CN111505544A - 一种可重构敏感方向的tmr磁场传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器及制备方法，包括压电衬底材料、电极层和TMR敏感材料；电极层生长在压电衬底材料背面，TMR敏感材料设置在压电衬底材料正面；TMR敏感材料包括MTJ阵列、连接电极和调节电极；MTJ阵列由M×N个间隔设置的MTJ单元组成；连接电极用于串联MTJ阵列中位于同一排的两个相邻的MTJ单元；调节电极从连接电极引出。本发明通过将MTJ阵列型TMR磁场传感器集成在压电衬底上，实现了电场作用下对于TMR磁场传感器磁敏感方向的偏转。与传统三维TMR磁传感器相比，本发明的可重构磁传感器具有较高的局域磁场特性，即可在较小尺寸的TMR传感器基础上同时实现空间内的均匀磁场强度测量及较某一位置的磁场方向测定。

Description

一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器及制备方法

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，特别涉及一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器及制备方法。

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，在许多领域已得到了广泛使用。TMR(Tunnel Magnetoresistance，隧道磁电阻)型传感器是磁传感器的一种，由于具有偏移低，灵敏度高和温度性能好的优点，近年来逐渐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，其灵敏度优于霍尔效应传感器、AMR型传感器以及GMR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地和现有半导体工艺结合，因此具有更多的应用前景。

MTJ(magnetic tunnel junction，磁隧道结)单元是TMR传感器的主要结构单元，MTJ 单元会随着外加磁场变化而发生的巨大的电阻变化效应，是TMR传感器的工作核心来源。由于单个MTJ单元的击穿电压较低，TMR传感器中会采用串联多个MTJ单元的方式来增加整体的击穿电压，这样同时还能提高器件的信噪比。TMR传感器一般是由2个或4 个TMR传感单元组成的桥式电路构成，在实际生产中，由于MTJ阵列中的一个或多个 MTJ单元偶有短路导通现象，从而导致TMR传感单元之间存在阻值的偏差，阻值差通常为单个MTJ单元阻值的整数倍，增加了后期传感器电路调零的操作难度。

在传统的TMR传感器的设计制造中，TMR传感器只有单一灵敏度方向，无法测试三位空间的磁场分布。在实际工程应用场景中，为了表征磁场的空间分布，一般采用在一个单独的小型封装模块中即成三个相互正交的TMR传感器，用于X/Y/Z三维的磁场测量。但是传统的三维TMR磁传感器由于三个传感器元件之间的距离较大，无法准确测定同一位置的磁场方向，只能精确测量空间内的均匀磁场大小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可重构敏感方向的TMR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：

一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，包括压电衬底材料、电极层和TMR敏感材料；电极层生长在压电衬底材料背面，TMR敏感材料设置在压电衬底材料正面；

TMR敏感材料包括MTJ阵列、连接电极和调节电极；MTJ阵列由M×N个间隔设置的MTJ单元组成；连接电极用于串联MTJ阵列中相邻的两个相邻的MTJ单元；调节电极从连接电极引出。

进一步的，MTJ单元包括两个串联的MTJ结构，两个MTJ结构通过底电极串联。

进一步的，相邻排的MTJ单元串联时，一排MTJ单元在该排的第1个MTJ单元处或最后一个MTJ单元处通过连接电极与其后一排MTJ单元的第1个MTJ单元或最后一个MTJ单元相连，每一个MTJ单元上连接有两个连接电极。

进一步的，连接电极包括单连接电极，一个MTJ阵列中具有两个单连接电极，单连接电极连接于串联在一起的MTJ单元中的第一个MTJ单元和最后一个MTJ单元上；除了单连接电极外，每个连接电极均与两个MTJ单元相连，单连接电极只与一个MTJ单元相连。

进一步的，调节电极包括微调电极和粗调电极，微调电极从MTJ阵列中的第1排和/或第M排的MTJ单元间的连接电极引出，粗调电极从连接相邻排MTJ单元的连接电极引出。

进一步的，MTJ结构为形成于绝缘基底上的多层膜结构，MTJ结构从下往上依次是缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层；缓冲层为三层结构，从下往上依次为Ta层、 Ru层和Ta层；自由层由铁或镍或钴或镍铁合金或钴铁合金或钴铁非金元素合金材料制成；势垒层由氧化镁或三氧化二铝制成；钉扎层由铁磁层CoFeB和反铁磁层IrMn构成，覆盖层包括黏附层Ta和隔离层Ru。

