CN110197872A - 测量范围可调的各向异性磁电阻传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
测量范围可调的各向异性磁电阻传感器及其制备方法，包括基底、顶电极、磁性层、底电极和导电层；顶电极设置在基底的上表面，底电极设置在基底的下表面，磁性层和导电层均设置在顶电极的上表面，且导电层设置在磁性层的周围。本发明利用磁电复合材料中的磁各向异性场可受电场调控的原理，在压电基底上制备AMR磁阻传感器，通过外加电场控制磁阻效应的大小和饱和磁场，进而实现对磁阻传感器的灵敏度和线性检测范围的调控，实现了使用电场对磁阻材料内部磁化方向的调节，与传统的磁场调控、硬磁偏置等方法相比，电场调控具有效率高、体积小、能耗低、易于集成的特点。
Description
技术领域
本发明属于磁电阻传感器技术领域，特别涉及测量范围可调的各向异性磁电阻传感器及其制备方法。
背景技术
磁传感器是一种可以探测磁场的方向、强度以及位置的传感器。磁电阻(Magnetoresistance，MR)传感器是磁传感器的一种，具有偏移低、灵敏度高和温度性能好的优点，包括AMR(Anisotropy Magnetoresistance，各向异性磁阻)型传感器、GMR(GiantMagnetoresistance，巨磁电阻)型传感器以及TMR(Tunnel Magnetoresistance，隧道磁电阻)型传感器，近年来开始在工业领域得到广泛应用。AMR传感器的磁电阻会随外加磁场的大小、方向的变化而变化，其灵敏度优于霍尔效应传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗，加上AMR型传感器的加工工艺可以很方便的和现有半导体工艺结合，因此具有更广阔的应用前景。影响AMR传感器磁阻效应的重要因素之一是导电电子在无补偿自旋下的各向异性散射。当磁化方向和电流方向平行时，AMR材料的磁阻达到最大，当它们彼此垂直时，磁阻达到最小。可见，AMR磁阻效应与磁性材料的磁化方向和磁各向异性场有密切联系，其大小决定了传感器的灵敏度和线性测量范围。但由于使用的软磁材料的饱和磁场较低，超过饱和磁场后磁化方向不再随外加磁场而发生改变，也无法探测磁场的变化，所以AMR传感器的线性范围通常在0～20Oe，严重影响了磁阻传感器的磁场检测范围。
发明内容
本发明的目的在于提供测量范围可调的各向异性磁电阻传感器及其制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，包括基底、顶电极、磁性层、底电极和导电层；顶电极设置在基底的上表面，底电极设置在基底的下表面，磁性层和导电层均设置在顶电极的上表面，且导电层设置在磁性层的周围。
进一步的，基底为PMN-PT、PZN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3或TiSrO3中的一种压电材料。
进一步的，底电极、顶电极和导电层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电薄膜。
进一步的，磁性层为Co、Fe、Ni、NiFe、FeCrCo、CoFe、CoFeB、NiCo或TbFeCo中的一种磁性金属或合金薄膜。
进一步的，导电层分为四个部分，磁性层两个端部的两侧均设置有导电层。
进一步的，测量范围可调的各向异性磁电阻传感器的制备方法，基于测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个上下底面分别长有电极的压电基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持100℃烘20min；
步骤2，利用磁控溅射技术在压电基底上生长一层金属作为AMR传感器的底电极；
步骤3，在压电材料基底上滴加正性光刻胶，在匀胶机上先以500r/min速率旋转5s使得光刻胶覆盖基底，再以4000r/min速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；将旋涂光刻胶的压电材料基底放入烘箱内，以100℃加热20min，使得光刻胶完全固化，形成第一光刻胶层；
步骤4，对第一光刻胶层进行紫外线曝光，曝光时间为50s；利用显影液对曝光后的第一光刻胶层进行显影处理；利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的第一光刻胶层上生长磁性材料层；去除第一光刻胶层，形成霍尔条hall bar形状的图案；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术生长磁性层，在生长磁性层时外加偏置磁场，引导其磁化方向沿着磁阻条长边分布，利用丙酮超声清洗，去除多余的磁性薄膜；
步骤6，在沉积有长条形磁性层的基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以500r/min速率旋转5s使得光刻胶覆盖基底，再以4000r/min速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以100℃加热20min，使得光刻胶完全固化，形成第二光刻胶层；
步骤7，对第二光刻胶层进行紫外线曝光50s，利用显影液对曝光后的第二光刻胶层进行显影处理；
