一种单芯片双轴磁电阻线性传感器制造技术

本实用新型专利技术公布了一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，包括位于X‑Y平面上的衬底、位于衬底上的推挽式X轴和推挽式Y轴磁电阻线性传感器，前者包括X推臂和X挽臂，后者包括Y推臂和Y挽臂，X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均分别包括至少一个磁敏感方向沿+X、‑X、+Y、‑Y方向的磁电阻线性传感单元阵列，具有相同磁场敏感方向磁电阻线性传感单元阵列相邻排列，磁电阻线性传感单元均具有相同磁多层薄膜结构的MTJ单元，其反铁磁层磁化方向均通过激光程控加热磁退火获得，该单芯片双轴磁电阻线性传感器还包括软磁通量衰减器。本实用新型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 linear sensor

The utility model discloses a single chip biaxial magnetic resistance linear sensor, including a substrate, the X Y plane is located on the substrate of push-pull X axis and Y axis linear push-pull magnetic resistance sensor, the former includes X and X push arm in arm, which includes Y and Y push arm in arm, X push arm X, Y and Y push arm in arm in arm are respectively comprises at least one magnetic sensitive direction along the +X, X, +Y, Y direction magnetic resistance linear sensing element array, with the same magnetic field sensitive direction of magnetic resistance sensing unit arranged adjacent linear array, linear magnetic resistance sensing unit has the same magnetic multilayer MTJ unit the film structure, the antiferromagnetic layer magnetization direction by laser programmed heating magnetic annealing, the single chip biaxial magnetic resistance sensor also includes linear soft magnetic flux attenuator. The utility model has the advantages of compact structure, high precision, 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线性传感器
本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线性传感器。
技术介绍
双轴线性传感器，用于测量空间外磁场在X-Y平面上沿着两个正交方向如X和Y方向的磁场分量信息，可用于平面二维磁场轮廓测量，在磁场探测领域有广泛应用。双轴磁电阻线性传感器包括X和Y两个单轴磁电阻线性传感器，每一单轴X或Y磁电阻线性传感器通常采用推挽式电桥结构以增强磁电阻线性传感器的信号输出，而推挽式电桥包括推磁电阻线性传感单元和挽磁电阻线性传感单元，且分别具有相反的磁场敏感方向。对于MTJ类型的双轴磁电阻线性传感器，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，以此来分别获得Y轴推磁电阻传感单元切片、X轴挽磁电阻传感单元切片和Y轴挽磁电阻传感器单元切片，再加上原来的X轴推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，即，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，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线性传感器的批量制造。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，因此，同样，可以通过增加软磁通量衰减器的方法，可以得到单芯片的双轴高磁场强度磁电阻线性传感器。此外，在实际激光程控加热磁退火过程中，由于磁电阻线性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，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轴磁电阻线性传感单元和+Y、-Y轴磁电阻线性传感单元钉扎层磁化方向之间夹角范围。
技术实现思路
为了解决上述问题，本技术的目的是提出一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，其具有结构紧凑、高精度，小尺寸，并可实现大幅度磁场工作范围的优点。为达到上述目的，本技术采用的技术方案是：一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，包括位于X-Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻线性传感器和推挽式Y轴磁电阻线性传感器，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均分别包括至少一个磁场敏感方向沿+X、-X、+Y、-Y方向的磁电阻线性传感单元阵列，所述磁电阻线性传感单元阵列由至少一个磁电阻线性传感单元组成，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器和所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器具有共同的几何中心，所述磁电阻线性传感单元为MTJ单元，所述磁电阻线性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而上包括种子层、下电极层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层和钝化层，或者自下而上包括种子层、下电极层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层和钝化层，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线性传感单元阵列相邻设置，具有不同的磁场敏感的磁电阻线性传感单元阵列之间具有隔热间隙，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，所述线性磁电阻传感单元或者所述线性磁电阻传感单元阵列的上方或者下方设置有软磁通量衰减器以测量高场强外磁场的磁场强度。进一步地，所述磁电阻线性传感单元为椭圆形或者所述磁电阻线性传感单元具有呈矩形的中部和分别位于中部相对两侧的呈三角形或扇形的两端部；构成X推臂和X挽臂的磁电阻线性传感单元的长轴沿Y轴方向，短轴沿X轴方向；构成Y推臂和Y挽臂的磁电阻线性传感单元的长轴沿X轴方向，短轴沿Y轴方向；所述参考层和所述自由层的磁化方向相互垂直，具有相同的磁场灵敏度和零磁场电阻值。进一步地，所述X推臂、所述X挽臂、所述Y推臂和所述Y挽臂包括相同数量，且具有相同电阻的磁电阻线性传感单元，且各自的磁电阻线性传感单元通过串联、并联、或者混合串并联形成两端口结构。进一步地，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器的磁电阻线性传感单元的参考层磁化方向和推挽式Y轴磁电阻线性传感器的磁电阻线性传感单元的参考层磁化方向的夹角范围在85°和95°之间。进一步地，所述推挽式X磁电阻线性传感器和所述推挽式Y磁电阻线性传感器为半桥、全桥或者准桥结构。进一步地，所述磁电阻线性传感单元阵列之间排列方式为：+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，所述磁电阻线性传感单元阵列之间通过互联导线进行连接，至少部分的所述互联导线具有位于各所述磁电阻线性传感单元旁侧的曲折段，且所述互联导线的曲折段与所述磁电阻线性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Vs与推臂以及挽臂的互联导线和连接地公共端GND与推臂以及挽臂的互联导线具有相同的互联电阻，分别连接信号输出公共端V+、V-与推臂以及挽臂的互联导线具有相同的互联电阻，所述互联导线具有直线段或者所述曲折段以得到相同的互联电阻。进一步地，所述软磁通量衰减器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，其厚度在5-30um之间，所述磁电阻线性传感单元和所述软磁通量衰减器之间设有绝缘材料层，所述软磁通量衰减器为圆形或正方形；所述软磁通量衰减器位于所述磁电阻线性传感单元正上或者正下方，且与所述磁电阻线性传感单元同心，所述软磁通量衰减器直径或者边长大于所述磁电阻线性传感单元的长轴，或，所述软磁通量衰减器位于所述磁电阻传感单元阵列的正上方或者正下方，且与所述磁电阻传感单元阵列同心，所述软磁通量衰减器直径或者边长大于所述磁电阻传感单元阵列的对角线长度。进一步地，所钝化层为紫外激光透明材料，包括BCB、Si3N4、Al2O3、HfO2、AlF3、GdF3、LaF3、MgF2、Sc2O3、HfO2或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，包括位于X‑Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻线性传感器和推挽式Y轴磁电阻线性传感器，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均分别包括至少一个磁场敏感方向沿+X、‑X、+Y、‑Y方向的磁电阻线性传感单元阵列，所述磁电阻线性传感单元阵列由至少一个磁电阻线性传感单元组成，其特征在于，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器和所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器具有共同的几何中心，所述磁电阻线性传感单元为MTJ单元，所述磁电阻线性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而上包括种子层、下电极层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层和钝化层，或者自下而上包括种子层、下电极层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层和钝化层，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线性传感单元阵列相邻设置，具有不同的磁场敏感的磁电阻线性传感单元阵列之间具有隔热间隙，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，所述线性磁电阻传感单元或者所述线性磁电阻传感单元阵列的上方或者下方设置有软磁通量衰减器。...

