CN206147081U - 一种低噪声磁电阻传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种低噪声磁电阻传感器，包括两个磁电阻传感器切片，其中一个切片为另一个在X‑Y平面内旋转180度角度相位得到，切片包括基片衬底、底层电极层、MTJ磁电阻层、顶层电极层、通量集中器、绝缘层，底层电极层为导电材料并沉积在基片衬底上，MTJ磁电阻层由多个MTJ磁电阻单元串阵列构成，MTJ磁电阻单元位于所述的通量集中器的间隙；通量集中器位于MTJ磁电阻层的上表面或者下表面，顶层电极层覆盖所述的MTJ磁电阻单元串，绝缘层覆盖底层电极层、MTJ磁电阻阵列和顶层电极层，每个MTJ磁电阻单元的形状为末端具有锥形或圆弧形的结构。本实用新型具有高带宽、低能耗、分辨率高、低噪声等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及到磁电阻传感器，尤其涉及到一种低噪声磁电阻传感器。
背景技术
弱磁场是指磁场等级在地磁场附近(0.5Oe)或较弱于地磁场的磁场强度大小。而绝大多数的磁场均位于弱磁场区间。铁磁性物体在地磁场中会被磁化，而被磁化的物体会对周围磁场产生扰动。体积较小的永磁体或通有微弱电流的电子产品也会在一定空间范围内产生磁场。
随着科学技术的发展，人们在磁场测量方面设计出了各种不同的磁场传感器,并广泛的应用于磁场测量之中。在探矿、地下钻孔、水下定位、无损探伤，磁场成像、航海系统，地震预测，航空航天等探测磁场的大小、方向方面往往需要测量弱磁场的微弱变化或扰动。由于磁场(如地磁场)强度较低，信号较弱，如果传感器本体噪声与磁场信号相近，则探测信号湮没在噪声背景中，无法获得有效数据。因此，检测磁场的微弱变化，需要采用低本体噪声、高分辨率的传感器，目前最常见的是采用磁通门磁力仪，磁通门磁力仪是一种测量磁场的传感器，根据法拉第电磁感应原理设计而成，一般采用坡莫合金作为磁芯。然而磁通门磁力仪体积较大，成本较高，更重要的是磁通门必须静置测量，否则误差较大。
随着技术的不断进步，磁场测量传感器的领域需要一种新型的磁场检测装置能够解决分辨率低、成本高、误差大、操作复杂、体积较大等技术问题。
实用新型内容
为了解决以上技术问题，本实用新型提出了一种低噪声的磁电阻传感器。本实用新型的磁电阻传感器使用多个大的通量集中器来增加传感器的灵敏性和传感器的面积，这样可以减少传感器的自身噪音。此外，由于磁电阻传感器使用TMR元件，本实用新型的传感器比磁通门具有更高的带宽，且具有能耗低、尺寸小等优点。
本实用新型提出了一种低噪声磁电阻传感器，包括两个磁电阻传感器切片，其中一个磁电阻传感器切片为另一个磁电阻传感器切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，所述的磁电阻传感器切片包括基片衬底、底层电极层、MTJ磁电阻层、顶层电极层、绝缘层和多个通量集中器，所述的底层电极层为导电材料并沉积在所述的基片衬底上，所述的MTJ磁电阻层由多个MTJ磁电阻单元串阵列构成，每个MTJ磁电阻单元串由多个MTJ磁电阻单元构成，所述的顶层电极层覆盖所述的MTJ磁电阻单元串，所述的绝缘层覆盖所述的底层电极层、所述的MTJ磁电阻层和所述的顶层电极层，其特征在于，所述的通量集中器位于MTJ磁电阻层的上表面或者下表面，所述的MTJ磁电阻单元位于所述的通量集中器之间的间隙处，每个所述的MTJ磁电阻单元的形状为末端具有锥形或圆弧形的结构，所述的MTJ磁电阻单元的长度与宽度的比值在1.5—100之间，所述的MTJ磁电阻单元的宽度在0.1微米—10微米之间。
优选地，所述的基片衬底的材料为硅。
优选地，两个所述的磁电阻传感器切片上的磁电阻传感单元串阵列电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述推挽式磁电阻传感单元电桥至少包括一个推臂和一个挽臂，所述推臂包括至少一个推磁电阻传感单元串，所述挽臂包括至少一个挽磁电阻传感单元串，所述的推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串均由所述的MTJ磁电阻传感单元构成。
优选地，所述MTJ磁电阻传感单元包括自下而上依次分布的种子层、反铁磁层AF1、合成反铁磁钉扎层、隧道结、自由层、反铁磁层AF2、覆盖层，其中所述的反铁磁层AF1的材料为PtMn，反铁磁层AF2的材料为IrMn，合成反铁磁钉扎层采用CoFe/Ta/CoFe/Ru/CoFeB的结构，自由层采用CoFeB/NiFe的结构，隧道结的材料为MgO。
优选地，所述的绝缘层的材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、聚酰亚胺或光刻胶。
优选地，所述的底层电极层为钽与钌交替构成的多层结构，所述的顶层电极层的材料为金。
优选地，所述的MTJ磁电阻层由两个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列由所述的MTJ磁电阻单元串串联连接而成，每个所述的MTJ磁电阻单元串阵列构成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂和挽臂。
其中，相邻MTJ磁电阻单元串之间的间隙GAP1将每一个矩形的通量集中器分割成四个独立的部分。
