CN109669149B - 一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法，属于磁性材料与元器件技术领域。所述各向异性磁电阻传感器自下而上依次为底电极、基片、顶电极和各向异性磁电阻传感单元薄膜，其特征在于，所述基片为压电基片，通过在底电极和顶电极之间施加电压，压电基片产生应力并通过磁性薄膜磁致伸缩效应，实现各向异性磁电阻传感单元薄膜初始磁矩方向与电流呈45°夹角。本发明基于磁电耦合效应，将压电基片产生的应力，通过磁性薄膜磁致伸缩效应，最终实现线性各向异性磁电阻传感器单元初始磁矩方向与电流呈45°夹角，具有结构简单、工艺难度低、低功耗等优点，可以简化该类线性传感器的制备。

Description

一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法

技术领域

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体涉及一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法。

背景技术

各向异性磁电阻传感器是基于磁性金属薄膜各向异性磁电阻(Anisotropicmagnetoresistance，AMR)效应制作的各类传感器。由于AMR磁电阻传感器具有使用的材料简单、价格低廉、高稳定性等优点，目前是磁传感器家族里最重要的一员，在磁场、电流、位置等探测方面具有广泛的应用空间和市场。

各向异性磁电阻的大小可表示为：R＝R_⊥+ΔRcos²α，其中ΔR＝R_//-R_⊥(R_//为磁性材料磁矩与电流平行时电阻值；R_⊥为磁性材料磁矩与电流垂直时电阻值)，α为磁性材料磁矩与电流方向的夹角。当用该效应进行线性相关量探测时，测试的为电阻在磁场下的变化量，即dR/dα＝-ΔRsin2α，但由该式可见在零点附近dR/dα≈0，即电阻R变化十分缓慢，不宜用于线性信号的探测。而当α在45°附近，dR/dα≈1，探测到的电阻R变化最大，因此为了获得高灵敏度及线性的输出，商品化的各向异性磁电阻传感器都需要使初磁矩与电流方向的夹角为45°。另外，商品化的各向异性磁电阻传感器为提高其自身电阻值，一般将其光刻成长条折线形状，如图1所示，其长宽比一般大约为10:1，尺寸在微米量级。在该比例尺寸下，由于大的长宽比差异，使得磁性薄膜具有较大的形状各向异性能，该各向异性能使得磁电阻薄膜的磁矩最初沿长边方向取向。而由于在该形式下传感器的电流也沿长边方向，因此使得磁矩与电流夹角为0，不满足线性传感器磁矩和电流方向夹角为45°的要求。因此，为实现该类传感器初始磁矩与电流方向夹角为45°的要求，目前商业化的该类传感器制备中一般采取以下两种形式来实现：(1)在长条状的磁性金属薄膜制备完成后再在其上制备Barber电极，其结构如图2所示，其中Baber电极薄膜与长条方向呈45°，使得电流沿与长边呈45度角的方向流动来满足要求；(2)仍选用如图1所示的传感单元形式，采用外加偏置法，沿长条薄膜的短边加一永磁偏置或在其上再镀制电流偏置层，使沿短边方向的永磁偏置场或电流偏置层产生的磁场与沿长边方向及各向异性场的合成场沿45度角方向，人为将磁性薄膜的初始磁矩调制到45度角方向。从上述分析可见，当采用Baber电极形式时，需要在磁性金属薄膜镀制完成的基础上再进行一次Baber电极的光刻制备，对光刻对位精度要求很高，加大了传感器的设计与工艺难度；而采用永磁偏置时，需要在传感器上附加永磁体，增加了器件的整体体积及重量，不利于器件的小型化；而电流偏置法需在磁电阻元件膜面先镀制绝缘层再制备一层金属导电膜，这不但增加了制备的工艺难度，还由于当磁性金属薄膜的形状各向异性场较大时，电流偏置层产生的磁场较小无法使得磁矩偏转到45°位置，难以达到最佳工作点，而且由于输出信号被分流，降低了信号幅度，使得AMR效应降低。因此，如果能在不附加薄膜层或工艺的情况下，采用如图1所示的传感器单元形式实现各向异性磁电阻薄膜初始磁矩与电流方向呈45度角，将大大降低AMR线性传感器的实现难度，简化器件的设计和制备。因此，本发明正是从该需求出发，提出采用压电基片替代Si基片，通过压电效应产生的应力，利用磁性薄膜磁致伸缩效应的响应，引入沿薄膜短边方向的磁弹性能，通过磁弹性能与各向异性能的共同作用将磁性传感薄膜的磁矩初始方向调制到45度方向。并且由于通过压电效应产生的应力可以通过施加在压电基片上的电压调整，因此可方便实现不同长宽比传感单元初始45度角磁矩的调制。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，提出一种线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法。本发明基于磁电耦合效应，将压电基片产生的应力，通过磁性薄膜磁致伸缩效应响应，最终实现线性各向异性磁电阻传感器单元初始磁矩方向与电流呈45°夹角，具有结构简单、工艺难度低、低功耗等优点，可以简化该类线性传感器的制备。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种线性各向异性磁电阻传感器，自下而上依次为底电极、基片、顶电极和各向异性磁电阻传感单元薄膜，其特征在于，所述基片为压电基片，通过在底电极和顶电极之间施加电压，压电基片产生应力并通过磁性薄膜磁致伸缩效应，实现各向异性磁电阻传感单元薄膜初始磁矩方向与电流呈45°夹角。

