[發明專利]單一芯片橋式磁場傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201110326762.7
• 申請日: 2011-10-25
• 公開（公告）號: CN102331564A
• 公開（公告）日: 2012-01-25
• 發明（設計）人: 雷嘯鋒;薛松生;金英西;詹姆斯·G·迪克;沈衛鋒;王建國;劉明峰
• 申請（專利權）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛;李艷

技術領域

本發明涉及GMR、MTJ橋式傳感器的設計和制備，特別的是一種單一芯片的橋式磁場傳感器。所述方法可以用于在單一磁性薄膜上制作半橋、全橋GMR、MTJ磁性傳感器。

背景技術

磁性隧道結傳感器（MTJ,Magnetic?Tunel?Junction）是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，它利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(TMR，Tunnel?Magnetoresistance),主要表現在磁性多層膜材料中隨著外磁場大小和方向的變化,磁性多層膜的電阻發生明顯變化，它比之前所發現并實際應用的AMR(各向異性磁電阻效應)、具有更大的電阻變化率,同時相對于霍爾效應材料具有更好的溫度穩定性.MTJ磁性傳感器具有電阻變化率大，輸出信號幅值大，電阻率高，功耗低，溫度穩定性高的優點。用MTJ制成的磁場測量器件,比AMR、GMR、霍爾器件具有靈敏度更高、功耗更低、線性更好、動態范圍更寬、溫度特性更好，抗干擾能力更強的優點。此外MTJ還能方便的集成到現有的芯片微加工工藝當中，便于制成體積很小的集成磁場傳感器。

推挽橋式傳感器具有比單電阻、參考電阻橋式傳感器更高的靈敏度，同時具有溫度補償功能，能夠抑制溫度漂移的影響。傳統的推挽式橋式傳感器要求相鄰兩個橋臂電阻中的磁性隧道結的釘扎層磁矩方向相反，而通常沉積在同一硅片上的磁性隧道結MTJ，由于其磁矩翻轉所需要的磁場強度大小相同，因而在同一個硅片上的磁電阻釘扎層磁矩通常都相同。這使得制作推挽橋式傳感器存在很大困難。目前制作推挽留橋式傳感器的方法主要有：

采用兩次成膜工藝，分兩次分別沉積釘扎層方向相反的MTJ元件，這使得其制作工藝復雜，同時第二次工藝進行退火時會明顯影響第一次沉積的薄膜。這使得前后兩次成膜的一致性差，導致橋式傳感器不同橋臂的電阻不相同，影響傳感器的整體性能。

多芯片封裝技術。通常從同一硅片或是不同硅片取兩個一致性好的磁電阻，這兩個磁電阻的敏感方向相同（釘扎層方向），然后將其中一個相對另一個磁電阻翻轉180度進行多芯片封裝，構成推挽式半橋。這樣的結果是能夠實現推挽式半橋的功能，即提高了檢測靈敏度，具有溫度補償功能，但是另一方面多芯片封裝，封裝尺寸大，生產成本高；實際封裝時不能嚴格的進行180度翻轉，即兩個電阻的靈敏度方向不是嚴格的相差180度，使得兩個電阻隨外場變化的輸出特性不相同，出現靈敏度不同，存在比較大的偏置電壓等不對稱問題，這樣在實際應用中就會帶來新的問題。

激光加熱輔助磁疇局部翻轉法。通常在硅片上制備GMR、MTJ全橋時，采用將GMR、MTJ硅片在同一強磁場中退火來使不同橋臂的釘扎層磁矩方向相同。之后采用激光對硅片進行局部加熱輔助磁矩翻轉，使得橋式傳感器相鄰橋臂的釘扎層磁矩方向相反，從而實現單一硅片的橋式傳感器。但是激光加熱輔助磁疇翻轉的方法需要專用設備，設備昂貴，增加了工藝復雜度，同時激光加熱所制得的橋式傳感器，其各橋臂的電阻一致性也無法得到保證。

從以上可以看出，現有的單一芯片橋式傳感器都存在整體性能無法保證，生產成本高等缺點。

發明內容

本發明的目的是提供一種全新的單一芯片橋式磁場傳感器及其制備方法，可以方便的在單一芯片上制備橋式磁場傳感器。

為達到上述目的，本發明提供了一種單一芯片全橋磁場傳感器，包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件包括一個或多個GMR或MTJ傳感元件，傳感元件由自旋閥構成，所述磁電阻元件具有一磁性自由層和磁性釘扎層；所述四個磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設置在相同的一個方向上；位于相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同或互補，且位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。

優選地，磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向采用形狀各向異性進行偏置，磁電阻元件具有使磁性自由層磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀，該傳感器上還集成設置有用于對該推挽單一芯片全橋磁場傳感器的磁性自由層的磁矩進行輔助偏置的片狀永磁體。

優選地，所有的片狀永磁體形狀相同，片狀永磁體充磁后的所形成的磁場方向使磁電阻元件的自由層磁矩指向其磁性易軸方向。