CN110212085B - 测量范围可调的巨磁电阻传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

测量范围可调的巨磁电阻传感器，包括基底、巨磁电阻结构和导电层；巨磁电阻结构和导电层均设置在基底上表面，且导电层设置在巨磁电阻结构的周围；巨磁电阻结构包括第一缓冲层、第二缓冲层、钉扎层、隔离层和两个铁磁层，两个铁磁层分别为被钉扎层和自由层；第一缓冲层设置在基底上表面，第一缓冲层上自下而上依次设置钉扎层、被钉扎层、隔离层、自由层和第二缓冲层，形成巨磁电阻结构。本发明利用磁电复合材料中磁各向异性场的电场调控效应，首次实现了使用电场对巨磁电阻结构中自由层的磁化方向的调节，具有灵敏度较高、体积小、功耗低、可靠性高、温度特性好、可集成化等优点。并首次将此原理应用于巨磁电阻传感器中，实现了巨磁电阻传感器线性输出范围的大幅提高和连续调节。测量范围可调的巨磁电阻传感器可用于车载电子、物联网和可穿戴设备等微型磁传感器芯片。

Description

测量范围可调的巨磁电阻传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于巨磁电阻传感器技术领域，特别涉及测量范围可调的巨磁电阻传感器及其制备方法。
背景技术
传感器具备信息的感知、采集、转换、传输和处理等功能，已经成为自动检测、自动控制系统中不可缺少的重要电子元器件。自1988年M.N.Baibith在(Fe/Cr)n超晶格多层膜发现巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)效应以后，巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为人们关注的热点。目前，GMR材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。GMR材料的问世引发了磁性传感器的升级换代，由于其对低场的高灵敏度，非常适于工控领域中角度、位置、转速等方面的测量，以及用于制造高密度存储介质，被广泛应用于非接触位置测量、交通速度检测、生物探测、电力系统等多种领域。巨磁电阻传感器的出现，使传统的磁传感器包括霍尔器件、半导体磁敏电阻和磁敏二极管、三极管及各向异性磁电阻传感器等面临严峻的挑战。与传统传感器相比，GMR传感器具有灵敏度较高、体积小、功耗低、可靠性高、温度特性好、可集成化等优点，使其在磁性传感器中的市场占有率越来越大。
巨磁电阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当相邻的两个铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻；当相邻的两个铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的。一般采用反铁磁材料的交换偏置效应对其中一层铁磁层的磁化方向进行钉扎，使其不能自由转向；而另一铁磁层可随外加磁场发生自由转向，称为自由层。当外磁场超过自由层的矫顽场时，可以实现磁化方向的平行和反平行两种状态，产生磁电阻的极小和极大值。磁电阻极值与外磁场之间具有线性关系，因此可用于测量外磁场的大小。可见，巨磁电阻传感器的线性测量范围受限于自由层的矫顽场。一般使用矫顽力较小且巨磁电阻效应较显著的材料作为巨磁电阻的自由层，如Co、Fe、CoFe、NiFeCo、CoFeB、CoNbZr等，其线性测量范围一般在几十高斯之间，严重影响了磁电阻传感器的适用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供测量范围可调的巨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：
测量范围可调的巨磁电阻传感器，包括基底、巨磁电阻结构和导电层；巨磁电阻结构和导电层均设置在基底上表面，且导电层设置在巨磁电阻结构的周围；
巨磁电阻结构包括第一缓冲层、第二缓冲层、钉扎层、隔离层和两个铁磁层，两个铁磁层分别为被钉扎层和自由层；第一缓冲层设置在基底上表面，第一缓冲层上自下而上依次设置钉扎层、被钉扎层、隔离层、自由层和第二缓冲层，形成巨磁电阻结构。
进一步的，导电层分为四个部分，巨磁电阻结构两个端部的两侧均设置有导电层。
进一步的，基底包括基底底电极、压电材料和基底顶电极，基底顶电极和基底底电极分别设置在压电材料的上表面和下表面。
进一步的，压电材料为PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、Sm掺杂的PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的一种压电陶瓷。
进一步的，基底顶电极和基底底电极和导电层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电材料。
进一步的，隔离层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo中的一种非磁性材料；
进一步的，自由层为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料。
进一步的，钉扎层为IrMn、PtMn、FeMn中的一种反铁磁材料；被钉扎层为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料；缓冲层为Ta。
进一步的，测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：对一个基底利用异丙醇和去离子水进行表面清洗，用N2吹干；
步骤2：在上述压电基底上涂上一层光刻胶，用紫外线曝光把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形，然后显影并烘干，完成第一次光刻；
步骤3：生长巨磁电阻薄膜，采用磁控溅射技术，将所需的靶材按顺序进行淀积，在整个预留区域生长多层巨磁电阻薄膜；
步骤4：剥离，在丙酮溶液中浸泡，通过剥离工艺去除剩余的胶层及胶层上面的磁电阻薄膜，形成预留的巨磁阻单元及阵列；
步骤5：在上述薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线曝光把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的导电层图形，然后显影并烘干，完成第二次光刻；
