CN104900801A - 一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(amr)传感器 - Google Patents

一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(amr)传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其结构包括：位于底层的衬底层；位于衬底层上方的缓冲层；位于顶层的覆盖层；位于所述缓冲层和覆盖层之间的中间层，所述中间层包括铁磁层和反铁磁层。铁磁层受到外界大磁场干扰之后，磁矩随机取向。本发明利用反铁磁层和铁磁层之间的交换偏置作用，使得铁磁层受到大磁场干扰之后，磁矩一致取向，从而实现重置磁矩方向(SET)功能。在此基础上本发明亦提出了一种差分推挽式磁场传感器电桥。本发明涉及的反铁磁钉扎AMR传感器结构简单，成本较低。

Description

一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种结构简单、成本较低的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器。
背景技术
随着磁场传感器技术的发展，其发展出各种类型，例如基于霍尔效应以及磁电阻效应的传感器。霍尔效应传感器的制备可以与传统集成电路工艺结合，从而有成本低廉的优点，但是也存在低灵敏度和误差大的缺点。还有一种就是基于各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto Resistance，简称AMR)效应的磁场传感器。磁性薄膜的电阻随磁化方向与电流方向的夹角改变而改变，这种现象称为各向异性磁电阻效应。AMR磁场传感器有着灵敏度高，噪音小的特点，广泛应用于各个领域。当受到外界大磁场干扰时，AMR传感器中的铁磁层磁矩杂乱取向，从而影响磁场传感器输出的准确性。为了校准传感器输出和去除误差，需要重新磁化铁磁层中的磁畴使磁矩重新排列回到初始方向，即实现重置(SET)功能，通常有两种方法重置磁矩：第一种方法是，在AMR传感器磁电阻条上方或者下方沉积金属条带，通过在金属条带中施加电流，利用电流产生的大磁场使得铁磁层的磁矩排列一致，即实现SET功能；第二种方法是，在传感器封装时，将永磁体固定在磁电阻条附近，利用永磁体产生的磁场使得铁磁层的磁矩排列一致，即实现SET功能。这两种方法的缺点是制备或封装工艺复杂，成本较高。
因此，有必要为业界提供一种工艺简单、成本较低的AMR传感器。
发明内容
本发明的一个目的在于克服上述现有技术的缺陷提供一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其通过圆片级工艺将铁磁层和反铁磁层集成在同一芯片上，受到大磁场干扰之后，能有效地实现SET功能，降低了工艺难度，且成本较低。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其包括：
位于底层的衬底层；
位于衬底层上方的缓冲层；
位于顶层的覆盖层；
位于所述缓冲层和覆盖层之间的中间层，
所述中间层包括铁磁层和反铁磁层，通过反铁磁层和铁磁层之间的交换偏置作用实现实现重新排列铁磁层磁矩，即SET功能。
作为本发明一个优选的实施例，所述反铁磁钉扎AMR传感器为顶部反铁磁钉扎AMR传感器，所述顶部反铁磁钉扎AMR传感器的中间层的铁磁层位于所述缓冲层的上方，所述中间层的反铁磁层位于所述铁磁层的上方。
作为本发明一个优选的实施例，所述反铁磁钉扎AMR传感器为底部反铁磁钉扎AMR传感器，所述底部反铁磁钉扎AMR传感器的中间层的反铁磁层位于所述缓冲层的上方，所述中间层的铁磁层位于所述反铁磁层的上方。
