料薄膜层的材质包括Al2O3、HfO2、ZrO2和金刚石中的任意一种或两种以上的组合。
进一步的，所述高k值材料薄膜层的介电常数为7-9。
进一步的，所述ΔE效应敏感结构包括叠设的多个FeGa/高k值材料复合磁性薄膜。
进一步的，所述第一电极层包括Mo、Al、W、Pt或Ta薄膜，但不限于此。
进一步的，所述第一电极层的厚度为50-800nm。
进一步的，所述压电层包括AlN、ZnO、PZT及LiNbO3薄膜中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述压电层的厚度为100-2000nm。
进一步的，所述第二电极层还与金属pad连接，所述金属pad与所述第一电极层之间还设置有绝缘层。
进一步的，所述绝缘层覆设在所述第一电极层和第二电极层的侧部边缘。
进一步的，所述绝缘层的覆盖宽度为2-5μm。
进一步的，所述绝缘层的材质包括为SiO2、Si3N4、AlN或Al2O3，但不限于此。
进一步的，所述绝缘层的厚度为50-500nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述ΔE效应敏感结构设置在AlN籽晶层上，所述籽晶层叠设在衬底上，且所述ΔE效应敏感结构设置在器件的谐振区域内，
以及，所述衬底的表面或者内部还设置有声波反射结构，所述声波反射结构对应设置在ΔE效应敏感结构的下方，并至少用于将压电谐振产生的纵向声波限制在谐振区域内。
进一步的，所述衬底包括Si(100)晶圆，所述衬底的厚度为50-300μm。
进一步的，所述籽晶层包括AlN籽晶，所述籽晶层的厚度为30-100nm。
进一步的，所述声波反射结构包括设置在所述衬底内的空气腔。
进一步的，所述空气腔为设置在所述衬底靠近籽晶层一侧表面上的凹槽，或者，所述空气腔为沿厚度方向贯穿所述衬底的通孔。
进一步的，所述ΔE效应敏感结构为多边形结构，所述空气腔的形状与所述ΔE效应敏感结构的形状相同。
进一步的，所述空气腔的深度为50-300μm。
进一步的，所述声波反射结构包括叠设在所述衬底上的布拉格反射层，所述籽晶层叠设在所述布拉格反射层上；其中，所述布拉格反射层包括4层以上依次交替叠层设置的高声阻抗声波反射薄膜、低声阻抗声波反射薄膜。
进一步的，所述高声阻抗声波反射薄膜的特征声学阻抗Z0与低声阻抗声波反射薄膜的特征声学阻抗Z1比值为5-10。
进一步的，所述高阻抗声波反射薄膜和低阻抗声波反射薄膜的厚度均为λ/4，其中，λ为薄膜中传播的声波波长。
本发明实施例还提供了一种双轴磁传感器测试系统，包括所述的谐振式双轴磁传感器。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例提供的一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器中的压电层、电极层以及金属pad均可以采用本领域技术人员已知的，本发明实施例所采用的溅射、外延、刻蚀等工艺，也可以是本领域技术人员已知的。
请参阅图1和图10，在一些较为具体的实施方案中，一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器自下而上依次包括：衬底1、籽晶层2、下电极层(即第一电极层)3、压电层4、至少一FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层9，所述FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层9包括依次叠设的FeGa磁性薄膜层5和高k值材料薄膜层6，其中，位于最下层的一FeGa磁性薄膜层5叠设在压电层4上并作为第二电极层，以及，所述第二电极层还与金属pad8连接，所述金属pad8与所述下电极层3之间还设置有绝缘层7，所述绝缘层7覆设在所述下电极层3和第二电极层的侧部边缘，所述衬底1的内部还设置有声波反射结构，所述声波反射结构用来将压电谐振产生的声波限制在谐振区域内部。
具体的，所述声波反射结构为设置在所述衬底1内部的空气腔10/11，器件的有效谐振区域位于所述空气腔10/11的正上方，所述空气腔10/11用来将压电谐振产生的声波限制在谐振区域内部。
