单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法技术

本发明专利技术涉及单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法，衬底上设置有全桥电路，全桥电路包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2平行相对，磁阻单元Ⅰ长轴方向与磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致；磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2由磁性薄膜材料组成，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2的自旋产生层的电流流向相反。本发明专利技术后期封装更为方便，可靠性强，且封装成本低，设计具有灵活性，根据不同应用，易于设计传感器的灵敏度和测量范围。易于设计传感器的灵敏度和测量范围。

【技术实现步骤摘要】
单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法


[0001]本专利技术涉及单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法，属于磁性电子器件领域。

技术介绍

[0002]磁电阻是指在外磁场作用下材料的电阻发生变化的现象，其可以将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的器件。磁传感器可用作探测、存储、采集、转换、和监控各种磁场信息的任务，已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件，已被广泛应用在航空航天、汽车、工业、消费以及军事等诸多领域。基于磁电阻效应的传感器由于高灵敏度、小体积、低功耗及易集成等特点正逐步进入磁传感器市场。而各种不同类型的传感器用于测量时，它们都受到各种限制。例如，像那些使用在电子罗盘和其他类似的磁性传感应用中的廉价的低场传感器，通常包括基于各项异性的磁阻(AMR)器件。为了达到所需的灵敏度和合适的电阻以便与CMOS融合，这种传感器的传感单元大小通常在平方毫米的量级。对于移动设备的应用，在费用、电路板面积和功耗上，这样的AMR传感器的配置都是昂贵的。其他类型的传感器，例如，磁性隧道结点(MTJ)传感器和巨磁阻(GMR)传感器，已被用于提供较小的配置的传感器，但这种感应器都有各自的不足，例如不够灵感和受温度变化而影响。为了解决这些问题，MTJ传感器和GMR传感器已应用于惠斯登(Wheatstone)桥结构，以提高灵敏度，消除温度相关的电阻变化。
[0003]目前，角度传感器市场中，历史悠久的霍尔(Hall)传感器仍占主导地位。但霍尔传感器噪声高；灵敏度低；耗能高；小型化使其性能降低。而崭露头角的巨磁阻(GMR)传感器和隧穿磁阻(TMR)以测量精度高；响应时间快；温度稳定性好；功耗低；微型化集成度高等特点，逐渐在传感器市场中占得了一席之地。事实上，两轴的磁场感应器目前已开发用于电子罗盘，通过使用惠斯登桥的结构以检测地磁方向。但是，这种磁场传感器通常每个传感轴包括两个相反的钉扎方向，具有复杂和难以控制的磁化技术和额外的复杂工艺。现有技术中由于难以在一个芯片上制备得到两个相反的钉扎方向，通常采用多芯片拼接的方式得到磁场传感器，而多芯片在拼接时很难避免机械误差，导致成品灵敏度低、成品率低，难以满足大规模生产的需求。
[0004]因此，需要有一个改进的传感器的设计和制造工艺，形成每个传感轴有两个相反的钉扎方向，并且具有显著的正交磁化方向的固定层/参考层。需要有一个在同一膜堆上形成的双轴传感器，可以有效地和廉价地构造的一种可使用在移动应用装置中的集成电路结构。

