CN105699920A - 一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法，包括数据采集处理单元和巨磁阻阵列。数据采集处理单元包括电源模块、地址选择器、模拟前端和模数转换器；电源模块通过地址选择器连接至巨磁阻阵列，巨磁阻阵列经过模拟前端模块连接至模数转换器，巨磁阻阵列包括256个采用纳米多层膜结构的蜿蜒型电阻形式的巨磁阻磁传感器，组成16*16面阵形式的巨磁阻阵列。本发明基于标准CMOS集成电路工艺，先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工，外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工所述巨磁阻阵列。本发明的面阵巨磁阻磁传感器可以实现精确的平面磁场高速同步检测，并且小型化、集成化程度高，产品工艺兼容、便于批量生产。

Description

一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法

【技术领域】

本发明属于传感检测领域，具体涉及一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法。

【背景技术】

磁场可以作为多种信息的载体，其广泛存在于现代工业社会的方方面面。磁检测技术已成为一种重要的检测手段。磁传感器被广泛用于现代工业和电气电子产品中，通过测量感应磁场强度来获得电流、位置、方向等物理参数。

在现有技术中，有多种不同类型的传感器可用于进行磁场的测量，例如以霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻(AMR)元件、巨磁阻(GMR)元件或隧道结巨磁电阻(TMR)元件为敏感元件的磁传感器。其中，巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在外磁场作用时发生显著变化的现象。因此，巨磁阻传感器具有灵敏度高、易小型化、能耗低等优点，成为近年来的研究热点。

目前，人们为了设计制造上述具有巨磁阻效应的阵列传感器，已作出一些尝试和努力。例如，在2012年7月4日授权的中国发明专利CN102043083B授权文本中披露了“一种巨磁阻阵列电流传感器”。该传感器由巨磁阻芯片子板阵列、环形PCB母板、8通道放大器电路、8通道采样保持及A/D转换电路、FPGA信号处理电路构成。其中，巨磁阻芯片子板阵列由8个巨磁阻子板构成。巨磁阻芯片输出的信号经过放大后，进入8通道采样保持及A/D转换电路，模拟的电压信号转变成数字信号，再经过FPGA处理电路对8路数字信号进行并行式处理。但是，这种阵列式传感器有着明显的不足。该传感器的阵元数只有8个，且每个阵元由一片巨磁阻芯片和两个条形的铝镍钴永磁体构成，8个子板以相同的半径和角度焊接在环形PCB上，集成化程度低，使得该传感器的使用环境和适用范围有着很大的限制。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种高测量精度、小型化、高集成度、工艺兼容、便于批量生产的面阵巨磁阻传感器，并提供一种制造该传感器的方法。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种面阵巨磁阻磁传感器，包括数据采集处理单元和巨磁阻阵列，所述数据采集处理单元包括电源模块、地址选择器、模拟前端和模数转换器；所述电源模块通过地址选择器连接至所述巨磁阻阵列，所述巨磁阻阵列经过模拟前端模块连接至模数转换器，所述地址选择器用于选择发送所述巨磁阻阵列中各单元的信号，所述模拟前端模块用于接收所述信号进行放大、滤波处理，所述模数转换器用于将所述信号经过模数转换后输出；所述巨磁阻阵列包括多个采用纳米多层膜结构的巨磁阻磁传感器，多个巨磁阻磁传感器按照平面形式组成阵列单元，每个所述巨磁阻磁传感器采用蜿蜒型电阻形式。

进一步，所述巨磁阻磁传感器采用面阵形式组成巨磁阻阵列。

进一步，地址选择器，以行扫描的方式，逐行将每行多个巨磁阻阵列单元的信号输出。

进一步，巨磁阻磁传感器为自旋阀多层膜结构，该多层膜结构由上到下依次为固定层、隔离层，以及自由层，其中，固定层包括被钉扎层和用于固定被钉扎层的磁化方向的钉扎层，所述钉扎层为反铁磁材料，所述自由层的磁化方向随外加磁场发生变化，选用CoFe/NiFe复合层作为自由层的材料，隔离层位于固定层和自由层中间，由非磁性材料的电导体制成。

