CN110320482A - 一种tmr全桥磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种TMR全桥磁传感器及其制备方法，该TMR全桥磁传感器包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，4组桥式连接的TMR单元形成全桥结构；所述基片上还设置有软磁层，所述TMR单元分布于所述软磁层的外围、分别位于所述软磁层四个角位置处。本发明在传感器中设置软磁层，利用软磁材料的特性以及软磁材料对外磁场的改变作用，在同一芯片上可以形成两种相反的磁性变化，进而引起位于相应位置的TMR单元的相反的电阻变化，实现在单一芯片上的全桥输出，克服了采用永磁体提供偏置场的传感器存在的在较大外部磁场作用下容易失效的问题，可以提高器件的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁场探测传感器，尤其涉及一种单一芯片的TMR全桥磁传感器。
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，在许多领域已得到了广泛使用。TMR(隧道磁电阻)型传感器是磁传感器的一种，其具有偏移低，灵敏度高和温度性能好的优点，近年来开始在工业领域得到应用。TMR传感器的磁电阻会随外加磁场的大小、方向的变化而变化，灵敏度优于霍尔效应传感器、AMR(各向异性磁阻)型传感器以及GMR(巨磁电阻)型传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗，加上TMR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。
全桥结构的磁电阻传感器可以有效提高器件的灵敏度和温度稳定性。制作全桥型的TMR磁场传感器需要相邻桥臂上的TMR单元的电阻对外磁场具有相反的响应情况。由于TMR单元的电阻变化来源于自由层和钉扎层的相对取向，通常全桥结构的TMR磁传感器需要相邻桥臂上的TMR单元具有相反磁化方向的钉扎层。传统的TMR制作流程，由于同一晶圆上的各TMR单元经历的工艺相同，所以同一芯片上的各TMR单元的钉扎层的磁化方向都相同，对外磁场响应情况相同，因此难以通过一次工艺在芯片上形成全桥结构。目前实现单一芯片上桥接的办法有激光退火和分次沉积。激光退火是采用激光退火设备将不同区域TMR单元的钉扎层的磁化方向钉扎在相反方向，但由于激光退火设备价格昂贵，因此生产成本很高。分次沉积是分两次沉积先后生长不同磁化方向的钉扎层，但分两次沉积时，在生长第二层时容易对第一层产生影响，最终影响器件性能。
为了解决现有的在单一芯片制备全桥结构磁传感器存在的成本高、性能不稳定的问题，公开号为CN102226836A的中国发明专利申请提出了一种单一芯片桥式磁场传感器，该传感器包括四个磁电阻元件，每个磁电阻元件由一个或多个GMR或MTJ传感元件串联组成，传感元件包括磁性自由层和磁性钉扎层，磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在同一个方向上，位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。磁性自由层的磁矩方向由一对永磁体提供偏置，利用方形永磁的两个相邻面的剩磁角度或者采用不同朝向的条形永磁为MTJ传感元件提供不同方向的磁场，使得位于永磁体之间的MTJ传感元件的磁性自由层被设置在两个不同的方向，而钉扎层的磁化方向均一致，最后MTJ传感元件对外加的同一磁场显示出不同的响应。但是该专利采用永磁体为传感元件提供偏置场，永磁材料在较大磁场下会发生磁矩的不可逆翻转，从而造成器件失效，需要进行磁场重置后芯片才能再次工作，因此该结构的芯片存在抗干扰能力不足的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗大磁场干扰能力强的TMR全桥磁传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，4组桥式连接的TMR单元形成全桥结构；所述基片上还设置有软磁层，所述TMR单元分布于所述软磁层的外围、分别位于所述软磁层四个角位置处。
由以上技术方案可知，本发明在传感器中设置软磁层，利用软磁材料对外磁场的改变作用，在同一芯片上可以形成两种方向相反的磁场变化，进而引起位于相应位置的TMR单元的相反的电阻变化，实现在单一芯片上的全桥输出，克服了采用永磁体提供偏置场的传感器存在的在较大外部磁场作用下容易失效的问题，相比于此类结构的传感器，本发明传感器的结构可以提高器件的抗干扰能力，尤其是抗大磁场干扰能力。
更具体的，在每两个相邻的TMR单元之间设置电极引脚，其中一对相对的电极引脚为输入端，另一对相对的电极引脚为输出端。
优选的，所述软磁层为方形。
方形的软磁层在四个角处引起的磁场畸变最为明显，为全桥结构提供平衡四个臂，效果最好。
优选的，所述软磁层的厚度为nm到um量级。
nm到um量级的软磁层可以很方便地用成熟的半导体工艺实现，有利于控制工艺成本。
本发明还提供了一种TMR全桥磁传感器的制备方法，包括以下步骤：
提供基片；
在所述基片上沉积TMR单元，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构；
在所述基片上沉积软磁层，所述TMR单元分布于所述软磁层的外围、分别位于所述软磁层四个角位置处。
本发明方法可以一次构建出单一芯片的桥式结构，无需激光退火和二次沉积，工艺难度低，成本低。
优选的，先沉积TMR单元，后沉积软磁层。
由于软磁层厚度相对较厚，先沉积TMR单元再沉积软磁层有利于提高产品的良品率。
更具体的，所述软磁层由Fe或Co或Ni或其合金制成。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为软磁层在外加磁场中的磁力线分布示意图；
图2a和图2b分别为软磁层相邻两个角附近的磁场在x、y轴方向上的分量示意图；
图3为在软磁层的相邻两个角位置处的TMR单元对沿x轴相反方向的磁场响应示意图；
图4为本发明实施例的结构示意图；
图5本发明实施例的典型输出效果图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
