CN110824392A - 一种tmr全桥磁传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，4组TMR单元分别位于全桥结构的4个桥臂上；所述TMR单元的长宽比不等于1，位于相邻桥臂上的TMR单元的长轴相互垂直，位于相对桥臂上的TMR单元的长轴相互平行。本发明根据TMR单元的长轴方向来布置全桥结构上的TMR单元，使相邻桥臂上的TMR单元的长轴方向互相垂直，相对桥臂上的TMR单元的长轴方向相互平行，从而通过在磁场退火时施加特定角度的外加磁场，得以一次性在单一芯片上形成全桥结构，大大降低了单一芯片全桥磁传感器制备工艺的难度和生产成本。
Description
技术领域
本发明属于磁场探测技术领域，尤指涉及一种单一芯片的全桥磁传感器。
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)型磁阻传感器是磁传感器的一种，具有偏移低，灵敏度高和温度性能好的优点，近年来开始在工业领域得到应用。TMR型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(Anisotropy Magnetoresistance，各向异性磁阻)型传感器以及GMR(GiantMagnetoresistance，巨磁电阻)磁传感器，而且具备更好的温度稳定性和更低的功耗，再加上TMR型磁传感器的加工工艺可以很方便的和现有半导体工艺结合，因此具有更多的应用前景。
全桥结构的磁阻传感器可以有效提高器件的灵敏度和温度稳定性。TMR型传感器由于其自身磁阻变化来源于自由层和钉扎层的相对取向，因此全桥结构的TMR传感器需要相邻桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁化方向相反。而通常在同一芯片上，一次制备得到的TMR单元，由于其全程工艺相同，所以同一芯片上的各TMR单元的钉扎层的磁化方向都相同，难以实现在单一芯片上一次形成全桥结构。目前实现单一芯片上桥接的办法有激光退火和分次沉积。激光退火是采用激光退火设备将不同区域的钉扎层的磁化方向钉扎在相反方向，但由于激光退火设备价格昂贵，因此生产成本很高。分次沉积是分两次沉积先后生长不同磁化方向的钉扎层，但分两次沉积时，在生长第二层时容易对第一层产生影响，最终影响器件性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以降低制备工艺难度和生产成本的单一芯片的TMR全桥传感器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，4组TMR单元分别位于全桥结构的4个桥臂上；所述TMR单元的长宽比不等于1，位于相邻桥臂上的TMR单元的长轴相互垂直，位于相对桥臂上的TMR单元的长轴相互平行。
进一步的，所述TMR单元的长宽比＞10。
进一步的，所述TMR单元的形状为长方形或椭圆形。
进一步的，所述TMR单元的长轴方向和其所在的桥臂的方向平行。
进一步的，所述基片上还设置有4个电极，包括一对输入电极和一对输出电极，每个电极分别与相邻的两个桥臂相连。
进一步的，相邻桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向不同，相对桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同。
由以上技术方案可知，本发明根据TMR单元的长轴方向来布置全桥结构上的TMR单元，使相邻桥臂上的TMR单元的长轴方向互相垂直，相对桥臂上的TMR单元的长轴方向相互平行，从而通过在磁场退火时施加特定角度的外加磁场，以一次性在单一芯片上形成全桥结构，大大降低了单一芯片全桥磁传感器制备工艺的难度和生产成本。退火后得到的全桥磁传感器，相邻桥臂上的TMR单元钉扎层磁矩方向不同，相对桥臂上的TMR单元钉扎层磁矩方向基本相同，使得相邻桥臂上的TMR单元对同一敏感方向有相反的响应，对外加场形成相反的磁阻相应趋势，实现对磁场探测的差分输出。
本发明还提供了一种TMR全桥磁传感器的制备方法，包括以下步骤：
提供基片；
在所述基片上沉积TMR单元及电极，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，全桥结构的每一桥臂上设置一组TMR单元，相邻桥臂上的TMR单元的长轴相互垂直，相对桥臂上的TMR单元的长轴相互平行；
对所述TMR单元进行磁场退火处理，退火时所施加的磁场方向和所述TMR单元的长轴方向成45°夹角，退火完成后，相邻桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向不同，相对桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为TMR型磁阻传感器中TMR单元的结构示意图；
图2为TMR单元的自由层的钉扎层的磁矩方向的示意图；
图3为TMR单元的电阻及自由层、钉扎层的磁矩方向与外加磁场的变化关系图；
图4为自由层和钉扎层的磁矩方向的相对关系示意图；