进一步，所述多层膜结构的顶部和底部均设置有保护层，分别位于钉扎层的顶面和自由层的底部，所述保护层采用Ta。

进一步，所述钉扎层采用MnIr，所述被钉扎层采用CoFe，所述隔离层采用Cu。

进一步，所述多层膜结构设置在基底上，该基底为Si和Al₂O_3。

一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工，外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工巨磁阻阵列。

进一步，两步光刻处理包括：第一次光刻，在制备好的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的巨磁阻单元和阵列图形，然后涂上显影剂后烘干；第二次光刻，在已制备好的巨磁阻阵列上喷涂上一层光刻胶，经过激光束照射、显影剂烘干，使得光刻胶覆盖住不希望有引线的区域。

进一步，巨磁阻阵列加工工艺包括以下步骤：

(a)对预留的区域用乙酸异丙酯或异丙醇于去离子水配合进行表面清洗；

(b)采用磁控溅射法，在真空隔离室内充入氩气，在基片和靶材之间加上高压，使氩气电离，加速的氩离子轰击靶材，溅射的原子淀积在基片上，形成所需要的薄膜；

(c)进行第一次光刻；

(d)用离子束轰击薄膜形成保护硬膜；

(e)用丙酮溶剂洗去剩下的光刻胶层，形成定义的巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元；

(f)进行第二次光刻；

(g)溅射一层铜或者银等导电性良好的金属薄膜，溅射完毕后，通过lift-off工艺剥离光刻胶及其上的金属层形成引线；

(h)在溅射SiO₂绝缘层后，利用引线键合技术，将整个传感器系统封装在标准的芯片载体内。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明高度集成化，小型化，通过专用制造方法，易于加工生产，可以检测阵列表面的磁场整体信息，采用面阵形式采集到的磁场信息精确度更高，同时对每行多个单元信号进行扫描输出，提高了灵敏度且质量更加稳定，蜿蜒型的电阻形式在较小的工作电流情况下也能有相对较大的电压信号输出，并节省空间排布。

【附图说明】

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明巨磁阻阵列示意图；

图3为现有自旋阀巨磁阻磁传感器结构示意图；

图4为本发明巨磁阻磁传感器结构的剖面示意图；

图5为本发明巨磁阻磁传感器结构的俯视示意图；

图6为本发明传感器二步光刻法进行图形转移过程示意图，其中，(a)为第一步光刻法进行图形转移过程示意图，(b)为第二步光刻法进行图形转移过程示意图。

【具体实施方式】

本发明提供了一种面阵巨磁阻磁传感器，采用巨磁阻阵列对整个表面进行磁场检测，以行扫描的方式快速输出。

请参阅图1和图2所示，本发明公开了一种面阵巨磁阻磁传感器，包括巨磁阻阵列、电源模块、地址选择器、模拟前端模块和模数转换器。巨磁阻阵列由256个自旋阀巨磁阻单元组成16*16的面阵形式，每个单元设计成蜿蜒型的电阻形式；电源模块为整个系统提供输入电压信号；地址选择器主要由行译码器组成，作用是以行扫描的方式，逐行将每行16个巨磁阻阵元的信号输出；模拟前端进行信号的放大、滤波和调理；16路模数转换器将信号最终转化为数字信号输出。

256个自旋阀巨磁阻单元部署在基底上组成16*16的面阵形式。测量外部磁场的信息时，在同一时刻，每一个巨磁阻阵元均有信号输出。利用后续的数据采集处理电路，该信号以16个为一组通过行扫描的方式输出。面阵的集成方式使得每一个阵元的信号均反映该位置上的磁场，采用面阵形式采集到的磁场信息精确。因此面阵巨磁阻传感器可以检测阵列表面的磁场整体信息，而单个巨磁阻单元的传统传感器只能得到测量点的信息。

在利用本发明传感器进行测量时，具体工作原理为：

16*16的巨磁阻阵列是磁场的敏感模块，当有外加磁场的情况下，每个巨磁阻阵元的电阻发生变化，引起输出电流的变化，通过采集得到的电流变化情况可以获得巨磁阻的电阻值，再根据磁场与巨磁阻阻值的关系可以获得被测的磁场强度。电源模块为整个系统提供输入电压信号。地址选择模块主要由行译码器组成。由于每一个巨磁阻阵元都对应有一个独立的地址，总共256个地址，该行译码器的作用是用来选择巨磁阻单元，即在某一时刻，将某一行16个巨磁阻阵元的信号输出到后续模块(即模拟前端模块)。模拟前端模块处于巨磁阻阵列和模数转换模块之间，由于通常得到的电流信号较小，且存在一定的噪声，所以需要模拟前端进行信号的放大、滤波和调理等。最终，信号经16路模数转换器转化为数字信号输出。