优选地，所述的MTJ磁电阻层由四个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列由所述的MTJ磁电阻单元串串联连接而成，其中两个MTJ磁电阻单元串阵列串联或并联连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂，另外两个MTJ磁电阻单元串阵列串联或并联连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的挽臂。
其中，相邻MTJ磁电阻单元串之间的间隙GAP1以及上下MTJ磁电阻单元阵列之间的间隙GAP2将每一个矩形的通量集中器分割成四个独立的部分。
优选地，所述的MTJ磁电阻层由多个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列由所述的MTJ磁电阻单元串串联连接而成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述的MTJ磁电阻单元串阵列混合连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂和挽臂。
优选地，所述的通量集中器包括内部通量集中器和外部通量集中器，内部通量集中器的宽度为200微米、长度为1010微米，外部通量集中器的宽度为300微米、长度为1010微米。
优选地，所述的MTJ磁电阻单元的形状由一个矩形和两个相同的三角形组合构成，两个三角形的两条底边分别与矩形的一对对边共边。
优选地，所述的矩形的宽度为4微米、长度为109微米，所述的三角形的底边为4微米、高为5微米。
优选地，所述的MTJ磁电阻单元的形状由一个矩形和两个相同的弓形组合构成，两个弓形的两条弦分别与矩形的一对对边共边。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型的低噪声磁电阻传感器具有高带宽、低能耗、分辨率高、低噪声等优点。
附图说明
作为说明书的一部分，下列说明书附图用于解释本实用新型的技术方案，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，能够通过以下附图，获得其他附图。
图1为本实用新型低噪声磁电阻传感器分布的示意图；
图2为本实用新型的MTJ磁电阻传感单元的多层薄膜示意图；
图3为本实用新型的磁电阻元件的放大示意图；
图4为本实用新型低噪声磁电阻传感器的第一实施例示意图；
图5为本实用新型的第一实施例的MTJ磁电阻单元的连接示意图；
图6为本实用新型低噪声磁电阻传感器的第二实施例示意图；
图7为本实用新型的第二实施例的MTJ磁电阻单元的连接示意图；
图8为本实用新型的磁电阻传感器的全桥电路图；
图9为本实用新型的磁电阻传感器的全桥结构电路示意图；
图10为磁通门磁力仪、AMR传感器及本实用新型的磁电阻传感器的噪声测试数据对比图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为磁电阻结构的示意图，本实用新型的低噪声磁电阻传感器包括两个磁电阻传感器切片，其中一个磁电阻传感器切片为另一个磁电阻传感器切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，所述的磁电阻传感器切片包括基片衬底、底层电极层、MTJ磁电阻层、顶层电极层、绝缘层和多个通量集中器，顶层电极层104和底层电极层102交错串连，底层电极层102直接与基片衬底102接触，基片衬底的材料为硅，顶层电极层104典型材料为金，底层电极层102为钽和钌交替构成的多层结构。所述的绝缘层105覆盖所述的底层电极层102、所述的MTJ磁电阻层103和所述的顶层电极层104。所述的MTJ磁电阻层103由多个MTJ磁电阻单元串阵列构成，每个MTJ磁电阻单元串由多个MTJ磁电阻单元构成。所述的通量集中器位于MTJ磁电阻层的上表面或者下表面，所述的MTJ磁电阻单元位于所述的通量集中器之间的间隙处。
如图2所示为磁电阻元件薄膜结构示意图，由种子层201、反铁磁层AF1202、合成反铁磁钉扎层203、隧道结204、自由层205、反铁磁层AF2206、覆盖层207构成。其中，反铁磁层AF1202的材料为PtMn，反铁磁层AF2206的材料为IrMn，合成反铁磁钉扎层203采用CoFe/Ta/CoFe/Ru/CoFeB的结构，自由层205采用CoFeB/NiFe的结构，隧道结204的材料为MgO。这样在同一芯片上需要沉积2种不同的反铁磁层AF1和AF2，并且每种有两种不同的多层薄膜沉积顺序，并且对于AF1和AF2需要有两种不同的磁场退火温度和退火磁场方向，假设AF1和AF2中其中一种阻挡温度为Tb1，另一种的阻挡温度为Tb2，其中Tb1>Tb2，则磁场退火时，先对Tb1进行磁场退火而后对Tb2进行磁场退火。
图3为MTJ磁电阻单元的放大示意图，如图3所示，所述的MTJ磁电阻单元的长度与宽度的比值在1.5—100之间，所述的MTJ磁电阻单元的宽度在0.1微米—10微米之间。所述的MTJ磁电阻单元303的典型结构为：由一个矩形和两个相同的三角形组合构成，其中，两个三角形的两条底边分别与矩形的一对对边共边，矩形的宽度为4微米、长度为109微米，三角形的底边为4微米、高为5微米；所述的MTJ磁电阻单元的形状也可以是：由一个矩形和两个相同的弓形组合构成，两个弓形的两条弦分别与矩形的一对对边共边。所述的通量集中器包括内部通量集中器301和外部通量集中器302，其中内部通量集中器的宽度为200微米，长度为1010微米，外部通量集中器的宽度为300微米，长度为1010微米。所述的切片大小为9×4.5mm。
