一种TMR全桥磁传感器制造技术

一种TMR全桥磁传感器，包括：基片、一次制备于所述基片上的4组TMR单元、一次制备于所述基片上的永磁层对，所述永磁层对为所述TMR单元提供偏置场；4组TMR单元桥式连接形成全桥结构；相邻的TMR单元的永磁层对的矫顽场不同，相对的TMR单元的永磁层对的矫顽场相同。本实用新型专利技术采用矫顽场不同的永磁层为不同的TMR单元提供偏置场，从而通过特定方式的充磁后，得到磁化方向相反的两种永磁层，可以使不同位置的TMR单元的自由层的磁矩方向有所不同，使得对应位置上的TMR单元对同一敏感方向有相反的响应，对外加场形成相反的磁阻相应趋势，动态范围更宽，并且可以在单一芯片上构成全桥结构，大大降低了生产工艺的难度和成本。

A TMR full bridge magnetic sensor

A TMR full bridge magnetic sensor includes: a substrate, four groups of TMR units prepared on the substrate at one time, and a pair of permanent magnetic layers prepared on the substrate at one time. The permanent magnetic layer pair provides bias field for the TMR unit; four groups of TMR units are bridged to form a full bridge structure; the coercive field phases of the permanent magnetic layer pairs of the adjacent TMR units are different, and the coercive field phases of the permanent magnetic layer pairs of the opposite TMR units are different Same. The utility model adopts permanent magnet layers with different coercive fields to provide bias fields for different TMR units, so that two permanent magnet layers with opposite magnetization directions can be obtained after magnetizing in a specific way, which can make the free layer of TMR units at different positions have different magnetic moment directions, make the TMR units at corresponding positions have opposite responses to the same sensitive direction, and form opposite external fields Magnetoresistance has the trend of wider dynamic range, and can form a full bridge structure on a single chip, which greatly reduces the difficulty and cost of production process.

