磁传感器阵列集成结构及其利记博彩app与流程

本发明涉及磁传感器，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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利记博彩app，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。

实现本发明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，本发明还提供一种磁传感器阵列的利记博彩app，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。

本发明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为本发明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为本发明实施例所涉及的磁传感器阵列组装示意图。

图7为制作本发明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发明的示例性实施例。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发明的范围。

以下对示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明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发明作进一步的详细说明：

本发明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，本发明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发明所有的器件。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衬底2a、布拉格声反射层2b、底电极2c、压电薄膜2d、过孔填充物2e、顶电极2f、电极焊盘2g组成。其中，

硅衬底2a为单面抛光硅衬底，其抛光面上有一层2um厚的热氧化SiO₂。

布拉格声反射层2b由三个周期结构的W/SiO₂薄膜在Si衬底2a的氧化层上，按照SiO₂在下W在上的次序依次交叠沉积，每层SiO₂或者W薄膜层的厚度为声波在其中波长的1/4。

底电极2c为Au/Ti双层结构，按照Ti在下、Au在上的次序通过光刻剥离工艺依次在布拉格声反射层2b上沉积并形成图案。所用底电极2c中Ti层厚度为50nm，Au层厚度为100nm。参考图4，底电极2c的几何图形包括多个环形区域2c-1，多个环形区域2c-1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2c-1通过行互联线2c-2连接后从侧面引出。

压电薄膜2d沉积在上述底电极2c和布拉格声反射层2b上，压电薄膜层2d极化轴方向垂直于衬底方向。压电薄膜上设有引出底电极的过孔，过孔数量和底电极的行互联线2c-2相等，其位置对应于底电极的行引出线2c-2的终端上。所述压电薄膜2d为AlN薄膜，其厚度为1um。

顶电极2e为Au/Ti双层结构，按照Ti在下、Au在上的次序依次通过光刻剥离工艺沉积在布拉格声反射层2b上并形成个图案。所述底电极中Ti层厚度为50nm，Au层厚度为100nm。参考图5，顶电极2f的几何图案包括多个实心圆形区域2f-1，多个三个周期圆形区域2f-1呈行列排列的圆形区域2f-1，每一个圆形区域对应于一个磁传感器单元，位于同一列的圆形区域通过列互联线2f-2连接后引出。

过孔填充物2e为TiN材质，填充到压电薄膜2d的过孔中，其一端连接底电极2c上行互联线2c-2，另一端和压电薄膜2d表面平齐。

电极焊盘2g为Au/Ti双层结构，按照Ti在下，Au在上的次序通过光刻剥离工艺依次在孔填充物2e顶部和顶电极列引出线端点处沉积并形成圆形焊盘。所用电极焊盘2g中Ti厚度为100nm，Au厚度为200nm。

本发明所用体声波谐振器阵列芯片2为厚度剪切谐振模式，其压电材料为薄膜结构因而能实现更高的谐振频率；且体声波谐振器阵列芯片2中的两个电极不在同一平面因而能避免敏感面上的电化学反应。

参考图6，各部分组装完毕后，陶瓷封装基座4对偏置磁铁1、体声波谐振器阵列芯片2、芯片管脚3以及磁流体5、玻璃覆片6起到支撑和限位的作用。

体声波谐振器阵列芯片2和陶瓷封装基座4的顶部内壁相互紧贴，并确保每一个磁流体加注孔4b和顶电极2f的每一个圆形区域2f-1同心对准且相互紧贴。磁流体加注在加注孔4b的倒锥形侧壁与底电极2f的圆形区域2f-1所形成的半封闭空间内，每一个加注孔所加注的磁流体容量相等。每一个磁流体加注孔4b对应于一个磁传感器单元结构，其孔心和顶电极2f上每一个圆形图案区域2f-1的圆心对齐，且其孔底半径小于顶电极上圆形图案的半径。

所加注的磁流体5被偏置磁铁1的磁场吸附在磁流体加注孔4a的底部。玻璃覆片6固定在陶瓷封装的基座4的玻璃覆片安装槽4a内，玻璃覆片6和磁流体5液面之间保持真空，玻璃覆片6和覆片安装槽4a之间缝隙密封。芯片管脚3镶嵌在陶瓷封装基座4上的管脚安装槽4e内，其表面和陶瓷封装基座4的内壁平齐。

芯片管脚3的数量和电极焊盘2g数量相等，芯片管脚3的一端和电极焊盘2g压紧并焊接，另一端沿着管脚安装槽4e延伸到陶瓷封装基座4的下表面。优选的，芯片管脚3的材质为紫铜。

