CN105044631A - 一种半翻转两轴磁电阻传感器 - Google Patents

Abstract

一种半翻转两轴磁电阻传感器，包括位于X-Y平面内的至少一组切片，每组切片包括两个切片，其中一个切片为另一个切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，任一切片均包括两组具有正交铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串，磁电阻传感单元串均由至少两个磁电阻传感单元构成；且位于两个切片上的磁电阻传感单元串电连接成具有正交磁场敏感方向的至少两个单轴推挽式磁电阻传感单元电桥，任一推挽式磁电阻传感单元电桥均包括分别位于两个切片上的具有相反铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串，两轴磁电阻传感单元电桥可以同为线性磁电阻传感器或者同为角度磁电阻传感器，本发明具有切片数量少，位置易于安装，结构简单，低功耗的优点。

Description

一种半翻转两轴磁电阻传感器

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种半翻转两轴磁电阻传感器。

背景技术

两轴磁电阻传感器如两轴线性传感器或者两轴角度传感器，用于测量两个正交方向如X和Y方向的外磁场信息，其中两轴线性传感器用于测量外磁场在X和Y方向上的磁场强度，而两轴角度传感器用于测量外磁场与X和Y方向上的角度信息，而在磁传感器设计领域得到广泛的应用。

两轴磁电阻传感器包括两个单轴磁电阻传感器，每一单轴磁电阻传感器通常采用推挽式电桥结构以增强磁电阻传感器的信号输出，而推挽式电桥包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成，且分别具有相反的磁场敏感方向。

对于TMR或者GMR类型的两轴磁电阻传感器，通常采用将一个具有单一磁场敏感方向如X轴的磁电阻传感单元切片，分别翻转90，180和270度，以此来获得Y轴的推磁电阻传感单元切片，挽磁电阻传感单元切片，以及X轴的推磁电阻传感器单元切片和挽磁电阻传感单元切片，因此，两轴磁电阻传感器采用翻转切片的方法将至少需要4片切片，其优点在于，制备方法简单，只需要一个切片，而且对应一个铁磁参考层结构，且缺点在于，需要操作4个切片在同一平面内进行精确定位，增加了由于操作失误导致的传感器的测量精度损失的可能性。

另一方面，采用激光磁场退火的方法对磁电阻传感单元的反铁磁层进行扫描，同时改变磁场的方向，可以实现在单一切片上的两轴磁电阻传感单元的四个具有正交取向的磁电阻传感单元的制造，但是，其缺点在于采用激光扫描加热的方法实现对单个磁电阻传感单元的过程时间消耗非常长。

采用多层薄膜结构的铁磁参考层的设计，通过改变与反铁磁层交互耦合的铁磁层和金属间隔层构成的多层薄膜的层数，其中一个为奇数层，另一个为偶数层的方法，可以实现相反铁磁参考层的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的制造，对于正交的铁磁参考层的取向，可以通过两种不同反铁磁层AF1以及AF2，通过两次磁场热退火来实现，其缺点在于，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少四种多层薄膜结构和两次磁场退火，增加了微加工工艺的复杂性。

发明内容

针对以上单芯片方法和翻转芯片方法的各自优点和缺点，本发明提出了一种半翻转两轴磁电阻传感器，通过在同一切片上制备两个正交的磁电阻传感单元，同时利用对该切片进行翻转180度来获得对应推臂和挽臂的磁电阻传感单元，其优点在于，不需要参考多层薄膜结构次序来实现推臂和挽臂，仅需要两次退火来实现正交的铁磁参考层取向，而且翻转切片的数量仅为二，从而简化了制造工艺和切片位置对准过程，提高了两轴磁电阻传感器的制造效率。

本发明所提出的一种半翻转两轴磁电阻传感器，包括位于X-Y平面内的至少一组切片；

每组切片包括两个切片，其中一个切片为另一个切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，任一切片均包括两组具有正交铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串，所述磁电阻传感单元串均由至少两个磁电阻传感单元构成；且位于所述两个切片上的所述磁电阻传感单元串电连接成具有正交磁场敏感方向的至少两个推挽式磁电阻传感单元电桥，任一所述推挽式磁电阻传感单元电桥均包括分别位于两个切片上的具有相反铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串。

优选的，所述磁电阻传感单元为GMR或者TMR磁电阻传感单元。

优选的，所述推挽式磁电阻传感单元电桥为线性磁电阻传感单元电桥或角度磁电阻传感单元电桥。

优选的，所述推挽式磁电阻传感单元电桥为半桥、全桥或者准桥结构。

优选的，没有外加磁场时，所述线性磁电阻传感单元电桥通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者他们的任意结合来使铁磁自由层的磁化方向来与铁磁钉扎层的磁化方向垂直。