步骤6：导电层生长，第二次光刻完成后，溅射一层导电材料作为导电层；
步骤7：剥离，溅射完毕后，通过剥离工艺去除光刻胶及其上的金属层形成导电层。
进一步的，步骤2具体包括以下操作过程：
涂胶：在压电基底上喷涂一层光刻胶，涂胶后置于115℃的烘箱中烘干20min；
曝光：利用紫外线曝光在光刻胶上刻上需要的形状图案；首先将掩模版贴合在要曝光的薄膜上，然后在紫外激光下照射9s，后置于115℃的烘箱中1min；
显影：将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min，出现图形后，用去离子水清洗并烘干。
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磁各向异性场的电场调控效应，通过给PMN-PT基底加电压，由于压电效应PMN-PT会发生应变，产生的应变传递到临近的GMR结构，由于GMR结构中磁性材料具有磁致伸缩效应，应力将改变磁性材料的磁各向异性场。当有外界磁场时，由于PMN-PT应力引起的额外各向异性磁场的影响，自由层翻转速度减缓，对应的磁电阻变化的速度变缓，达到饱和的磁场增大，因而实现了线性范围的增加。本发明首次实现了使用电场对巨磁电阻结构中自由层的磁化方向的调节，具有灵敏度较高、体积小、功耗低、可靠性高、温度特性好、可集成化等优点。并首次将此原理应用于巨磁电阻传感器中，实现了巨磁电阻传感器线性输出范围的大幅提高和连续调节。可电场调控测量范围的巨磁电阻传感器可用于车载电子、物联网和可穿戴设备等微型磁传感器芯片及其阵列的制造。
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3为本发明的制作流程图。
图4为以PMN-PT为压电材料的测试图像。
其中：1、基底底电极；2、压电材料；3、基底顶电极；4、第一缓冲层；5、钉扎层；6、被钉扎层；7、隔离层；8、自由层；9、导电层；10、第二缓冲层。
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3，测量范围可调的巨磁电阻传感器，其特征在于，包括基底、巨磁电阻结构和导电层9；巨磁电阻结构和导电层9均设置在基底上表面，且导电层9设置在巨磁电阻结构的周围；
巨磁电阻结构包括第一缓冲层4、第二缓冲层10、钉扎层5、隔离层7和两个铁磁层，两个铁磁层分别为被钉扎层6和自由层8；第一缓冲层4设置在基底上表面，第一缓冲层4上自下而上依次设置钉扎层5、被钉扎层6、隔离层7、自由层8和第二缓冲层10，形成巨磁电阻结构。
导电层9分为四个部分，巨磁电阻结构两个端部的两侧均设置有导电层9。
基底包括基底底电极1、压电材料2和基底顶电极3，基底顶电极3和基底底电极1分别设置在压电材料2的上表面和下表面。
压电材料为PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、Sm掺杂的PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的一种压电陶瓷。
基底顶电极3和基底底电极1和导电层9为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电材料。
隔离层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo中的一种非磁性材料；
自由层为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料。
钉扎层为IrMn、PtMn、FeMn中的一种反铁磁材料；被钉扎层为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料；缓冲层为Ta。
测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：对一个基底利用异丙醇和去离子水进行表面清洗，用N2吹干；如图3a。
步骤2：在上述压电基底上涂上一层光刻胶，用紫外线曝光把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形，然后显影并烘干，完成第一次光刻；如图3b。
步骤3：生长巨磁电阻薄膜，采用磁控溅射技术，将所需的靶材按顺序进行淀积，在整个预留区域生长多层巨磁电阻薄膜；如图3c。
步骤4：剥离，在丙酮溶液中浸泡，通过剥离工艺去除剩余的胶层及胶层上面的磁电阻薄膜，形成预留的巨磁阻单元及阵列；如图3d。
步骤5：在上述薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线曝光把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的导电层图形，然后显影并烘干，完成第二次光刻；如图3e。
步骤6：导电层生长，第二次光刻完成后，溅射一层导电材料作为导电层；如图3f。
步骤7：剥离，溅射完毕后，通过剥离工艺去除光刻胶及其上的金属层形成导电层。如图3g。
步骤2具体包括以下操作过程：
涂胶：在压电基底上喷涂一层光刻胶，涂胶后置于115℃的烘箱中烘干20min；
曝光：利用紫外线曝光在光刻胶上刻上需要的形状图案；首先将掩模版贴合在要曝光的薄膜上，然后在紫外激光下照射9s，后置于115℃的烘箱中1min；
显影：将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min，出现图形后，用去离子水清洗并烘干。
图4为以PMN-PT为压电材料，以Au为基底顶电极和基底底电极以及导电层、Ru为第一缓冲层和第二缓冲层、IrMn为钉扎层、CoFe为被钉扎层和自由层、Cu为隔离层的GMR传感器的磁滞回线(图4a)和磁阻变化曲线(图4b)。如图4所示，在未给PMN-PT加电压前，磁场从高场降低的过程中，先是被钉扎层方向先翻转至与磁场反向，此时自由层方向不变，二者方向反平行，磁电阻达到最大；磁场继续降低至零场附近，自由层方向也发生翻转，此时二者方向平行，磁电阻达到最小。由于变化曲线中有几处突变，使得线性范围较小。在给PMN-PT上加电压之后，在磁场变化过程中，额外的各向异性磁场使得磁电阻对外界磁场的响应变慢，从而避免了磁阻发生突变，使变化曲线更加平滑，线性范围增大。