底电极2c和顶电极2f位于压电薄膜的上下两端，底电极2c上每一个环形区域2c-1和顶电极2f上对应圆形区域2f-1的圆心对准，底电极环形区域的内径大于顶电极圆形区域半径，即：底电极2c和顶电极2f除行列引出线外，在垂直方向上没有交叠。

本发明还提供了上述磁传感器阵列的利记博彩app，其包括以下步骤：

(a)在单面抛光硅片2a的抛光面上，通过热氧化方法生长一层2um厚的SiO₂薄膜，如图7(a)所示。

(b)在上述SiO₂薄膜层上，采用磁控溅射方法依次周期性沉积W和SiO2薄膜作为布拉格声反射层2b。其中单层W或SiO₂薄膜的厚度为声波在其中波长的1/4，周期数为3周期，如图7(b)所示。

(c)使用光刻剥离工艺在上述布拉格声学反射层2b上形成底电极图案，接着采用磁控溅射方法分别沉积50nm厚的Ti和100nm厚的Au薄膜，最后采用湿法剥离工艺形成完整的底电极2c，如图7(c)所示。

(d)在上述底电极2c和布拉格反射层2b上，通过磁控溅射方法沉积AlN压电薄膜层2d，控制溅射工艺确保其C轴(AlN压电膜的极化轴)垂直于衬底，如图7(d)所示。

(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。利用陪片控制压电薄膜层的刻蚀深度，并确保适当过刻。过孔刻蚀结束后使用等离子去胶机干法去胶，如图7(e)所示。

(f)再次光刻，使用光刻胶保护上述底电极过孔以外区域，采用反溅工艺对过孔内进行清洁，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，如图7(f)所示。

(g)使用化学机械抛光工艺将压电薄膜和过孔填充物表面抛光、磨平，如图7(g)所示。

(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50nm的Ti薄膜和100nm的Au薄膜，再采用正胶剥离工艺形成完整的顶电极2f，如图7(h)所示。

(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100nm的Ti薄膜和200num的Au薄膜，再采用正胶剥离工艺形成完整的电极焊盘图型2g，如图7(h)所示。

(j)参考图1、图2和图6，将芯片管脚3固定在陶瓷封装基座4内侧壁的管脚安装槽4e内，确保芯片管脚和陶瓷封装基座内壁平齐。

(k)参考图1和图6，将上述(a-i)步骤所制备的体声波谐振器阵列芯片2倒扣在陶瓷封装基座4的芯片安装槽4c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4a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)参考图1和图6，使用移液管向陶瓷封装基座4上的每一个磁流体加注孔4b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)参考图1和图6，将偏置磁铁1固定在陶瓷封装基座4的磁铁安装槽4d内，确保偏置磁铁1和上述制备的体声波谐振器阵列芯片2的底部相互紧贴，并确保上述加注的磁流体5被吸附在磁流体加注孔4a的底部。

(n)参考图1和图6，在真空环境中，将玻璃覆片6固定在陶瓷封装基座4上的玻璃覆片安装槽4b内，在安装时需要对腔体抽真空，并密封玻璃覆片6和玻璃覆片安装槽4b之间的空隙。

本发明集成结构的优点如下：

1、陶瓷封装基座4主要起两方面作用：第一、确保磁流体5、芯片管脚3、体声波谐振阵列芯片2和偏置磁铁1按照从上往下的次序紧密接触和限位；第二保护磁传感器阵列的内部部件，确保磁流体不受到除磁场以外因素的干扰。

2、体声波谐振器阵列芯片2固定于陶瓷封装基座的芯片安装槽内，确保每一个磁流体加注孔的孔底和每一个上电极的圆形图案区域紧密连接，其间没有空隙。

3、偏置磁铁1固定于所述陶瓷封装基座4的偏置磁铁安装槽4d内，确保其位于体声波谐振器阵列芯片的底部。

4、磁流体5加注在陶瓷封装基座的磁流体加注孔4a内，每一个加注孔内所加注的磁流体容量相等，确保所加注的磁流体被偏置磁场固定在加注孔侧壁和顶电极的圆形图案区域所形成的空腔内。

5、玻璃覆片6固定于陶瓷封装基座4上的玻璃覆片安装槽4e内，确保玻璃覆片6和磁流体5液面之间保持真空，以防止磁流体流变特性受到磁场以外因素的干扰。