步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的第二光刻胶层上生长金属导电材料层，利用丙酮超声清洗，去除第二光刻胶层，形成AMR传感器的导电层。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用磁电复合材料中的磁各向异性场可受电场调控的原理，在压电基底上制备AMR磁阻传感器，通过外加电场控制磁阻效应的大小和饱和磁场，进而实现对磁阻传感器的灵敏度和线性检测范围的调控，实现了使用电场对磁阻材料内部磁化方向的调节，与传统的磁场调控、硬磁偏置等方法相比，电场调控具有效率高、体积小、能耗低、易于集成的特点。
本发明首次将此原理应用于具有巴贝电极结构的AMR磁传感器中，实现了AMR磁传感器线性输出范围的大幅提高和连续调节，使AMR磁传感器在保证灵敏度的前提下拥有更大的测量范围。
本发明可电场调动的AMR效应可用于开发适用于物联网和可穿戴设备等微型磁传感器芯片及其阵列，拥有可观的发展前景。
附图说明
图1为本发明的截面图。
图2为本发明的俯视图。
图3a至3h为本发明的制作过程图。
图4为测量的不同电场下的NiCo/PMN-PT样品面内的磁滞回线。
图5为AMR值与外部电场和磁场的关系图。
其中：1、导电层；2、磁性层；3、电压测量端；4、顶电极；5、基底。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图5，测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，包括基底5、顶电极、磁性层2、底电极和导电层1；顶电极设置在基底5的上表面，底电极设置在基底5的下表面，磁性层2和导电层1均设置在顶电极的上表面，且导电层1设置在磁性层2的周围。导电层包括电流的输入端和输出端1以及测量电压的两端3。
基底为PMN-PT、PZN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3或TiSrO3中的一种压电材料。
基底底电极、基底顶电极和传感器导电层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电薄膜。
磁性层为Co、Fe、Ni、NiFe、FeCrCo、CoFe、CoFeB、NiCo或TbFeCo中的一种磁性金属或合金薄膜。
导电层1分为四个部分，磁性层2两个端部的两侧均设置有导电层1。
测量范围可调的各向异性磁电阻传感器的制备方法，基于所述的测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个上下底面分别长有电极的压电基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持100℃烘20min；
步骤2，利用磁控溅射技术在压电基底上生长一层金属作为AMR传感器的底电极；如图3b。
步骤3，在压电材料基底上滴加正性光刻胶，在匀胶机上先以500r/min速率旋转5s使得光刻胶覆盖基底，再以4000r/min速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；将旋涂光刻胶的压电材料基底放入烘箱内，以100℃加热20min，使得光刻胶完全固化，形成第一光刻胶层；
步骤4，对第一光刻胶层进行紫外线曝光，曝光时间为50s；利用显影液对曝光后的第一光刻胶层进行显影处理；利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的第一光刻胶层上生长磁性材料层；去除第一光刻胶层，形成霍尔条(hall bar)形状的图案；如图3c，3d；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术生长磁性层，在生长磁性层时外加偏置磁场，引导其磁化方向沿着磁阻条长边分布，利用丙酮超声清洗，去除多余的磁性薄膜；如图3e；
步骤6，在沉积有长条形磁性层的基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以500r/min速率旋转5s使得光刻胶覆盖基底，再以4000r/min速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以100℃加热20min，使得光刻胶完全固化，形成第二光刻胶层；如图3f；
步骤7，对第二光刻胶层进行紫外线曝光50s，利用显影液对曝光后的第二光刻胶层进行显影处理；如图3g；
步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的第二光刻胶层上生长金属导电材料层，利用丙酮超声清洗，去除第二光刻胶层，形成AMR传感器的导电层。如图3h。
图4为测量的不同电场下的以PMN-PT为基底、NiCo为磁性层、Ta为导电层、Au为顶电极和底电极的样品面内的磁滞回线。在初始状态下，磁滞回线显示了具有平面内易磁化轴的软磁行为。在6.7kv/cm的外部电场下，Mr/Ms(剩余/饱和磁化)的值从92.9％下降到38.9％，而矫顽场从8.8Oe增加到22Oe。这种现象是由于外部电场产生的作用，它迫使磁化方向在薄膜平面上旋转，从而导致磁各向异性的变化，磁静态形状各向异性的存在确保了磁矩很容易被电场扭转。
