本實用新型涉及磁傳感器，具體地指一種基于磁流體聲學(xué)負(fù)載效應(yīng)的磁傳感器陣列集成結(jié)構(gòu)，適用于微弱生物磁場檢測和成像、高分辨率磁場探傷等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

高分辨率、寬量程的磁傳感器陣列在生物醫(yī)學(xué)磁成像和診斷、無損磁探傷等方面具有巨大的應(yīng)用前景。由于元件尺寸限制，目前用于構(gòu)建磁傳感器陣列的單元結(jié)構(gòu)大多數(shù)是基于霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)(GMR、AMR)或磁隧道結(jié)(MTJ)效應(yīng)的。盡管這類元件有可能實現(xiàn)低至nT級別的測量精度，但通常需要在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計時候?qū)ζ錅y量精度進(jìn)行優(yōu)化并以減小量程為代價，因而其應(yīng)用場合常常受到限制。例如：在GMR器件中，通過增加非磁層的厚度可加強(qiáng)弱磁場下的磁阻增益，但同時也大幅減小了器件的量程。因此，有必要研究具有高精度、寬量程、高集成度的磁傳感器陣列。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供磁傳感器陣列集成結(jié)構(gòu)，該磁傳感器陣列的集成結(jié)構(gòu)基于磁流體聲學(xué)負(fù)載效應(yīng)與體聲波諧振器設(shè)計，能夠獲得極高的測量精度和更寬的測量量程。

實現(xiàn)本實用新型目的采用的技術(shù)方案是一種磁傳感器陣列的集成結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括：

陶瓷封裝基座，該基座內(nèi)設(shè)有磁流體加注孔；

體聲波諧振器陣列芯片，設(shè)于所述陶瓷封裝基座內(nèi)；所述芯片包括位于頂端的電極焊盤；

芯片管腳，其一端與所述電極焊盤連接，另一端位于所述陶瓷封裝基座的下表面；

磁流體，加注在所述磁流體加注孔內(nèi)；以及

偏置磁鐵，設(shè)于所述陶瓷封裝基座的底部。

本實用新型所用體聲波諧振器陣列芯片為厚度剪切諧振模式，能夠精確監(jiān)測置于其上的磁流體，當(dāng)外磁場發(fā)生改變時，磁流體界面凝聚層內(nèi)的波動力學(xué)特性發(fā)生改變，從而令其聲學(xué)負(fù)載發(fā)生變化并引起諧振器發(fā)生頻移。這種磁傳感器陣列的結(jié)構(gòu)具有以下兩方面的優(yōu)點：1)剪切波在液體環(huán)境中衰減較小，高頻剪切波諧振器對于表面聲學(xué)負(fù)載的變化具有極高的靈敏性，從而可以獲得極高的測量精度。2)通過施加垂直方向的偏置磁場，調(diào)整磁流體流變力學(xué)特性，因而能實現(xiàn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)磁阻器件的磁響應(yīng)范圍，也就能實現(xiàn)更寬的測量量程。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例所涉及的磁傳感器陣列結(jié)構(gòu)拆解示意圖，其中，1為偏置磁鐵、2為體聲波諧振器陣列芯片、3為芯片管腳、4為陶瓷封裝基座、5為磁流體、6為玻璃覆片。

圖2為圖1中陶瓷封裝基座4的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，4a為磁流體加注孔、4b為玻璃覆片安裝槽、4c為芯片安裝槽、4d為偏置磁鐵安裝槽、4e為管腳安裝槽。

圖3為圖1中體聲波諧振器陣列芯片2的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，2a為硅襯底、2b為布拉格聲學(xué)反射層、2c為底電極、2d為壓電薄膜層、2e為過孔填充物、2f為頂電極、2g為電極焊盤。

圖4為圖2中底電極2c示意圖，其中，2c-1為呈行列分布的環(huán)形圖案，2c-2為底電極行互聯(lián)線。

圖5為圖2中頂電極2f示意圖，其中，2f-1為呈行列分布的圓形圖案，2f-2為頂電極列互聯(lián)線。

圖6為本實用新型實施例所涉及的磁傳感器陣列組裝示意圖。

圖7為制作本實用新型磁傳感器陣列結(jié)構(gòu)方法每一步驟中所得產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參照附圖來詳細(xì)描述本實用新型的示例性實施例。應(yīng)注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數(shù)值表達(dá)式和數(shù)值不限制本實用新型的范圍。

