一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器及其制备方法，该传感器包括：衬底、第一TMR磁阻单元、第二TMR磁阻单元、第三TMR磁阻单元、固定电阻、磁通导磁器、第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路，其中：多个第一TMR磁阻单元位于第一全桥电路的四个桥臂上；多个第二TMR磁阻单元位于半桥电路的一对相对的桥臂上，多个固定电阻位于半桥电路的另一对相对的桥臂上；多个第三TMR磁阻单元位于第二全桥电路的四个桥臂上；第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路均位于衬底上。本发明专利技术在单一衬底中且一次集成磁传感器的三轴，降低了成本，大幅度提高了器件的精度。

【技术实现步骤摘要】
一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器及其制备方法
本专利技术涉及磁性电子器件设计与制备
，特别是与CMOS兼容的磁性电子领域的传感器的设计与制备技术，尤其涉及一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器及其制备方法。
技术介绍
磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在很多领域中都有着广泛的应用，比如机电自动控制、生物检测和航天工业等。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔(Hall)元件，各向异性磁电阻(AMR)元件或巨磁电阻(GMR)元件为敏感元件的磁传感器。其中霍尔效应、各向异性磁阻效应早已成熟，巨磁电阻也在硬盘磁头上得到广泛应用。隧穿磁电阻(TMR，TunnelMagnetoresistance，隧穿磁阻)元件则是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。AMR元件、GMR元件的MR比分别为3％、12％左右，而TMR元件甚至达到400％。随着人工智能、无人驾驶等高新技术的发展，对传感器精度的要求也越来越高，在高端应用领域已出现被TMR传感器取代的趋势。TMR是由磁隧道结(MTJ，Magnetictunnelingjunction,磁隧道结)结构产生，一般为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。为了消除温度影响，磁传感器一般要做成四个桥臂的惠斯通桥结构，相邻两桥臂随外磁场的变化是相反的。相对地，现有技术中存在以下劣势：首先各向异性传感器和巨磁阻材料的磁阻率比隧穿磁电阻TMR低，所以精度比TMR精度低。其次，各向异性传感器和巨磁阻效应传感器对于第三轴难以集成在一起，需要拼接在一起实现三轴传感，制备工艺复杂。另外，目前现有的TMR传感器无法在一片衬底上集成三轴传感，同样是靠拼接实现惠斯通桥设计，以达到三轴传感。
技术实现思路
本专利技术所提供的单片集成的三轴隧穿磁电阻磁传感器及其制备方法，在单一衬底中且一次集成磁传感器的三轴，减化了工艺，降低了成本，大幅度提高了器件的精度。为了达到以上目的，本专利技术一方面公开了一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器，包括：衬底、第一TMR磁阻单元、第二TMR磁阻单元、第三TMR磁阻单元、固定电阻、磁通导磁器、第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路，其中：多个所述第一TMR磁阻单元位于所述第一全桥电路的四个桥臂上；多个所述第二TMR磁阻单元位于所述半桥电路的一对相对的桥臂上，多个所述固定电阻位于所述半桥电路的另一对相对的桥臂上；多个所述第三TMR磁阻单元位于所述第二全桥电路的四个桥臂上，且一所述磁通导磁器位于所述第二全桥电路的相邻的两个桥臂上，另一所述磁通导磁器位于所述第二全桥电路的另外两个桥臂上；所述第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路均位于所述衬底上。一实施例中，所述第一全桥电路位于所述磁传感器的X轴或者Y轴，所述半桥电路位于所述磁传感器的X轴或者Y轴，且所述第一全桥电路与所述半桥电路不位于同一轴向上；所述第二全桥电路位于所述磁传感器的Z轴上。一实施例中，所述固定电阻的材料包括Ta、Pt、Gr以及Al的一种或多种。一实施例中，所述磁通导磁器的材料包括NiFe软磁、NiFeCr软磁以及CoAl基软磁的一种或多种。一实施例中，所述第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路各自的互连线以及导线的材料包括Ta、Cr、Al、Au以及Ti的一种或多种。一实施例中，所述TMR磁阻单元的磁阻膜堆包括反铁磁层、人工反铁磁层、间隔层以及铁磁自由层；所述TMR磁阻单元为长宽轴比在3至10的椭圆形。本专利技术还公开了如上所述的单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的制备方法，该方法包括：采用磁控溅射仪生长TMR磁阻单元的磁阻膜；沿X轴正向对第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路加磁场退火；沿X轴反向对所述第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路加磁场退火，以及在单一衬底上设置所述磁传感器的X轴、Y轴以及Z轴。一实施例中，磁钉扎层角度范围为0至90度。一实施例中，单片集成的三轴隧穿磁电阻磁传感器的制备方法还包括：在磁通导磁器外表生长预设厚度的软磁材料，所述软磁材料包括NiFe软磁、NiFeCr软磁以及CoAl基软磁的一种或多种；所述磁通导磁器为面内连通形。一实施例中，所述预设厚度为0.8至1.2微米。本专利技术实施例所提供的单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器包括：衬底、第一TMR磁阻单元、第二TMR磁阻单元、第三TMR磁阻单元、固定电阻、磁通导磁器、第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路，其中：多个第一TMR磁阻单元位于第一全桥电路的四个桥臂上；多个第二TMR磁阻单元位于半桥电路的一对相对的桥臂上，多个固定电阻位于半桥电路的另一对相对的桥臂上；多个第三TMR磁阻单元位于第二全桥电路的四个桥臂上，且一磁通导磁器位于第二全桥电路的相邻的两个桥臂上，另一磁通导磁器位于第二全桥电路的另外两个桥臂上；第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路均位于衬底上。另外，本专利技术实施例还提供一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的制备方法，具体包括：采用磁控溅射仪生长TMR磁阻单元的磁阻膜；以及沿X轴正向对第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路加磁场退火；接着，沿X轴反向对第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路加磁场退火，并在单一衬底上设置磁传感器的X轴、Y轴以及Z轴。本专利技术单片集成三轴TMR传感器，且一次集成三轴，减化了工艺，降低了成本，大幅度提高了器件的精度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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示出本专利技术实施例中单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的惠斯通全桥结构示意图；图2示出本专利技术实施例中单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的惠斯通半桥结构示意图；图3示出本专利技术实施例中单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的Z轴结构示意图；图4示出本专利技术实施例中惠斯通桥互联结构示意图；图5示出本专利技术实施例中单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的Z轴结构剖面示意图；图6示出本专利技术实施例中TMR磁阻单元的膜层结构示意图；图7示出本专利技术实施例中单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的制备方法的流程图一；图8示出本专利技术实施例中单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器的制备方法的流程图二；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器，其特征在于，包括：衬底、第一TMR磁阻单元、第二TMR磁阻单元、第三TMR磁阻单元、固定电阻、磁通导磁器、第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路，其中：/n多个所述第一TMR磁阻单元位于所述第一全桥电路的四个桥臂上；/n多个所述第二TMR磁阻单元位于所述半桥电路的一对相对的桥臂上，多个所述固定电阻位于所述半桥电路的另一对相对的桥臂上；/n多个所述第三TMR磁阻单元位于所述第二全桥电路的四个桥臂上，且一所述磁通导磁器位于所述第二全桥电路的相邻的两个桥臂上，另一所述磁通导磁器位于所述第二全桥电路的另外两个桥臂上；/n所述第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路均位于所述衬底上。/n

