[實(shí)用新型]一種單芯片雙軸磁電阻角度傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201720165912.3
• 申請日: 2017-02-23
• 公開（公告）號: CN206627062U
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹姆斯·G·迪克;周志敏
• 申請（專利權(quán)）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: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司44202
• 代理人: 郝傳鑫,賈允

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種單芯片雙軸磁電阻角度傳感器。

背景技術(shù)

雙軸角度傳感器，用于測量兩個(gè)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(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

雙軸磁電阻角度傳感器包括X和Y兩個(gè)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(jié)構(gòu)以增強(qiáng)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(gè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)切片的方法將至少需要4片切片，其優(yōu)點(diǎn)在于，制備方法簡單，只需要一個(gè)切片，而且對應(yīng)一個(gè)鐵磁參考層結(jié)構(gòu)，其缺點(diǎn)在于，需要操作4個(gè)切片在同一平面內(nèi)進(jìn)行定位，增加了由于操作失誤導(dǎo)致的傳感器的測量精度損失的可能性。

采用多層薄膜結(jié)構(gòu)的鐵磁參考層的設(shè)計(jì)，通過改變與反鐵磁層交互耦合的鐵磁層和金屬間隔層構(gòu)成的多層薄膜的層數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)在于，由于在沉積多層薄膜時(shí)需要引入至少四種多層薄膜結(jié)構(gòu)和兩次磁場退火，增加了微加工工藝的復(fù)雜性。

中國專利申請?zhí)枮镃N201610821610.7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(shí)現(xiàn)對磁電阻傳感單元進(jìn)行掃描、快速加熱反鐵磁層到阻塞溫度以上，同時(shí)在冷卻過程中可以沿任意方向施加磁場，可以逐個(gè)掃描、甚至逐片掃描實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)切片的精確定位和沉積多種磁多層薄膜結(jié)構(gòu)的微加工工藝復(fù)雜性的難題，并可實(shí)現(xiàn)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(qiáng)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)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(qiáng)度磁電阻角度傳感器。

此外，在實(shí)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(yīng)力等因素，這都可能使得實(shí)際的釘扎層磁化方向偏離所設(shè)定的+X，-X，+Y和-Y方向，因此還要求設(shè)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。

實(shí)用新型內(nèi)容

為了解決上述問題，本實(shí)用新型所提出的一種單芯片磁電阻角度傳感器，包括位于X-Y平面上的襯底、位于所述襯底上的推挽式X軸磁電阻角度傳感器和推挽式Y(jié)軸磁電阻角度傳感器，所述推挽式X軸磁電阻角度傳感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y(jié)軸磁電阻角度傳感器包含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(gè)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，所述X軸磁電阻角度傳感器和所述Y軸磁電阻角度傳感器具有共同的幾何中心，每個(gè)所述磁電阻角度傳感單元陣列均包括多個(gè)所述磁電阻角度傳感單元，所述磁電阻角度傳感單元為TMR或者GMR自旋閥單元，所述磁電阻角度傳感單元均具有相同的磁多層薄膜結(jié)構(gòu)，所述磁多層薄膜結(jié)構(gòu)自上而下包括種子層、反鐵磁層、釘扎層、Ru層、參考層、非磁中間層、自由層和鈍化層，或者自上而下包括種子層、反鐵磁層、參考層、非磁中間層、自由層和鈍化層，所述磁電阻角度傳感單元為TMR時(shí)，所述非磁中間層為Al₂O₃或者M(jìn)gO，所述磁電阻角度傳感單元為GMR自旋閥時(shí)，所述非磁中間層為Au或者為Cu。

所述反鐵磁層磁化方向通過激光程控加熱磁退火獲得，具有相同磁化方向的磁電阻橋臂位于相鄰位置，具有不同磁場敏感方向的相鄰磁電阻角度傳感單元陣列之間具有隔熱間隙。