以下對示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本實用新型及其應(yīng)用或使用的任何限制。對于相關(guān)領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的技術(shù)、方法和設(shè)備可能不做詳細(xì)討論，但在適當(dāng)情況下，所述技術(shù)、方法和設(shè)備應(yīng)當(dāng)被視為說明書的一部分。

下面結(jié)合符合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本實用新型提供一種磁傳感器陣列的集成結(jié)構(gòu)，利用磁流體動態(tài)響應(yīng)范圍寬和厚度剪切模式的體聲波波諧振器對聲學(xué)負(fù)載檢測靈敏度高的優(yōu)點實現(xiàn)對磁場空間分布的高分辨率檢測。參考圖1，本實用新型所涉及的集成結(jié)構(gòu)由偏置磁鐵1、體聲波諧振器陣列芯片2、芯片管腳3、陶瓷封裝基座4、磁流體5、玻璃覆片6組裝而成。偏置磁鐵1為扁平形狀，其上表面面積不小于體聲波諧振器陣列芯片2的底面積，以確保偏置磁場覆蓋本實用新型所有的器件。優(yōu)選的，偏置磁鐵1可用釹鐵硼磁鐵強(qiáng)力磁鐵。

參考圖2，陶瓷封裝基座4為Al₂O₃材質(zhì)，從上到下依次設(shè)有：玻璃覆片安裝槽4a、多個磁流體加注孔4b、芯片安裝槽4c、偏置磁鐵安裝槽4d，其側(cè)內(nèi)壁還設(shè)有管腳安裝槽4e。其中玻璃覆片安裝槽4a為矩形，位于陶瓷封裝基座4的頂端；磁流體加注孔4b設(shè)于玻璃覆片安裝槽4c的下方，多個磁流體加注孔4b形成通孔陣列，每個磁流體加注孔4b為孔底半徑小、孔頂半徑大的通孔陣列，且孔徑從孔頂至孔底逐漸變小形成倒錐形狀；芯片安裝槽4c為矩形，位于磁流體加注孔4b的下方；玻璃覆片安裝槽4a、芯片安裝槽4c、偏置磁鐵安裝槽4d的中心在垂直方向上對準(zhǔn)。管腳安裝槽4e位于陶瓷封裝基座4的內(nèi)壁并沿垂直方向延伸。

參考圖3，體聲波諧振器陣列芯片2自下而上分別由：Si襯底2a、布拉格聲反射層2b、底電極2c、壓電薄膜2d、過孔填充物2e、頂電極2f、電極焊盤2g組成。其中，

硅襯底2a為單面拋光硅襯底，其拋光面上有一層2um厚的熱氧化SiO₂。

布拉格聲反射層2b由三個周期結(jié)構(gòu)的W/SiO₂薄膜在Si襯底2a的氧化層上，按照SiO₂在下W在上的次序依次交疊沉積，每層SiO₂或者W薄膜層的厚度為聲波在其中波長的1/4。

底電極2c為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)，按照Ti在下、Au在上的次序通過光刻剝離工藝依次在布拉格聲反射層2b上沉積并形成圖案。所用底電極2c中Ti層厚度為50nm，Au層厚度為100nm。參考圖4，底電極2c的幾何圖形包括多個環(huán)形區(qū)域2c-1，多個環(huán)形區(qū)域2c-1呈行列分布，每一個環(huán)形區(qū)域?qū)?yīng)于一個磁傳感器單元，位于同一行的多個環(huán)形區(qū)域2c-1通過行互聯(lián)線2c-2連接后從側(cè)面引出。

壓電薄膜2d沉積在上述底電極2c和布拉格聲反射層2b上，壓電薄膜層2d極化軸方向垂直于襯底方向。壓電薄膜上設(shè)有引出底電極的過孔，過孔數(shù)量和底電極的行互聯(lián)線2c-2相等，其位置對應(yīng)于底電極的行引出線2c-2的終端上。所述壓電薄膜2d為AlN薄膜，其厚度為1um。

頂電極2e為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)，按照Ti在下、Au在上的次序依次通過光刻剝離工藝沉積在布拉格聲反射層2b上并形成個圖案。所述底電極中Ti層厚度為50nm，Au層厚度為100nm。參考圖5，頂電極2f的幾何圖案包括多個實心圓形區(qū)域2f-1，多個三個周期圓形區(qū)域2f-1呈行列排列的圓形區(qū)域2f-1，每一個圓形區(qū)域?qū)?yīng)于一個磁傳感器單元，位于同一列的圓形區(qū)域通過列互聯(lián)線2f-2連接后引出。