请参阅图3所示，为了便于更好的理解本发明巨磁阻磁传感器的结构原理，对巨磁阻效应进行简要说明。

最初发现的巨磁阻效应为多层膜结构，即两层铁磁层中间夹一层非铁磁层的三明治结构。自旋阀结构为了固定其中某一铁磁层磁矩方向，在铁磁层一侧再加上一层反铁磁层，使得一层铁磁层磁矩方向钉扎。钉扎层是反铁磁层；被钉扎层和自由层均为铁磁层，但是两者的材料不同；隔离层为非磁性层。当有外加磁场时，自由层的磁矩的方向会随着外加磁场的大小、方向的改变而发生变化，导致自由层的磁矩的方向和被钉扎层的方向不同，当两者磁矩方向的夹角越大时，巨磁阻效应越明显，在宏观上，表现为电阻变大。自旋阀结构也是目前本领域较为成熟的结构。

请参阅图4和图5所示，本发明自旋阀巨磁阻的基本结构为多层纳米薄膜，从顶层到底层分别为固定层、隔离层、自由层。固定层，包括被钉扎层和用于固定被钉扎层的磁化方向的钉扎层，由于CoFe的矫顽力较大，选用CoFe作为被钉扎层材料；钉扎层为反铁磁材料，选用MnIr作为钉扎层材料；自由层的磁化方向随外加磁场发生变化，选用CoFe/NiFe复合层作为自由层的材料；隔离层位于固定层和自由层中间，由非磁性材料的电导体制成，选用Cu作为隔离层材料。

自旋阀型巨磁阻的多层膜各组成成分都是单层金属膜，面电阻一般很小，大约几十Ω，单纯的矩形多层膜虽然同样能够在变化的外加磁场下产生巨磁阻效应，但为了获得足够大的电压输出，必需通以很大的工作电流，这样会使得传感器件功耗较大。本发明为增大其电阻值达到KΩ数量级，在较小的工作电流情况下也能有相对较大的电压信号输出，同时考虑到空间的排布，所以对每个巨磁阻阵元采用蜿蜒型的电阻形式。

本发明提供了一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工，外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工所述巨磁阻阵列。

为提高整个系统集成度、保证测量精度，本发明提出基于标准CMOS集成电路工艺，按照先后顺序分别单独加工巨磁阻阵列和外围电路。由于巨磁阻薄膜的加工需要额外材料，同时相比一般集成电路工艺温度较低，因此先加工传感器外围的数据采集处理模块电路，事先预留好测量模块区域，然后再加工16*16面阵巨磁阻，也可以根据实际需要加工不同阵列的面阵巨磁阻。

标准CMOS集成电路工艺中基本材料包括硅、二氧化硅、铝、铜及其他掺杂物，制造巨磁阻薄膜也可以采用标准CMOS集成电路工艺，但巨磁阻薄膜的制造需要额外的磁性材料(如铁、钴、镍及合金等)、不同的金属(如钽)及其他的氧化物(如Al₂O₃、MgO等)，而这些传统工艺不常见的材料在进行淀积时有着特殊的要求，因此在本发明传感器系统加工时，需要将巨磁阻阵列与数据采集处理电路分开制造。由于巨磁阻加工过程通常为淀积、刻蚀、光刻等，这些工艺相比一般集成电路制造工艺(热氧化、掺杂、注入等)的操作温度较低，因此本发明提出先加工传感器外围的数据采集处理模块电路，事先预留好测量模块区域，然后加工16*16面阵巨磁阻。其中，对巨磁阻阵列的后处理过程应注意以下两点：

(1)样品处理：由于需要在不同的设备进行巨磁阻阵列的制造，为了便于加工芯片时的操控，样品应当置于特别设计的容器中，用精密铣床在该容器的腔体开槽。

(2)掩膜对准：对外围一般电路加工完成后，将会更换其他仪器加工巨磁阻阵列，因此，需要采用额外的对准标记及参考。例如，在预留区域的四周加工十字记号作为对准参考。

请参阅图6所示，在外围电路加工完成后，本发明巨磁阻阵列的制造与集成工艺主要包括溅射、光刻、刻蚀、lift-off等。在预留区域制备好巨磁阻薄膜后，通过两步光刻处理进行图形转移，第一步光刻形成所需巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元，第二步光刻形成测量模块阵元之间及与外围电路的引线，最终完成传感器系统的集成。

