CN116338537B - 磁阻传感器及其制备方法、磁传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻传感器及其制备方法、磁传感装置，属于磁传感器技术领域。该磁阻传感器包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件，第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括感测层和偏置磁场层；该感测层具有第一灵敏方向；该偏置磁场层用于对感测层产生第一磁场，使感测层具有单涡旋磁化图案；该第一磁场的磁场方向垂直于该第一灵敏方向。该磁阻传感器通过偏置磁场层对其感测层施加第一磁场，使其感测层具有单涡旋磁化图案，应用于磁场感测可降低磁滞的影响，具有较宽线性范围，较低测量误差的技术效果。

Description

磁阻传感器及其制备方法、磁传感装置

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁阻传感器及其制备方法、磁传感装置。

背景技术

磁阻传感器，由于其材料具有响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的趋势，因此，被广泛应用于测量磁场实现速度和方向感测、旋转角度感测、电流感测、接近感测等。

TMR（Tunnel Magneto Resistance，隧道磁阻）传感技术是新型磁传感技术的典型代表，具有高灵敏度、低功耗、宽频带、微型化等诸多优势。TMR传感器一般采用CoFeB/MgO/CoFeB材料体系，由于CoFeB材料剩磁较高，使得TMR传感器存在磁滞，会在测量过程中产生噪声，在精度要求较高的测量环境中容易造成极大的误差。

目前的市场上的TMR芯片一般采用诸如调整退火工艺等方式尽可能地减小芯片的磁滞，只能将磁滞问题抑制在了一个较小的范围内。然而受结构所限，传统的TMR芯片无论采用何种工艺均无法完全消除磁滞。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁阻传感器及其制备方法、磁传感装置，旨在改善磁阻传感器线性范围窄、测量误差大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁阻传感器，所述磁阻传感器包括：

第一磁阻传感器元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号；

第二磁阻传感器元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号；

处理电路，其电耦接到所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件，其被配置成产生所述第一输出信号与所述第二输出信号之间差值的差分输出信号；

所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括：

感测层，具有第一灵敏方向；

偏置磁场层，用于对所述感测层产生第一磁场，使所述感测层具有单涡旋磁化图案，所述第一磁场的磁化方向垂直于所述第一灵敏方向。

可选地，所述感测层呈圆盘或椭圆盘形状，其长轴与短轴的比值为1~2，其厚度为30~500 nm。

可选地，所述第一磁场的大小为10~500 Oe。

可选地，所述磁阻传感器元件还包括底电极层、参考层、绝缘层以及顶电极层，所述底电极层、所述参考层、所述绝缘层、所述感测层、所述偏置磁场层以及所述顶电极层依次设置；

所述偏置磁场层包括：

第一反铁磁层，其位于所述偏置磁场层中远离所述感测层的一侧，为所述感测层提供所述第一磁场；

第一非磁层，其位于所述感测层与所述第一反铁磁层之间。

可选地，所述磁阻传感器包括磁堆叠体以及所述偏置磁场层；所述磁堆叠体包括依次设置的底电极层、参考层、绝缘层、所述感测层以及顶电极层；所述偏置磁场层包括至少一层，位于所述磁堆叠体的上方、一侧面或两侧面。

可选地，所述偏置磁场层位于所述磁堆叠体的上方时，所述偏置磁场层与所述感测层的距离为0.5~1.2cm。

可选地，所述偏置磁场层位于所述磁堆叠体的一侧面时，所述偏置磁场层与所述感测层的距离为0.5~1.2cm。

可选地，所述偏置磁场层位于所述磁堆叠体的两侧面时，所述偏置磁场层中第一偏置磁场层与第二偏置磁场层对称设置在所述磁堆叠体的两侧，所述第一偏置磁场层与所述第二偏置磁场层之间距离为2.5~4cm。

可选地，所述感测层包括第一铁磁层和第一软磁层；所述第一铁磁层为铁磁性材料；所述第一软磁层为坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的一种。

可选地，所述第一软磁层为CoFe、CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi、NiFe以及CoFeCuMo中的一种。

可选地，所述感测层还包括一非磁层，所述非磁层配置于所述第一铁磁层与所述第一软磁层之间。

可选地，所述非磁层的材质为Ta或Ru。

可选地，所述磁阻传感器元件为TMR元件或GMR元件；

可选地，所述第一磁阻传感器元件中每个磁阻传感器元件与所述第二磁阻传感器元件中每个磁阻传感器元件的参考层的磁化方向相反；

可选地，所述第一磁阻传感器元件中每个磁阻传感器元件与所述第二磁阻传感器元件中每个磁阻传感器元件还包括钉扎层，对其参考层的磁化方向进行钉扎。

可选地，所述第一磁阻传感器元件与所述第二磁阻传感器元件组成惠斯通半桥或全桥结构。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种磁阻传感器的制备方法，所述磁阻传感器为上述任一所述的磁阻传感器，所述磁阻传感器中磁阻传感器元件的制备方法包括以下步骤：