图4为本实用新型的一个实施例，MTJ磁电阻层由两个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列串联连接，每个所述的MTJ磁电阻单元串阵列构成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂和挽臂。其中，MTJ磁电阻单元串阵列的大小为32行、20列的MTJ磁电阻单元串，在同一列中，每8个MTJ磁电阻单元串为一节，共分为4节，其中相邻两节MTJ磁电阻单元串的间距为50微米。
图5为本实用新型的第一实施例的MTJ磁电阻单元连接示意图，切片上的磁电阻单元串串联连接，相邻MTJ磁电阻单元串之间的间隙GAP1为50微米，间隙GAP1将每一个矩形的通量集中器分割成四个独立的部分。
图6为本实用新型的另一个实施例，所述的MTJ磁电阻层为四个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，其中两个MTJ磁电阻单元串阵列串联或并联连接推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂，另外两个MTJ磁电阻单元串阵列串联或并联连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的挽臂。其中，每个所述的磁电阻条阵列中的磁电阻条串联连接，其中，MTJ磁电阻单元串阵列大小为32行、59列的MTJ磁电阻单元串，在同一列中，每8个MTJ磁电阻单元串为一节，共分为2节，其中每相邻两节MTJ磁电阻单元串的间隙为50微米。
图7为本实用新型的第二实施例的MTJ磁电阻单元连接示意图，切片上的磁电阻单元串阵列分别串联连接，相邻MTJ磁电阻单元串之间的间隙GAP1为50微米，上下MTJ磁电阻单元阵列之间的间隙GAP2为大于等于50微米，间隙GAP1和间隙GAP2将每一个矩形的通量集中器分割成四个独立的部分。
此外，所述的MTJ磁电阻层由多个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述的MTJ磁电阻单元串阵列混合连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂和挽臂。
图8为磁电阻传感器的推挽式全桥结构，本实用新型的低噪声磁电阻传感器，包括两个磁电阻传感器切片，其中一个磁电阻传感器切片为另一个磁电阻传感器切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，构成推挽式全桥结构。如图9所示为本实用新型的磁电阻传感器的推挽式全桥电路结构示意图，所述的磁电阻传感器切片上的磁电阻传感单元组成推挽式电桥的推臂和挽臂，所述的推臂和挽臂都包括多个MTJ磁电阻单元串。
图10为噪声测试数据对比图，图中标注“良好磁通门”的线表示磁通门磁力仪的噪声测试数据，磁通门是一种基于电感应器的不同于本实用新型的技术，其噪声低但成本非常高；图中，曲线HMC1001表示AMR传感器的噪声测试数据，曲线Q4V27-JI和Q4V27-J2是采用本实用新型的磁电阻传感器测得的噪声数据，人们普遍认为TMR不会比AMR的噪声更低，然而，图中数据表明本实用新型的传感器产生的噪声比AMR传感器的噪声更低。
基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。尽管本实用新型就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本实用新型的权利要求所限定的范围，可以对本实用新型进行各种变化和修改。
Claims (15)
1.一种低噪声磁电阻传感器，包括两个磁电阻传感器切片，其中一个磁电阻传感器切片为另一个磁电阻传感器切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，所述的磁电阻传感器切片包括基片衬底、底层电极层、MTJ磁电阻层、顶层电极层、绝缘层和多个通量集中器，所述的底层电极层为导电材料并沉积在所述的基片衬底上，所述的MTJ磁电阻层由多个MTJ磁电阻单元串阵列构成，每个MTJ磁电阻单元串由多个MTJ磁电阻单元构成，所述的顶层电极层覆盖所述的MTJ磁电阻单元串，所述的绝缘层覆盖所述的底层电极层、所述的MTJ磁电阻层和所述的顶层电极层，其特征在于，所述的通量集中器位于MTJ磁电阻层的上表面或者下表面，所述的MTJ磁电阻单元位于所述的通量集中器之间的间隙处，每个所述的MTJ磁电阻单元的形状为末端具有锥形或圆弧形的结构，所述的MTJ磁电阻单元的长度与宽度的比值在1.5—100之间，所述的MTJ磁电阻单元的宽度在0.1微米—10微米之间。
2.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的基片衬底的材料为硅。
3.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：两个所述的磁电阻传感器切片上的磁电阻传感单元串阵列电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述推挽式磁电阻传感单元电桥至少包括一个推臂和一个挽臂，所述推臂包括至少一个推磁电阻传感单元串，所述挽臂包括至少一个挽磁电阻传感单元串，所述的推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串均由所述的MTJ磁电阻传感单元构成。