技术实现思路

[0005]为解决以上技术上的不足，本专利技术提供了一种单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法，可靠性强，且封装成本低。
[0006]本专利技术是通过以下措施实现的：
[0007]一种单轴磁阻磁场传感器，包括衬底，所述衬底上设置有全桥电路，所述全桥电路
包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，上半部分的两个桥臂分别为由一个磁阻单元Ⅰ组成桥臂Ⅰ和由一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅱ，下半部分的两个桥臂分别为由另一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅲ和由另一个磁阻单元Ⅰ组成的桥臂Ⅳ，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2平行相对，磁阻单元Ⅰ长轴方向与磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致；磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2由磁性薄膜材料组成，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2的自旋产生层的电流流向相反。
[0008]根据本专利技术优选的，磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2刻蚀成可以使软磁自由层易于形成稳定单磁畴结构的长方形、长六角形或长椭圆形。
[0009]一种双轴磁阻磁场传感器，所述衬底上设置有两个上下叠加的全桥电路，其中一个全桥电路包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，上半部分的两个桥臂分别为由一个磁阻单元Ⅰ组成桥臂Ⅰ和由一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅱ，下半部分的两个桥臂分别为由另一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅲ和由另一个磁阻单元Ⅰ组成的桥臂Ⅳ，桥臂Ⅰ上的磁阻单元Ⅰ长轴方向与桥臂Ⅳ上的磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致且沿X轴方向延伸；另一个全桥电路包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，上半部分的两个桥臂分别为由一个磁阻单元Ⅰ组成桥臂Ⅰ和由一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅱ，下半部分的两个桥臂分别为由另一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅲ和由另一个磁阻单元Ⅰ组成的桥臂Ⅳ，桥臂Ⅰ上的磁阻单元Ⅰ长轴方向与桥臂Ⅳ上的磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致且沿Y轴方向延伸，两个全桥电路中磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2由磁性薄膜材料组成，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2的自旋产生层的电流流向相反。
[0010]根据本专利技术优选的，所述磁性薄膜材料结构采用顶钉扎结构或底钉扎结构，所述磁性薄膜材料结构包括基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁性间层、软磁自由层和覆盖层，所述的自旋产生层的制作材料为重金属、非磁金属、晶体薄膜或外耳半金属中的一种。
[0011]根据本专利技术优选的，重金属为Ta、W、Pt、Au、Hf或Mo中的一种。
[0012]根据本专利技术优选的，非磁金属为Ti。
[0013]根据本专利技术优选的，晶体薄膜为Bi2Se3薄膜、Bi2Te3薄膜、Sb2Te3薄膜、Bi
x
Se1‑
x
薄膜或(Bi
x
Sb1‑
x
)2Te3薄膜，x<1。
[0014]晶体薄膜为现有技术材料。
[0015]根据本专利技术优选的，外尔半金属为单晶、多晶或非晶外尔半金属，外尔半金属选自WTe2、MoTe2或Mo
x
W1‑
x
Te2，x<1。
[0016]根据本专利技术优选的，种子层的制作材料为Ta，Ru，W，Mo，Ir，Pt，NiFe，NiFeCr，NiCr中的一种或两种以上组合。
[0017]根据本专利技术优选的，反铁磁钉扎层的制作材料为IrMn，PtMn，FeMn，NiMn，PdMn铁磁金属的一种或两种以上组合，或者NiO，CoO，α
‑
Fe2O3氧化物反铁磁材料中的一种。
[0018]根据本专利技术优选的，软磁自由层、铁磁被钉扎层的制作材料为CoFeB，CoFe，Co，Fe，Ni，CoCrPt，NiFe，CoFeSiB，(Co/Pt)m，(Co/Ni)n，(Co/Pd)p或半金属材料，其中m，n，p指多层堆叠的重复次数。
[0019]进一步优选的，半金属材料为XXZ型Heusler合金或X2YZ型Heusler合金，其中X选
自Mn，Co，Fe，Ni，Pd，Cu中的一种或两种以上组合，Y选自Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co或Ni的一种或两种以上组合，Z选自Al，Ga，In，Si，Ge，Sn或Sb中的一种或两种以上组合。
[0020]根据本专利技术优选的，非磁性间层的制作材料为氧化物、氮化物、氮氧化物、金属或合金。
[0021]进一步优选的，氧化物、氮化物、氮氧化物的组成元素选自Mg，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单轴磁阻磁场传感器，包括衬底，所述衬底上设置有全桥电路，所述全桥电路包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，上半部分的两个桥臂分别为由一个磁阻单元Ⅰ组成桥臂Ⅰ和由一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅱ，下半部分的两个桥臂分别为由另一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅲ和由另一个磁阻单元Ⅰ组成的桥臂Ⅳ，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2平行相对，磁阻单元Ⅰ长轴方向与磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致；磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2由磁性薄膜材料组成，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2的自旋产生层的电流流向相反。2.根据权利要求1所述的单轴磁阻磁场传感器，其特征在于，磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2刻蚀成可以使软磁自由层易于形成稳定单磁畴结构的长方形、长六角形或长椭圆形。3.一种双轴磁阻磁场传感器，所述衬底上设置有两个上下叠加的全桥电路，其中一个全桥电路包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，上半部分的两个桥臂分别为由一个磁阻单元Ⅰ组成桥臂Ⅰ和由一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅱ，下半部分的两个桥臂分别为由另一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅲ和由另一个磁阻单元Ⅰ组成的桥臂Ⅳ，桥臂Ⅰ上的磁阻单元Ⅰ长轴方向与桥臂Ⅳ上的磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致且沿X轴方向延伸；另一个全桥电路包括均为长条形的两个磁阻单元Ⅰ和两个磁阻单元Ⅱ2，全桥电路分成上半部分的两个桥臂和下半部分的两个桥臂，上半部分的两个桥臂分别为由一个磁阻单元Ⅰ组成桥臂Ⅰ和由一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅱ，下半部分的两个桥臂分别为由另一个磁阻单元Ⅱ2组成桥臂Ⅲ和由另一个磁阻单元Ⅰ组成的桥臂Ⅳ，桥臂Ⅰ上的磁阻单元Ⅰ长轴方向与桥臂Ⅳ上的磁阻单元Ⅱ2的长轴方向一致且沿Y轴方向延伸，两个全桥电路中磁阻单元Ⅰ、磁阻单元Ⅱ2由磁性薄膜材料组成，磁阻单元Ⅰ和磁阻单元Ⅱ2的自旋产生层的电流流向相反。4.根据权利要求1或权利要求3所述的磁阻磁场传感器，其特征在于，所述磁性薄膜材料结构采用顶钉扎结构或底钉扎结构，所述磁性薄膜材料结构包括基底、种子层、自旋产生层、反铁磁钉扎层、铁磁被钉扎层、非磁性间层、软磁自由层和覆盖层，所述的自旋产生层的制作材料为重金属、非磁金属、晶体薄膜或外耳半金属中的一种。5.根据权利要求4所述的磁阻磁场传感器，其特征在于，重金属为Ta、W、Pt、Au、Hf或Mo中的一种，非磁金属为Ti，晶体薄膜为Bi2Se3薄膜、Bi2Te3薄膜、Sb2Te3薄膜、Bi
x
Se1‑
x
薄膜或(Bi
x
Sb1‑
x
)2Te3薄膜，x<1；外尔半金属为单晶、多晶或非晶外尔半金属，外尔半金属选自WTe2、M...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈伟斌，冷群文，朱大鹏，颜世申，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：