进一步的，压电衬底材料采用的是PMN-PT材料。

进一步的，一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一个[011]取向的PMN-PT压电基底，并对基底进行预处理；

步骤2，利用直流磁控溅射薄膜生长技术在基底背面生长电极层；

步骤3，在PMN-PT基底正面依次生长缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层，形成多层膜结构，生长时，通过一个方向平行于PMN-PT[01-1]方向的外加磁场，诱导磁性材料的磁畴排列方向；

步骤4，在多层膜结构上通过掩膜和光刻技术匀胶并显影出想要的结构，形成相互独立的MTJ单元，采用等离子体刻蚀技术刻蚀并将残胶去掉后，得到MTJ阵列，此时，阵列中的MTJ单元之间无连接导通，每个MTJ单元均包括一对MTJ结构，MTJ结构通过底电极互相串联；

步骤5，在MTJ阵列上进行第二次光刻，然后在阵列结构上再次生长一层电极层，用于形成连接电极和调节电极，去胶剥离后，得到通过连接电极连接导通的MTJ阵列；

步骤6，根据传感器的电压需求，从调节电极中选择两个作为MTJ阵列的输出端和输出端与传感器的外围电路相连，连接完成后，从输入端输入电流，并检测输出电压，进行传感器测试；

步骤7，根据压电衬底的压电特性，对传感器上下表面施加电压，测试施加电压前后传感器对于不同方向磁场响应的灵敏度，进行传感器磁敏感方向的可重构性测试，测试合格后得到传感器成品。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明通过将MTJ阵列型TMR磁场传感器集成在压电衬底上，实现了电场作用下对于TMR磁场传感器磁敏感方向的偏转。与传统三维TMR磁传感器相比，本发明的可重构磁传感器具有较高的局域磁场特性，即可在较小尺寸的TMR传感器基础上同时实现空间内的均匀磁场强度测量及较某一位置的磁场方向测定。

本发明通过将TMR传感器阵列制备在PMN-PT压电基底上，通过磁电耦合效应，在PMN-PT基底上施加不同的电压，对磁阻层的磁化方向产生调控作用，达到改变TMR 传感器灵敏度转向的作用，最大调节角度可达90°

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构。

图2为MTJ阵列型TMR敏感材料的示意图；

图3为TMR单元的俯视图；

图4为MTJ的结构示意图。

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4，一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，包括压电衬底材料1、电极层2和TMR敏感材料3；电极层生长在压电衬底材料背面，TMR敏感材料设置在压电衬底材料正面；

TMR敏感材料包括MTJ阵列、连接电极4和调节电极5；MTJ阵列由M×N个间隔设置的MTJ单元6组成；连接电极用于串联MTJ阵列中相邻的两个相邻的MTJ单元；调节电极从连接电极引出。

MTJ单元包括两个串联的MTJ结构，两个MTJ结构通过底电极串联。

相邻排的MTJ单元串联时，一排MTJ单元在该排的第1个MTJ单元处或最后一个 MTJ单元处通过连接电极与其后一排MTJ单元的第1个MTJ单元或最后一个MTJ单元相连，每一个MTJ单元上连接有两个连接电极。

连接电极包括单连接电极，一个MTJ阵列中具有两个单连接电极，单连接电极连接于串联在一起的MTJ单元中的第一个MTJ单元和最后一个MTJ单元上；除了单连接电极外，每个连接电极均与两个MTJ单元相连，单连接电极只与一个MTJ单元相连。

调节电极包括微调电极和粗调电极，微调电极从MTJ阵列中的第1排和/或第M排的MTJ单元间的连接电极引出，粗调电极从连接相邻排MTJ单元的连接电极引出。

MTJ结构为形成于绝缘基底上的多层膜结构，MTJ结构从下往上依次是缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层；缓冲层为三层结构，从下往上依次为Ta层、Ru层和Ta 层；自由层由铁或镍或钴或镍铁合金或钴铁合金或钴铁非金元素合金材料制成；势垒层由氧化镁或三氧化二铝制成；钉扎层由铁磁层CoFeB和反铁磁层IrMn构成，覆盖层包括黏附层Ta和隔离层Ru。

压电衬底材料采用的是PMN-PT材料。

一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一个[011]取向的PMN-PT压电基底，并对基底进行预处理；

步骤2，利用直流磁控溅射薄膜生长技术在基底背面生长电极层；

步骤3，在PMN-PT基底正面依次生长缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层，形成多层膜结构，生长时，通过一个方向平行于PMN-PT[01-1]方向的外加磁场，诱导磁性材料的磁畴排列方向；

