一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，包括位于X‑Y平面上的衬底；位于衬底上的软磁通量集中器阵列，软磁通量集中器阵列包括多个软磁通量集中器，且相邻两个软磁通量集中器之间形成有间隙；以及位于软磁通量集中器阵列上方或下方的+X、‑X磁电阻传感单元阵列，所述+X、‑X磁电阻传感单元阵列分别包括介于间隙处的+X、‑X磁电阻传感单元，+X、‑X磁电阻传感单元阵列电连接成推挽式X轴磁电阻传感器，且具有相同磁场敏感方向的磁电阻传感单元相邻排列，所述磁电阻传感单元同为MTJ磁电阻单元，且具有相同的磁多层薄膜结构，采用激光程控磁退火，激光光斑沿间隙长轴方向扫描磁电阻传感单元阵列。本发明专利技术具有小尺寸、高精度、低功耗的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器
本专利技术涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器。
技术介绍
高灵敏度单轴磁电阻线性传感器，采用软磁通量集中器对外磁场进行放大，同时采用推挽式电桥结构以增强信号输出，是高灵敏度线性磁电阻传感器和低噪声线性磁电阻传感器设计的基础。对于TMR磁电阻传感器，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，翻转180度，以此来获得X轴的推磁电阻传感单元切片和挽磁电阻传感单元切片，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，且缺点在于，需要操作2个切片在同一平面内进行精确定位，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，其中一个为奇数层，另一个为偶数层的方法，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，其缺点在于，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少2种多层薄膜结构，增加了微加工工艺的复杂性。如专利申请号为CN201610821610.7的中国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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述技术问题，提出了一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，通过激光辅助加热磁场退火的方式实现对磁电阻传感单元磁场敏感方向的写入操作。本专利技术提出的一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，包括：位于X-Y平面上的衬底；位于所述衬底上的磁通量集中器阵列，所述软磁通量集中器阵列包括多个软磁通量集中器，且相邻两个软磁通量集中器之间形成有间隙，所述间隙的长轴沿着Y方向，所述间隙的短轴沿着X方向；以及位于所述软磁通量集中器阵列上方或下方的+X磁电阻传感单元阵列和-X磁电阻传感单元阵列，所述+X磁电阻传感单元阵列、-X磁电阻传感单元阵列分别包括介于所述软磁通量集中器的间隙处的+X磁电阻传感单元、-X磁电阻传感单元，其中，所述+X磁电阻传感单元阵列和所述-X磁电阻传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X、-X，所述+X和-X磁电阻传感单元阵列的长轴沿着Y方向，所述+X磁电阻传感单元阵列电连接成X推臂，所述-X磁电阻传感单元阵列电连接成X挽臂，所述X推臂和所述X挽臂电连接成推挽式X轴磁电阻传感器，具有相同磁场敏感方向的磁电阻传感单元相邻排列，所述磁电阻传感单元具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自下至上包括种子层、下电极层、反铁磁层、钉扎层、Ru、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层、钝化层的结构或者自下至上包括种子层、下电极层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层、钝化层的结构，所述非磁中间层为Al2O3或者MgO，所述磁偏置层为硬磁层、另一反铁磁层、或者合成反铁磁层结构，所述钝化层为对激光透明的材料，采用激光程控磁退火，激光光斑沿所述间隙的长轴Y方向扫描所述磁电阻传感单元阵列，放大所述软磁通量集中器阵列的磁场使得所述反铁磁层的X向外磁场激光退火。