具体的，由依次叠设的FeGa磁性薄膜层5和高k值材料薄膜层6组成的FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层9作为一重复单元，所述基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器中重复单元的数量n≥1，其中，所述FeGa磁性薄膜层具有(110)或(100)晶体学择优取向，在FeGa磁性薄膜层的面内和面外两个方向上均具有ΔE效应，所述FeGa磁性薄膜层的厚度为40-800nm，所述FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层中的高k值材料薄膜层6可以是高介电常数的Al2O3介质薄膜，所述Al2O3薄膜层的厚度为5-100nm。
具体的，所述籽晶层2为AlN籽晶，厚度约为30-80nm，所述下电极层(即前述第一电极层，下同)3可以是Mo薄膜，厚度为50-800nm，形状可以为正五边形，所述压电层4可以为AlN薄膜，厚度为100-2000nm(厚度越薄谐振频率越高)，形状也可以为正五边形，面积略小于下电极层，所述FeGa磁性薄膜层5和高k值材料薄膜层6的形状和面积与压电层4一致，所述空气腔10/11深度约为100-200μm，形状也可以为正五边形，纵向位置与压电层4的有效区域(即谐振区域)对应，面积略小于下电极层，所述绝缘层7可以为SiO2或Si3N4薄膜，厚度为50-500nm，形状为五边形环状，所述绝缘层7覆盖在上、下电极层的侧面边缘，覆盖宽度为2-5μm。
请参阅图11，在一些较为具体的实施方案中，一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器自下而上依次包括：衬底1、籽晶层2、下电极层(即第一电极层)3、压电层4、至少一FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层9，所述FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层9包括依次叠设的FeGa磁性薄膜层5和高k值材料薄膜层6，其中，位于最下层的一FeGa磁性薄膜层5叠设在压电层4上并作为第二电极层，以及，所述第二电极层还与金属pad8连接，所述金属pad8与所述下电极层3之间还设置有绝缘层7，所述绝缘层7覆设在所述下电极层3和第二电极层的侧部边缘，所述衬底1的表面还设置有声波反射结构，所述声波反射结构用来将压电谐振产生的声波限制在谐振区域内部。
具体的，所述声波反射结构包括设置在所述衬底1表面的布拉格反射层12，所述籽晶层2叠合在布拉格反射层12上，所述布拉格反射层12包括多层高低阻抗依次交替叠层设置的薄膜(高阻抗声波反射薄膜、低阻抗声波反射薄膜)，器件的有效谐振区域位于所述布拉格反射层12的正上方。
具体的，由依次叠设的FeGa磁性薄膜层5和高k值材料薄膜层6组成的FeGa/Al2O3复合磁性薄膜层9作为一重复单元，所述基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器中重复单元的数量n≥1，其中，所述FeGa磁性薄膜层具有(110)或(100)晶体学择优取向，在FeGa磁性薄膜层的面内和面外两个方向上均具有ΔE效应，所述FeGa磁性薄膜层的厚度为40-800nm，所述FeGa/高k值材料复合磁性薄膜层中的高k值材料薄膜层6是高介电常数的高k值材料介质薄膜，所述高k值材料薄膜层的厚度为5-100nm。
实施例1：
一种基于FeGa/Al2O3复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
1)取厚度为695μm的Si(100)晶圆作为衬底1，采用直流溅射工艺，在衬底1上依次形成叠设的AlN/Mo/AlN三层薄膜，厚度分别为30nm/200nm/1000nm，直接设置在衬底1表面的AlN薄膜作为籽晶层2，采用磁控溅射工艺在AlN薄膜上制作形成FeGa磁性薄膜层5，形成的器件结构如图2(a)所示；
2)采用IBE刻蚀工艺对最上层的FeGa磁性薄膜层5进行加工，采用ICP180自对准刻蚀AlN压电层4，采用ICP380刻蚀Mo薄膜形成下电极层3，形成的器件结构如图2(b)所示；
3)采用PECVD工艺在器件的侧面沉积厚度为400nm的SiO2薄膜作为绝缘层7，绝缘层7覆设在下电极层3、FeGa磁性薄膜层5的侧面边缘，绝缘层7能避免在与上电极层连接的金属Pad引出时导致上下电极短路的问题发生，形成的器件结构如图2(c)所示；