步骤4，在多层膜结构上通过掩膜和光刻技术匀胶并显影出想要的结构，形成相互独立的MTJ单元，采用等离子体刻蚀技术刻蚀并将残胶去掉后，得到MTJ阵列，此时，阵列中的MTJ单元之间无连接导通，每个MTJ单元均包括一对MTJ结构，MTJ结构通过底电极互相串联；

步骤5，在MTJ阵列上进行第二次光刻，然后在阵列结构上再次生长一层电极层，用于形成连接电极和调节电极，去胶剥离后，得到通过连接电极连接导通的MTJ阵列；

步骤6，根据传感器的电压需求，从调节电极中选择两个作为MTJ阵列的输出端和输出端与传感器的外围电路相连，连接完成后，从输入端输入电流，并检测输出电压，进行传感器测试；

步骤7，根据压电衬底的压电特性，对传感器上下表面施加电压，测试施加电压前后传感器对于不同方向磁场响应的灵敏度，进行传感器磁敏感方向的可重构性测试，测试合格后得到传感器成品。

请参阅图1所示，本发明一种基于磁电耦合的可重构敏感方向的TMR磁场传感器，包括：1为压电衬底材料，2为电极层，3为TMR敏感材料。电极层生长在压电衬底材料的背面，TMR敏感材料生长在衬底材料的正面。

如图2所示，本发明的TMR敏感材料部分包括设置于压电材料上的MTJ阵列、连接电极、调节电极及外围电路(未图示)。MTJ阵列由多个MTJ单元组成，MTJ单元以M 排×N列的形式排列形成阵列，M、N为大于零的整数。如图3所示，一个MTJ单元1包括两个串联在一起的MTJ结构1-1，本实施例的MTJ结构1-1通过直接生长在绝缘基底上的底电极串联导通。MTJ结构1-1为常规结构，如图4所示，MTJ结构1-1为形成于绝缘基底10上的多层膜结构，MTJ结构1-1从下往上依次是缓冲层1-1a、自由层1-1b、势垒层1-1c、钉扎层1-1d和覆盖层1-1e。本实施例的缓冲层1-1a为三层结构，从下往上依次为Ta层、Ru层和Ta层。自由层1-1b可以由铁或镍或钴或镍铁合金或钴铁合金或钴铁非金元素合金(CoFeX固溶体，其中X为非金属元素，优选为ⅢA族元素)等材料制成。势垒层1-1c可以由氧化镁或三氧化二铝等材料制成。钉扎层1-1d由铁磁层(CoFeB)和反铁磁层(IrMn)构成，覆盖层1-1e包括黏附层(Ta)和隔离层(Ru)。

本发明通过将TMR传感器阵列制备在PMN-PT压电基底上，通过磁电耦合效应，在PMN-PT基底上施加不同的电压，对磁阻层的磁化方向产生调控作用，达到改变TMR 传感器灵敏度转向的作用，最大调节角度可达90°。

下面对本发明TMR传感器的制备方法进行说明，其制备过程包括以下步骤：

提供一个[011]取向的PMN-PT压电基底，并对基底进行预处理；

利用直流磁控溅射薄膜生长技术在基底背面生长电极层；

在PMN-PT基底正面依次生长缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层，形成多层膜结构；

在多层膜结构上通过掩膜和光刻技术匀胶并显影出想要的结构，形成相互独立的MTJ单元，采用等离子体刻蚀技术刻蚀并将残胶去掉后，得到MTJ阵列，此时，阵列中的MTJ单元之间无连接导通，每个MTJ单元均包括一对MTJ结构，MTJ结构(通过底电极)互相串联；

在MTJ阵列上进行第二次光刻，然后在阵列结构上再次生长一层电极层，用于形成连接电极和调节电极，去胶剥离后，得到通过连接电极连接导通的MTJ阵列，一个MTJ 阵列中只有两个单连接电极，调节电极(微调电极和粗调电极)的引出位置和设置数量可根据需求进行相应设计；

根据传感器的电压需求，从调节电极中选择两个作为MTJ阵列的输出端和输出端与传感器的外围电路相连，连接完成后，从输入端输入电流，并检测输出电压，进行传感器测试；

根据压电衬底的压电特性，对传感器上下表面施加一定大小的电压，测试施加电压前后传感器对于不同方向磁场响应的灵敏度，进行传感器磁敏感方向的可重构性测试，测试合格后即得到传感器成品。

