一种单芯片双轴磁电阻角度传感器制造技术

本发明专利技术公布了一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，包括位于X‑Y平面上的衬底、位于衬底上的推挽式X轴和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，前者包含X推臂和X挽臂，后者包括Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一个磁电阻角度传感单元阵列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁电阻角度传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X方向、‑X方向、+Y方向、‑Y方向，磁电阻角度传感单元均具有相同磁多层薄膜结构的TMR或者GMR自旋阀，其反铁磁层磁化方向均通过激光程控加热磁退火获得，之后还可在磁电阻角度传感单元表面沉积磁场衰减层以提高工作磁场范围。本发明专利技术具有结构紧凑、高精度，小尺寸，并可实现大幅度磁场工作范围的优点。

A single chip dual axis magnetoresistive angle sensor

The invention discloses a single chip double magnetoresistive angle sensor, including a substrate, the X Y plane in push-pull X axis and Y axis push-pull magnetic resistance angle sensors on the substrate, the former contains X and X push arm in arm, which includes Y and Y push arm in arm, the X push X, Y, arm in arm push arm and Y arm in arm includes at least one array magnetic resistance angle sensor unit, the magnetic field direction of the magnetic sensitive resistance angle X, X, Y push arm in arm in arm Y arm, push the sensing unit array respectively along the +X direction, X direction, +Y direction, Y direction the angle, magnetic resistance sensing unit have the same magnetic multilayer film structure of TMR or GMR spin valve, the antiferromagnetic layer magnetization direction through the magnetic annealing after laser programmed heating, but also in the magnetic resistance sensing unit angle deposition surface magnetic field attenuation layer to improve the magnetic work Field range. The invention has the advantages of compact structure, high accuracy, small size and wide range of magnetic field working.

