CN109752678A - 一种简易各向异性薄膜磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易各向异性薄膜磁阻传感器。该薄膜磁阻传感器包括由两条完全一样的各向异性第一磁阻薄膜条(A)和第二磁阻薄膜条(B)连接而成，第一磁阻薄膜条(A)和第二磁阻薄膜条(B)的相位差为45°。所述第一磁阻薄膜条(A)或第二磁阻薄膜条(B)的形状为连续的S形状。本发明的简易各向异性薄膜磁阻传感器具有结构简单，实施便捷的优点，并且因为两条磁阻薄膜呈45°摆放，更加灵敏，能测出较小的磁场角度变化。

Description

一种简易各向异性薄膜磁阻传感器

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，具体来说，涉及一种用于测量磁场方向的简易新型各向异性薄膜磁阻传感器。

背景技术

信息技术飞速发展的一个重要基础就是传感器技术的不断进步，磁场作为人类生活息息相关的物理量，其检测和应用系统备受人们关注。作为磁电效应的一个重要分支——磁阻效应正是这个领域的研究热点，各向异性磁阻效应、巨磁阻效应、隧道磁阻效应等一系列磁电效应的研究在一代又一代科学家的努力下，推动并引导着信息技术发展，而各向异性磁阻效应的研究恰恰是这个过程中的见证者和引领者。

AMR薄膜磁阻传感器是70年代中期才出现的新型磁传感器。由于它具有体积小、可靠性高、温度特性好、耐恶劣环境能力强以及易于与数字电路匹配等优点，因此其应用领域也在不断扩大，取代了不少原先由霍尔器件等传统磁敏器件所占领的市场。利用ARM磁阻效应制作的磁阻传感器是人们广泛应用的一种磁传感器，但是目前市场上的磁传感器结构单一，并且对于小磁场角度变化不灵敏，因此开发一种简单并且灵敏度高的新型结构是目前人们急需研究的方向。

薄膜磁阻传感器最重要的就是对于磁场的灵敏度以及磁阻薄膜的排列结构，而传统的薄膜磁阻传感器结构单一、对于微小的磁场角度变化不灵敏，因此寻求一种新型的简单磁阻薄膜排列结构和提高灵敏度是我们的目标，本发明就是设计了一种结构简单的灵敏度高的新型薄膜磁阻传感器。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种简易各向异性薄膜磁阻传感器，该薄膜磁阻传感器结构简单，可以实现磁场方向的测量，实现较高的灵敏度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的简易各向异性薄膜磁阻传感器采用的技术方案是：

该简易各向异性薄膜磁阻传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底、绝缘层、各向异性磁阻层和顶层电极层；其中，各向异性磁阻层由两条完全一样的各向异性第一磁阻薄膜条和第二磁阻薄膜条连接而成，第一磁阻薄膜条和第二磁阻薄膜条的相位差为45°。

所述第一磁阻薄膜条或第二磁阻薄膜条的形状为连续的S形状。

所述第一磁阻薄膜条和第二磁阻薄膜条选用的是铁镍合金。

所述铁镍合金中铁的含量为20％。

其绝缘层材料采用的是SiO₂，具有非磁性，良好的绝缘性，稳定的化学性质，强度硬度高，拉伸性好的优点。

所述顶层电极层采用的导电金属材料为铜。

所述衬底采用的材料为硅。

有益效果：本发明的简易各向异性薄膜磁阻传感器具有结构简单，实施便捷的优点，并且因为两条磁阻薄膜呈45°摆放，更加灵敏，能测出较小的磁场角度变化。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的等效电路图。

图中有：衬底1、绝缘层2、各向异性磁阻层3、顶层电极层4、第一磁阻薄膜条A、第二磁阻薄膜条B、铜电极a、b、c和磁场H。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图3所示，本发明的简易各向异性薄膜磁阻传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底1、绝缘层2、各向异性磁阻层3和顶层电极层4；其中，各向异性磁阻层3由两条完全一样的各向异性第一磁阻薄膜条A和第二磁阻薄膜条B连接而成，所述第一磁阻薄膜条A或第二磁阻薄膜条B的形状为连续的S形状。

所述第一磁阻薄膜条A和第二磁阻薄膜条B选用的是铁镍合金，铁镍合金中铁的含量为20％。其绝缘层2材料采用的是SiO₂，具有非磁性，良好的绝缘性，稳定的化学性质，强度硬度高，拉伸性好的优点。所述顶层电极层4采用的导电金属材料为铜，所述衬底1采用的材料为硅。