优选的，所述磁电阻传感单元电桥的铁磁参考层结构采用单堆叠层结构或多层薄膜结构；

所述单堆叠层结构包括依序设置的反铁磁层、铁磁参考层；

所述多层薄膜结构包括位于中间层的依序设置的反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层、铁磁自由层，或者所述多层薄膜结构包括位于底层的依序设置的反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层、铁磁自由层。

优选的，所述位于同一切片上的正交的所述两组磁电阻传感单元串的铁磁参考层分别对应反铁磁层1和反铁磁层2，用在所述反铁磁层1和反铁磁层2的阻隔温度下分别退火，并在冷却过程中分别施加正交方向的两个外磁场，从而形成具有所述正交铁磁参考层磁化方向的所述两组磁电阻传感单元串。

优选的，所述的半翻转两轴磁电阻传感器还包括ASIC专用集成电路，所述ASIC和所述推挽式磁电阻传感单元电桥之间电连接。

优选的，所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路。

优选的，所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路和用于对所述推挽式磁电阻传感单元电桥的输出进行计算的处理电路以使得其以数字形式输出。

优选的，所述推挽式磁电阻传感单元电桥的输入和输出端通过引线连接到位于同一引线框架上的引脚上。

优选的，所述引线框和所述推挽式磁电阻电桥被密封在塑料中以形成标准的半导体封装。

优选的，所述两个切片之间通过绑定连接或者通过TSV焊头连接。

附图说明

图1为半翻转两轴磁电阻传感器结构一；

图2为半翻转两轴磁电阻传感器结构二；

图3(a)、3(b)为半翻转两轴磁电阻传感器推挽式全桥结构图；

图4为TMR或者GMR磁电阻传感单元多层薄膜结构图；

图5(a)、5(b)为线性磁电阻传感单元磁化强度分布图；

图6(a)、6(b)为角度磁电阻传感单元磁化强度分布图；

图7为半翻转两轴磁电阻传感器结构一的切片间电连接图；

图8为半翻转两轴磁电阻传感器结构二的切片间电连接图；

图9为包含ASIC的半翻转两轴磁电阻传感器的切片间电连接图；

图10为TMR或者GMR铁磁参考层结构一图；

图11为TMR或者GMR铁磁参考层结构二图；

图12(a)、12(b)为半翻转两轴磁电阻传感器X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元铁磁参考层结构图；

图13为激光热辅助磁场退火设备图；

图14为半翻转两轴磁电阻传感器的两轴单切片在晶圆上分布图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例一

图1和图2为本发明所提出的半翻转两轴磁电阻传感器的两种结构图，半翻转两轴磁电阻传感器1和5均包括两个位于X-Y平面内的切片，其中半翻转两轴磁电阻传感器1包括切片2和2(1)，半翻转两轴磁电阻传感器5包括切片6和6(1)，且其中一个切片为另一个切片在X-Y平面内旋转180度相位而得到，即切片2和2(1)，切片6和6(1)均可以通过各种旋转180度相位而得到；另一方面，图1和图2中构成半翻转两轴磁电阻传感器的两个切片中的任一切片均包括相互正交的两个单轴磁电阻传感器，例如切片2和2(1)均包括X轴磁电阻传感单元串3和Y轴磁电阻传感器单元串4，切片6和6(1)均包括X轴磁电阻传感单元串7和Y轴磁电阻传感单元串8，其中图1中，X磁电阻传感单元串3和Y轴磁电阻传感单元串4比邻排列，其中一个磁电阻传感单元串位于另一个磁电阻传感单元串的一侧。图2中，X轴磁电阻传感单元串7和Y轴磁电阻传感单元串交替排列，其中X轴磁电阻传感单元串7所包含的子单元71和72和Y轴磁电阻传感单元串8所包含的子单元81和82相互交替；图1和图2中，两个切片2和2(1)，切片6和6(1)上的X轴磁电阻传感单元串之间电连接成如图3(a)所示的推挽式X轴磁电阻传感单元电桥，Y轴磁电阻传感单元串电连接成如图3(b)所示的推挽式Y轴磁电阻传感单元电桥，其中一个切片上的X轴磁电阻传感单元与另一个切片上的X轴磁电阻传感单元相互电连接构成了推臂磁电阻传感单元，且一个切片上的Y磁电阻传感单元和另一个切片上的Y轴磁电阻传感单元相互电连接构成了挽臂磁电阻传感单元，图3为推挽式全桥结构，实际上还可以为推挽式半桥或者准桥结构。

