CN110865321B - 一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构及其制备方法，该磁传感材料堆层结构包括：基底；设置于基底上的磁阻传感层；设置于磁阻传感层上的第一连接电极层；设置于第一连接电极层上的绝缘层；设置于绝缘层上的磁电复合层，磁电复合层包括位于绝缘层上的铁磁金属层和位于铁磁金属层上的压电层；设置于磁电复合层上的第二连接电极层。本发明的磁传感材料堆层结构，采用磁电薄膜作为传感器的磁场反馈部分，磁电薄膜将电压转化为内部磁场的变化，从而可以在磁场传感器内部形成闭环结构，有利于降低磁场传感器的重量和体积，同时配合作为磁场的探测部分的磁阻传感层，磁场传感器可以获得高的灵敏度以及大的线性范围，且实现了低功耗。

Description

一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构及其制备 方法

技术领域

本发明属于磁场探测技术领域，尤指涉及一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构及其制备方法。

背景技术

随着智能电网、物联网等技术的发展，不管是人们的日常生活，还是工业生产，对磁场传感器的需求量都越来越高，比如汽车领域、电力传感领域都有大量的磁场传感器的需求。由于这些新兴的应用环境越来越复杂，高精度、可集成化、低功耗化成为磁场传感器的发展方向。目前精度最高的可集成的传感器技术为磁阻传感器技术，尤其是TMR技术。相较于传统的霍尔芯片，TMR技术可以提供两个以上量级的灵敏度提升，因此，最近二十年来，磁阻传感技术得到了飞速的发展，并且得到了越来越多的应用。

由于TMR技术中的磁性材料在大磁场下会发生饱和现象，因此难以在单一芯片中获得大探测范围和高灵敏度。目前的TMR技术应用时一般采用闭合反馈的方式，采用反馈线圈，将芯片一次输出的信号放大并转化为反向磁场后再加载回芯片两端，使芯片始终工作在零磁场附近，以此来同时获得较大的探测范围和探测精度。但是由于闭合反馈技术需要使用磁铁和线圈，因此反馈式闭环传感器往往存在体积大、重量重、功耗高的缺点，难以满足很多需要微型化器件领域的应用需求。虽然目前已经出现一些集成线圈式的解决方案，器件体积大的问题在一定程度上得到了改善，但是功耗高的问题仍没有得到有效的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构及其制备方法，该磁传感材料堆层结构可用于磁场传感器中，有助于解决现有磁场传感器存在的体积大、功耗高的问题。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，包括：基底；设置于所述基底上的磁阻传感层；设置于所述磁阻传感层上的第一连接电极层；设置于所述第一连接电极层上的绝缘层；设置于所述绝缘层上的磁电复合层，所述磁电复合层包括位于所述绝缘层上的铁磁金属层和位于所述铁磁金属层上的压电层；设置于所述磁电复合层上的第二连接电极层。

进一步的，所述磁阻传感层为磁阻薄膜。

更具体的，所述磁阻传感层为AMR单元或GMR单元或TMR单元或GMI单元。

进一步的，所述铁磁金属层的磁致伸缩系数≥50ppm，且初始磁导率≥5000。

更具体的，所述铁磁金属为FeGaB或FeCoB或CoFeB或FeCoBSi。

新一步的，所述压电层材料的电致伸缩系数≥500ppm。

更具体的，所述铁电材料为PZT或PZN或PMN或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO₂。

进一步的，所述铁磁金属层与所述磁阻传感层之间的距离为15nm～100nm。

进一步的，所述第一连接电极层上设置有所述磁阻传感层的输入端和输出端，所述输入端用于和外部电流源相连，所述输出端用于连接外部的放大电路；所述第二连接电极层和所述铁磁金属层上设置有所述压电层的电压加载端，所述电压加载端与外部放大电路的输出端相连。

