專利名稱：單片雙軸橋式磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及橋式傳感器的設(shè)計和制備，特別的是一種單一芯片雙軸橋式磁場傳感器。
背景技術(shù)：
磁性傳感器廣泛用于現(xiàn)代系統(tǒng)中以測量或感應(yīng)磁場強度、電流、位置、運動、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)。但是，他們都受到了現(xiàn)有技術(shù)中的各種眾所周知的限制，例如，尺寸過大，靈敏度低，動態(tài)范圍窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持續(xù)地改進(jìn)磁傳感器，特別是改進(jìn)易與半導(dǎo)體器件或集成電路整合的傳感器及其制造方法是有必要的。隧道結(jié)磁電阻傳感器(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)具有高靈敏度，尺寸小， 成本低以及功耗低等優(yōu)點。盡管MTJ傳感器與半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)制造工藝相兼容，但是高靈敏度的MTJ傳感器并沒有實現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)。特別是傳感器的成品率取決于MTJ元件磁阻輸出的偏移值，組成電橋的MTJ的磁阻很難達(dá)到高的匹配度，同時正交磁場傳感器在同一半導(dǎo)體基片上集成的制造工藝非常復(fù)雜。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供了一種采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝、用于規(guī)模生產(chǎn)的雙軸線性磁電阻傳感器芯片的制備方法。雙軸傳感器采用隧道結(jié)磁電阻元件或巨磁電阻(GMR)元件在同一半導(dǎo)體基片上制備兩個不同的橋式磁傳感器以感應(yīng)正交磁場分量。雙軸磁傳感器能夠感應(yīng)正交磁場分量依賴于傳感元件的幾何形狀。橋式傳感器通過設(shè)置永磁偏置層后能更穩(wěn)定，永磁層在晶圓級別或在封裝之后通過同一工序在強磁場中初始化。因為橋式傳感器的永磁偏置層和參考層沿同一方向初始化，沒有通過特殊處理，局部加熱，或者在不同的工序中沉積不同的磁性材料。本實用新型提供了一種單片雙軸橋式磁場傳感器，它包括一沿“Y”軸方向敏感的參考橋式傳感器和一沿“X”軸方向敏感的推挽橋式傳感器，所述參考橋式傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器包括傳感元件，其中“X”軸和“Y”軸相正交。優(yōu)選地，所述參考橋式傳感器為參考全橋傳感器，該參考全橋傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器為推挽全橋傳感器，。優(yōu)選地，它還包括一用于偏置的永磁體以設(shè)置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。優(yōu)選地，所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置它們之間的靈敏度差，推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置其自由層磁化方向。優(yōu)選地，所述參考橋式傳感器為參考半橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽半橋傳感器。[0010]優(yōu)選地，它還包括一用于偏置的永磁體以設(shè)置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。優(yōu)選地，所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置它們之間的靈敏度差，所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置其自由層磁化方向。優(yōu)選地，所述參考橋式傳感器包括參考臂和感應(yīng)臂。優(yōu)選地，所述參考橋式傳感器包括一用于包覆住構(gòu)成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層以降低參考臂的靈敏度，所述屏蔽層為高磁導(dǎo)率的鐵磁材料。優(yōu)選地，所述參考橋式傳感器的傳感元件周邊設(shè)置有高磁導(dǎo)率的鐵磁材料以增加傳感元件的靈敏度。。本實用新型采用以上結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本大規(guī)模的在同一半導(dǎo)體基片上集成制作。

圖1是隧道結(jié)磁電阻的示意圖。圖2是參考層磁化方向為難軸的自旋閥磁電阻元件的輸出示意圖。圖3是將多個磁隧道結(jié)元件合并為一個等效磁電阻元件的連接示意圖。圖4是線性參考全橋磁電阻傳感器的原理圖。圖5是一種采用永磁偏置產(chǎn)生交叉偏置場的參考全橋傳感器的布局圖。圖6是參考全橋傳感器在外加磁場沿靈敏度方向的分量作用下的響應(yīng)圖。圖7是參考全橋傳感器在外加磁場垂直于靈敏方向的分量作用下的響應(yīng)圖。圖8是參考全橋磁電阻傳感器的輸出曲線的模擬結(jié)果。圖9為線性推挽全橋磁電阻傳感器的原理圖。圖10利用形狀各項異性能和永磁體偏置的一種推挽全橋傳感器的概念圖。永磁體結(jié)構(gòu)用于產(chǎn)生偏置磁場，旋轉(zhuǎn)的自由層磁化方向用于產(chǎn)生推挽輸出曲線。圖11是自由層磁化方向旋轉(zhuǎn)的推挽全橋磁電阻傳感器在外場沿靈敏度方向的分量作用下的響應(yīng)圖。圖12是是自由層磁化方向旋轉(zhuǎn)的推挽全橋磁電阻傳感器在外場垂直于靈敏度方向的分量作用下的響應(yīng)圖。圖13是推挽全橋磁電阻傳感器的輸出圖。圖14是通過設(shè)置永磁體產(chǎn)生磁偏置的第一效果圖。圖15是通過設(shè)置永磁體產(chǎn)生磁偏置的第二效果圖。圖16是采用推挽全橋和參考全橋設(shè)計的單片雙軸橋式磁場傳感器的布局概念圖。
具體實施方式