进一步地，所述压电基片为PMN-PT(011)或PZN-PT(011)等压电单晶基片，厚度为0.2mm～0.8mm。

进一步地，所述底电极和顶电极为Cu、Au、Ag、Al等。

进一步地，所述各向异性磁电阻传感单元薄膜包括自下而上依次设置的绝缘层、缓冲层、磁性层和覆盖层；其中，绝缘层选用SiO₂、Al₂O₃等，用于顶电极与传感单元间的绝缘；所述磁性层为具有较大磁致伸缩系数λ，即|λ|>10ppm的磁性材料，具体为NiCo、CoFe、Co、CoFeB等，用于产生各向异性磁电阻性能；缓冲层为Ta、NiFeCr、Pt等，覆盖层为Ta等。

进一步地，所述各向异性磁电阻传感单元薄膜为长条折线形，长条的长轴和短轴的比例为(5～15)：1，短轴的线宽为1～20μm。

一种线性各向异性磁电阻传感器的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、选取PMN-PT(011)或PZN-PT(011)等压电基片作为衬底基片，并在其上表面和下表面生长导电材料，作为对压电基片施加电压的顶电极和底电极；然后采用光刻工艺，在顶电极上曝光形成长条折线形的各向异性磁电阻传感单元的图形；

由于PMN-PT(011)或PZN-PT(011)是具有优良压电性能的压电材料，其压电系数d31<0，d32>0，因此当沿基片[011]方向施加正电压时，会沿基片[100]晶轴产生出压应力，沿[01-1]晶轴产生出拉应力。因此在其上镀制具有磁致伸缩系数的磁性薄膜材料时，如若所选磁性薄膜材料的磁致伸缩系数λ为正，压电基片上产生的应力会通过磁电耦合效应在磁性薄膜中产生磁弹性能，该磁弹性能会使磁性薄膜的磁矩沿基片[01-1]晶轴方向取向；而当所选磁性薄膜材料的磁致伸缩系数λ为负时，磁弹性能将使磁性薄膜的磁矩沿基片[100]晶轴方向取向。因此，当该磁弹性能沿所制备的传感单元短轴，且其大小和沿长条形传感单元磁性薄膜长轴的形状各向异性能相等时，他们二者的合成场就会使长条形传感单元薄膜的磁矩沿45度角方向，满足线性传感探测的需要。而由应力产生的磁弹性能大小受压电基片上所加电压调控。

因此，根据以上原理，在光刻处理前，传感单元的长轴及短轴所沿基片晶轴的方向需根据步骤2中所选用的磁性层薄膜材料的磁致伸缩系数正负决定。如选择的磁性层薄膜磁致伸缩系数为正，则传感单元长轴沿基片的[100]方向，短轴沿基片的[01-1]方向；如选择的磁性层薄膜磁致伸缩系数为负，则传感单元长轴沿基片的[01-1]取向，短轴沿基片的[100]方向。

步骤2、将步骤1得到的带长条折线形各向异性磁电阻传感单元图形的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在其上依次沉积绝缘层、缓冲层、磁性层和覆盖层的各向异性磁电阻传感单元薄膜；