本发明还提供了一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构的制备方法，包括以下步骤：

提供基底；

在所述基底上沉积磁阻传感层，所述磁阻传感层从下至上依次包括下电极层、钉扎层和绝缘层；

在所述磁阻传感层上形成第一沟槽，所述第一沟槽向下贯穿至所述基底的表面；

在所述磁阻传感层上形成第二沟槽，所述第二沟槽向下贯穿至磁阻传感层中下电极层的表面之上；

在所述第一沟槽和所述第二沟槽中填充绝缘材料；

在所述磁阻传感层形成第一连接电极层；

在所述第一连接电极层上生长绝缘层；

在所述绝缘层上形成铁磁金属层；

在所述铁磁金属层上形成压电层；

在所述压电层上形成第二连接电极层。

由以上技术方案可知，本发明采用半导体工艺，在基底上制造磁电薄膜和磁阻传感薄膜的复合堆层结构，将磁电薄膜作为磁场反馈部分，在外磁场作用下，磁阻传感薄膜产生电压信号并将电压信号反馈至磁电薄膜，磁电薄膜将电压转化为内部磁场的变化，从而可以在磁场传感器内部形成闭环结构。由于本发明在材料级别就可以实现闭环效果，极易集成，使用在闭合磁场传感器中时，无需再额外设置线圈和铁芯，大幅降低了磁场传感器的重量和体积，同时配合作为磁场探测部分的磁阻传感薄膜，传感器可以获得高的灵敏度以及大的线性范围。另外，由于采用磁电薄膜作为反馈磁场的生成端，磁电薄膜是用电压作为磁场的激励源，相比于现有的集成式闭合反馈磁场传感芯片，可以降低磁场传感器器件的整体功耗。

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为本发明实施例的结构示意图；

图2a至图2k为本发明实施例的制备过程示意图；

图3a为无外加电压时铁磁金属层和磁阻传感层的磁场分布图；

图3b为在外加电压作用下铁磁金属层和磁阻传感层的磁场分布图。

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。

本发明的磁传感材料堆层结构用于磁场传感器，其主要包括磁阻传感层和磁电复合层。其中，磁阻传感层为磁阻薄膜，可以是GMR单元、TMR单元、AMR单元或GMI单元等，优选采用TMR单元，以获得最大的磁场传感灵敏度和低功耗。磁阻传感层处于外部磁场中时，会随磁场的变化以线性比例输出电压信号。磁电复合层为磁电薄膜，由铁磁材料和铁电材料形成，铁磁材料的磁致伸缩系数为50ppm以上、初始磁导率为5000以上，铁电材料的电致伸缩系数为500ppm以上。在电压的作用下，磁电复合层中的铁磁材料的磁导率会发生极大的变化，大电压下铁磁材料的磁导率变大，从而使大部分的外磁场从其中流过，造成与其临近的磁阻传感层(TMR单元/GMR单元)“磁短路”，最终表现为磁阻传感层始终工作在零磁场通量附近。

如图1所示，本实施例的磁传感材料堆层结构包括形成于基底1上的磁阻传感层2和磁电复合层3，在磁阻传感层2和磁电复合层3之间设置有绝缘层4。磁阻传感层2上设置有接线点，用于当外部磁场发生变化时磁阻传感层2可以向外输出相应的电压。绝缘层4覆盖于磁阻传感层2上，优选的，绝缘层4完全覆盖磁阻传感层2，只露出接线点。绝缘层4可采用SiO₂或者Al₂O₃等氧化物或者其他绝缘材料制成。磁电复合层3形成于绝缘层4之上。本发明的磁传感材料堆层结构可采用磁控溅射或者真空蒸镀或者电子束蒸发以及光刻、刻蚀等半导体工艺制备。

下面结合图2a至图2k对本发明磁传感材料堆层结构的制备方法作进一步的说明：

如图2a所示，提供一基底1，基底1用于生长磁传感材料堆层结构，基底1采用电阻较大的材料制成，例如电阻率大于10⁵Ω·cm的材料，更具体的，基底1可为玻璃或单晶硅片或多晶硅片，基底1的表面平坦，具有良好的绝缘性能，将基底1进行清洗，移除表面的污渍；