优选地，所述+X磁电阻传感单元阵列和所述-X磁电阻传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X、-X方向，所述+X和-X磁电阻传感单元阵列的长轴沿着Y方向，所述磁电阻传感单元都为MTJ磁电阻单元，所述MTJ磁电阻单元的形状为椭圆，或者中部为矩形且分别位于中部相对两侧的两端部为三角形或扇形的形状。进一步地，所述软磁通量集中器为长条形，所述软磁通量集中器的长轴方向沿着Y方向，短轴方向沿着X方向，长度为500-5000μm，宽度为500-5000μm，厚度为5-30μm，所述间隙宽度为6.5-10μm，且所述软磁通量集中器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。进一步地，X方向外磁场磁场强度为Hex，所述磁电阻传感单元具有相同的X方向磁场强度Brx，磁场增益因子为Brx/(μ0*Hex)，其中μ0为真空磁导率，，且磁场增益因子在1-10之间，所述软磁通量集中器阵列具有相同的间隙，增加两端的所述软磁通量集中器的宽度使得两端处的间隙与位于中间位置的所述间隙的磁场增益因子相同，换而言之，两端的软磁通量集中器的宽度大于位于所述两端的软磁通量集中器之间的软磁通量集中器的宽度。进一步地，所述软磁通量集中器阵列包含N个所述软磁通量集中器，其中N为大于0的整数，当N为奇数时，所述磁电阻传感单元阵列分布于第（N+1）/2个所述软磁通量集中器两侧的N-1个所述间隙内；当N为偶数时，所述磁电阻传感单元阵列分布于第1至第N/2，以及第N/2+1至第N个软磁通量集中器之间的间隙处。进一步地，所述推挽式磁电阻线性传感器为半桥、全桥或者准桥结构。进一步地，所述软磁通量集中器的间隙分布有单行磁电阻传感单元；或者，所述软磁通量集中器的间隙分布有双行磁电阻传感单元，且等距离分布于所述软磁通量集中器间隙中心线的两侧。进一步地，所述+X磁电阻传感单元阵列和所述-X磁电阻传感单元阵列分布于所述软磁通量集中器阵列的X方向中心线的两侧或者Y方向中心线的两侧。进一步地，所述推挽式磁电阻传感的全的构成两个推臂的所述+X磁电阻传感单元阵列和构成两个挽臂的所述-X电阻传感单元阵列分别空间分离或者空间混合，所述磁电阻传感单元阵列所包含的所述磁电阻传感单元串联、并联或者串并联成两端口结构。进一步地，所钝化层为紫外激光透明材料或红外激光透明材料，所述紫外激光透明材料包括BCB、Si3N4、Al2O3、HfO2、AlF3、GdF3、LaF3、MgF2、Sc2O3、HfO2、SiO2，所述红外激光透明材料包括类金刚石碳膜、MgO、SiN、SiC、AlF3、MgF2、SiO2、Al2O3、ThF4、ZnS、ZnSe、ZrO2、HfO2、TiO2、Ta2O7、Si、Ge。进一步地，所述钝化层表面覆盖一层抗反射涂层。本专利技术与现有技术相比，具有小尺寸、高精度、低功耗的优点。附图说明图1为单芯片高灵敏度线性磁电阻传感器结构图；图2为软磁通量集中器阵列和磁电阻传感单元阵列位置图；图3为外磁场作用下软磁通量集中器磁电阻传感单元位置处磁场增益图；图4为MTJ磁电阻传感单元多层薄膜结构图；图5（a1）、图5（a2）、图5（a3）以及图5（b1）、图5（b2）、图5（b3）分别示出了图4中A处可采用的六种不同情形的局部放大图；图6a、6b为MTJ磁电阻传感单元形状图；图7为推挽式磁电阻传感器全桥结构图；图8为+X和-X磁电阻传感单元阵列和通量集中器的第一种排列图；图9为+X和-X磁电阻传感单元阵列和通量集中器的第二种排列图；图10为+X和-X磁电阻传感单元阵列和通量集中器的第三种排列图；图11为+X和-X磁电阻传感单元阵列和通量集中器的第四种排列图；图12为+X和-X磁电阻传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，其特征在于，包括：位于X‑Y平面上的衬底；位于所述衬底上的软磁通量集中器阵列，所述软磁通量集中器阵列包括多个软磁通量集中器，且相邻两个软磁通量集中器之间形成有间隙，所述间隙的长轴沿着Y方向，所述间隙的短轴沿着X方向；以及位于所述软磁通量集中器阵列上方或下方的+X磁电阻传感单元阵列和‑X磁电