過孔填充物2e為TiN材質(zhì)，填充到壓電薄膜2d的過孔中，其一端連接底電極2c上行互聯(lián)線2c-2，另一端和壓電薄膜2d表面平齊。

電極焊盤2g為Au/Ti雙層結(jié)構(gòu)，按照Ti在下，Au在上的次序通過光刻剝離工藝依次在孔填充物2e頂部和頂電極列引出線端點處沉積并形成圓形焊盤。所用電極焊盤2g中Ti厚度為100nm，Au厚度為200nm。

本實用新型所用體聲波諧振器陣列芯片2為厚度剪切諧振模式，其壓電材料為薄膜結(jié)構(gòu)因而能實現(xiàn)更高的諧振頻率；且體聲波諧振器陣列芯片2中的兩個電極不在同一平面因而能避免敏感面上的電化學(xué)反應(yīng)。

參考圖6，各部分組裝完畢后，陶瓷封裝基座4對偏置磁鐵1、體聲波諧振器陣列芯片2、芯片管腳3以及磁流體5、玻璃覆片6起到支撐和限位的作用。

體聲波諧振器陣列芯片2和陶瓷封裝基座4的頂部內(nèi)壁相互緊貼，并確保每一個磁流體加注孔4b和頂電極2f的每一個圓形區(qū)域2f-1同心對準(zhǔn)且相互緊貼。磁流體加注在加注孔4b的倒錐形側(cè)壁與底電極2f的圓形區(qū)域2f-1所形成的半封閉空間內(nèi)，每一個加注孔所加注的磁流體容量相等。每一個磁流體加注孔4b對應(yīng)于一個磁傳感器單元結(jié)構(gòu)，其孔心和頂電極2f上每一個圓形圖案區(qū)域2f-1的圓心對齊，且其孔底半徑小于頂電極上圓形圖案的半徑。

所加注的磁流體5被偏置磁鐵1的磁場吸附在磁流體加注孔4a的底部。玻璃覆片6固定在陶瓷封裝的基座4的玻璃覆片安裝槽4a內(nèi)，玻璃覆片6和磁流體5液面之間保持真空，玻璃覆片6和覆片安裝槽4a之間縫隙密封。芯片管腳3鑲嵌在陶瓷封裝基座4上的管腳安裝槽4e內(nèi)，其表面和陶瓷封裝基座4的內(nèi)壁平齊。

芯片管腳3的數(shù)量和電極焊盤2g數(shù)量相等，芯片管腳3的一端和電極焊盤2g壓緊并焊接，另一端沿著管腳安裝槽4e延伸到陶瓷封裝基座4的下表面。優(yōu)選的，芯片管腳3的材質(zhì)為紫銅。

底電極2c和頂電極2f位于壓電薄膜的上下兩端，底電極2c上每一個環(huán)形區(qū)域2c-1和頂電極2f上對應(yīng)圓形區(qū)域2f-1的圓心對準(zhǔn)，底電極環(huán)形區(qū)域的內(nèi)徑大于頂電極圓形區(qū)域半徑，即：底電極2c和頂電極2f除行列引出線外，在垂直方向上沒有交疊。

本實用新型磁傳感器陣列的制作方法包括以下步驟：

(a)在單面拋光硅片2a的拋光面上，通過熱氧化方法生長一層2um厚的SiO₂薄膜，如圖7(a)所示。

(b)在上述SiO₂薄膜層上，采用磁控濺射方法依次周期性沉積W和SiO2薄膜作為布拉格聲反射層2b。其中單層W或SiO₂薄膜的厚度為聲波在其中波長的1/4，周期數(shù)為3周期，如圖7(b)所示。

(c)使用光刻剝離工藝在上述布拉格聲學(xué)反射層2b上形成底電極圖案，接著采用磁控濺射方法分別沉積50nm厚的Ti和100nm厚的Au薄膜，最后采用濕法剝離工藝形成完整的底電極2c，如圖7(c)所示。

(d)在上述底電極2c和布拉格反射層2b上，通過磁控濺射方法沉積AlN壓電薄膜層2d，控制濺射工藝確保其C軸(AlN壓電膜的極化軸)垂直于襯底，如圖7(d)所示。