4)采用FHR磁控溅射工艺制作形成Ti/Au，作为金属Pad8，金属Ti/Au的厚度分别为30nm和150nm，形成的器件结构如图2(d)所示；
5)采用ALD原子层沉积工艺在FeGa磁性薄膜层5上沉积形成厚度为50nm的Al2O3薄膜6，并通过刻蚀工艺实现图形化，形成的器件结构如图2(e)所示；
6)对衬底1进行机械减薄和CMP抛光，将衬底1的厚度加工至50-300μm，采用PECVD工艺在衬底1的背面沉积SiO2薄膜作为深硅刻蚀的硬掩模，如图2(f)所示；
7)采用STS HRM深硅刻蚀工艺在衬底1的背面未被掩模覆盖的区域加工形成空气腔10，所述空气腔10的形状为五边形，深度为50-300μm，如图2(g)所示。
由实施例1制备的基于薄膜体声波谐振器的双轴磁传感器结构如图1所示，自下而上依次包括衬底1、籽晶层2、下电极层3、压电层4、上电极层(FeGa磁性薄膜层)5、Al2O3薄膜层6，所述衬底1背对籽晶层2的背面还设置有空气腔10，所述上电极层5与金属pad8连接，所述金属pad8与下电极层3、上电极层5之间覆设有绝缘层7。
具体的，本实施例步骤(1)中溅射的FeGa磁性薄膜层5在粉末XRD中显示(110)择优取向，如图3所示。
具体的，对上述实施例1制备的磁传感器进行传感性能表征，性能表征测试所采用的测试装置如图4所示(图4为矢量网络分析仪和微波探针台，磁场控制系统通过改变电流控制磁场的大小，为器件提供外加偏置磁场，其中矢量网络分析仪频段10MHz～120GHz均可，能高频磁传感器测试即可，探针间距满足传感器三指电极Pad间距)，对磁传感器施加正反方向的面内磁场，器件谐振频率和回波损耗随着磁场强度的变化而变化，器件谐振频率和回波损耗随着磁场强度的变化如图5所示；施加正向面内磁场，器件谐振频率和回波损耗随磁场强度增大而减小，呈现抛物线型，如图6所示；对磁传感器施加正向面外磁场，器件的谐振频率随磁场强度先减小再增大随后再减小，如图7所示；对磁传感器施加正向面外磁场，器件的回波损耗随磁场强度先增大后减小，如图8所示；对磁传感器施加不同角度的面内磁场，器件的谐振频率随磁场强度变化的趋势大致相同，没有体现出不同角度磁场的分辨，即不能识别面内磁场的角度，如图9所示；对磁传感器施加不同角度的面内磁场，器件的回波损耗随磁场强度变化的趋势大致相同，没有体现出不同角度磁场的分辨，即也不能识别面内磁场的角度，如图10所示。
实施例2
本发明实例2提供的一种基于FeGa/Al2O3复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的制备方法与实施例1大致相同，只在空气隙(即空气腔)的位置上有差异，故实施案例2的制备步骤中只给出与实施例1中制备步骤中不相同的工艺、方法和参数等，未给出的即默认与实施例1相同，实施例2与实施例1不同的工艺具体为：
步骤1)取厚度约695μm的Si(100)晶圆作为衬底，通过MA6光刻机在衬底上进行图形化处理，通过STS HRM深硅刻蚀工艺在衬底上加工形成深度为2μm的凹槽，通过PECVD沉积2.2μm厚的PSG(掺杂p元素的SiO2)，在CMP设备中进行抛光，抛光后粗糙度在纳米量级，随后在处理后的衬底上直流溅射AlN/Mo/AlN三层薄膜，厚度分别为30nm/200nm/1000nm，之后再磁控溅射得到FeGa磁性薄膜层5。
步骤6)和7)，通过对衬底进行通孔刻蚀，使得衬底中预先埋藏的PSG层暴露出来，利用BOE(7：1)溶液对PSG层进行腐蚀释放，从而在衬底中加工形成空气隙11，器件结构如图11所示。
实施例3
本实施例中提供的一种基于FeGa/Al2O3复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的制备方法与实施例1大致相同，只是去掉了空气隙，增加了布拉格反射层12，故实施案例3的制备步骤中只给出与实施例1中制备步骤中不相同的工艺、方法和参数等，未给出的即默认与实施例1相同，本实施例与实施例1不同的工艺具体为：
步骤1)中取厚度约为695μm的Si(100)晶圆作为衬底，在通过磁控溅射和化学气相沉积的方法在衬底上沉积6层高低阻抗交替的薄膜形成布拉格反射层12，例如高低阻抗交替的薄膜为W膜/SiO2薄膜，随后采用直流溅射工艺在布拉格反射层12上依次形成AlN/Mo/AlN三层薄膜，厚度分别为30nm/200nm/1000nm，再采用磁控溅射工艺制作形成FeGa磁性薄膜层5。