【技术实现步骤摘要】
一种单芯片双轴磁电阻角度传感器
本专利技术涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片双轴磁电阻角度传感器。
技术介绍
双轴角度传感器，用于测量两个正交方向如X和Y方向的外磁场角度信息，可以用于磁轮速度测量，或者用于编码器角度测量，在磁传感器设计领域得到广泛的应用。双轴磁电阻角度传感器包括X和Y两个单轴磁电阻角度传感器，每一单轴X或Y磁电阻角度传感器通常采用推挽式电桥结构以增强磁电阻角度传感器的信号输出，而推挽式电桥包括推磁电阻角度传感单元和挽磁电阻角度传感单元组成，且分别具有相反的磁场敏感方向。对于TMR或者GMR类型的双轴磁电阻角度传感器，通常采用将一个具有单一磁场敏感方向如X轴的磁电阻传感单元切片，分别翻转90，180和270度，以此来获得Y轴的推磁电阻传感单元切片，挽磁电阻传感单元切片，以及X轴的推磁电阻传感器单元切片和挽磁电阻传感单元切片，因此，双轴磁电阻传感器采用翻转切片的方法将至少需要4片切片，其优点在于，制备方法简单，只需要一个切片，而且对应一个铁磁参考层结构，其缺点在于，需要操作4个切片在同一平面内进行定位，增加了由于操作失误导致的传感器的测量精度损失的可能性。采用多层薄膜结构的铁磁参考层的设计，通过改变与反铁磁层交互耦合的铁磁层和金属间隔层构成的多层薄膜的层数，可以实现相反铁磁参考层的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的制造；对于正交的铁磁参考层的取向，可以通过两种不同反铁磁层AF1以及AF2，通过两次磁场热退火来实现，其缺点在于，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少四种多层薄膜结构和两次磁场退火，增加了微加工工艺的复杂性。中国专利申请号为CN201610821610.7的专利公开了一种采用激光程控加热磁场退火的方法以实现对磁电阻传感单元进行扫描、快速加热反铁磁层到阻塞温度以上，同时在冷却过程中可以沿任意方向施加磁场，可以逐个扫描、甚至逐片扫描实现磁电阻传感单元沿任一方向的磁场敏感方向的定向，采用该方法可以实现在单一切片上的双轴磁电阻传感单元的四种具有正交取向的磁电阻传感单元及其阵列的制造，从而克服了翻转切片的精确定位和沉积多种磁多层薄膜结构的微加工工艺复杂性的难题，并可实现单芯片双轴磁电阻角度传感器的批量制造。另一方面，中国专利公开号为CN104776794A的专利公开了一种单封装的高强度磁场磁电阻角度传感器，通过在磁电阻角度传感单元的表面增加磁场衰减层的方法来增加磁电阻角度传感单元的磁场测量范围，该磁电阻角度传感器依旧采用切片翻转的方法来改变磁电阻传感单元的磁场敏感方向，因此，如果采用激光辅助加热磁场退火的方法来实现对磁电阻传感单元磁场敏感方向的写入操作，可以得到单芯片的双轴高磁场强度磁电阻角度传感器。此外，在实际激光程控加热磁退火过程中，由于磁电阻角度传感单元在加工过程中可能存在的偏离圆形、各向异性分散，以及应力等因素，这都可能使得实际的钉扎层磁化方向偏离所设定的+X，-X，+Y和-Y方向，因此还要求设定+X、-X轴磁电阻角度传感单元和+Y、-Y轴磁电阻角度传感单元钉扎层磁化方向之间夹角范围，来保证磁电阻角度传感单元的高效工作。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术所提出的一种单芯片磁电阻角度传感器，包括位于X-Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻角度传感器和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一个磁电阻角度传感单元阵列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁电阻角度传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器具有共同的几何中心，每个所述磁电阻角度传感单元阵列均包括多个所述磁电阻角度传感单元，所述磁电阻角度传感单元为TMR或者GMR自旋阀单元，所述磁电阻角度传感单元均具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自上而下包括种子层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，或者自上而下包括种子层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，所述磁电阻角度传感单元为TMR时，所述非磁中间层为Al2O3或者MgO，所述磁电阻角度传感单元为GMR自旋阀时，所述非磁中间层为Au或者为Cu。所述反铁磁层磁化方向通过激光程控加热磁退火获得，具有相同磁化方向的磁电阻桥臂位于相邻位置，具有不同磁场敏感方向的相邻磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间隙。进一步地，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器和所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器为半桥、全桥或者准桥结构。进一步地，所述磁电阻角度传感单元阵列之间排列方式：+X、-Y、+Y、-X；或者+X、+Y、-Y、-X；或者-X、-Y、+Y、+X；或者+X、-Y、+Y、-X。进一步地，在所述磁电阻角度传感单元表面电镀磁场衰减层形成高磁场角度传感器，所述磁场衰减层的材料为高磁导率软磁合金，该高磁导率软磁合金包含Fe、Co、Ni元素中的一种或多种，所述磁电阻角度传感单元和所述磁场衰减层之间为绝缘材料层，所述磁场衰减层为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元为椭圆形结构，所述磁场衰减层的直径大于所述磁电阻角度传感单元的长轴距。进一步地，在所述磁电阻角度传感单元表面电镀磁场衰减层形成高磁场角度传感器；所述磁场衰减层为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元的直径大于10微米，且所述磁场衰减层的直径大于所述磁电阻角度传感单元的直径。。进一步地，所述X推臂、所述X挽臂、所述Y推臂和所述Y挽臂包含相同数量和相同电阻的磁电阻角度传感单元，且所述磁电阻角度传感单元通过串联、并联或者混合串并联形成两端口结构。进一步地，所述磁电阻角度传感单元阵列之间通过互联导线进行连接，所述互联导线包括直线段和曲折段，所述直线段的一端与所述磁电阻传感单元相连，所述直线段的另一端与所述曲折段相连，所述曲折段距离所述磁电阻角度传感单元阵列的距离大于15微米。进一步地，连接电源公共端的互联导线与连接地公共端的互联导线具有相同的互联电阻，连接电源公共端的互联导线与连接信号输出公共端的互联导线具有相同的互联电阻，且所述互联导线通过所述直线段和曲折段以得到相同的互联电阻。进一步地，所述磁电阻角度传感单元的磁场敏感方向与所述钉扎层之间磁化方向的夹角范围在85°和95°之间。进一步地，所述钝化层为紫外激光透明材料，所述紫外激光透明材料为BCB、Si3N4、Al2O3、HfO2、AlF3、GdF3、LaF3、MgF2、Sc2O3、HfO2或SiO2的其中一种材料。进一步地，所述钝化层为红外激光透明材料，所述红外激光透明材料为类金刚石碳膜，MgO、SiN、SiC、AlF3、MgF2、SiO2、Al2O3、ThF4、ZnS、ZnSe、ZrO2、HfO2、TiO2、Ta2O7、Si或Ge的其中一种材料。进一步地，所述磁多层薄膜结构还包括抗反射涂层，所述抗反射涂层覆盖在所述钝化层的表面。进一步地，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器的电源、地、输出引脚沿着传感器芯片的边缘排列。本专利技术与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术采用单芯片结构，将两个角度传感器集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，包括位于X‑Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻角度传感器和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一个磁电阻角度传感单元阵列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁电阻角度传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X方向、‑X方向、+Y方向、‑Y方向，其特征在于，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器具有共同的几何中心，每个所述磁电阻角度传感单元阵列均包括多个所述磁电阻角度传感单元，所述磁电阻角度传感单元为TMR或者GMR自旋阀单元，所述磁电阻角度传感单元均具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自下而上包括种子层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，或者自下而上包括种子层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，所述磁电阻角度传感单元为TMR时，所述非磁中间层为Al

【技术特征摘要】
1.一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，包括位于X-Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻角度传感器和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一个磁电阻角度传感单元阵列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁电阻角度传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向，其特征在于，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器具有共同的几何中心，每个所述磁电阻角度传感单元阵列均包括多个所述磁电阻角度传感单元，所述磁电阻角度传感单元为TMR或者GMR自旋阀单元，所述磁电阻角度传感单元均具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自下而上包括种子层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，或者自下而上包括种子层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，所述磁电阻角度传感单元为TMR时，所述非磁中间层为Al2O3或者MgO，所述磁电阻角度传感单元为GMR自旋阀时，所述非磁中间层为Au或者为Cu，所述反铁磁层磁化方向通过激光程控加热磁退火获得，具有相同磁化方向的磁电阻桥臂位于相邻位置，具有不同磁场敏感方向的相邻磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间隙。2.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器和所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器为半桥、全桥或者准桥结构。3.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，所述磁电阻角度传感单元阵列之间排列方式：+X、-Y、+Y、-X；或者+X、+Y、-Y、-X；或者-X、-Y、+Y、+X；或者+X、-Y、+Y、-X。4.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，在所述磁电阻角度传感单元表面电镀磁场衰减层形成高磁场角度传感器，所述磁场衰减层的材料为高磁导率软磁合金，该高磁导率软磁合金包含Fe、Co、Ni元素中的一种或多种，所述磁电阻角度传感单元和所述磁场衰减层之间为绝缘材料层；所述磁场衰减层为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元为椭圆形结构，所述磁场衰减层的直径大于所述磁电阻角度传感单元的长轴距。5.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻角度传感器，其特征在于，在所述磁电阻角度传...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·G·迪克，周志敏，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32