在外围电路加工完成后，首先由磁控溅射法淀积得到自旋阀巨磁阻阵列的多层薄膜结构。基底为Si和Al₂O₃，靶材的放置顺序为Ta、NiFe、CoFe、Cu、CoFe、MnIr和Ta。其中Ta层起保护作用，顶层Ta层厚度2nm,底层Ta层厚度1.5nm；NiFe/CoFe层为复合的自由层，NiFe层厚度3nm，CoFe层厚度2nm；Cu为隔离层，厚度2.1nm；CoFe为被钉扎层，厚度2.5nm；MnIr为钉扎层，厚度8nm。按照上述顺序更换靶材，通过磁控溅射后，即可得到自旋阀薄膜。磁控溅射法制造每一层薄膜的具体过程为：在溅射淀积之前，对划出的区域用乙酸异丙酯(异丙醇)和去离子水进行表面清洗。然后将表面清洁的基底放入真空室中，用气泵将真空室中的空气抽出，创造真空环境，然后注入纯氩气，调节真空室的气压为几个毫托。在真空室中，靶材为阴极，需要镀膜的基底为阳极，在条件准备完成后，靶材和基底之间加上高压，靶材和基底之间放电，使氩气发生电离，产生氩离子和电子。高速的电子在运动中撞击氩原子，促进了电离的发生。氩离子在电场作用下加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来淀积在基底表面上形成薄膜。

请参阅图6所示，通过磁控溅射法，在整个预留区域得到了多层自旋阀薄膜，为了制成所需的16*16面阵以及将其与外围电路相连接，需要将自旋阀薄膜通过两步光刻处理进行图形转移，第一步光刻形成所需巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元，第二步光刻形成测量模块阵元之间及与外围电路的引线。成型的过程比较复杂，包括光刻、离子束刻蚀、lift-off等工艺，整个流程分为以下8个步骤。

整个过程分为以下几步。

(1)清洗：对预留的区域用乙酸异丙酯(异丙醇)和去离子水进行表面清洗。

(2)制备巨磁阻薄膜：采用磁控溅射法，在真空隔离室内充入氩气，在基片和靶材之间加上高压，使氩气电离，加速的氩离子轰击靶材，溅射的原子淀积在基片上，形成所需要的薄膜。通过这种方法，将材料按顺序进行电离、淀积，在整个预留区域得到了多层自旋阀薄膜。

(3)第一次光刻：在制备好的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线激光束把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的巨磁阻单元和阵列图形，然后涂上显影剂后烘干。

具体步骤为：

涂胶：在制备好的薄膜上喷涂上一层光刻胶。光刻胶是一种对光辐射敏感的聚合物溶液。在喷涂之前，通常需要在表面涂上增粘剂：六甲基二硅胺烷(HMDS)，用于改变表面附着力。涂光刻胶之后，需要有一个前烘处理，置于温度为90摄氏度的环境下10-30分钟。

曝光：用紫外线激光束在光刻胶上刻上需要的形状图案。借助激光直写系统，由CAD设计、模拟和验证后，图形发生器产生巨磁阻单元和阵列图形，图形投影在在薄膜平面上，由于光刻胶是辐射敏感，受紫外线照射后，光刻胶中的溶解度会发生变化，通过把图形的信息记录下来。

显影：涂上显影剂后烘干。先将样品放置在100℃的温度下10分钟，然后喷上显影液。10秒之后再放置在100℃的温度下10分钟。

(4)离子束刻蚀：用离子束轰击薄膜，涂上光刻胶层的地方由于形成了一层硬膜，不会被研磨掉。

(5)去胶：用丙酮溶剂洗去剩下的光刻胶层，形成定义的巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元。