本实施例中的制作方法无需进行实施例1中的步骤6)和7)，即完成了整个器件的制备，形成的器件结构如图12所示。
实施例4
实施例4中的一种基于FeGa/Al2O3复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的结构和制作方法与实施例1-3中的器件结构和制作方法基本一致，不同之处在于：本实施例中的谐振式双轴磁传感器包含多个由依次叠设的FeGa磁性薄膜层5和Al2O3薄膜层6组成的FeGa/Al2O3复合磁性薄膜层9。
实施例5
实施例5中的一种基于FeGa/HfO2复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的结构和制作方法与实施例1中的器件结构和制作方法基本一致，不同之处在于：本实施例中的谐振式双轴磁传感器采用HfO2薄膜层代替Al2O3薄膜层。
实施例6
实施例6中的一种基于FeGa/金刚石复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的结构和制作方法与实施例2中的器件结构和制作方法基本一致，不同之处在于：本实施例中的谐振式双轴磁传感器采用金刚石薄膜层代替Al2O3薄膜层。
实施例7
实施例7中的一种基于FeGa/ZrO2复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器的结构和制作方法与实施例3中的器件结构和制作方法基本一致，不同之处在于：本实施例中的谐振式双轴磁传感器采用ZrO2薄膜层代替Al2O3薄膜层。
对比例1
对比例1中的一种基于FeGa的谐振式磁传感器的结构和制作方法与实施例1中基本一致，不同之处在于，对比例1中FeGa磁性薄膜上不含有高k介质层(例如Al2O3)，对对比例1中的传感器进行性能测试表征，其测试结果如图12和图13所示，其外加磁场中器件的frequency(35kHz)和S11的变化量相对实施例1(1.03MHz)中小很多，原因是单一的FeGa薄膜的谐振频率较低，增加高k介质层后，复合磁性薄膜层的谐振频率得到提升，能够满足器件的高频响应特性，从而体现在frequency和S11的变化量更大，传感器的灵敏度更高。
需要说明的是，图13所示的信息是由图12中进一步提取数值得到，进一步分析其frequency和S11的偏移，对比例1中所采用的测试方法和仪器设备等与实施例中的测试方法和仪器设备相同。
本发明实施例提供的基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器利用复合磁性薄膜层中ΔE效应的面内、面外各向异性实现双轴磁场强度探测，可具有谐振频率和回波损耗两种读出方式，可以有效探测面内和面外的磁场强度。
本发明实施例提供的一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器，含有择优取向的FeGa磁性薄膜，该择优取向FeGa磁性薄膜具有各向异性的ΔE效应，能实现器件面内和面外两个方向上的磁场强度传感；以及，本发明实施例提供的一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器是基于体声波谐振器实现的，所以本身具有谐振频率fr和回波损耗S11两种读出方式，能避免电学噪声对磁场强度传感的消极影响，谐振频率fr和回波损耗S11两种读出方式如图5所示，即器件的谐振频率Frequency和S11均随着磁场强度变化而变化，内在机理为ΔE效应，即在磁场的作用下，磁性薄膜的杨氏模量随磁场强度的变化而变化，而对于薄膜体声波谐振器而言，其薄膜的杨氏模量发生变化，器件的谐振频率和S11就会发生变化。
另外，本发明实施例提供的一种基于FeGa/高k值材料复合磁性薄膜的谐振式双轴磁传感器，其中的高k值材料薄膜能提高复合磁性薄膜的ΔE效应高频响应特性，也能减小磁传感器的涡流损耗，减小谐振器声波能量损耗，提高磁传感器灵敏度，且隔离空气，减小空气环境对FeGa磁性薄膜的长期氧化。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