如图2b所示，在基底1上沉积磁阻传感层2(磁阻薄膜)，磁阻传感层为Ni、Fe、Co等金属或者其合金的堆层结构，本实施例的磁阻传感层2为TMR单元，在基底1上通过磁控溅射或电子束溅射或真空蒸镀的方法从下至上依次形成下电极层、钉扎层和绝缘层，得到的磁阻传感层2对外部磁场呈线性响应；

如图2c所示，采用半导体光刻或刻蚀工艺在磁阻传感层2上形成第一沟槽2-1，第一沟槽2-1向下贯穿至基底1的表面；第一沟槽2-1用于将形成于基底1上的磁阻传感层2分隔为多个相互分离的小岛阵列；

如图2d所示，在小岛阵列(磁阻传感层2)上通过光刻或刻蚀工艺进一步形成第二沟槽2-2，第二沟槽2-2向下贯穿至磁阻传感层2中的下电极层的表面之上，在第二沟槽2-2两侧的磁阻传感层的功能层通过下电极层串联；

如图2e所示，在磁阻传感层2上填充绝缘材料5，绝缘材料5使得各小岛阵列以及由第二沟槽2-2隔开的功能层之间无法形成电连接；

如图2f所示，在磁阻传感层2上通过磁控溅射或者真空蒸镀方式生长第一连接电极层6，第一连接电极层6用于实现各小岛阵列间的电连接，第一连接电极层6采用剥离的工艺形成相应的图形；

如图2f所示，在第一连接电极层6上生长绝缘层4；

如图2h所示，在绝缘层4上沉积铁磁金属层3-1，所用的铁磁金属的初始磁导率μ_r＞5000，磁致伸缩系数λ＞50ppm，进一步优选的，铁磁金属的初始磁导率μr＞10000，铁磁金属可为FeGaB、FeCoB、CoFeB、FeCoBSi等磁性合金；更具体的，铁磁金属层3-1与磁阻传感层2之间的距离为15nm～100nm；

如图2i所示，在铁磁金属层3-1上沉积压电层3-2，并采用剥离工艺，在压电层3-2上形成用于连接铁磁金属层3-1的引脚(铁磁金属层3-1可作为压电层3-2的下电极层)，铁磁金属层3-1和压电层3-2组成磁电复合层3；形成压电层3-2的材料的电致伸缩系数＞500ppm，进一步优选的，形成压电层的材料的电致伸缩系数＞1000ppm，更具体的，所述材料可为PZT、PZN、PMN或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO₂；

如图2j所示，在压电层3-2上沉积第二连接电极层8，第二连接电极层8为压电层3-2的上电极层；

如图2k所示，在第一连接电极层6上设置磁阻传感层2的输入端a和输出端d，输入端a用于连接外部电流源，输出端连接外部的放大电路，在第二连接电极层8和连接铁磁金属层3-1的引脚处设置压电层3-2的电压加载端b、c，电压加载端与外部放大电路的输出端相连，磁阻传感层2输出的电压经过放大后反馈回压电层3-2的两端(b、c端)，能减小磁阻传感层2的输出，具有反馈的效果。

在磁阻传感层2上所形成的由铁磁金属层3-1和压电层3-2组合成的磁电复合层3，当磁阻传感层2检测到外磁场时，其产生电压信号并输出，电压信号经外部放大电路放大后返回会磁电复合层3，并加载在磁电复合层3中的压电层3-2上，在电压的作用下，压电层3-2发生形变，并将形变传递至铁磁金属层3-1，使得铁磁金属层3-1的磁导率发生变化(急剧增大)，并对外部磁场的分布产生影响。