软磁材料是一种具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料，软磁材料易于磁化，也易于退磁，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。将软磁材料置于磁场中时，由于磁化现象，软磁材料会对其附近的磁场产生干扰。如图1所示，将一方形的软磁材料1，如NiFe薄膜，置于磁场2中时，由于NiFe薄膜形状各向异性，在方形NiFe薄膜的四个角附近的磁场会产生明显的畸变。每个角处的磁场都可分解为一个平行于磁场方向的分量和一个垂直于磁场方向的分量，为了便于描述，将平行于磁场的方向定义为y轴的方向，垂直于磁场的方向定义为x轴方向。在NiFe薄膜相邻的两个角处的磁场，可分解为x轴方向和y轴方向上的两个分量，其中，x轴方向上的分量大小相同、方向相反；y轴方向上的分量大小相同、方向一致。以图1中相邻的两个角，位置3和位置4为例，图2a和图2b分别为图1中位置3和位置4的磁场分量的示意图，在位置3和位置4两处，x轴方向上的磁场分量大小相同、方向相反，y轴方向上的磁场分量大小和方向均相同。当外部磁场沿y轴正方向增大时，在位置3和位置4处，y方向上的磁场分量会随外磁场的增加而增加，且方向相同，x方向上的磁场分量会沿相反方向，且大小相同。
本发明的基本思路是：在单一芯片的TMR全桥磁传感器中，设置软磁层，利用软磁层可以改变外磁场方向、大小的特性，来实现在同一芯片上形成两种相反的磁性变化，从而可以引起相应位置处的TMR单元相反的电阻变化，实现芯片的全桥输出。
图3为在x方向敏感的TMR单元对沿x轴相反方向的磁场响应情况，对于方向沿x轴正方向的磁场，随着外磁场增加，TMR单元的电阻态由低阻态向高阻态线性变化；对于方向沿x轴负方向的磁场，随着外磁场增加，TMR单元的电阻态由高阻态向低阻态线性变化。即位于软磁层相邻角位置处的TMR单元在同一外磁场作用下，电阻态的变化趋势相反，可以形成对外磁场相反的响应情况。
全桥磁传感器包括基片，基片上设置有TMR单元，TMR单元包括钉扎层、隧道层和自由层，TMR单元构成磁电阻元件，每个磁电阻元件的结构相同。如图4所示，本发明传感器芯片的基片上设置有一软磁层7和4个TMR单元(8、9、10、11)，TMR单元分布在软磁层7的外围，分别位于软磁层7的四个角位置处，即4个TMR单元间的连线可形成一个方形。4个TMR单元之间通过导线16相连形成全桥结构，在每两个相邻的TMR单元之间均设置有电极引脚(12、13、14、15)，其中一对相对的电极引脚为输入端，另一对相对的电极引脚为输出端。电极引脚可采用Cu、Ag、Au等非磁性材料制成。本实施例的电极引脚13、15为输入端，输入端接工作电压，则另一对相对的电极引脚12、14为输出端。工作时，在电极引脚13和15之间加载器件的工作电压，电极引脚2、3输出，即可观测到传感器对磁场的线性响应，图5所示是本实施例全桥结构的典型电压输出曲线。
本发明的全桥磁传感器的制备方法为：
提供基片；
在基片上沉积TMR单元；
在基片上沉积软磁层，软磁层的材料可以选用Fe、Co、Ni或其合金，如NiFe、CoFe等；和现有技术中磁传感器中的永磁体不同，永磁体用于为TMR单元提供偏置场，而本发明的软磁层不是用于提供偏置场，而是用于改变外磁场，软磁层的厚度优选为nm到um量级，从工艺实现难易的角度考虑，nm到um量级的软磁层可以很方便地用成熟的半导体工艺实现；
采用导线将TMR单元按全桥结构连接，即得到单一芯片的全桥磁传感器。
沉积TMR单元和沉积软磁层的顺序可以调换。
本发明可以很方便地将TMR磁传感器的全桥结构制备在同一芯片上，无需激光退火和二次沉积，降低了工艺难度，相比于以往激光退火技术可以大幅降低生产成本，相比于以往的二次沉积技术，可以提高器件生产的稳定性。
当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，软磁层优选为正方形或矩形，也可以为圆形或椭圆形等；作为磁电阻元件的TMR单元，也可以替换为GMR单元，或者是TMR阵列；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明所述的范围之内。
Claims (10)
1.一种TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，4组桥式连接的TMR单元形成全桥结构；
其特征在于：
所述基片上还设置有软磁层，所述TMR单元分布于所述软磁层的外围、分别位于所述软磁层四个角位置处。
2.如权利要求1所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：在每两个相邻的TMR单元之间设置电极引脚，其中一对相对的电极引脚为输入端，另一对相对的电极引脚为输出端。
3.如权利要求1或2所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述软磁层为方形。
4.如权利要求1或2所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述软磁层的厚度为nm到um量级。
5.一种TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基片；
在所述基片上沉积TMR单元，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构；
在所述基片上沉积软磁层，所述TMR单元分布于所述软磁层的外围、分别位于所述软磁层四个角位置处。
6.如权利要求5所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：先沉积TMR单元，后沉积软磁层。
7.如权利要求5所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：在每两个相邻的TMR单元之间设置电极引脚，其中一对相对的电极引脚为输入端，另一对相对的电极引脚为输出端。
8.如权利要求5或6所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：所述软磁层为方形。
9.如权利要求5或6所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：所述软磁层的厚度为nm到um量级。
10.如权利要求5或6所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：所述软磁层由Fe或Co或Ni或其合金制成。
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