作为本发明一个优选的实施例，所述反铁磁钉扎AMR传感器为三明治反铁磁钉扎AMR传感器，所述三明治反铁磁钉扎AMR传感器的中间层的反铁磁层为两层，其位于所述铁磁层的两侧分别与所述缓冲层和覆盖层相邻。
作为本发明一个优选的实施例，所述衬底层由绝缘或者半导体材料制成，所述缓冲层由导电金属材料或合金材料制成，所述铁磁层由铁磁材料制成，所述反铁磁层由反铁磁材料制成，所述覆盖层由导电材料制成。
作为本发明一个优选的实施例，所述绝缘层为表面热氧化的Si衬底，所述导电金属层或合金层的材料为Ta或NiFeCr，所述导电材料为Ta。
作为本发明一个优选的实施例，所述铁磁材料为NiFe合金。
作为本发明一个优选的实施例，反铁磁材料为IrMn、FeMn、PtMn和MnGa的一种或多种。
作为本发明一个优选的实施例，其中交换偏置的方向可以通过在沉积过程中施加原位磁场定义或者通过在磁场中退火定义。
进一步的，本发明提供一种如上述的反铁磁钉扎AMR推挽式传感器的电桥结构，其包括第一磁电阻、第二磁电阻、第三磁电阻和第四磁电阻，所述第一磁电阻一端与电压的正极相连、另一端与所述第三磁电阻连接，所述第二磁电阻一端与所述电压的正极连接、另一端与所述第四磁电阻连接，所述第三磁电阻一端与所述第一磁电阻连接、另一端与电压的负极连接，所述第四磁电阻一端与所述电压的负极连接、另一端与第二磁电阻连接，
所述第一磁电阻的第一磁矩方向和第二磁电阻的第二磁矩方向相互反平行，所述第一磁电阻的第一磁矩方向和第三磁电阻的第三磁矩方向相互平行或反平行，所述第三磁电阻的第三磁矩方向和第四磁电阻的第四磁矩方向相互反平行，每个磁电阻上集成有barber电极(barber poles)，使得电流方向与磁电阻的易轴(easy axis)成45度角，当所述传感器放置在外磁场中，所述第一磁电阻和第四磁电阻的阻值同时增大或者减小，第二磁电阻和第三磁电阻的阻值同时减小或者增大，从而实现差分输出。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置作用，使得传感器受到大磁场干扰之后，可以有效实现SET功能，且通过圆片级工艺将铁磁层和反铁磁层集成在同一芯片上，降低了工艺难度和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明涉及的一个实施例提供的顶部反铁磁钉扎AMR传感器的结构示意图。
图2为本发明涉及的又一个实施例提供的底部反铁磁钉扎AMR传感器的结构示意图。
图3为本发明涉及的又一个实施例提供的三明治反铁磁钉扎AMR传感器的结构示意图。
图4为本发明推挽式磁场传感器电桥在一个具体实施例中的示意图。
图5为本发明推挽式磁场传感器电桥在另一个具体实施例中的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明提供一种反铁磁钉扎AMR传感器，其包括位于底层的衬底层、位于衬底层上方的缓冲层、位于顶层的覆盖层、位于所述缓冲层和覆盖层之间的中间层，所述中间层包括铁磁层和反铁磁层。本发明通过反铁磁层和铁磁层之间的交换偏置作用实现SET功能。
其中，所述衬底层为绝缘或者半导体材料，其优选为表面热氧化的Si衬底；所述缓冲层为导电金属或合金，其优选为Ta或NiFeCr；所述铁磁层为铁磁材料，其优选为NiFe合金；所述反铁磁层为反铁磁材料，其优选为IrMn、FeMn、PtMn和MnGa的一种或多种；所述覆盖层为导电材料，其优选为Ta。其中，所述反铁磁层和铁磁层之间的交换偏置作用实现SET功能，交换偏置的方向可以通过在沉积过程中施加原位磁场定义或者通过在磁场中退火定义。
请参阅图1，其为本发明涉及的一个实施例提供的顶部反铁磁钉扎AMR传感器的结构示意图。如图1所示，所述反铁磁钉扎AMR传感器为顶部反铁磁钉扎AMR传感器，所述顶部反铁磁钉扎AMR传感器依次包括衬底层10、沉积于所述衬底层10上方的缓冲层11、沉积于所述缓冲层11上方的铁磁层12、沉积于所述铁磁层12上方的反铁磁层13及沉积于所述反铁磁层13上方的覆盖层14。