【技术特征摘要】
1.一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，包括位于X-Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻线性传感器和推挽式Y轴磁电阻线性传感器，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均分别包括至少一个磁场敏感方向沿+X、-X、+Y、-Y方向的磁电阻线性传感单元阵列，所述磁电阻线性传感单元阵列由至少一个磁电阻线性传感单元组成，其特征在于，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器和所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器具有共同的几何中心，所述磁电阻线性传感单元为MTJ单元，所述磁电阻线性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而上包括种子层、下电极层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层和钝化层，或者自下而上包括种子层、下电极层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层、磁偏置层、上电极层和钝化层，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线性传感单元阵列相邻设置，具有不同的磁场敏感的磁电阻线性传感单元阵列之间具有隔热间隙，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，所述线性磁电阻传感单元或者所述线性磁电阻传感单元阵列的上方或者下方设置有软磁通量衰减器。2.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，其特征在于，所述磁电阻线性传感单元为椭圆形或者所述磁电阻线性传感单元具有呈矩形的中部和分别位于中部相对两侧的呈三角形或扇形的两端部；构成X推臂和X挽臂的磁电阻线性传感单元的长轴沿Y轴方向，短轴沿X轴方向；构成Y推臂和Y挽臂的磁电阻线性传感单元的长轴沿X轴方向，短轴沿Y轴方向；所述参考层和所述自由层的磁化方向相互垂直，具有相同的磁场灵敏度和零磁场电阻值。3.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，其特征在于，所述X推臂、所述X挽臂、所述Y推臂和所述Y挽臂包括相同数量且具有相同电阻的磁电阻线性传感单元，且各自的磁电阻线性传感单元通过串联、并联、或者混合串并联形成两端口结构。4.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻线性传感器，其特征在于，所述推挽式X轴磁电阻线性传感器的磁电阻线性传感单元的参考层磁化方向和所述推挽式Y轴磁电阻线性传感器的磁电阻线性传感单元的参考层磁化方向的夹角范围在85°和95°之间。5.根据权利要求1所述的一种单芯片双轴磁电阻线...

【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：新型
国别省市：江苏,32