提供一基底；

在所述基底上沉积第一底电极层薄膜、第一参考层薄膜、第一绝缘层薄膜、第一感测层薄膜、偏置磁场层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第一磁堆叠；

对所述第一磁堆叠进行磁场退火，以固定所述第一参考层薄膜的磁化方向；

对所述第一磁堆叠进行流片，得到所述磁阻传感器元件。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种磁阻传感器的制备方法，所述磁阻传感器为上述任一种的磁阻传感器，所述磁阻传感器中磁阻传感器元件的制备方法包括以下步骤：

提供一基底；

在所述基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第二磁堆叠；

对所述第二磁堆叠进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第二磁堆叠进行流片，形成磁堆叠体以及位于所述磁堆叠体的上方或侧面的偏置磁场层，得到磁阻传感器元件。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种磁传感装置，所述磁传感装置为上文任一所述的磁阻传感器，或采用上文所述的制备方法所制得的磁阻传感器。

可选地，所述磁传感装置应用于电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度或接近感测中的至少一种。

可选的，所述磁传感装置应用于与电流、速度、方向、旋转角度、接近中任一参数相关的物理参数的感测。

可选地，所述磁传感装置应用于电量或电压的感测。

本发明公开的磁阻传感器包括第一磁阻传感器元件和第二磁阻传感器元件，第一磁阻传感器元件与第二磁阻传感器元件在同一外部磁场下具有不同的输出信号，通过对其第一磁阻传感器元件以及第二磁阻传感器元件中磁阻传感器元件的感测层的周围磁场进行调整，使得其感测层具有单涡旋磁化图案，该磁阻传感器可消除磁滞对磁性测量的影响，实现了其在磁场测量过程中具有较宽线性范围，较低测量误差的技术效果。

附图说明

图1为本发明一实施例中磁阻传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中磁阻传感器元件一实施例的结构示意图；

图3为具有单涡旋结构的磁阻传感器中感测层的磁化图案示意图；

图4为具有单涡旋结构的磁阻传感器的磁滞回线示意图；

图5为不具有单涡旋结构的磁阻传感器的磁滞回线示意图；

图6为本发明一实施例中磁阻传感器的感测层的磁化图案示意图一；

图7为本发明一实施例中磁阻传感器的感测层的磁化图案示意图二；

图8为本发明一实施例中磁阻传感器的感测层的磁化图案示意图三；

图9为本发明一实施例中磁阻传感器的磁滞回线比较图；

图10为本发明一实施例中磁阻传感器元件的层叠结构示意图；

图11为本发明又一实施例中磁阻传感器元件的层叠结构示意图；

图12为本发明又一实施例中磁阻传感器元件的层叠结构示意图；

图13为本发明又一实施例中磁阻传感器元件的层叠结构示意图；

图14为本发明一实施例中磁阻传感器的制备方法的流程示意图；

图15为本发明又一实施例中磁阻传感器的制备方法的流程示意图。

附图标号说明：

1 第一磁阻传感器元件 ；2031 第一偏置磁场层；2 第二磁阻传感器元件； 2032第二偏置磁场层；10 感测层； A 磁堆叠体；101 第一铁磁层； 30 底电极层；102 第一软磁层 ；40 参考层；20 偏置磁场层 ；50 绝缘层；

201 第一反铁磁层； 60 顶电极层；202 第一非磁层； 3 处理电路；203 偏置磁场体。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

磁阻传感器，由于其材料具有响应于外部施加的磁场而改变其电阻值的趋势，因此，被广泛应用于测量磁场实现速度和方向感测、旋转角度感测、电流感测、接近感测等。

TMR（Tunnel Magneto Resistance，隧道磁阻）传感技术是新型磁传感技术的典型代表，具有高灵敏度、低功耗、宽频带、微型化等诸多优势。TMR传感器一般采用CoFeB/MgO/CoFeB材料体系，由于CoFeB材料剩磁较高，使得TMR传感器存在磁滞，会在测量过程中产生噪声，在精度要求较高的测量环境中容易造成极大的误差。

目前的市场上的TMR芯片一般采用诸如调整退火工艺等方式尽可能地减小芯片的磁滞，将磁滞问题抑制在了一个较小的范围内，即在较小的磁场范围内实现了所感应的磁场信号与实际磁场一一对应。然而受结构所限，传统的TMR芯片无论采用何种工艺均无法完全消除磁滞。