图5为图4所测样品的AMR值与外部电场和磁场的关系，显示了当磁场H垂直于电流J时，AMR比在零电场时为0.403％，在6.7kV/cm时增加到0.837％，这表明，可以使用电场对AMR的灵敏度进行调谐。通过施加电场，磁阻曲线的线性范围得到了显著的改变。在零电场下，磁阻曲线的线性范围限制在0-80Oe。然而，当在磁电复合材料形成的异质结中应用6.7kv/cm的电场时，磁阻曲线的线性范围增强到0-200Oe以上。这些结果表明，利用磁电复合材料异质结中的强磁电耦合，电场引起了磁化方向的显著改变，从而使各向异性磁电阻传感器的线性检测范围增加了2.5倍。
测量范围可调的各向异性磁电阻传感器及其制备方法，包括基底、顶电极、磁性层、底电极和导电层；顶电极设置在基底的上表面，底电极设置在基底的下表面，磁性层和导电层均设置在顶电极的上表面，且导电层设置在磁性层的周围。本发明利用磁电复合材料中的磁各向异性场可受电场调控的原理，在压电基底上制备AMR磁阻传感器，通过外加电场控制磁阻效应的大小和饱和磁场，进而实现对磁阻传感器的灵敏度和线性检测范围的调控，实现了使用电场对磁阻材料内部磁化方向的调节，与传统的磁场调控、硬磁偏置等方法相比，电场调控具有效率高、体积小、能耗低、易于集成的特点。
Claims (6)
1.测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，其特征在于，包括基底(5)、基底顶电极、磁性层(2)、基底底电极和导电层(1)；顶电极设置在基底(5)的上表面，基底底电极设置在基底(5)的下表面，磁性层(2)和导电层(1)均设置在基底顶电极的上表面，且导电层(1)设置在磁性层(2)的周围。
2.根据权利要求1所述的测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，其特征在于，基底为PMN-PT、PZN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3或TiSrO3中的一种压电材料。
3.根据权利要求1所述的测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，其特征在于，底电极、顶电极和导电层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电薄膜。
4.根据权利要求1所述的测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，其特征在于，磁性层为Co、Fe、Ni、NiFe、FeCrCo、CoFe、CoFeB、NiCo或TbFeCo中的一种磁性金属或合金薄膜。
5.根据权利要求1所述的测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，其特征在于，导电层(1)分为四个部分，磁性层(2)两个端部的两侧均设置有导电层(1)。
6.测量范围可调的各向异性磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至4中任意一项所述的测量范围可调的各向异性磁电阻传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个上下底面分别长有基底电极的压电基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持100℃烘20min；
步骤2，利用磁控溅射技术在压电基底上生长一层金属作为AMR传感器的导电层；
步骤3，在压电材料基底上滴加正性光刻胶，在匀胶机上先以500r/min速率旋转5s使得光刻胶覆盖基底，再以4000r/min速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀；将旋涂光刻胶的压电材料基底放入烘箱内，以100℃加热20min，使得光刻胶完全固化，形成第一光刻胶层；
步骤4，对第一光刻胶层进行紫外线曝光，曝光时间为50s；利用显影液对曝光后的第一光刻胶层进行显影处理；利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的第一光刻胶层上生长磁性材料层；去除第一光刻胶层，形成霍尔条hall bar形状的图案；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术生长磁性层，在生长磁性层时外加偏置磁场，引导其磁化方向沿着磁阻条长边分布，利用丙酮超声清洗，去除多余的磁性薄膜；
步骤6，在沉积有长条形磁性层的基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以500r/min速率旋转5s使得光刻胶覆盖基底，再以4000r/min速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以100℃加热20min，使得光刻胶完全固化，形成第二光刻胶层；
步骤7，对第二光刻胶层进行紫外线曝光50s，利用显影液对曝光后的第二光刻胶层进行显影处理；
步骤8，利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的第二光刻胶层上生长金属导电材料层，利用丙酮超声清洗，去除第二光刻胶层，形成AMR传感器的导电层。
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