磁性隧道結(jié)概述圖1是一個MTJ多層膜元件的功能概念簡圖。一個MTJ元件1 一般包括上層的鐵磁層和反鐵磁層10 (Synthetic Ant!ferromagnetic, SAF)，以及下層的鐵磁層和SAF層11，兩個磁性層之間的隧道勢壘層12。在這種結(jié)構(gòu)中，上層的鐵磁層和SAF層10組成了磁性自由層，其磁化方向隨外部磁場的改變而變化。下層的磁性層和SAF層11是一個固定的磁性層，因為其磁化方向是釘扎在一個方向，在一般條件下是不會改變的。釘扎層通常是在反鐵磁性層13的上方或下方沉積鐵磁層或SAF層。MTJ結(jié)構(gòu)通常是沉積在導(dǎo)電的種子層14 的上方，同時MTJ結(jié)構(gòu)的上方為電極層15。MTJ的種子層14和保護(hù)層15之間的測量電阻值16是代表自由層10和釘扎層11的相對磁化方向。當(dāng)上層的鐵磁層和SAF層10的磁化方向與下層的鐵磁層11的磁化方向平行時，整個元件的電阻16在低阻態(tài)。當(dāng)上層的鐵磁層10的磁化方向與下層的磁性層12的磁化方向反平行時，整個元件的電阻16在高阻態(tài)。 通過已知的技術(shù)，MTJ元件1的電阻可隨著外加磁場在高阻態(tài)和低阻態(tài)間線性變化。 圖2是適用于線性磁場測量的GMR或MTJ磁電阻元件的輸出曲線示意圖。輸出曲線在低阻態(tài)21和高阻態(tài)22的阻值時飽和，分別代表低阻態(tài)和高阻態(tài)的阻值。在阻值為&時，釘扎層和自由層磁化方向平行(28)；在阻值為&時，釘扎層和自由層磁化方向反平行(29)。在達(dá)到飽和之前，輸出曲線是線性依賴于外加磁場H。輸出曲線通常不與H=O 的點對稱。H0 (25)是飽和場沈、27之間的典型偏移，&的飽和區(qū)域更接近H=O的點。H0 (25)的值通常被稱為“桔子皮效應(yīng)(Orange Peel)”或“奈爾耦合(Neel Coupling)”，其典型值通常在1到25 Oe之間，與GMR或MTJ元件中鐵磁性薄膜的結(jié)構(gòu)和平整度有關(guān)，依賴于材料和制造工藝。在不飽和區(qū)域，輸出曲線方程可以近似為
權(quán)利要求1.一種單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于它包括一沿“Y”軸方向敏感的參考橋式傳感器和一沿“X”軸方向敏感的推挽橋式傳感器，所述參考橋式傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器包括傳感元件，其中“X”軸和“Y”軸相正交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于所述參考橋式傳感器為參考全橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽全橋傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于它還包括一用于偏置的永磁體以設(shè)置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置它們之間的靈敏度差，所述推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置其自由層磁化方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于它還包括一用于偏置的永磁體，所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件以及所述推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀，永磁體產(chǎn)生的磁偏置場和磁各向異性的形狀的磁各向異性能的結(jié)合以設(shè)置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于所述參考橋式傳感器為參考半橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽半橋傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于它還包括一用于偏置的永磁體以設(shè)置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置它們之間的靈敏度差，所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設(shè)置其自由層磁化方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于它還包括一用于偏置的永磁體，所述參考半橋的參考元件和傳感元件以及所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀，永磁體產(chǎn)生的磁偏置場和磁各向異性的形狀的磁各向異性能的結(jié)合以設(shè)置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于所述參考橋式傳感器包括一用于包覆住參考元件的屏蔽層以降低參考元件的靈敏度，所述屏蔽層為高磁導(dǎo)率的鐵磁材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片雙軸橋式磁場傳感器，其特征在于所述參考橋式傳感器的傳感元件周邊設(shè)置有高磁導(dǎo)率的鐵磁材料以增加傳感元件的靈敏度。
專利摘要本實用新型公開了一種單片雙軸橋式磁場傳感器，該雙軸橋式磁場傳感器采用隧道結(jié)磁電阻元件在同一半導(dǎo)體基片上制備兩種全橋磁場傳感器以感應(yīng)正交磁場分量。該傳感器通過設(shè)置傳感元件的形狀和永磁偏置場以感應(yīng)正交磁場分量。正交橋式傳感器的偏置永磁體和參考層在在同一個磁場方向下初始化，不需要特殊的工藝，局部加熱或在不同的工序中沉積其他磁性材料以實現(xiàn)雙軸磁場傳感器。
文檔編號G01R33/09GK202305777SQ20112039634
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者沈衛(wèi)鋒, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司