半翻转两轴磁电阻传感器所包括的X轴磁电阻传感器和Y轴磁电阻传感器可以同为线性磁电阻传感器，或者同为角度磁电阻传感器，其磁电阻传感单元为GMR或者TMR类型，其磁电阻传感单元结构如图4所示，多层薄膜结构9均从上到下依次包括反铁磁层12，铁磁参考层13，非磁隔离层14，铁磁自由层15，其中10为对应角度磁电阻传感器的多层薄膜结构，其铁磁参考层13的磁化方向16即为角度传感器的磁场敏感方向，铁磁自由层15的磁化方向17可以沿着外磁场方向自由转动，而11为对应线性磁电阻传感单元的多层薄膜结构，在0外磁场时，其铁磁参考层13的磁化方向18和铁磁自由层15的磁化方向19相互垂直，此时通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者他们的任意结合来使铁磁自由层的磁化方向与铁磁参考层的磁化方向垂直。

图5和图6分别为线性磁电阻传感单元和角度磁电阻传感单元所对应形状，其中线性磁电阻传感单元为椭圆形形状，其铁磁参考层磁化方向为椭圆短轴方向，而自由层磁化方向为沿长轴方向，5(a)和5(b)分别为X轴线性磁电阻传感单元和Y轴线性磁电阻传感单元，而角度磁电阻传感单元通常为圆形，其参考层磁化方向为磁场敏感方向，图6(a)和6(b)分别为X轴角度磁电阻传感单元和Y轴角度磁电阻传感单元。

实施例二

以下以角度磁电阻传感单元为例对半翻转两轴磁电阻传感器的电连接进行说明，图7为对应图2所示的X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元交叉排列的两个切片的电连接图，其中21和23分别为对应Y轴磁电阻传感单元电桥的桥臂，22和24分别为对应X轴磁电阻传感单元电桥的两个推桥臂，其中20(1)为20的相对旋转180度，从而在20(1)中得到X轴磁电阻传感单元电桥和Y轴磁电阻传感单元电桥的挽桥臂，两个切片之间通过引线25进行连接，其中26为引脚，对应两轴磁电阻传感器的输出输入引脚包括Vbias，GND，Vax+，Vax-，Vby+，Vby-。

图8为对应图1的X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元比邻排列的两个切片之间的电连接图，其中61和62对应Y轴磁电阻传感单元电桥的两个推桥臂，63和64为对应X轴磁电阻传感单元电桥的两个推桥臂，切片60和61为对应的相互旋转180度相位的两个切片，两个切片之间通过引线65连接，66为引脚，同样对应两轴磁电阻传感器的输出输入引脚包括Vbias，GND，Vax+，Vax-，Vby+，Vby-。

图9为包含ASIC集成电路芯片的两轴磁电阻传感器，其中91和92为相互旋转180度相位的包含X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元的切片，93为ASIC集成电路芯片，两个切片91和92分别通过引线94和ASIC集成电路93连接，ASIC专用集成电路93包括ESD防静电保护电路和用于所述推挽式磁电阻电桥的输出进行计算的处理电路以使得其以数字形式输出，ASIC集成电路93连接Vbias，GND，Vx，Vy分别对应电源，地，X轴输出信号，Y轴输出信号。

图10-12分别为对应两轴磁电阻传感单元的具有不同铁磁参考层的多层薄膜结构图，其中图10中，铁磁参考层结构采用反铁磁层AF/铁磁层FM单堆叠层结构，图11中，铁磁参考层结构采用反铁磁层AF/铁磁层FM/金属隔离层/铁磁层FM的多层薄膜结构，图12(a)和12(b)分别为对应X轴磁电阻传感器和Y轴磁电阻传感器的磁电阻传感单元的铁磁参考层结构，其中反铁磁层AF1和反铁磁层AF2的磁化强度方向相互垂直。

图13为半翻转两轴磁电阻传感器的单一切片上的X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元的不同铁磁参考层取向的磁性多层薄膜结构的激光加热辅助退火装置，包括，激光源100，用于发射对准磁性薄膜103的激光束105，光衰减器107，设置在经由激光源100发出的激光束105的后端，反光镜106，用于改变经由光衰减器107衰减后的激光束105的传播方向，聚焦物镜101，用于将经由反光镜106改变方向的激光束105进行聚焦成光斑，可移动平台102，其上包括有用于夹持磁性薄膜103的夹具，以及两个正交方向的电磁铁108和109。此外，还包括CCD相机99，反光镜106上具有一条缝，CCD相机99通过反光镜106的缝隙以调节反光镜106将光斑对准磁性薄膜103，其中104为进入CCD相机99的光线。