请参阅图2，图2为本发明涉及的又一个实施例提供的底部反铁磁钉扎AMR传感器的结构示意图。请参阅图2，所述反铁磁钉扎AMR传感器为底部反铁磁钉扎AMR传感器，所述底部反铁磁钉扎AMR传感器依次包括衬底层20、沉积于所述衬底层20上方的缓冲层21、沉积于所述缓冲层21上方的反铁磁层22、沉积于所述反铁磁层22上方的铁磁层23及沉积于所述铁磁层23上方的覆盖层24。
请参阅图3，图3为本发明涉及的又一个实施例提供的三明治反铁磁钉扎AMR传感器的结构示意图。请参阅图3，所述反铁磁钉扎AMR传感器为三明治反铁磁钉扎AMR传感器，该传感器依次包括衬底层30、沉积于所述衬底层30上方的缓冲层31、沉积于所述缓冲层31上方的反铁磁层32、沉积于所述反铁磁层32上方的铁磁层33、沉积于所述铁磁层33上的又一个反铁磁层34以及沉积于所述反铁磁层34上方的覆盖层35。在该实施例中，所述反铁磁层为两个，其将所述铁磁层夹于中间。
需要说明的是，本发明在衬底层上沉积各层的方式是本领域常用的沉积方法，在此不予详述。
请参阅图4，图4为本发明又一个实施例揭示了一种采用反铁磁钉扎的推挽式磁场传感器电桥结构，其包括有其包括第一磁电阻41、第二磁电阻42、第三磁电阻43和第四磁电阻44，所述第一磁电阻41一端与电压的正极V+相连、另一端与所述第三磁电阻43连接，所述第二磁电阻42一端与所述电压的正极V+连接、另一端与所述第四磁电阻44连接，所述第三磁电阻43一端与所述第一磁电阻41连接、另一端与电压的负极V-连接，所述第四磁电阻44一端与所述电压的负极V-连接、另一端与第二磁电阻42连接，
所述第一磁电阻41的第一磁矩方向45(对应图中箭头方向)和第二磁电阻42的第二磁矩方向46(对应图中箭头方向)相互反平行，所述第一磁电阻41的第一磁矩方向45和第三磁电阻43的第三磁矩方向47(对应图中箭头方向)相互平行，所述第三磁电阻43的第三磁矩方向47和第四磁电阻44的第四磁矩方向48(对应图中箭头方向)相互反平行。磁电阻上集成有barber电极(barberpoles)使得电流方向与磁电阻的易轴(easy axis)成45度角。当所述传感器放置在外磁场H(图中右向箭头49)中，所述第一磁电阻41和第四磁电阻44的阻值同时减小，第二磁电阻42和第三磁电阻43的阻值同时增大，从而实现电桥差分输出。
请参阅图5，图5为本发明的又一个实施例揭示了又一种采用反铁磁钉扎的推挽式磁场传感器电桥结构，其所述第一磁电阻51的第一磁矩方向55(对应图中箭头方向)和第二磁电阻52的第二磁矩方向56(对应图中箭头方向)相互反平行，所述第一磁电阻51的第一磁矩方向55和第三磁电阻53的第三磁矩方向(对应图中箭头方向)57相互反平行，所述第三磁电阻53的第三磁矩方向57和第四磁电阻54的第四磁矩方向58(对应图中箭头方向)相互反平行。磁电阻上集成有barber电极(barber poles)使得电流方向与磁电阻的易轴(easy axis)成45度角。当所述传感器放置在外磁场H(图中右向箭头59)中，所述第一磁电阻51和第四磁电阻54的阻值同时减小，第二磁电阻52和第三磁电阻53的阻值同时增大，从而实现电桥差分输出。
本发明的反铁磁钉扎的推挽式磁场传感器电桥，每个磁电阻的磁矩方向被对应的反铁磁层通过交换偏置钉扎，使得在沿磁电阻敏感方向的外磁场，相邻的两个桥臂电阻分别增大或减小，且相对的两个桥臂电阻同时增大或减小。
需要说明的是，本发明中图4和图5所示的两种电桥设计只是示例，具体的传感器设计并不仅限于这两种设计，布局方案可以多种多样。
本发明通过铁磁层和反铁磁层之间的交换偏置作用，使得传感器受到大磁场干扰之后，可以有效实现SET功能，且通过圆片级工艺将铁磁层和反铁磁层集成在同一芯片上，降低了工艺难度和成本。
上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (10)