4.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述MTJ磁电阻传感单元包括自下而上依次分布的种子层、反铁磁层AF1、合成反铁磁钉扎层、隧道结、自由层、反铁磁层AF2、覆盖层，其中所述的反铁磁层AF1的材料为PtMn，反铁磁层AF2的材料为IrMn，合成反铁磁钉扎层采用CoFe/Ta/CoFe/Ru/CoFeB的结构，自由层采用CoFeB/NiFe的结构，隧道结的材料为MgO。
5.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的绝缘层的材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、聚酰亚胺或光刻胶。
6.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的底层电极层为钽与钌交替构成的多层结构，所述的顶层电极层的材料为金。
7.根据权利要求3所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的MTJ磁电阻层由两个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列由所述的MTJ磁电阻单元串串联连接而成，每个所述的MTJ磁电阻单元串阵列构成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂和挽臂。
8.根据权利要求7所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：相邻MTJ磁电阻单元串之间的间隙GAP1将每一个矩形的通量集中器分割成四个独立的部分。
9.根据权利要求3所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的MTJ磁电阻层由四个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列由所述的MTJ磁电阻单元串串联连接而成，其中两个MTJ磁电阻单元串阵列串联或并联连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂，另外两个MTJ磁电阻单元串阵列串联或并联连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的挽臂。
10.根据权利要求9所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：相邻MTJ磁电阻单元串之间的间隙GAP1以及上下MTJ磁电阻单元阵列之间的间隙GAP2将每一个矩形的通量集中器分割成四个独立的部分。
11.根据权利要求3所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的MTJ磁电阻层由多个相同的MTJ磁电阻单元串阵列构成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列由所述的MTJ磁电阻单元串串联连接而成，所述的MTJ磁电阻单元串阵列电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述的MTJ磁电阻单元串阵列混合连接成推挽式磁电阻传感单元电桥的推臂和挽臂。
12.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的通量集中器包括内部通量集中器和外部通量集中器，内部通量集中器的宽度为200微米、长度为1010微米，外部通量集中器的宽度为300微米、长度为1010微米。
13.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的MTJ磁电阻单元的形状由一个矩形和两个相同的三角形组合构成，两个三角形的两条底边分别与矩形的一对对边共边。
14.根据权利要求13所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的矩形的宽度为4微米、长度为109微米，所述的三角形的底边为4微米、高为5微米。
15.根据权利要求1所述的一种低噪声磁电阻传感器，其特征在于：所述的MTJ磁电阻单元的形状由一个矩形和两个相同的弓形组合构成，两个弓形的两条弦分别与矩形的一对对边共边。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2018202085A1 (zh) * | 2017-05-04 | 2018-11-08 | 江苏多维科技有限公司 | 一种单芯片高灵敏度磁电阻线性传感器 |
| CN109738838A (zh) * | 2019-01-22 | 2019-05-10 | 珠海多创科技有限公司 | 一种tmr传感器及其制备方法和阻值调节方法 |
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2016
- 2016-05-25 CN CN201620483759.4U patent/CN206147081U/zh active Active
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| CN109738838B (zh) * | 2019-01-22 | 2023-12-15 | 珠海多创科技有限公司 | 一种tmr传感器及其制备方法和阻值调节方法 |
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