为了更好的消除磁滞，有研究表明，可将涡旋磁化结构引入磁阻传感器中。经研究，通过改变磁阻传感器中感测层的结构参数，使得感测层为面内的纵横比接近或等于1的圆或椭圆，在外磁场的磁场大小由高逐渐降低至成核场过程中，感测层的盘面可形成具有单涡旋磁化图案，该单涡旋磁化图案具有磁涡旋核心；在外磁场的磁场大小由成核场继续降低至零以及由零开始反方向逐渐增大至湮灭场之前，该磁涡旋核心始终位于感测层盘面的非灵敏轴上。其中该非灵敏轴为感测层盘面中垂直于磁阻传感器灵敏方向的中心轴；当外磁场的磁场大小为0时，感测层上磁化图案如图3所示，为单涡旋磁化结构，包括1个磁涡旋核心，且该磁涡旋核心位于盘面的中心位置。随着外磁场的逐渐变化，磁涡旋核心沿着非灵敏轴方向移动，直到外磁场大小增大到湮灭场时，磁涡旋核心移出感测层的盘面。当外磁场由大于湮灭场反方向逐渐降低至成核场时，单涡旋磁化图案又可重新再现。当外磁场由成核场继续降低至零，以及由零反方向增大至湮灭场过程中，该磁涡旋核心仍始终在感测层盘面的非灵敏轴上移动，直至移出感测层的盘面。因此，当外磁场的磁场大小在成核场以内（即小于成核场）时，磁涡旋核心可沿着非灵敏轴方向与感测层盘面中心的距离与外磁场大小一一对应；具有单涡旋结构的磁阻传感器的磁滞回线在成核场以内的部分实现了没有磁滞现象的完美闭合曲线，如图4所示。

具有磁涡旋结构的磁阻传感器，其涡旋产生的方式一般有两种，分别是以非灵敏轴为对称轴，产生两个轴对称的涡旋核和以盘面中心为对称点产生两个中心对称的涡旋核。第一种方式的两个涡旋核会融合成一个单涡旋核，第二种方式的两个涡旋核则不会融合成一个单涡旋核，而是两个涡旋核分别向上、向下移动。当磁涡旋结构无法形成单涡旋核时，会产生一定的磁滞现象，虽然该磁滞相对传统的TMR芯片中的磁滞小很多，但其仍然存在，如图5所示，图5为未形成单涡旋的磁阻传感器的磁滞回线示意图。

上述的两种方式中磁涡旋产生方式是随机产生于盘面中的，其产生的概率与感测层厚度、长短轴比例、灵敏轴长度相关，但其能形成单涡旋核概率在磁传感器的感测层可实现范围内无法达到100%，从而导致磁涡旋结构的磁传感器在实际测试中无法达到完全消除磁滞。这就导致了目前的磁涡旋结构应用于磁阻传感器不能很好地达成消除磁滞影响的要求。

为此，本发明实施例提供了一种磁阻传感器，可在感测层上形成单涡旋磁化图案，降低磁滞影响，应用于磁性测量可实现较宽的线性范围、减小的测量误差。

参照图1，图1为本发明一实施例中磁阻传感器的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，磁阻传感器包括第一磁阻传感器元件1、第二磁阻传感器元件2以及处理电路3。该第一磁阻传感器元件1被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号；该第二磁阻传感器元件2被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号；该处理电路3电耦接到该第一磁阻传感器元件1和该第二磁阻传感器元件2，其被配置成产生该第一输出信号与该第二输出信号之间差值的差分输出信号。

可理解的是，该处理电路3分别与该第一磁阻传感器元件1和该第二磁阻传感器元件2电连接，用于对第一输出信号以及第二输出信号进一步处理，输出差分输出信号。外部磁场变化会引起第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2的阻值产生相应的变化，通过处理电路3感知第一输出信号与第二输出信号的差分变化的信号可间接地测量外部磁场信号。

如图2所示，本实施例中，该第一磁阻传感器元件1和该第二磁阻传感器元件2中的每个磁阻传感器元件包括感测层10和偏置磁场层20；该感测层10具有第一灵敏方向；该偏置磁场层20用于对该感测层10产生第一磁场，使该感测层10具有单涡旋磁化图案，其中，该第一磁场的磁场方向垂直于该第一灵敏方向。

应理解的是，该磁阻传感器元件至少可以感知该外部磁场中平行于第一灵敏方向的磁场的大小。

该第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2在同样的外部磁场中具有不同的电输出信号，其电输出信号可随着外部磁场的大小、方向等磁变量的变化而变化。

该第一磁阻传感器元件1与该第二磁阻传感器元件2中所包含的磁阻传感器元件可具有相同或不相同的结构特征，如其层叠结构、磁阻传感器元件的个数等。此处不做限制。

应理解的是，该磁阻传感器中的第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2中分别包含有1个或多个磁阻传感器元件。磁阻传感器元件的数量为多个时，第一磁阻传感器元件1中各磁阻传感器元件经串联电连接；第二磁阻传感器元件2中各磁阻传感器元件经串联电连接。