通过图13所示的激光辅助热退火装置，通过移动平台102的移动，激光光斑直接对X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元的磁性多层薄膜进行选择，并进行快速加热到反铁磁层的阻隔温度以上，然后再冷却过程中，启动双向电磁铁108和109，从而直接确定每个磁电阻传感单元的磁化方向，这样，可以直接得到单个切片上的X轴磁电阻传单元和Y轴磁电阻传感单元。因此，借助于激光辅助热退火装置，沉积在单芯片上的磁性多层薄膜具有相同的沉积顺序。

图14为对应半翻转两轴磁电阻传感器的单个切片上的两种不同取向X和Y轴的磁电阻传感单元在晶圆200上的分布图，为了保证在晶圆上分布差别的均匀性，需要使得各种不同参考铁磁层方向的多层薄膜单元分布在不同的区域，图中201分别表示为Y轴取向的反铁磁层，202为X轴取向的反铁磁层，分布于晶圆200上的不同区域，通过在反铁磁层上沉积不同的铁磁层和金属层的不同的序列，从而决定正交的X轴、Y轴取向，同样也在不同的区域中，隧道结单元的图形化需要在所有的沉积多层薄膜序列和取向完成之后统一进行。

除了激光辅助热退火之外，还可以通过在同一晶圆片上需要沉底2种不同的反铁磁层AF1和AF2，并且对于AF1和AF2需要有两种不同的磁场退火温度和正交的退火磁场方向，假设AF1和AF2中其中一种阻隔温度为Tb1和Tb2，其中Tb1>Tb2，则磁场退火时，先对Tb1进行磁场退火，获得其X磁场方向，而后对Tb2进行磁场退火，获得Y磁场退火，从而在同一切片上获得X轴磁电阻传感器单元和Y轴磁电阻传感单元。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，包括位于X-Y平面内的至少一组切片；

每组切片包括两个切片，其中一个切片为另一个切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，任一切片均包括两组具有正交铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串，所述磁电阻传感单元串均由至少两个磁电阻传感单元构成；且位于所述两个切片上的所述磁电阻传感单元串电连接成具有正交磁场敏感方向的至少两个推挽式磁电阻传感单元电桥，任一所述推挽式磁电阻传感单元电桥均包括分别位于两个切片上的具有相反铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串。

2.根据权利要求1所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，所述磁电阻传感单元为GMR或者TMR磁电阻传感单元。

3.根据权利要求1所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述推挽式磁电阻传感单元电桥为线性磁电阻传感单元电桥或角度磁电阻传感单元电桥。

4.根据权利要求1所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述推挽式磁电阻传感单元电桥为半桥、全桥或者准桥结构。

5.根据权利要求3所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，没有外加磁场时，所述线性磁电阻传感单元电桥通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者他们的任意结合来使铁磁自由层的磁化方向来与铁磁钉扎层的磁化方向垂直。

6.根据权利要求3所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感单元电桥的铁磁参考层结构采用单堆叠层结构或多层薄膜结构；

所述单堆叠层结构包括依序设置的反铁磁层、铁磁参考层；

所述多层薄膜结构包括位于中间层的依序设置的反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层、铁磁自由层，或者所述多层薄膜结构包括位于底层的依序设置的反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层、铁磁自由层。

7.根据权利要求6所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述位于同一切片上的正交的所述两组磁电阻传感单元串的铁磁参考层分别对应反铁磁层1和反铁磁层2，在所述反铁磁层1和反铁磁层2的阻隔温度下分别退火，并在冷却过程中分别施加正交方向的两个外磁场，从而形成具有所述正交铁磁参考层磁化方向的所述两组磁电阻传感单元串。

8.根据权利要求1所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，还包括ASIC专用集成电路，所述ASIC和所述推挽式磁电阻传感单元电桥之间电连接。

9.根据权利要求8所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路。

10.根据权利要求8所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路和用于对所述推挽式磁电阻传感单元电桥的输出进行计算的处理电路以使得其以数字形式输出。

11.根据权利要求10所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述推挽式磁电阻传感单元电桥的输入和输出端通过引线连接到位于同一引线框架上的引脚上。

12.根据权利要求11所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述引线框和所述推挽式磁电阻电桥被密封在塑料中以形成标准的半导体封装。

13.根据权利要求1所述的一种半翻转两轴磁电阻传感器，其特征在于，所述两个切片之间通过绑定连接或者通过TSV焊头连接。