【技术特征摘要】
1.一种单片集成三轴隧穿磁电阻的磁传感器，其特征在于，包括：衬底、第一TMR磁阻单元、第二TMR磁阻单元、第三TMR磁阻单元、固定电阻、磁通导磁器、第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路，其中：
多个所述第一TMR磁阻单元位于所述第一全桥电路的四个桥臂上；
多个所述第二TMR磁阻单元位于所述半桥电路的一对相对的桥臂上，多个所述固定电阻位于所述半桥电路的另一对相对的桥臂上；
多个所述第三TMR磁阻单元位于所述第二全桥电路的四个桥臂上，且一所述磁通导磁器位于所述第二全桥电路的相邻的两个桥臂上，另一所述磁通导磁器位于所述第二全桥电路的另外两个桥臂上；
所述第一全桥电路、第二全桥电路以及半桥电路均位于所述衬底上。


2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述第一全桥电路位于所述磁传感器的X轴或者Y轴，所述半桥电路位于所述磁传感器的X轴或者Y轴，且所述第一全桥电路与所述半桥电路不位于同一轴向上；
所述第二全桥电路位于所述磁传感器的Z轴上。


3.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，固定电阻的材料包括Ta、Pt、Gr以及Al的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述磁通导磁器的材料包括NiFe软磁、NiFeCr软磁以及CoAl基软磁的一种或多种...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨怀文，赵巍胜，曹志强，冷群文，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11