该磁阻传感器中第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2的数量不限于1个。该第一磁阻传感器元件1与该第二磁阻传感器元件2可电连接形成惠斯通半桥或全桥结构。

该磁阻传感器中第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2的数量为1个时，第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2可电连接组成惠斯通半桥结构。

该磁阻传感器中第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2的数量为2个时，第一磁阻传感器元件1与第二磁阻传感器元件2可电连接形成惠斯通全桥结构。

应理解的是，该磁阻传感器元件为TMR（Tunnelling Magnetoresistance，隧穿磁电阻）元件、GMR（Giant Magnetoresistance，巨磁电阻）元件或其他能够对不同磁场作出线性变化的传感器元件。

需要说明的是，该第一灵敏方向平行于该感测层10的盘面；该第一磁场的磁场方向也平行于该感测层10的盘面。

应理解的是，该磁阻传感器元件还包括参考层。磁阻传感器中各参考层具有固定的磁化方向，且其磁化方向可不受外部磁场的影响。该第一磁阻传感器元件1中每个磁阻传感器与该第二磁阻传感器元件2中每个磁阻传感器中参考层的磁化方向可以是相反的。

应理解的是，该磁化方向可以是平行于第一灵敏方向，成0度或180度夹角。

需要说明的是，第一磁场为一固定大小的偏置磁场，其磁场值与感测层的盘材料、尺寸、厚度以及偏置磁场层与感测层的相对位置等参数相关。

应理解的是，本实施例中，该磁阻传感器元件的感测层中单涡旋磁化图案的出现是与外磁场的大小有关，并不是始终存在的。当外部磁场以垂直于第一灵敏方向进入该磁阻传感器周围，其磁场大小由高逐渐降低至接近成核场时，感测层10的磁化图案可如图6所示，具有2个磁涡旋核心，该2个磁涡旋核心分别位于非灵敏轴的两侧，且位于灵敏轴的上侧，其中非灵敏轴为感测层10盘面中垂直于第一灵敏方向的中心轴；该灵敏轴为感测层10盘面中平行于第一灵敏方向的中心轴。随着外部磁场的逐渐减小，该2个磁涡旋核心会逐渐向感测层10盘面的中心位置方向移动，图7为外部磁场继续降低过程中在感测层观察到的磁化图案，由图6-7比较可以看出该2个磁涡旋核心的移动速度并不相同。当外部磁场的磁场大小继续降低至成核场时，2个磁涡旋核心在灵敏轴上侧的某个位置可形成偏心的单涡旋磁化图案，如图8所示。

本实施例所提供的磁阻传感器，通过对磁阻传感器中的磁阻传感器元件的结构进行调整，增加偏置磁场层20，对感测层10产生垂直于第一灵敏方向的第一磁场，使感测层10具有单涡旋磁化图案，实现单涡旋核的磁化状态形成，从而在零磁场位置消除磁滞，增大线性范围，进而实现降低测量误差的技术效果。

在一些实施例中，将第一磁场的大小分别调至0 Oe、40 Oe、50 Oe，其对应磁阻传感器的磁滞回线如图9所示。由图9可以看出，未添加第一磁场时，对应磁滞回线在零磁场位置附近仅有很窄范围内没有磁滞；而添加第一磁场的大小为40 Oe以及50 Oe时，其对应磁滞回线中没有磁滞的磁场范围有明显的变宽，表明本发明磁阻传感器对增大其线性范围具有明显的效果。

需要说明的是，本发明的第一磁场的大小由偏置磁场层20本身所决定，在偏置磁场层20的位置、尺寸等参数确定后，偏置磁场层20对感测层10所提供的第一磁场的大小一般不会改变。

在一些实施例中，该感测层10为圆盘状，即该感测层10的俯视图为圆形的。

在一些实施例中，感测层10为椭圆盘状，即该感测层10的俯视图为椭圆形，此时，该感测层10的长轴与短轴的比值范围可以为大于1，且不大于2。

可理解的是，该长轴的长度大于该短轴的长度；该长轴的方向可以是平行于第一灵敏方向，或垂直于第一灵敏方向，此处不做限制。

在一些实施例中，该感测层10的厚度为30~300 nm。

在一些实施例中，该第一磁场的大小为10-500 Oe。

可理解的是，该偏置磁场层20所产生的磁场大小不限于10~100 Oe，该第一磁场的大小仅表征感测层所能感应到的磁场大小。

在一些实施例中，磁阻传感器元件的层叠结构如图10所示。磁阻传感器元件除了感测层10、偏置磁场层20，还包括底电极层30、参考层40、绝缘层50以及顶电极层60。该底电极层30、参考层40、绝缘层50、感测层10、偏置磁场层20以及顶电极层60依次设置。

