CN111430535A - 一种测试灵敏方向可调的gmr磁场传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及制备方法，包括第一导电材料、第二导电材料、第三导电材料、基底和磁阻条；四个第一导电材料成四宫格状分布在基底表面；若干磁阻条平行等间距设置，相邻的两个磁阻条之间的端部通过第二导电材料连接，使若干磁阻条形成S型串联结构；相邻的第一导电材料之间均设置有S型串联结构，形成惠斯通电桥，S型串联结构端部的磁阻条与第一导电材料连接。本发明通过磁电耦合效应实现了一种灵敏方向可调的新型GMR磁场传感器，利用在压电基底上施加不同的电压改变自由层的磁化方向，最大可以实现探测方向90°调控。保证了在更多工程场景下的应用，可以提高传感器的性能表现，提高传感器的工作效率和应用范围。

Description

一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及 制备方法。
背景技术
在传统的GMR传感器的设计制造中，由于钉扎层与自由层的设计，传统GMR传感 器拥有单一的灵敏测试方向。在实际使用中，为了表征三维空间磁场的空间分布，需要通 过三个相互正交的传感器来同时测量。但是由于三轴磁强计的三个独立传感器元件之间距离较大，采用该设计的GMR传感器无法精确测量某一位置的磁场信息，只能用来测量较 大空间内的均匀磁场大小。除此之外，传统GMR传感器采用三组相互独立的传感单元会 增大传感器的尺寸，增加传感器的成本。在很多工程应用的场合下，需要使用小体积、高 精度的磁场传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及制备方法，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：
一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，包括第一导电材料、第二导电材料、第三导电材料、基底和磁阻条；四个第一导电材料成四宫格状分布在基底表面；若干磁阻条平行等间距设置，相邻的两个磁阻条之间的端部通过第二导电材料连接，使若干磁阻条形成S型串联结构；相邻的第一导电材料之间均设置有S型串联结构，形成惠斯通电桥，S 型串联结构端部的磁阻条与第一导电材料连接。
进一步的，磁阻条为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲 层材料为Ta，厚度为5nm，上层保护层材料为Ta，厚度为5nm。
进一步的，中间层包括自由层、钉扎层和非磁性金属材料层，自由层为Ru/NiFe/CoFe， 厚度为3nm-20nm；钉扎层为CoFe/Ru/CoFe/IrMn，厚度为3nm-50nm；非磁性金属材料为 Cu，厚度1-10nm。
进一步的，第一导电材料、第二导电材料和第三导电材料均为导电金属；基底为PMN-PT压电基底。
进一步的，一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供一个PMN-PT压电基底，并对PMN-PT基底进行预处理；
步骤2，在PMN-PT压电基底上旋涂光刻胶，使得光刻胶覆盖PMN-PT基底；
步骤3，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除 多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第一预定义图形；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除 第一层光刻胶；
步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有磁阻材料的PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后， 使得光刻胶覆盖；
步骤7，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除 多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第二预定义图形；
步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一导电材料、第二导 电材料，第一导电材料、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一导电材料、第二导电材料为Ta或Au；然后去除第二层光刻胶；
步骤10，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第三导电材料，第三导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第三导电材料包括Ta或Au。
进一步的，步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、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115℃烘20min。
进一步的，步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为APR-3510T，在PMN-PT压电 基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖PMN-PT压 电片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。
进一步的，步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。
进一步的，步骤5中，在薄膜生长过程中，对PMN-PT压电基底添加外部偏置磁场，生长自由层时偏置磁场方向与磁阻条夹角成0°和180°，偏置磁场方向为水平横向；生 长钉扎层时，偏执磁场方向与磁阻条夹角成90°，偏置磁场方向为竖直方向。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过磁电耦合效应实现了一种灵敏方向可调的新型GMR磁场传感器，利用在压电基底上施加不同的电压改变自由层的磁化方向，最大可以实现探测方向90°调控。保证了在更多工程场景下的应用，可以提高传感器的性能表现，提高传感器的工作效率和应用范围。
通过磁电耦合的方式解决了传统GMR传感器只有单一灵敏方向的问题。相较于传统GMR传感器，利用磁电耦合的方法可以有效提升传感器的性能表现，最大可以实现灵 敏度方向90°的调控，增加GMR传感器的应用范围。
附图说明
图1示意了GMR传感器整体结构。
图2示意了GMR传感器中传感器的设计结构。
图3示意了GMR传感器的制造流程。
图中：1-压电衬底材料，2-第一导电材料，3-第二导电材料，4-第三导电材料，5-磁阻条，6-磁场方向。
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3，一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，包括第一导电材料2、第二导电材料3第三导电材料4和磁阻条5；四个第一导电材料2成四宫格状分布， 若干磁阻条5平行等间距设置，相邻的两个磁阻条5之间的端部通过第二导电材料3连接， 使若干磁阻条5形成S型串联结构；相邻的第一导电材料2之间均设置有S型串联结构， 形成惠斯通电桥，S型串联结构端部的磁阻条5与第一导电材料2连接；第一导电材料2、 第二导电材料3和第三导电材料4均为导电金属。
磁阻条5为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲层材料为Ta，厚度为5nm，上层保护层材料为Ta，厚度为5nm，中间层包括自由层、钉扎层和 非磁性金属材料层，自由层为Ru/NiFe/CoFe，厚度为3nm-20nm；钉扎层为 CoFe/Ru/CoFe/IrMn，厚度为3nm-50nm；非磁性金属材料为Cu,厚度1-10nm。
一种基于磁电耦合的灵敏方向可调的新型GMR磁场传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个PMN-PT压电基底，并对PMN-PT基底进行预处理；
步骤2，在PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖PMN-PT基底；
步骤3，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第一预定义图形；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除第一层光刻胶。
步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有磁阻材料的PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖；
步骤7，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第二预定义图形；
步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一、第二导电材料，第一、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一、第二导电材料包括Ta或Au；然后 去除第二层光刻胶；
步骤10，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第三导电材料，第三导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第三导电材料包括Ta或Au。
步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、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115℃烘20min。
步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为APR-3510T，在PMN-PT压电基底上滴加 光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖PMN-PT压电片，再以 4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。
步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。
步骤5中，在薄膜生长过程中，对PMN-PT压电基底添加外部偏置磁场，生长自由 层时偏置磁场方向与磁阻条夹角成0°和180°，偏置磁场方向为水平横向；生长钉扎层 时，偏执磁场方向与磁阻条夹角成90°，偏置磁场方向为竖直方向。
在薄膜生长过程中，对PMN-PT基底添加外部偏置磁场6，偏置磁场6方向与磁阻 条5夹角成0°、90°和180°，如图1所示，偏置磁场6方向为水平横向。此处自由层 薄膜厚度可以改变，同时也可以是其他磁性材料，钉扎层材料薄膜厚度也可以改变，也可 以是其他反铁磁材料，磁阻条5的数量与尺寸也可以改变。导电金属2、3与磁阻条5组 成惠斯通电桥。
测试结果表明给PMN-PT上施加电压，可以改变钉扎层的磁化曲线，使得钉扎层的难易轴实现90度的调控效果。