【技术实现步骤摘要】
一种TMR全桥磁传感器
本技术涉及一种磁场探测传感器，尤指涉及一种单一芯片的全桥磁传感器。
技术介绍
磁传感器是一种可以探测磁场的方向、强度以及位置的传感器，在许多领域已得到了广泛使用。TMR(TunnelMagnetoresistance，隧道磁电阻)型传感器是磁传感器的一种，具有偏移低，灵敏度高和温度性能好的优点，近年来开始在工业领域得到应用。TMR传感器的磁电阻会随外加磁场的大小、方向的变化而变化，其灵敏度优于霍尔效应传感器、AMR(AnisotropyMagnetoresistance，各向异性磁阻)型传感器以及GMR(GiantMagnetoresistance，巨磁电阻)型传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗，加上TMR型传感器的加工工艺可以很方便的和现有半导体工艺结合，因此具有更多的应用前景。全桥结构的磁电阻传感器可以有效的提高器件的灵敏度和温度稳定性。TMR型传感器由于其自身磁阻变化来源于自由层和钉扎层的相对取向，因此全桥结构的TMR磁传感器需要相邻桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁化方向相反。而通常在同一芯片上，一次制备得到的TMR单元，由于其全程工艺相同，所以同一芯片上的各TMR单元的钉扎层的磁化方向都相同，难以实现在单一芯片上一次形成全桥结构。目前实现单一芯片上桥接的办法有激光退火和分次沉积。激光退火是采用激光退火设备将不同区域的钉扎层的磁化方向钉扎在相反方向，但由于激光退火设备价格昂贵，因此生产成本很高。分次沉积是分两次沉积先后生长不同磁化方向的钉扎层，但分两次沉积时，在生长第二层时容易对第一层产生影响，最终影响器件性能。为了解决现有的在单一芯片制备全桥结构磁传感器存在的成本高、性能不稳定的问题，公开号为CN102226836A的中国专利技术专利申请提出了一种单一芯片桥式磁场传感器，该传感器包括四个磁电阻元件，每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件包括磁性自由层和磁性钉扎层，磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在同一个方向上，位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。磁性自由层的磁矩方向由一对永磁体提供偏置，利用方形永磁的两个相邻面的剩磁角度或者采用不同朝向的条形永磁为MTJ传感元件提供不同方向的磁场，使得位于永磁体之间的MTJ传感元件的磁性自由层被设置在两个不同的方向，而钉扎层的磁化方向均一致，最后MTJ传感元件对外加的同一磁场显示出不同的响应。专利号为201110326725.6的中国专利技术专利也公开了类似结构的单一芯片桥式磁场传感器。以上专利所公开的磁传感器虽然实现了在单一芯片上采用一次工艺形成全桥结构，但传感器的动态范围不够大，仍待改进。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种性能稳定、动态范围宽的单一芯片的TMR全桥磁传感器。为了实现上述目的，本技术采取如下的技术解决方案：一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，所述TMR单元的两侧设置有为其提供偏置场的永磁层，4组桥式连接的TMR单元形成全桥结构；所述TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同，相邻的TMR单元的自由层的磁矩方向相反，相对的TMR单元的自由层的磁矩方向相同。进一步的，所述永磁层包括第一永磁层和第二永磁层，第一永磁层的矫顽场和第二永磁层的矫顽场不同，4组TMR单元中，其中两组相对的TMR单元的偏置场由第一永磁层提供，另外两组相对的TMR单元的偏置场由第二永磁层提供。一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的4组TMR单元，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，所述TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同，所述TMR单元的两侧设置有为其提供偏置场的永磁层；所述永磁层包括矫顽场互不相同的第一永磁层和第二永磁层，所述第一永磁层的磁化方向和第二永磁层的磁化方向相反，所述第一永磁层设置于两组相对布置的TMR单元的两侧，所述第二永磁层设置于另外两组相对布置的TMR单元的两侧。进一步的，所述第一永磁层和第二永磁层分别由两种矫顽场不同的永磁材料沉积形成，或所述第一永磁层和第二永磁层分别由不同厚度的同一种永磁材料沉积形成。一种TMR全桥磁传感器，包括：基片、一次制备于所述基片上的4组TMR单元、设置于所述基片上的永磁层对，所述永磁层对为所述TMR单元提供偏置场；4组TMR单元桥式连接形成全桥结构；相邻的TMR单元的永磁层对的矫顽场不同，相对的TMR单元的永磁层对的矫顽场相同。由以上技术方案可知，本技术磁传感器的全桥结构中，位于相对位置的TMR单元的自由层的磁矩方向相同，位于相邻位置的TMR单元的自由层的磁矩方向相反，通过将相邻的TMR单元的自由层偏置在相反的方向，使得对应的TMR单元对同一敏感方向(外部磁场)有相反的响应，从而可以实现更大的动态范围。在进一步方案中，本技术采用矫顽场不同的永磁层来为TMR单元提供偏置场，以特定的方式充磁后即可使自由层的磁矩偏置在特定的方向，无需采用分次沉积的方式来先后生长不同磁化方向的钉扎层，克服了分次沉积工艺带来的性能不稳定的问题，而且也可以避免采用激光退火工艺导致的成本高的问题。附图说明为了更清楚地说明本技术实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为现有磁传感器的TMR单元的示意图；图2为TMR单元的自由层的钉扎层的磁矩方向的示意图；图3为TMR单元的电阻及自由层、钉扎层的磁矩方向与外加磁场的变化关系图；图4为自由层和钉扎层的磁矩方向的相对关系示意图；图5a为自由层和钉扎层的磁矩方向同向平行时在外加磁场作用下自由层磁矩方向的变化示意图；图5b为自由层和钉扎层的磁矩方向同向平行的TMR单元在外加磁场作用下电阻与外加磁场场强的关系曲线图；图6a为自由层和钉扎层的磁矩方向反向平行时在外加磁场作用下自由层磁矩方向的变化示意图；图6b为自由层和钉扎层的磁矩方向反向平行的TMR单元在外加磁场作用下电阻与外加磁场场强的关系曲线图；图7为两种矫顽场不同的永磁材料的磁化曲线图；图8为采用本技术方法对永磁层充磁后的效果示意图；图9为本技术实施例磁传感器的结构示意图；图10为本技术实施例全桥结构磁传感器的典型电压输出曲线图。具体实施方式为了让本技术的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本技术实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。图1为现有技术的磁传感器的TMR单元的结构示意图，如图1所示磁传感器的TMR单元从上至下依次包括自由层1、隧道层3和钉扎层4，箭头5表示钉扎层4的磁矩方向，箭头2表示自由层1的磁矩方向。在磁传感器的探测磁场范围内，钉扎层4的磁矩方向5对外加磁场无响应，其大小和方向不会随外加磁场的变化而变化。自由层1的磁矩方向2对外加磁场反应灵敏，其大小和方向会随外加磁场的变化而变化。当没有外加磁场时，TMR单元的自由层的磁矩方向2和钉扎层4的磁矩方向5相互垂直(图2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，所述TMR单元的两侧设置有为其提供偏置场的永磁层，4组桥式连接的TMR单元形成全桥结构；其特征在于：所述TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同，相邻的TMR单元的自由层的磁矩方向相反，相对的TMR单元的自由层的磁矩方向相同。

【技术特征摘要】
1.一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，所述TMR单元的两侧设置有为其提供偏置场的永磁层，4组桥式连接的TMR单元形成全桥结构；其特征在于：所述TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同，相邻的TMR单元的自由层的磁矩方向相反，相对的TMR单元的自由层的磁矩方向相同。2.如权利要求1所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述永磁层包括第一永磁层和第二永磁层，第一永磁层的矫顽场和第二永磁层的矫顽场不同，4组TMR单元中，其中两组相对的TMR单元的偏置场由第一永磁层提供，另外两组相对的TMR单元的偏置场由第二永磁层提供。3.如权利要求2所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述第一永磁层和第二永磁层分别由两种矫顽场不同的永磁材料沉积形成，或所述第一永磁层和第二永磁层分别由不同厚度的同一种永磁材料沉积形成。4.一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的4组TMR单元，4组...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明，关蒙萌，胡忠强，王立乾，朱家训，
申请(专利权)人：珠海多创科技有限公司，
类型：新型
国别省市：广东,44