应理解的是，该底电极层30的材质可以为Ta或Ru；该绝缘层50位于参考层40与感测层10之间，可对参考层40和感测层10进行绝缘，实现隧道磁阻效应；参考层40的材质可以为CoFeB；该顶电极层60设置在偏置磁场层20的上方，顶电极层60可以包括层叠设置的第一顶电极和第二顶电极，第一顶电极位于第二顶电极下方，第一顶电极的材质可为Ta或Ru，第二顶电极为非磁性材料，第二顶电极的材质可为Al或Cu。

在具体实施中，偏置磁场层20包括：第一反铁磁层201和第一非磁层202。第一反铁磁层201位于偏置磁场层20中远离绝缘层50的一侧，为感测层10提供第一磁场；第一非磁层202位于感测层10与第一反铁磁层201之间。

应理解的是，第一反铁磁层201为弱钉扎层，可以在磁场退火后保持一定的磁场，作为感测层10的偏置磁场，影响感测层10的磁化图案。第一非磁层202为第一反铁磁层201和感测层10之间的绝缘层50，可缓冲第一反铁磁层201对感测层10的弱钉扎作用。第一反铁磁层201的材质可以为IrMn或其他反磁性材料，第一非磁层202的材质可以为Ru或其他非磁性材料，此处不做限制。

可选的，感测层10包括第一铁磁层101和第一软磁层102；第一铁磁层101为铁磁性材料；第一软磁层102为坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的一种。

在具体实施中，第一铁磁层101的材料为NiFeB，还可为其他铁磁性材料；第一软磁层102位于第一铁磁层101的上方，可由Co、Fe、Ni、Al、Si、B、Cu、Mo中的多种元素组成，优选的，第一软磁层102为CoFe、CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi以及CoFeCuMo中的一种。

本实施例中磁阻传感器元件还包括底电极层30、参考层40、绝缘层50以及顶电极层60；底电极层30、参考层40、绝缘层50、感测层10、偏置磁场层20以及顶电极层60依次设置，偏置磁场层20包括：第一反铁磁层201和第一非磁层202。第一反铁磁层201位于偏置磁场层20中远离绝缘层50的一侧，为感测层10提供第一磁场；第一非磁层202位于感测层10与第一反铁磁层201之间；通过在偏置磁场层20中设置第一反铁磁层201以及第一非磁层202，从而使第一反铁磁层201产生第一磁场作为感测层10的偏置磁场，形成单涡旋状态，进而降低磁滞对磁性测量的影响。

在一些实施例中，磁阻传感器的层叠结构如图11所示。磁阻传感器元件包括：磁堆叠体A以及偏置磁场层20，该偏置磁场层20包括偏置磁场体203；该磁堆叠体A包括依次设置的底电极层30、参考层40、绝缘层50、感测层10以及顶电极层60；该偏置磁场体203位于磁堆叠体A的上方，偏置磁场体203的材料为磁性材料。

应理解的是，偏置磁场体203可为磁铁本体，还可为其他磁性材料，本实施例对此不作限制。该偏置磁场体203可以为片状、盘状、圆柱体、长方体等任意形状，此处不做限制。

在一些实施例中，该偏置磁场体203位于磁堆叠体A的上方时，偏置磁场体203与感测层10的距离可以为0.5~1.2cm。该偏置磁场体203可为磁堆叠体A提供一垂直于第一灵敏方向的第一磁场，产生环形磁场，从而得到作用于感测层10的偏置磁场。

在一些实施例中，磁阻传感器元件的层叠结构如图12所示，偏置磁场体203位于磁堆叠体A的一侧面，在偏置磁场体203位于磁堆叠体A的一侧面时，偏置磁场体203与感测层10的距离可为0.5~1.2cm。

应理解的是，该偏置磁场体203可以为圆柱体、长方体或正方体，此处不做限制。

在一些实施例中，磁阻传感器元件的层叠结构如图13所示，偏置磁场体203位于磁堆叠体A的两侧面，偏置磁场体203包括第一偏置磁场层2031和第二偏置磁场层2032，在偏置磁场体203位于磁堆叠体A的两侧面时，偏置磁场体203中第一偏置磁场层2031与第二偏置磁场层2032对称设置在磁堆叠体A的两侧，第一偏置磁场层2031与第二偏置磁场层2032之间距离可以为2.5~4cm。

本实施例中磁阻传感器元件包括磁堆叠体A，偏置磁场层20包括偏置磁场体203；磁堆叠体A包括依次设置的底电极层30、参考层40、绝缘层50、感测层10以及顶电极层60；偏置磁场体203位于磁堆叠体A的上方、一侧面或两侧面，偏置磁场体203的材料为磁性材料，从而在感测层10的第一灵敏方向上产生磁信号，以产生偏置磁场，应用于磁阻传感器时，消除磁滞对磁性测量的影响，增大线性范围，减小测量的误差。