其中各向异性磁阻层由两条各向异性磁阻效应完全相同的第一磁阻薄膜条A和第二磁阻薄膜条B按照图2方式连接，并且第一磁阻薄膜条A和第二磁阻薄膜条B的相位差为45°。其等效电路如图3所示。其中a、b、c是铜导电材料制作成的电极。外加磁场与薄膜平面平行，在膜面内的角度为θ。也就是说，衬底和基体都是框型，金属层是按照一定的图形进行光刻之后形成的如图2所示图形。电极是通过溅射技术形成一层铜金属层，并且将其图形化，进行光刻，最终得到所需的三个电极。

如图2所示，包括从左到右的两条完全相同的各向异性磁阻薄膜条，以及a、b、c三个完全相同的由导电材料Cu制成的电极部分。外加磁场与薄膜平面平行，在膜面内的角度为θ。第一磁阻薄膜条A的电阻率为：

p_A(θ)＝p_A⊥sin²θ+p_A||cos²θ (1)

第二磁阻薄膜条B的电阻率为：

由于第一磁阻薄膜条A和第二磁阻薄膜条B在空间相位相差45°相位角，A、B构成串联电路之后，在同一磁场作用下，当磁场的方向改变时，b、c之间的电压V(θ)可以表示为：

将ρ_A(θ)和ρ_B(θ)的表达式代入式(3)中,得到:

根据三角函数和差化积公式可以化简为:

式(4)(5)中，Δρ＝ρ_||-ρ_⊥，ρ_||表示磁化强度与电流同方向时的电阻率，ρ_⊥则表示互相垂直时的电阻率。由第一磁阻薄膜条A和第二磁阻薄膜条B连接而成的一个三端电路是最基本的磁阻元件。若在器件的a、c之间接上直流偏置V₀，则可以在b、c之间得到输出电压V(θ)，V(θ)除了直流成分以外，还有交流输出电压，该交流电压的频率是外加磁场频率的四倍，所以该器件具有四倍频特性。该传感器仅采用两条完全一样的各向异性磁阻薄膜就能实现磁场方向的测量。并且两条膜条的方向呈45°摆放，使得对磁场方向的变化更加敏感，能测出较小的磁场变化。

本发明的简易各向异性薄膜磁阻传感器的制备过程是：

1)准备硅基片，并进行清洗、烘干；

2)在硅基片上氧化形成一层氧化硅膜层；

3)溅射NiFe层，退火后，按照一定图形掩模板光刻形成磁阻条；

4)溅射Cu电极，光刻形成三个测试电极；

5)后续封装。

本发明的不同之处在于：

在本发明中，构成用于测量磁场方向的简易新型各向异性薄膜磁阻传感器仅采用两条完全一样的各向异性磁阻薄膜就能实现磁场方向的测量。并且两条膜条的方向呈45°摆放，使得对磁场方向的变化更加敏感，能测出较小的磁场变化。

满足以上条件的结构即视为本发明的用于测量磁场方向的简易新型各向异性薄膜磁阻传感器。

Claims (7)

1.一种简易各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，该薄膜磁阻传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底(1)、绝缘层(2)、各向异性磁阻层(3)和顶层电极层(4)；其中，各向异性磁阻层(3)由两条完全一样的各向异性第一磁阻薄膜条(A)和第二磁阻薄膜条(B)连接而成，第一磁阻薄膜条(A)和第二磁阻薄膜条(B)的相位差为45°。

2.按照权利要求1所述的简易各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述第一磁阻薄膜条(A)或第二磁阻薄膜条(B)的形状为连续连接的S形状。

3.按照权利要求2所述的简易各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述第一磁阻薄膜条(A)和第二磁阻薄膜条(B)选用的是铁镍合金。

4.按照权利要求3所述的用于测量磁场方向的简易新型各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述铁镍合金中铁的含量为20％。

5.按照权利要求1所述的简易各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，其绝缘层(2)材料采用的是SiO₂，具有非磁性，良好的绝缘性，稳定的化学性质，强度硬度高，拉伸性好的优点。

6.按照权利要求书1所述的简易各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述顶层电极层(4)采用的导电金属材料为铜。

7.按照权利要求书1所述的简易各向异性薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述衬底(1)采用的材料为硅。