步骤3、去除光刻胶，并在传感单元薄膜两端制作电极，即可得到所述线性各向异性磁电阻传感器。

本发明的有益效果为：

本发明基于磁电耦合效应，在传感单元应用过程中沿压电基片纵向加电压，在基片横向产生应力，通过应力产生的磁弹性能与传感单元本身形状各向异性共同作用实现初始磁矩与电流方向呈45度夹角，满足线性各向异性传感器的设计要求。同时，由于压电基片为绝缘材料，施加于其上的电压不会产生电流，因而不存在能量的损耗。因此，本发明提供的线性各向异性磁电阻传感器及其实现方法，具有结构简单、工艺难度低、功耗低、可控性好、无需外加偏置电流及永磁层等优点。

附图说明

图1为本发明提供的线性各向异性磁电阻传感器中，长条折线形各向异性磁电阻传感单元的结构示意图；

图2为传统的商业化各向异性传感单元Barber电极的结构示意图；

图3为本发明提供的线性各向异性磁电阻传感器中，所选用压电基片的晶轴取向图；

图4为本发明提供的线性各向异性磁电阻传感器的整体结构示意图；

图5为实施例得到的线性各向异性磁电阻传感器中，各向异性磁电阻变化R-H曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

一种线性各向异性磁电阻传感器的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、选取PMN-PT(011)或PZN-PT(011)等压电基片作为衬底基片，并在其上表面和下表面生长导电材料，作为对压电基片施加电压的顶电极和底电极；然后采用标准lift-off光刻工艺，在顶电极上曝光形成长条折线形的各向异性磁电阻传感单元的图形，如图1所示，该长条折线形各向异性磁电阻传感单元的长短轴比在(5～15)：1之间选取，短轴的线宽在1～20μm之间选取；

其中，所述PMN-PT(011)或PZN-PT(011)压电单晶基片上下表面需先生长导电材料作为对压电基片施加电压的电极，导电材料为Cu、Au、Ag、Al等，如图3所示。

由于PMN-PT(011)或PZN-PT(011)是具有优良压电性能的压电材料，其压电系数d31<0，d32>0，因此当沿基片[011]方向施加正电压时，会沿基片[100]晶轴产生出压应力，沿[01-1]晶轴产生出拉应力。因此在其上镀制具有磁致伸缩系数的磁性薄膜材料时，如若所选磁性薄膜材料的磁致伸缩系数λ为正，压电基片上产生的应力会通过磁电耦合效应产生磁弹性能，该磁弹性能会使磁性薄膜的磁矩沿基片[01-1]晶轴方向取向；而当所选磁性薄膜材料的磁致伸缩系数λ为负时，磁弹性能将使磁性薄膜的磁矩沿基片[100]晶轴方向取向。因此，当该磁弹性能沿所制备的传感单元短轴，且其大小和沿长条形传感单元磁性薄膜长轴的形状各向异性能相等时，他们二者的合成场就会使长条形传感单元薄膜的磁矩沿45度角方向，满足线性传感探测的需要。而由应力产生的磁弹性能大小受压电基片上所加电压调控。

因此，根据以上原理，在光刻处理前，传感单元的长轴及短轴所沿基片晶轴的方向需根据步骤2中所选用的磁性层薄膜材料的磁致伸缩系数正负决定。如选择的磁性层薄膜磁致伸缩系数为正，则传感单元长轴沿基片的[100]方向，短轴沿基片的[01-1]方向；如选择的磁性层薄膜磁致伸缩系数为负，则传感单元长轴沿基片的[01-1]取向，短轴沿基片的[100]方向。

步骤2、将步骤1得到的带长条折线形各向异性磁电阻传感单元图形的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在其上依次沉积绝缘层、缓冲层、磁性层和覆盖层的各向异性磁电阻传感单元薄膜；

其中，绝缘层选用SiO₂、Al₂O₃等，用于顶电极与传感单元间的绝缘；所述磁性层为具有较大磁致伸缩系数λ，即|λ|>10ppm的磁性材料，具体为NiCo、CoFe、Co、CoFeB等，用于产生各向异性磁电阻性能；缓冲层为Ta、NiFeCr、Pt等，覆盖层为Ta等。

步骤3、待步骤2磁控溅射镀膜完成后，将基片用丙酮或洗胶液洗去光刻胶，得到长条折线形的各向异性磁电阻传感单元薄膜。

步骤4、在步骤3的基础上重复进行一次光刻、镀膜工艺，在长条折线形传感单元两端制作出电极，最终得到的各向异性磁电阻传感单元如图4所示。其中电极材料选用Au、Al、Cu、Ag等。