本发明实施例提供了一种磁阻传感器的制备方法，参照图14，图14为本发明一实施例中磁阻传感器的制备方法的流程示意图。

基于上述实施例，本实施例磁阻传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤S10：提供一基底。

需要说明的是，本实施例的方法用于制备上述实施例中的磁阻传感器元件。

可以理解的是，基底可根据实际需求进行选择，例如：氧化硅，本实施例对此不做限制。

步骤S20：在基底上沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜、偏置磁场层薄膜以及顶电极层薄膜形成第一磁堆叠。

在具体实施时，第一磁堆叠从下至上依次包括底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜、偏置磁场层薄膜以及顶电极层薄膜。底电极层薄膜可使用Ta与Ru，形成Ta/Ru结构，参考层薄膜可使用CoFeB，绝缘层薄膜可使用MgO，感测层薄膜可使用CoFeB以及NiFe，形成CoFeB/NiFe结构，感测层薄膜还可包括非磁层薄膜，该非磁层薄膜位于CoFeB以及NiFe之间，可使用Ta的材质。

应理解的是，该偏置磁场层薄膜可位于感测层薄膜上方以及顶电极层薄膜下方的位置。该第一磁堆叠中不限于包括底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、偏置磁场层薄膜以及顶电极层薄膜，为了限定参考层薄膜的磁化方向，该第一磁堆叠中还可以包括反铁磁层薄膜或其他能够钉扎参考层薄膜的其他材料。该反铁磁层薄膜可以为IrMn，此处不做限制。

步骤S30：对第一磁堆叠进行磁场退火，以固定参考层薄膜的磁化方向。

应理解的是，该参考层薄膜的磁化方向为垂直于第一灵敏方向，该偏置磁场层薄膜经磁化退火后其对感测层产生了弱钉扎作用。

在具体实施中，感测层第一磁堆叠中参考层薄膜经磁化退火后其磁化方向受到钉扎，从而可固定参考层薄膜的磁化方向。

在一些实施例中，该磁场退火包括：在320~400℃下进行第一次磁场退火40~80min，在200~270℃下进行第二次磁场退火40~80min，在150~200℃下进行第三次磁场退火15~40min。

需要说明的是，本实施例中第一磁堆叠还包括反铁磁层薄膜，位于参考层薄膜与底电极层薄膜之间，用于对参考层薄膜的磁化方向进行钉扎。

应当理解的是，本实施例采用三次退火，第一次退火使用的温度，通常采用高于CoFeB的结晶温度（320~400℃），例如：330℃，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第一次退火使用的磁场可为1T，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第一次退火的时间在40~80min范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。

第二次退火使用的温度，通常采用低于CoFeB结晶温度且高于反铁磁层奈尔温度（200~270℃），例如：260℃，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第二次退火使用的磁场可为1T，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第二次退火的时间在40~80min范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。

第三次退火使用的温度，通常采用较低温度（150~200℃），例如：180℃，本实施例对此不做限制，第三次退火使用的磁场，通常采用较小磁场，例如：200 Oe，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第三次退火的时间在15~40min。范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。

在具体实现中，采用三次退火工艺，首次退火以高于CoFeB的结晶温度（330℃）沿垂直于灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，第二次退火采用低于CoFeB结晶温度，高于反铁磁层奈尔温度（260℃），沿灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，翻转反铁磁层磁矩，第三次退火采用较低温度（180℃）与较小磁场（200 Oe）沿垂直于灵敏轴方向退火0.5h，稳定感测层磁矩。

步骤S40：对第一磁堆叠进行流片，得到磁阻传感器元件。

在本实施例中，当对第一磁堆叠进行磁场退火后，再对第一磁堆叠进行流片，从而得到磁阻传感器元件。

应理解的是，经流片形成的磁阻传感器元件包括依次设置的底电极、参考层、绝缘层、感测层、偏置层以及顶电极层；感测层呈圆盘或椭圆盘形状，其长轴与短轴的比值为1~2。

本实施例提供一基底；在基底上沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜、偏置磁场层薄膜以及顶电极层薄膜形成第一磁堆叠；对第一磁堆叠进行磁场退火，固定参考层薄膜的磁化方向；对第一磁堆叠进行流片，得到磁阻传感器元件，通过上述方式，得到磁阻传感器元件，该磁阻传感器元件中的结构包括偏置磁场层，偏置磁场层位于感测层上方，在感测层10上方形成偏置磁场，从而使得感测层不受磁滞的影响，具有较宽的线性范围，进而降低测量误差。

