本实用新型专利技术公开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，所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；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，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，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与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且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。采用该设计可以在同一芯片上，一次直接生产出推挽桥式传感器。所公开的单一芯片桥式磁场传感器相对传统的设计具有，性能更好，工艺简单，成本更低的特点。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及GMR、MTJ桥式传感器的设计和制备，特别的是一种单一芯片的桥式磁场传感器，可以用于在单一磁性薄膜上制作半桥、全桥磁性传感器。
技术介绍
磁性隧道结传感器(MTJ1Magnetic Tunel Junction)是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR，Tunnel Magnetoresistance),主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化，它比之前所发现并实际应用的AMR(各向异性磁电阻效应)、 具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性.MTJ磁性传感器具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，功耗低，温度稳定性高的优点。用MTJ制成的磁场测量器件，比AMR、GMR、霍尔器件具有灵敏度更高、功耗更低、线性更好、动态范围更宽、温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此外MTJ还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。推挽桥式传感器具有比单电阻、参考电阻桥式传感器更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。传统的推挽式桥式传感器要求相邻两个桥臂电阻中的磁性隧道结的钉扎层磁矩方向相反，而通常沉积在同一硅片上的磁性隧道结MTJ，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的磁电阻钉扎层磁矩通常都相同。这使得制作推挽桥式传感器存在很大困难。目前制作推挽留桥式传感器的方法主要有采用两次成膜工艺，分两次分别沉积钉扎层方向相反的MTJ元件，这使得其制作工艺复杂，同时第二次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄膜。这使得前后两次成膜的一致性差，导致桥式传感器不同桥臂的电阻不相同，影响传感器的整体性能。多芯片封装技术。通常从同一硅片或是不同硅片取两个一致性好的磁电阻，这两个磁电阻的敏感方向相同(钉扎层方向)，然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转180度进行多芯片封装，构成推挽式半桥。这样的结果是能够实现推挽式半桥的功能，即提高了检测灵敏度，具有温度补偿功能，但是另一方面多芯片封装，封装尺寸大，生产成本高；实际封装时不能严格的进行180度翻转，即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差180度，使得两个电阻随外场变化的输出特性不相同，出现灵敏度不同，存在比较大的偏置电压等不对称问题，这样在实际应用中就会带来新的问题。激光加热辅助磁畴局部翻转法。通常在硅片上制备GMR、MTJ全桥时，采用将GMR、 MTJ硅片在同一强磁场中退火来使不同桥臂的钉扎层磁矩方向相同。之后采用激光对硅片进行局部加热辅助磁矩翻转，使得桥式传感器相邻桥臂的钉扎层磁矩方向相反，从而实现单一硅片的桥式传感器。但是激光加热辅助磁畴翻转的方法需要专用设备，设备昂贵，增加了工艺复杂度，同时激光加热所制得的桥式传感器，其各桥臂的电阻一致性也无法得到保证。从以上可以看出，现有的单一芯片桥式传感器都存在整体性能无法保证，生产成本高等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法，可以方便的在单一芯片上制备全桥磁场传感器和半桥磁场传感器。为达到上述目的，本专利技术提供了一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；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，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，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与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且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。本专利技术又提供了一种单一芯片半桥磁场传感器，包括两个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上，所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同；所述两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同。附图说明附图1是磁隧道结(MTJ)的结构示意图。附图2是理想的磁隧道结磁场电阻输出特性示意图。附图3是在外加垂直于钉扎层方向的磁场作用下，自由层与钉扎层正向成不同角度时，自由层磁矩转动与电阻变化示意图。附图4是采用在磁电阻元件上集成设置的片状永磁体对磁电阻元件的磁性自由层进行偏置示意图附图5是传统的推挽式全桥MTJ或GMR传感器的工作原理示意图。附图6是一种单一芯片推挽式全桥磁场传感器的工作原理示意图。附图7是外加一沿敏感方向的外磁场，各桥臂的电阻自由层磁矩转动示意图。附图8是采用集成于芯片上的永磁片对推挽全桥的自由层磁矩进行偏置示意图。附图9所示，是采用集成于芯片内的电流导线产生的磁场进行偏置的示意图。附图10所示，是一种优选的推挽全桥磁场传感器实施方案示意图。附图11所示，一种具体实施的单一芯片推挽全桥结构示意图。附图12所示，是图11所示推挽全桥的输出特性。附图13所示，是一种单一芯片推挽半桥磁场传感器原理图。附图14所示，是一种推挽半桥磁场传感器的实施例。附图15所示，是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例。附图16所示，是一种推挽半桥磁场传感器的实施例的局部结构放大图。附图17所示，是另一种推挽半桥磁场传感器的实施例。具体实施方式一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；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，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，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与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且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。磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，特别地形状可以是椭圆，长方形，菱形。它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的永磁体。它还包括一集成设置在该全桥磁场传感器上的用于将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置的的电流线，所述电流线的电流方向与MTJ或GMR磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。通过磁性自由层与磁性钉扎层的奈耳耦合场来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。通过在磁性自由层上沉积一磁性层，并利用其与磁性自由层之间的弱反铁磁耦合来将其磁电阻自由层的磁矩方向偏置。一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；磁电阻元件具有磁性自由层的磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状。一种单一芯片全桥磁场传感器的制备方法，将一个或多个GMR或MTJ传感元件分别串联成四个磁电阻元件，将四个磁电阻元件连接以构成一全桥磁场传感器；在该全桥磁场传感器上集成设置一本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件由一个或多个ＧＭＲ或ＭＴＪ传感元件串联组成，其特征在于：传感元件由自旋阀构成，该传感元件包括一磁性自由层和一磁性钉扎层；所述磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；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，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，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与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同，且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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：雷啸锋，金英西，詹姆斯·G·迪克，沈卫锋，刘明峰，王建国，薛松生，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：32
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