(e)使用光刻工藝上述壓電薄膜層上生成底電極過孔圖案，采用反應(yīng)離子刻蝕或者感應(yīng)耦合離子刻蝕工藝在光刻膠鏤空的區(qū)域刻蝕過孔。利用陪片控制壓電薄膜層的刻蝕深度，并確保適當(dāng)過刻。過孔刻蝕結(jié)束后使用等離子去膠機(jī)干法去膠，如圖7(e)所示。

(f)再次光刻，使用光刻膠保護(hù)上述底電極過孔以外區(qū)域，采用反濺工藝對過孔內(nèi)進(jìn)行清潔，使用磁控建濺射工藝沉積TiN薄膜，直到過孔被填滿后采用等離子去膠機(jī)干法去膠，如圖7(f)所示。

(g)使用化學(xué)機(jī)械拋光工藝將壓電薄膜和過孔填充物表面拋光、磨平，如圖7(g)所示。

(h)使用光刻工藝在上述壓電薄膜上形成頂電極圖案并保護(hù)已經(jīng)刻蝕的過孔，接著采用磁控濺射方法依次沉積50nm的Ti薄膜和100nm的Au薄膜，再采用正膠剝離工藝形成完整的頂電極2f，如圖7(h)所示。

(i)采用光刻工藝在上述底電極過孔填充物和頂電極列引出線上形成電極焊盤圖案，通過磁控濺射方法分別沉積100nm的Ti薄膜和200num的Au薄膜，再采用正膠剝離工藝形成完整的電極焊盤圖型2g，如圖7(h)所示。

(j)參考圖1、圖2和圖6，將芯片管腳3固定在陶瓷封裝基座4內(nèi)側(cè)壁的管腳安裝槽4e內(nèi)，確保芯片管腳和陶瓷封裝基座內(nèi)壁平齊。

(k)參考圖1和圖6，將上述(a-i)步驟所制備的體聲波諧振器陣列芯片2倒扣在陶瓷封裝基座4的芯片安裝槽4c內(nèi)，并采用倒裝焊工藝焊接電極焊盤和芯片管腳。確保磁流體加注孔4a的底部與上述頂電極層緊密接觸，并密封磁流體加注孔底部和頂電極之間的縫隙。

(l)參考圖1和圖6，使用移液管向陶瓷封裝基座4上的每一個磁流體加注孔4b加注等量的磁流體液，確保磁流體沒有溢出加注孔側(cè)壁和頂電極所形成的空腔。

(m)參考圖1和圖6，將偏置磁鐵1固定在陶瓷封裝基座4的磁鐵安裝槽4d內(nèi)，確保偏置磁鐵1和上述制備的體聲波諧振器陣列芯片2的底部相互緊貼，并確保上述加注的磁流體5被吸附在磁流體加注孔4a的底部。

(n)參考圖1和圖6，在真空環(huán)境中，將玻璃覆片6固定在陶瓷封裝基座4上的玻璃覆片安裝槽4b內(nèi)，在安裝時需要對腔體抽真空，并密封玻璃覆片6和玻璃覆片安裝槽4b之間的空隙。

本實用新型集成結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：

1、陶瓷封裝基座4主要起兩方面作用：第一、確保磁流體5、芯片管腳3、體聲波諧振陣列芯片2和偏置磁鐵1按照從上往下的次序緊密接觸和限位；第二保護(hù)磁傳感器陣列的內(nèi)部部件，確保磁流體不受到除磁場以外因素的干擾。

2、體聲波諧振器陣列芯片2固定于陶瓷封裝基座的芯片安裝槽內(nèi)，確保每一個磁流體加注孔的孔底和每一個上電極的圓形圖案區(qū)域緊密連接，其間沒有空隙。

3、偏置磁鐵1固定于所述陶瓷封裝基座4的偏置磁鐵安裝槽4d內(nèi)，確保其位于體聲波諧振器陣列芯片的底部。

4、磁流體5加注在陶瓷封裝基座的磁流體加注孔4a內(nèi)，每一個加注孔內(nèi)所加注的磁流體容量相等，確保所加注的磁流體被偏置磁場固定在加注孔側(cè)壁和頂電極的圓形圖案區(qū)域所形成的空腔內(nèi)。

5、玻璃覆片6固定于陶瓷封裝基座4上的玻璃覆片安裝槽4e內(nèi)，確保玻璃覆片6和磁流體5液面之間保持真空，以防止磁流體流變特性受到磁場以外因素的干擾。