Claims (9)

1.测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器包括基底、巨磁电阻结构和导电层(9)；巨磁电阻结构和导电层(9)均设置在基底上表面，且导电层(9)设置在巨磁电阻结构的周围；
巨磁电阻结构包括第一缓冲层(4)、第二缓冲层(10)、钉扎层(5)、隔离层(7)和两个铁磁层，两个铁磁层分别为被钉扎层(6)和自由层(8)；第一缓冲层(4)设置在基底上表面，第一缓冲层(4)上自下而上依次设置钉扎层(5)、被钉扎层(6)、隔离层(7)、自由层(8)和第二缓冲层(10)，形成巨磁电阻结构，包括以下步骤：
步骤1：对一个基底利用异丙醇和去离子水进行表面清洗，用N2吹干；
步骤2：在步骤1所述基底上涂上一层光刻胶，用紫外线曝光把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的磁阻单元和阵列图形，然后显影并烘干，完成第一次光刻；
步骤3：生长巨磁电阻薄膜，采用磁控溅射技术，将所需的靶材按顺序进行淀积，在整个预留区域生长多层巨磁电阻薄膜；
步骤4：剥离，在丙酮溶液中浸泡，通过剥离工艺去除剩余的胶层及胶层上面的磁电阻薄膜，形成预留的巨磁阻单元及阵列；
步骤5：在完成步骤4后得到的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线曝光把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的导电层图形，然后显影并烘干，完成第二次光刻；
步骤6：导电层生长，第二次光刻完成后，溅射一层导电材料作为导电层；
步骤7：剥离，溅射完毕后，通过剥离工艺去除光刻胶及其上的金属层形成导电层。
2.根据权利要求1所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，导电层(9)分为四个部分，巨磁电阻结构两个端部的两侧均设置有导电层(9)。
3.根据权利要求1所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，基底包括基底底电极(1)、压电材料(2)和基底顶电极(3)，基底顶电极(3)和基底底电极(1)分别设置在压电材料(2)的上表面和下表面。
4.根据权利要求3所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，压电材料为PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、Sm掺杂的PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的一种压电陶瓷。
5.根据权利要求3所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，基底顶电极和基底底电极和导电层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo、TaN或TiN中的一种导电材料。
6.根据权利要求1所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，隔离层为Ta、Au、Ag、Al、Cu、Pt、W、Ti、Mo中的一种非磁性材料。
7.根据权利要求1所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，自由层为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料。
8.根据权利要求1所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，钉扎层为IrMn、PtMn、FeMn中的一种反铁磁材料；被钉扎层为CoFe、CoFe/Ru/CoFe、NiFe、CoFeB、FeGaB、Co、Fe、NiFeCo、CoNbZr中的一种铁磁性材料；缓冲层为Ta。
9.根据权利要求1所述的测量范围可调的巨磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤2具体包括以下操作过程：
涂胶：在压电基底上喷涂一层光刻胶，涂胶后置于115℃的烘箱中烘干20min；
曝光：利用紫外线曝光在光刻胶上刻上需要的形状图案；首先将掩模版贴合在要曝光的薄膜上，然后在紫外激光下照射9s，后置于115℃的烘箱中1min；
显影：将上述曝光后的压电基底置于显影液中浸泡1min，出现图形后，用去离子水清洗并烘干。
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