(6)第二次光刻：再次通过涂胶、曝光、显影三步，在已制备好的巨磁阻阵列上喷涂上一层光刻胶，经过激光束照射、显影剂烘干，使得光刻胶覆盖住不希望有引线的区域。

(7)溅射引线：溅射一层铜或者银等导电性良好的金属薄膜，溅射完毕后，通过lift-off工艺剥离光刻胶及其上的金属层，从而形成引线。

(8)封装：在溅射SiO₂绝缘层后，利用引线键合技术，将整个传感器系统封装在标准的芯片载体内。

本发明一种面阵巨磁阻磁传感器，高度集成化、小型化，阵列中每个阵元的信号均反映该位置上的磁场强度，采用面阵形式可以检测阵列表面的磁场整体信息，采集到的磁场信息精确度更高，同时对每行多个单元信号进行扫描输出，提高了灵敏度且质量更加稳定，可以实现平面磁场的高速检测，蜿蜒型的电阻形式在较小的工作电流情况下也能有相对较大的电压信号输出，并节省空间排布，通过专用的制造工艺，使产品工艺兼容、便于批量生产。

Claims (10)

1.一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：包括数据采集处理单元和巨磁阻阵列，所述数据采集处理单元包括电源模块、地址选择器、模拟前端和模数转换器；所述电源模块通过地址选择器连接至所述巨磁阻阵列，所述巨磁阻阵列经过模拟前端模块连接至模数转换器，所述地址选择器用于选择发送所述巨磁阻阵列中各单元的信号，所述模拟前端模块用于接收所述信号进行放大、滤波处理，所述模数转换器用于将所述信号经过模数转换后输出；所述巨磁阻阵列包括多个采用纳米多层膜结构的巨磁阻磁传感器，多个巨磁阻磁传感器按照平面形式组成阵列单元，每个所述巨磁阻磁传感器采用蜿蜒型电阻形式。

2.根据权利要求1所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述巨磁阻磁传感器采用面阵形式组成巨磁阻阵列。

3.根据权利要求1或2所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述地址选择器，以行扫描的方式，逐行将每行多个巨磁阻阵列单元的信号输出。

4.根据权利要求1所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述巨磁阻磁传感器为自旋阀多层膜结构，该多层膜结构由上到下依次为固定层、隔离层，以及自由层，其中，固定层包括被钉扎层和用于固定被钉扎层的磁化方向的钉扎层，所述钉扎层为反铁磁材料，所述自由层的磁化方向随外加磁场发生变化，选用CoFe/NiFe复合层作为自由层的材料，隔离层位于固定层和自由层中间，由非磁性材料的电导体制成。

5.根据权利要求4所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述多层膜结构的顶部和底部均设置有保护层，分别位于钉扎层的顶面和自由层的底部，所述保护层采用Ta。

6.根据权利要求4所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述钉扎层采用MnIr，所述被钉扎层采用CoFe，所述隔离层采用Cu。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的一种面阵巨磁阻磁传感器，其特征在于：所述多层膜结构设置在基底上，该基底为Si和Al₂O₃。

8.一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，其特征在于：先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工，外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工巨磁阻阵列。

9.根据权利要求8所述的一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，其特征在于：所述两步光刻处理包括：

第一次光刻，在制备好的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线激光束在光刻胶上刻上所需要的巨磁阻单元和阵列图形，然后涂上显影剂后烘干；

第二次光刻，在已制备好的巨磁阻阵列上喷涂上一层光刻胶，经过激光束照射、显影剂烘干，使得光刻胶覆盖住不希望有引线的区域。

10.根据权利要求6或7所述的一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，其特征在于：所述巨磁阻阵列加工工艺包括以下步骤：

(a)对预留的区域用乙酸异丙酯或异丙醇于去离子水配合进行表面清洗；

(b)采用磁控溅射法，在真空隔离室内充入氩气，在基片和靶材之间加上高压，使氩气电离，加速的氩离子轰击靶材，溅射的原子淀积在基片上，形成所需要的薄膜；

(c)进行第一次光刻；

(d)用离子束轰击薄膜形成保护硬膜；

(e)用丙酮溶剂洗去剩下的光刻胶层，形成定义的巨磁阻的阵列排布以及蜿蜒型电阻单元；

(f)进行第二次光刻；

(g)溅射一层铜或者银等导电性良好的金属薄膜，溅射完毕后，通过lift-off工艺剥离光刻胶及其上的金属层形成引线；

(h)在溅射SiO₂绝缘层后，利用引线键合技术，将整个传感器系统封装在标准的芯片载体内。