图5a为自由层和钉扎层的磁矩方向同向平行时在外加磁场作用下自由层磁矩方向的变化示意图；
图5b为自由层和钉扎层的磁矩方向同向平行的TMR单元在外加磁场作用下电阻与外加磁场场强的关系曲线图；
图6a为自由层和钉扎层的磁矩方向反向平行时在外加磁场作用下自由层磁矩方向的变化示意图；
图6b为自由层和钉扎层的磁矩方向反向平行的TMR单元在外加磁场作用下电阻与外加磁场场强的关系曲线图；
图7为本发明实施例的结构示意图；
图8为退火后本发明实施例4组TMR单元的钉扎层的磁化方向示意图；
图9为本发明实施例惠斯通全桥电路的示意图；
图10本发明实施例为在沿y轴方向施加的外部磁场作用下相邻的两个TMR单元的磁阻变化趋势图；
图11本发明实施例在沿y轴方向施加的外部磁场作用下输出电压的变化趋势图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
图1为TMR型传感器中TMR单元的结构示意图，如图1所示，TMR单元从上至下依次包括自由层、隧道层3和钉扎层4，箭头2表示自由层1的磁矩方向，箭头5表示钉扎层的磁矩方向。如图2所示，没有外加磁场时，TMR单元的自由层的磁矩方向2和钉扎层4的磁矩方向5相互垂直。当施加一外加磁场6时，在磁传感器的探测磁场范围内，钉扎层4的磁矩方向5对外加磁场6无响应，其大小和方向不会随外加磁场6的变化而变化，而自由层1的磁矩方向2对外加磁场6反应灵敏，其大小和方向会随外加磁场6的变化而变化。
如图3所示(图3中的R表示TMR单元的电阻值，H表示外加磁场的场强)，TMR单元的阻值和自由层1的磁矩方向2与钉扎层4的磁矩方向5的相对磁化状态有关。当自由层1的磁矩方向2和钉扎层4的磁矩方向5同向平行时，TMR单元的电阻最小，当自由层1的磁矩方向2和钉扎层4的磁矩方向5反向平行时，TMR单元的电阻最大。
在图4所示的外加磁场6的作用下，与钉扎层的磁矩方向5同向平行的自由层的磁矩方向2会发生如图5a所示的翻转，对应的TMR单元的电阻变化如图5b所示；而与钉扎层的磁矩方向5反向平行的自由层的磁矩方向2’会发生如图6a所示的翻转，对应的TMR单元的电阻变化如图6b所示。即当自由层的磁矩方向与钉扎层的磁矩方向的相对关系不同时，施加同一外加磁场，TMR单元的电阻会产生不同的变化趋势，当自由层的磁矩方向2偏置在与钉扎层的磁矩方向5同向平行和偏置在与钉扎层的磁矩方向5反向平行时，施加同一外加磁场，两者会呈现出相反的电阻变化趋势。
图7为本发明实施例TMR全桥传感器的结构示意图，如图7所示，在传感器的基片(未图示)上沉积有4组TMR单元(a1、a2、a3、a4)和4个电极(P1、P2、P3、P4)，每组TMR单元的结构相同，均具有自由层、钉扎层和隧道层。4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，4组TMR单元分别位于全桥结构的4个桥臂上，每个电极分别与相邻的两个桥臂相连。4个电极中，有一对电极(P1、P3)为输入电极，另一对电极(P2、P4)为输出电极。本发明的TMR单元的长度和宽度不相等，即TMR单元的长宽比不等于1，TMR单元的形状可以是长方形或椭圆形。为了便于说明，将TMR单元的沿长度方向的中心线定义为长轴，TMR单元的长轴方向和其所在的桥臂的方向平行。为了保证TMR单元内部具有较大的形状各向异性场，TMR单元的长宽比应比较大，以使自由层中的形状各项异性场大于外部磁场的影响。如果TMR单元的长宽比较小，导致内部形状各向异性场太小，不足以和外加的退火磁场达成平衡，退火后钉扎层的磁矩方向会沿着外加磁场方向，无法形成桥式连接。优选的，TMR单元的长宽比可大于10。TMR单元长宽比的具体取值为经验值，还与自由层的配方相关，因此可根据不同的情况进行设定。
位于4个桥臂上的TMR单元两两相对，其中，相邻的TMR单元的长轴相互垂直，相对的TMR单元的长轴相互平行。TMR单元内部的各向异性场的方向沿TMR单元的长轴方向，由于TMR单元的长轴方向不同，TMR单元内部的形状各向异性场的方向也不同。将全桥结构中的TMR单元根据其长轴方向进行布置，在退火时，通过施加特定角度的外加磁场(外加磁场的方向沿TMR全桥结构的对角线方向，即和TMR单元长轴方向的夹角为45°)，TMR单元的内部磁矩受到外部磁场和内部的形状各向异性场的共同作用，钉扎层的磁化方向会根据TMR单元的排列方向(长轴方向)而变化，从而各TMR单元的钉扎层可以对应形成不同的磁矩方向。
本发明的TMR全桥传感器的制备方法的步骤如下：
提供基片；
在所述基片上沉积4组TMR单元及电极，例如采用磁控溅射在基片上形成TMR单元，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，并连接输入、输出电极，TMR单元位于全桥结构的桥臂上，其中，相邻桥臂上的TMR单元的长轴相互垂直，相对桥臂上的TMR单元的长轴相互平行，如图7所示；将全桥结构中的两根对角线分别定义为x轴和y轴，即从P3到P1的方向为y轴，从P4到P2的方向为x轴，x1是和x轴成45°夹角的方向，y1是和y轴成45°夹角的方向，沉积TMR单元时，TMR单元a1、a3的长轴方向与x1轴平行，TMR单元a2、a4的长轴方向与y1轴平行；