阻传感单元阵列，所述+X磁电阻传感单元阵列、‑X磁电阻传感单元阵列分别包括介于所述软磁通量集中器的间隙处的+X磁电阻传感单元、‑X磁电阻传感单元，其中，所述+X磁电阻传感单元阵列电连接成X推臂，所述‑X磁电阻传感单元阵列电连接成X挽臂，所述X推臂和所述X挽臂电连接成推挽式X轴磁电阻传感器，具有相同磁场敏感方向的磁电阻传感单元相邻排列，所述磁电阻传感单元具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自下至上包括种子层、下电极层、反铁磁层、钉扎层、Ru、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层、钝化层的结构或者自下至上包括种子层、下电极层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层、钝化层，所述非磁中间层为Al2O3或者MgO，所述磁偏置层为硬磁层、另一反铁磁层、或者合成反铁磁层结构，所述钝化层为对激光透明的材料，采用激光程控磁退火，激光光斑沿所述间隙的长轴Y方向扫描所述磁电阻传感单元阵列，放大所述软磁通量集中器阵列的磁场使得所述反铁磁层的X向外磁场激光退火。...

【技术特征摘要】
1.一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，其特征在于，包括：位于X-Y平面上的衬底；位于所述衬底上的软磁通量集中器阵列，所述软磁通量集中器阵列包括多个软磁通量集中器，且相邻两个软磁通量集中器之间形成有间隙，所述间隙的长轴沿着Y方向，所述间隙的短轴沿着X方向；以及位于所述软磁通量集中器阵列上方或下方的+X磁电阻传感单元阵列和-X磁电阻传感单元阵列，所述+X磁电阻传感单元阵列、-X磁电阻传感单元阵列分别包括介于所述软磁通量集中器的间隙处的+X磁电阻传感单元、-X磁电阻传感单元，其中，所述+X磁电阻传感单元阵列电连接成X推臂，所述-X磁电阻传感单元阵列电连接成X挽臂，所述X推臂和所述X挽臂电连接成推挽式X轴磁电阻传感器，具有相同磁场敏感方向的磁电阻传感单元相邻排列，所述磁电阻传感单元具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自下至上包括种子层、下电极层、反铁磁层、钉扎层、Ru、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层、钝化层的结构或者自下至上包括种子层、下电极层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层、钝化层，所述非磁中间层为Al2O3或者MgO，所述磁偏置层为硬磁层、另一反铁磁层、或者合成反铁磁层结构，所述钝化层为对激光透明的材料，采用激光程控磁退火，激光光斑沿所述间隙的长轴Y方向扫描所述磁电阻传感单元阵列，放大所述软磁通量集中器阵列的磁场使得所述反铁磁层的X向外磁场激光退火。2.根据权利要求1所述的一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，其特征在于，所述+X磁电阻传感单元阵列和所述-X磁电阻传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X、-X方向，所述+X和-X磁电阻传感单元阵列的长轴沿着Y方向，所述磁电阻传感单元都为MTJ磁电阻单元，所述MTJ磁电阻单元的形状为椭圆，或者中部为矩形且分别位于中部相对两侧的两端部为三角形或扇形的形状。3.根据权利要求1所述的一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，其特征在于，所述软磁通量集中器为长条形，所述软磁通量集中器的长轴方向沿着Y方向，短轴方向沿着X方向，长度为500-5000μm，宽度为500-5000μm，厚度为5-30μm，所述间隙宽度为6.5-10μm，且所述软磁通量集中器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。4.根据权利要求1所述的一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器，其特征在于，X方向外磁...

【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