Claims (9)

1.一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，其特征在于，包括第一导电材料(2)、第二导电材料(3)、第三导电材料(4)、基底(1)和磁阻条(5)；四个第一导电材料(2)成四宫格状分布在基底(1)表面；若干磁阻条(5)平行等间距设置，相邻的两个磁阻条(5)之间的端部通过第二导电材料(3)连接，使若干磁阻条(5)形成S型串联结构；相邻的第一导电材料(2)之间均设置有S型串联结构，形成惠斯通电桥，S型串联结构端部的磁阻条(5)与第一导电材料(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，其特征在于，磁阻条(5)为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲层材料为Ta，厚度为5nm，上层保护层材料为Ta，厚度为5nm。
3.根据权利要求2所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，其特征在于，中间层包括自由层、钉扎层和非磁性金属材料层，自由层为Ru/NiFe/CoFe，厚度为3nm-20nm；钉扎层为CoFe/Ru/CoFe/IrMn，厚度为3nm-50nm；非磁性金属材料为Cu，厚度1-10nm。
4.根据权利要求1所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，其特征在于，第一导电材料(2)、第二导电材料(3)和第三导电材料(4)均为导电金属；基底(1)为PMN-PT压电基底。
5.一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个PMN-PT压电基底，并对PMN-PT基底进行预处理；
步骤2，在PMN-PT压电基底上旋涂光刻胶，使得光刻胶覆盖PMN-PT基底；
步骤3，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第一预定义图形；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除第一层光刻胶；
步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有磁阻材料的PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖；
步骤7，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第二预定义图形；
步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一导电材料、第二导电材料，第一导电材料、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一导电材料、第二导电材料为Ta或Au；然后去除第二层光刻胶；
步骤10，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第三导电材料，第三导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第三导电材料包括Ta或Au。
6.根据权利要求5所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、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115℃烘20min。
7.根据权利要求5所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为APR-3510T，在PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖PMN-PT压电片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。
8.根据权利要求5所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。
9.根据权利要求5所述的一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，步骤5中，在薄膜生长过程中，对PMN-PT压电基底添加外部偏置磁场，生长自由层时偏置磁场方向与磁阻条夹角成0°和180°，偏置磁场方向为水平横向；生长钉扎层时，偏执磁场方向与磁阻条夹角成90°，偏置磁场方向为竖直方向。
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