1.一种反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：其包括：
位于底层的衬底层；
位于衬底层上方的缓冲层；
位于顶层的覆盖层；
位于所述缓冲层和覆盖层之间的中间层，
所述中间层包括铁磁层和反铁磁层，通过反铁磁层和铁磁层之间的交换偏置作用实现重新排列铁磁层磁矩，即SET功能。
2.根据权利要求1所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：所述反铁磁钉扎AMR传感器为顶部反铁磁钉扎AMR传感器，所述顶部反铁磁钉扎AMR传感器的中间层的铁磁层位于所述缓冲层的上方，所述中间层的反铁磁层位于所述铁磁层的上方。
3.根据权利要求1所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：所述反铁磁钉扎AMR传感器为底部反铁磁钉扎AMR传感器，所述底部反铁磁钉扎AMR传感器的中间层的反铁磁层位于所述缓冲层的上方，所述中间层的铁磁层位于所述反铁磁层的上方。
4.根据权利要求1所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：所述反铁磁钉扎AMR传感器为三明治反铁磁钉扎AMR传感器，所述三明治反铁磁钉扎AMR传感器的中间层的反铁磁层为两层，其位于所述铁磁层的两侧分别与所述缓冲层和覆盖层相邻。
5.根据权利要求1所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：所述衬底层由绝缘或者半导体材料制成，所述缓冲层由导电金属材料或合金材料制成，所述铁磁层由铁磁材料制成，所述反铁磁层由反铁磁材料制成，所述覆盖层由导电材料制成。
6.根据权利要求5所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：所述绝缘层为表面热氧化的Si衬底，所述导电金属层或合金层的材料为Ta或NiFeCr，所述导电材料为Ta。
7.根据权利要求5所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：所述铁磁材料为NiFe合金。
8.根据权利要求5所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：反铁磁材料为IrMn、FeMn、PtMn和MnGa的一种或多种。
9.根据权利要求2-4所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)传感器，其特征在于：其中交换偏置的方向可以通过在沉积过程中施加原位磁场定义或者通过在磁场中退火定义。
10.一种如权利要求1-9任一所述的反铁磁钉扎各向异性磁电阻(AMR)推挽式传感器的电桥结构，其特征在于：其包括第一磁电阻、第二磁电阻、第三磁电阻和第四磁电阻，所述第一磁电阻一端与电压的正极相连、另一端与所述第三磁电阻连接，所述第二磁电阻一端与所述电压的正极连接、另一端与所述第四磁电阻连接，所述第三磁电阻一端与所述第一磁电阻连接、另一端与电压的负极连接，所述第四磁电阻一端与所述电压的负极连接、另一端与第二磁电阻连接，
所述第一磁电阻的第一磁矩方向和第二磁电阻的第二磁矩方向相互反平行，所述第一磁电阻的第一磁矩方向和第三磁电阻的第三磁矩方向相互平行或反平行，所述第三磁电阻的第三磁矩方向和第四磁电阻的第四磁矩方向相互反平行，每个磁电阻上集成有barber电极，使得电流方向与磁电阻的易轴成45度角，当所述传感器放置在外磁场中，所述第一磁电阻和第四磁电阻的阻值同时增大或者减小，第二磁电阻和第三磁电阻的阻值同时减小或者增大，从而实现差分输出。
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