对TMR单元进行磁场退火处理，如图8所示，退火时施加一外加磁场9，该外加磁场9的方向沿x轴方向或y轴方向，也就是说，外加磁场9的方向和TMR单元的长轴方向成45°夹角，从而4组TMR单元可以形成对称的磁矩分布。退火后，4组TMR单元的钉扎层的磁化方向mp如图8所示，相邻的TMR单元钉扎层的磁矩方向不同，相对的TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同。本发明所说的相对的TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同并非仅指相对的TMR单元的钉扎层的磁矩方向严格一致的情况，也包括了相对的TMR单元的钉扎层的磁矩方向大致相同的情况。
以本实施例为例，当对传感器施加一沿y轴方向的外加磁场时，不同的TMR单元的电阻变化不同，由于相邻的TMR单元的钉扎层的磁化方向沿y轴的分量相反，相对的TMR单元的钉扎层的磁化方向沿y轴的分量相同，从而相邻的TMR单元对y轴方向的磁阻变化趋势相反，相邻的TMR单元对同一敏感方向具有相反的响应，形成了全桥输出。通过本发明方法可以在同一芯片上一次性沉积全桥结构，大大降低了生产工艺的难度和成本。
本发明的全桥电路如图9所示，图9中的R1、R2、R3、R4分别表示四组TMR单元a1、a2、a3、a4的磁电阻，当对全桥结构的两端(P1、P3)加载恒定偏压时，全桥电路的电压输出为
全桥传感器结构中，a1、a3的磁阻变化(R1、R3)与a2、a4的磁阻变化(R2、R4)相反，例如传感器在外加磁场作用下，R1和R3的电阻增大时，则R2和R4的电阻减小，电压输出则增大。
图10为传感器中TMR单元a1、a2对沿y轴方向的外加磁场的磁阻变化趋势图，对全桥传感器的输入电极(P1、P2)施加一个恒定电压，当该沿y轴方向的磁场变化时，传感器输出电极(P2、P4)的输出电压趋势如图11所示。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (10)
1.TMR全桥磁传感器，包括：基片和设置于所述基片上的TMR单元，所述TMR单元包括自由层、钉扎层和隧道层，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，4组TMR单元分别位于全桥结构的4个桥臂上；
其特征在于：
所述TMR单元的长宽比不等于1，位于相邻桥臂上的TMR单元的长轴相互垂直，位于相对桥臂上的TMR单元的长轴相互平行。
2.如权利要求1所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述TMR单元的长宽比＞10。
3.如权利要求1或2所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述TMR单元的形状为长方形或椭圆形。
4.如权利要求1所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述TMR单元的长轴方向和其所在的桥臂的方向平行。
5.如权利要求1所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：所述基片上还设置有4个电极，包括一对输入电极和一对输出电极，每个电极分别与相邻的两个桥臂相连。
6.如权利要求1或2或4或5所述的TMR全桥磁传感器，其特征在于：相邻桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向不同，相对桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同。
7.TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基片；
在所述基片上沉积TMR单元及电极，4组TMR单元桥式连接形成全桥结构，全桥结构的每一桥臂上设置一组TMR单元，相邻桥臂上的TMR单元的长轴相互垂直，相对桥臂上的TMR单元的长轴相互平行；
对所述TMR单元进行磁场退火处理，退火时所施加的磁场方向和所述TMR单元的长轴方向成45°夹角，退火完成后，相邻桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向不同，相对桥臂上的TMR单元的钉扎层的磁矩方向相同。
8.如权利要求7所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：所述TMR单元的长宽比＞10。
9.如权利要求7或8所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：所述TMR单元的形状为长方形或椭圆形。
10.如权利要求7所述的TMR全桥磁传感器的制备方法，其特征在于：所述电极包括一对输入电极和一对输出电极，所述电极与相邻的两个桥臂相连。
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