在没有电压作用时，压电层3-2和铁磁金属层3-1没有发生形变，如图3a所示，铁磁金属层3-1的磁易轴方向沿图3a中的y方向；此时铁磁金属层3-1沿x方向的磁导率处于正常状态，铁磁金属层3-1对磁阻传感层2的磁场干扰较小，磁场在铁磁金属层3-1和磁阻传感层2的分布比较平均。

当压电层3-2两端加载电压后，其产生的形变传递至铁磁金属层3-1，使铁磁金属层3-1的磁导率变大，如图3b所示，由于铁磁金属层3-1的磁导率变大，磁场更容易从铁磁金属层3-1中流过，从而会对磁阻传感层2的磁场造成干扰，外部绝大部分外磁场从铁磁金属层3-1内部通过，对于磁阻传感层2来说，由于大部分磁场从铁磁金属层3-1穿过，流过磁阻传感层2的磁场变少了，即磁阻传感层2发生“磁短路”，并最终表现为磁阻传感层始终工作在零磁场通量附近，形成了磁闭环结构，外磁场和内建磁场之间始终平衡状态，且呈线性比例关系，通过采集反馈电压信号既可以测试得到外磁场的大小。

本发明可以在磁电薄膜和磁传感薄膜组成的堆层结构中形成闭环磁场传感的模式，用于磁场传感器时，无需再另外设置反馈线圈，大大降低了闭环式磁场传感器的体积和功耗，同时还增加了传感器的线性度。

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 (9)

1.一种具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于，包括：

基底；

设置于所述基底上的磁阻传感层；

设置于所述磁阻传感层上的第一连接电极层；

设置于所述第一连接电极层上的绝缘层；

设置于所述绝缘层上的磁电复合层，所述磁电复合层包括位于所述绝缘层上的铁磁金属层和位于所述铁磁金属层上的压电层，所述压电层上形成用于连接所述铁磁金属层的引脚；

设置于所述磁电复合层上的第二连接电极层；

所述第一连接电极层上设置所述磁阻传感层的输入端和输出端，所述输入端连接外部电流源，所述输出端连接外部的放大电路；所述第二连接电极层和连接所述铁磁金属层的所述引脚处设置所述压电层的电压加载端，所述电压加载端与外部放大电路的输出端相连，所述磁阻传感层输出的电压经过放大后反馈回所述压电层的所述电压加载端；

所述压电层两端的加载电压能够使所述铁磁金属层的磁导率变大，使所述磁阻传感层始终工作在零磁通量附近。

2.如权利要求1所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述磁阻传感层为磁阻薄膜。

3.如权利要求1或2所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述磁阻传感层为AMR单元或GMR单元或TMR单元或GMI单元。

4.如权利要求1所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述铁磁金属层的磁致伸缩系数≥50ppm，且初始磁导率≥5000。

5.如权利要求4所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述铁磁金属层的材料为FeGaB或FeCoB或CoFeB或FeCoBSi。

6.如权利要求1所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述压电层的材料的电致伸缩系数≥500 ppm。

7.如权利要求6所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述压电层的材料为PZT或PZN或PMN或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO₂。

8.如权利要求1所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构，其特征在于：所述铁磁金属层与所述磁阻传感层之间的距离为15nm～100nm。

9.如权利要求1至8任一项所述的具有磁闭环调制效应的磁传感材料堆层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供基底；

在所述基底上沉积磁阻传感层，所述磁阻传感层从下至上依次包括下电极层、钉扎层和绝缘层；

在所述磁阻传感层上形成第一沟槽，所述第一沟槽向下贯穿至所述基底的表面；

在所述磁阻传感层上形成第二沟槽，所述第二沟槽向下贯穿至磁阻传感层中下电极层的表面之上；

在所述第一沟槽和所述第二沟槽中填充绝缘材料；

在所述磁阻传感层形成第一连接电极层；

在所述第一连接电极层上生长绝缘层；

在所述绝缘层上形成铁磁金属层；

在所述铁磁金属层上形成压电层；

在所述压电层上形成第二连接电极层。