本发明实施例还提供了一种磁阻传感器的制备方法，参照图15，图15为本发明又一实施例中磁阻传感器的制备方法的流程示意图。

基于上述实施例，本实施例磁阻传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤S10'：提供一基底。

需要说明的是，本实施例的方法用于制备上述实施例中的磁阻传感器元件。

可以理解的是，基底可根据实际需求进行选择，例如：氧化硅，本实施例对此不做限制。

步骤S20'：在基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜以及顶电极层薄膜形成第二磁堆叠。

需要说明的是，第二磁堆叠从下至上依次包括底电极层薄膜、参考层薄膜、第一绝缘层薄膜、感测层薄膜以及顶电极层薄膜，底电极层薄膜可使用Ta与Ru，形成Ta/Ru结构，参考层薄膜可使用CoFeB，绝缘层薄膜可使用MgO，第一感测层薄膜可使用CoFeB以及NiFe，形成CoFeB/NiFe结构，感测层薄膜还可包括非磁层薄膜，该非磁层薄膜位于CoFeB以及NiFe之间，可使用Ta材质。

应理解的是，该底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、顶电极层薄膜以及非磁层薄膜的尺寸并非最终磁阻传感器元件中对应的底电极层、参考层、绝缘层、顶电极层以及非磁层的尺寸。

应理解的是，该第二磁堆叠中不限于包括底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜以及顶电极层薄膜，为了限定参考层薄膜的磁化方向，该第二磁堆叠中还可以包括反铁磁层薄膜或其他能够钉扎参考层薄膜的其他材料。该反铁磁层薄膜可以为IrMn，此处不做限制。

步骤S30'：对该第二磁堆叠进行磁场退火，以固定参考层薄膜的磁化方向。

在具体实施中，第二磁堆叠中参考层薄膜经磁化退火后具有相应的磁化方向，从而可固定参考层薄膜的磁化方向。

在一些实施例中，该磁场退火包括：在320~400℃下进行第一次磁场退火40~80min，在200~270℃下进行第二次磁场退火40~80min，在150~200℃下进行第三次磁场退火15~40min。

需要说明的是，本实施例中第二磁堆叠还包括反铁磁层薄膜，位于参考层薄膜与底电极层薄膜之间，用于对参考层薄膜的磁化方向进行钉扎。

应当理解的是，本实施例可采用三次退火，第一次退火使用的温度，通常采用高于CoFeB的结晶温度（320~400℃），例如：330℃，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第一次退火使用的磁场可为1T，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第一次退火的时间在40~80min范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。

第二次退火使用的温度，通常采用低于CoFeB结晶温度且高于反铁磁层奈尔温度（200~270℃），例如：260℃，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第二次退火使用的磁场可为1T，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第二次退火的时间在40~80min范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。第三次退火使用的温度，通常采用较低温度（150~200℃），例如：180℃，本实施例对此不做限制，第三次退火使用的磁场，通常采用较小磁场，例如：200 Oe，可根据实际需求灵活调整，本实施例对此不做限制，第三次退火的时间在15~40min。范围内，可根据实际情况灵活调整，本实施例对此不做限制。

在具体实现中，采用三次退火工艺，首次退火以高于CoFeB的结晶温度（330℃）沿垂直于灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，第二次退火采用低于CoFeB结晶温度，高于反铁磁层奈尔温度（260℃），沿灵敏轴方向（磁场1T）退火1h，翻转反铁磁层磁矩，第三次退火采用较低温度（180℃）与较小磁场（200 Oe）沿垂直于灵敏轴方向退火0.5h，稳定感测层磁矩。

步骤S40'：对第二磁堆叠进行流片，形成磁堆叠体以及位于磁堆叠体的上方或侧面的偏置磁场层，得到磁阻传感器元件。

在具体实施中，当对第二磁堆叠进行磁场退火后，再对第二磁堆叠进行流片，并在第二磁堆叠的上方或侧面形成偏置磁场层，从而得到磁阻传感器元件。通过在第二磁堆叠的上方或侧面形成偏置磁场层，可提供第一磁场至感测层10，从而使感测层10具有单涡旋磁化图案，进而有利于消除磁滞，作为磁性测量可增大线性范围，减小测量误差。

在本实施例，提供一基底；在基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜以及顶电极层薄膜形成第二磁堆叠；对第二磁堆叠进行磁场退火，以固定参考层薄膜的磁化方向；对第二磁堆叠进行流片，在第二磁堆叠的上方或侧面形成偏置磁场层，得到磁阻传感器元件。通过上述方式，得到磁阻传感器元件，该磁阻传感器元件中的偏置磁场层在感测层上方或侧面形成偏置磁场，从而消除磁滞对磁阻传感器磁性测量的影响，增大线性范围，降低测量误差。

此外，为实现上述目的，本发明还提出一种磁传感装置，磁传感装置包括磁阻传感器，该磁阻传感器为以上任一所述的磁阻传感器，或采用上述任一制备方法所制得的磁阻传感器。

在具体实施中，该磁传感装置应用于电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度感测或接近感测中的至少一种。