实施例

一种线性各向异性磁电阻传感器的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：选取PMN-PT(011)或PZN-PT(011)压电基片作为衬底基片，然后采用镀膜工艺在基片的上表面和下表面沉积Au(300nm)，作为对压电基片施加电压的顶电极和底电极；然后采用标准lift-off光刻工艺，在顶电极上曝光形成长条折线形的各向异性磁电阻传感单元的图形，如图1所示，其中长条形传感单元长度为100μm，宽度20μm，相邻长条间距为10μm，长条共8根。

步骤2：将曝光后具有长条形各向异性磁电阻传感单元的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在具有电极的基片上沉积SiO₂(20nm)/Ta(5nm)/NiCo(30nm)/Ta(10nm)的各向异性磁电阻传感单元薄膜。由于NiCo的磁致伸缩系数为-20ppm，因此为产生沿短轴方向的磁弹性场，在步骤1中光刻的传感单元长轴沿基片的[01-1]取向，短轴沿基片的[100]方向。

步骤3：待步骤2磁控溅射镀膜完成后，将基片用丙酮或洗胶液洗去光刻胶，得到长条状的各向异性磁电阻传感单元薄膜。

步骤4：在步骤3的基础上重复进行一次光刻、镀膜工艺，在长条状薄膜两端制作出边长为300μm的正方形Au电极，完成整个传感单元的制备。

步骤5：制备完成后，将得到的磁电阻传感器置于探针台上测试各向异性磁电阻变化曲线R-H。测试时用两探针分别压于传感单元的两电极上，用恒流源给两探针加上1mA的测试电流，使电流沿着长条状传感单元的长轴方向流过，利用赫姆霍兹线圈沿各向异性磁电阻传感单元的短轴方向加以-10Gs-10Gs变化的测试磁场，同时利用电压源沿基片厚度方向分别加0、200V、300V和500V的电压，当压电基片所加电压为300V时在零场附近获得了对称的最佳线性度，如图5所示，实现了用磁电耦合效应调整各向异性磁电阻薄膜磁矩，满足线性化传感器制备的需求。

Claims (7)

1.一种线性各向异性磁电阻传感器，自下而上依次为底电极、基片、顶电极和各向异性磁电阻传感单元薄膜，其特征在于，所述基片为压电基片，通过在底电极和顶电极之间施加电压，压电基片产生应力并通过磁性薄膜磁致伸缩效应，实现各向异性磁电阻传感单元薄膜初始磁矩方向与电流呈45°夹角；所述各向异性磁电阻传感单元薄膜为长条折线形，长条的长轴和短轴的比例为(5～15)：1，短轴的线宽为1～20μm。

2.根据权利要求1所述的线性各向异性磁电阻传感器，其特征在于，所述压电基片为PMN-PT或PZN-PT压电单晶基片，厚度为0.2mm～0.8mm。

3.根据权利要求1所述的线性各向异性磁电阻传感器，其特征在于，所述底电极和顶电极为Cu、Au、Ag或Al。

4.根据权利要求1所述的线性各向异性磁电阻传感器，其特征在于，所述各向异性磁电阻传感单元薄膜包括自下而上依次设置的绝缘层、缓冲层、磁性层和覆盖层。

5.根据权利要求4所述的线性各向异性磁电阻传感器，其特征在于，所述磁性层为|λ|>10ppm的磁性材料，具体为NiCo、CoFe、Co或CoFeB。

6.根据权利要求4所述的线性各向异性磁电阻传感器，其特征在于，所述绝缘层为SiO₂或Al₂O₃；所述缓冲层为Ta、NiFeCr或Pt；所述覆盖层为Ta。

7.一种如权利要求1所述线性各向异性磁电阻传感器的实现方法，包括以下步骤：

步骤1、选取PMN-PT或PZN-PT压电基片作为衬底基片，并在其上表面和下表面生长导电材料，作为对压电基片施加电压的顶电极和底电极；然后采用光刻工艺，在顶电极上曝光形成长条折线形的各向异性磁电阻传感单元的图形；

步骤2、采用薄膜沉积工艺在步骤1得到的带长条折线形各向异性磁电阻传感单元图形的基片上依次沉积绝缘层、缓冲层、磁性层和覆盖层的各向异性磁电阻传感单元薄膜；

步骤3、去除光刻胶，并在传感单元薄膜两端制作电极，即可得到所述线性各向异性磁电阻传感器。

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