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，更改压电基底的种类；排、列和方向相关，在以上说明中，排和列是以图2和图3所示的方向来进行描述，如图2、图3中MTJ阵列由12排×5列的 MTJ单元组成，同一排的5个MTJ单元中相邻的两两之间通过连接电极相连，相邻排的 MTJ单元在首端或尾端通过调节电极与下一排的MTJ单元的首端或尾端对应连接；当将图2、图3所示的阵列旋转90°后，排和列正好颠倒，即MTJ阵列由5排×12列的MTJ 单元组成，但连接电极、调节电极与MTJ阵列间的连接关系依然不变，同一排的12个 MTJ单元中相邻的两两之间仍是通过连接电极相连，相邻排的MTJ单元在首端或尾端通过调节电极与下一排的MTJ单元的首端或尾端对应连接；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 (8)

1.一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，包括压电衬底材料(1)、电极层(2)和TMR敏感材料(3)；电极层生长在压电衬底材料背面，TMR敏感材料设置在压电衬底材料正面；

TMR敏感材料包括MTJ阵列、连接电极(4)和调节电极(5)；MTJ阵列由M×N个间隔设置的MTJ单元(6)组成；连接电极用于串联MTJ阵列中相邻的两个相邻的MTJ单元；调节电极从连接电极引出。

2.根据权利要求1所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，MTJ单元包括两个串联的MTJ结构，两个MTJ结构通过底电极串联。

3.根据权利要求1所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，相邻排的MTJ单元串联时，一排MTJ单元在该排的第1个MTJ单元处或最后一个MTJ单元处通过连接电极与其后一排MTJ单元的第1个MTJ单元或最后一个MTJ单元相连，每一个MTJ单元上连接有两个连接电极。

4.根据权利要求1所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，连接电极包括单连接电极，一个MTJ阵列中具有两个单连接电极，单连接电极连接于串联在一起的MTJ单元中的第一个MTJ单元和最后一个MTJ单元上；除了单连接电极外，每个连接电极均与两个MTJ单元相连，单连接电极只与一个MTJ单元相连。

5.根据权利要求1所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，调节电极包括微调电极和粗调电极，微调电极从MTJ阵列中的第1排和/或第M排的MTJ单元间的连接电极引出，粗调电极从连接相邻排MTJ单元的连接电极引出。

6.根据权利要求2所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，MTJ结构为形成于绝缘基底上的多层膜结构，MTJ结构从下往上依次是缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层；缓冲层为三层结构，从下往上依次为Ta层、Ru层和Ta层；自由层由铁或镍或钴或镍铁合金或钴铁合金或钴铁非金元素合金材料制成；势垒层由氧化镁或三氧化二铝制成；钉扎层由铁磁层CoFeB和反铁磁层IrMn构成，覆盖层包括黏附层Ta和隔离层Ru。

7.根据权利要求1所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，其特征在于，压电衬底材料采用的是PMN-PT材料。

8.一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至7任意一项所述的一种可重构敏感方向的TMR磁场传感器，包括以下步骤：

步骤1，提供一个[011]取向的PMN-PT压电基底，并对基底进行预处理；

步骤2，利用直流磁控溅射薄膜生长技术在基底背面生长电极层；

步骤3，在PMN-PT基底正面依次生长缓冲层、自由层、势垒层、钉扎层和覆盖层，形成多层膜结构，生长时，通过一个方向平行于PMN-PT[01-1]方向的外加磁场，诱导磁性材料的磁畴排列方向；

步骤4，在多层膜结构上通过掩膜和光刻技术匀胶并显影出想要的结构，形成相互独立的MTJ单元，采用等离子体刻蚀技术刻蚀并将残胶去掉后，得到MTJ阵列，此时，阵列中的MTJ单元之间无连接导通，每个MTJ单元均包括一对MTJ结构，MTJ结构通过底电极互相串联；

步骤5，在MTJ阵列上进行第二次光刻，然后在阵列结构上再次生长一层电极层，用于形成连接电极和调节电极，去胶剥离后，得到通过连接电极连接导通的MTJ阵列；

步骤6，根据传感器的电压需求，从调节电极中选择两个作为MTJ阵列的输出端和输出端与传感器的外围电路相连，连接完成后，从输入端输入电流，并检测输出电压，进行传感器测试；

步骤7，根据压电衬底的压电特性，对传感器上下表面施加电压，测试施加电压前后传感器对于不同方向磁场响应的灵敏度，进行传感器磁敏感方向的可重构性测试，测试合格后得到传感器成品。

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