在一些实施例中，该磁传感装置还可应用于与电流、速度、方向、旋转角度、接近中至少一种相关的物理参数的感测。

在一些实施例中，该磁阻传感器还可应用于电量或电压的感测。

由于本磁传感装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

应当理解的是，以上仅为举例说明，对本发明的技术方案并不构成任何限定，在具体应用中，本领域的技术人员可以根据需要进行设置，本发明对此不做限制。

需要说明的是，以上所描述的工作流程仅仅是示意性的，并不对本发明的保护范围构成限定，在实际应用中，本领域的技术人员可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部来实现本实施例方案的目的，此处不做限制。

另外，未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例所提供的磁阻传感器的制备方法，此处不再赘述。

此外，需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如只读存储器（Read Only Memory，ROM）/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器包括：

第一磁阻传感器元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第一输出信号；

第二磁阻传感器元件，其被配置成响应于外部磁场而产生第二输出信号；

处理电路，其电耦接到所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件，其被配置成产生所述第一输出信号与所述第二输出信号之间差值的差分输出信号；

所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件中的每个磁阻传感器元件包括：

感测层，具有第一灵敏方向；

偏置磁场层，用于对所述感测层产生第一磁场，使所述感测层具有单涡旋磁化图案，所述第一磁场的磁场方向垂直于所述第一灵敏方向；

所述感测层呈椭圆盘形状，其长轴与短轴的比值为1~2，其厚度为30~500 nm；

所述第一磁场的大小为10~500 Oe。

2.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述磁阻传感器元件还包括底电极层、参考层、绝缘层以及顶电极层，所述底电极层、所述参考层、所述绝缘层、所述感测层、所述偏置磁场层以及所述顶电极层依次设置；

所述偏置磁场层包括：

第一反铁磁层，其位于所述偏置磁场层中远离所述感测层的一侧，为所述感测层提供所述第一磁场；

第一非磁层，其位于所述感测层与所述第一反铁磁层之间。

3.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述磁阻传感器包括磁堆叠体以及所述偏置磁场层；

所述磁堆叠体包括依次设置的底电极层、参考层、绝缘层、所述感测层以及顶电极层；

所述偏置磁场层包括至少一层，位于所述磁堆叠体的上方、一侧面或两侧面。

4.根据权利要求3所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述偏置磁场层位于所述磁堆叠体的上方时，所述偏置磁场层与所述感测层的距离为0.5~1.2cm；

所述偏置磁场层位于所述磁堆叠体的一侧面时，所述偏置磁场层与所述感测层的距离为0.5~1.2cm；

所述偏置磁场层位于所述磁堆叠体的两侧面时，所述偏置磁场层中第一偏置磁场层与第二偏置磁场层对称设置在所述磁堆叠体的两侧，所述第一偏置磁场层与所述第二偏置磁场层之间距离为2.5~4cm。

5.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，

所述感测层包括第一铁磁层和第一软磁层；所述第一铁磁层为铁磁性材料；所述第一软磁层为坡莫合金、非晶合金或微晶合金中的一种。

6.根据权利要求5所述的磁阻传感器，其特征在于，所述第一软磁层为CoFe、CoFeSiB、CoFeAl、NiFeSi、NiFe以及CoFeCuMo中的一种。

7.根据权利要求1所述的磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻传感器元件为TMR元件或GMR元件；

所述第一磁阻传感器元件中每个磁阻传感器元件与所述第二磁阻传感器元件中每个磁阻传感器元件的参考层的磁化方向相反；

所述第一磁阻传感器元件和所述第二磁阻传感器元件组成惠斯通半桥或全桥结构。

8.一种磁阻传感器的制备方法，其特征在于，所述磁阻传感器为权利要求1-7中任一项所述的磁阻传感器，所述磁阻传感器中磁阻传感器元件的制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜、感测层薄膜、偏置磁场层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第一磁堆叠；

对所述第一磁堆叠进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第一磁堆叠进行流片，得到所述磁阻传感器元件；

或，

提供一基底；

在所述基底上依次沉积底电极层薄膜、参考层薄膜、绝缘层薄膜以及顶电极层薄膜，形成第二磁堆叠；

对所述第二磁堆叠进行磁场退火，以固定所述参考层薄膜的磁化方向；

对所述第二磁堆叠进行流片，形成磁堆叠体以及位于所述磁堆叠体的上方或侧面的偏置磁场层，得到所述磁阻传感器元件。

9.一种磁传感装置，其特征在于，所述磁传感装置包括磁阻传感器，所述磁阻传感器为权利要求1-7中任一项所述的磁阻传感器，或采用权利要求8所述的制备方法所制得的磁阻传感器；

所述磁传感装置应用于电流感测、速度感测、方向感测、旋转角度感测或接近感测中的至少一种。