[發明專利]一種單芯片雙軸磁電阻角度傳感器

有效

• 申請號: 201710099463.1
• 申請日: 2017-02-23
• 公開（公告）號: CN106871778B
• 公開（公告）日: 2019-11-22
• 發明（設計）人: 詹姆斯·G·迪克;周志敏
• 申請（專利權）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號: G01B7/30
• 分類號: G01B7/30;G01R33/09
• 代理公司: 44202 廣州三環專利商標代理有限公司
• 代理人: 郝傳鑫;賈允<國際申請>=<國際公布>=

本發明公布了一種單芯片雙軸磁電阻角度傳感器，包括位于X?Y平面上的襯底、位于襯底上的推挽式X軸和推挽式Y軸磁電阻角度傳感器，前者包含X推臂和X挽臂，后者包括Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一個磁電阻角度傳感單元陣列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁電阻角度傳感單元陣列的磁場敏感方向分別沿+X方向、?X方向、+Y方向、?Y方向，磁電阻角度傳感單元均具有相同磁多層薄膜結構的TMR或者GMR自旋閥，其反鐵磁層磁化方向均通過激光程控加熱磁退火獲得，之后還可在磁電阻角度傳感單元表面沉積磁場衰減層以提高工作磁場范圍。本發明具有結構緊湊、高精度，小尺寸，并可實現大幅度磁場工作范圍的優點。

技術領域

本發明涉及磁性傳感器領域，特別涉及一種單芯片雙軸磁電阻角度傳感器。

背景技術

雙軸角度傳感器，用于測量兩個正交方向如X和Y方向的外磁場角度信息，可以用于磁輪速度測量，或者用于編碼器角度測量，在磁傳感器設計領域得到廣泛的應用。

雙軸磁電阻角度傳感器包括X和Y兩個單軸磁電阻角度傳感器，每一單軸X或Y磁電阻角度傳感器通常采用推挽式電橋結構以增強磁電阻角度傳感器的信號輸出，而推挽式電橋包括推磁電阻角度傳感單元和挽磁電阻角度傳感單元組成，且分別具有相反的磁場敏感方向。

對于TMR或者GMR類型的雙軸磁電阻角度傳感器，通常采用將一個具有單一磁場敏感方向如X軸的磁電阻傳感單元切片，分別翻轉90，180和270度，以此來獲得Y軸的推磁電阻傳感單元切片，挽磁電阻傳感單元切片，以及X軸的推磁電阻傳感器單元切片和挽磁電阻傳感單元切片，因此，雙軸磁電阻傳感器采用翻轉切片的方法將至少需要4片切片，其優點在于，制備方法簡單，只需要一個切片，而且對應一個鐵磁參考層結構，其缺點在于，需要操作4個切片在同一平面內進行定位，增加了由于操作失誤導致的傳感器的測量精度損失的可能性。

采用多層薄膜結構的鐵磁參考層的設計，通過改變與反鐵磁層交互耦合的鐵磁層和金屬間隔層構成的多層薄膜的層數，可以實現相反鐵磁參考層的推磁電阻傳感單元和挽磁電阻傳感單元的制造；對于正交的鐵磁參考層的取向，可以通過兩種不同反鐵磁層AF1以及AF2，通過兩次磁場熱退火來實現，其缺點在于，由于在沉積多層薄膜時需要引入至少四種多層薄膜結構和兩次磁場退火，增加了微加工工藝的復雜性。

中國專利申請號為CN201610821610.7的專利公開了一種采用激光程控加熱磁場退火的方法以實現對磁電阻傳感單元進行掃描、快速加熱反鐵磁層到阻塞溫度以上，同時在冷卻過程中可以沿任意方向施加磁場，可以逐個掃描、甚至逐片掃描實現磁電阻傳感單元沿任一方向的磁場敏感方向的定向，采用該方法可以實現在單一切片上的雙軸磁電阻傳感單元的四種具有正交取向的磁電阻傳感單元及其陣列的制造，從而克服了翻轉切片的精確定位和沉積多種磁多層薄膜結構的微加工工藝復雜性的難題，并可實現單芯片雙軸磁電阻角度傳感器的批量制造。另一方面，中國專利公開號為CN104776794A的專利公開了一種單封裝的高強度磁場磁電阻角度傳感器，通過在磁電阻角度傳感單元的表面增加磁場衰減層的方法來增加磁電阻角度傳感單元的磁場測量范圍，該磁電阻角度傳感器依舊采用切片翻轉的方法來改變磁電阻傳感單元的磁場敏感方向，因此，如果采用激光輔助加熱磁場退火的方法來實現對磁電阻傳感單元磁場敏感方向的寫入操作，可以得到單芯片的雙軸高磁場強度磁電阻角度傳感器。

此外，在實際激光程控加熱磁退火過程中，由于磁電阻角度傳感單元在加工過程中可能存在的偏離圓形、各向異性分散，以及應力等因素，這都可能使得實際的釘扎層磁化方向偏離所設定的+X，-X，+Y和-Y方向，因此還要求設定+X、-X軸磁電阻角度傳感單元和+Y、-Y軸磁電阻角度傳感單元釘扎層磁化方向之間夾角范圍，來保證磁電阻角度傳感單元的高效工作。

發明內容