CN116449261A - 磁阻元件及其制备方法、磁传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁阻元件及其制备方法、磁传感装置，属于磁传感器技术领域，该磁阻元件包括第一元件部和第二元件部，第一元件部包括一个以上的第一单位元件；第二元件部包括一个以上的第二单位元件；第一元件部和第二元件部串联连接；第一单位元件包括第一参考层以及具有闭合涡旋磁化图案的第一感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出线性变化的第一信号；第二单位元件包括第二参考层以及具有非闭合磁化图案的第二感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出保持恒定的第二信号，第二参考层与第一参考层具有相同的磁化方向。该磁阻元件采用一体成型，用于磁场测量具有灵敏度高、线性范围宽的技术效果。

Description

磁阻元件及其制备方法、磁传感装置

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁阻元件及其制备方法、磁传感装置。

背景技术

TMR传感器由于其磁阻效应，被广泛应用于磁场检测领域。

在实际应用中，TMR传感器通常采用惠斯通电桥结构实现，具有灵敏度高、温度稳定性高的优点。根据四个桥臂中电阻随磁场的变化特性，惠斯通电桥结构可以分为：单桥结构、半桥结构和全桥结构，其中全桥结构灵敏度最高。但是在TMR传感器制备全桥结构的过程中，要求彼此相邻的两个桥臂对同一变化磁场的响应输出相反，使得全桥结构TMR传感器的制备存在一定的困难。

为实现惠斯通全桥结构，一般的解决方式是通过外部接线的方式将两个独立的磁电阻传感器芯片中的一个相对另一个旋转180度后封装在一起实现的，这种机械组装的方式导致传感器制备工艺繁琐，更重要的是无法保证封装在一起的两个独立的磁电阻传感器芯片完全平行，从而对传感器的线性输出带来影响。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种磁阻元件及其制备方法、磁传感装置，旨在克服现有技术中存在的以上问题，提供一种灵敏度高、线性范围宽的磁阻元件。

为实现上述目的，本发明提供一种用于磁场测量的磁阻元件，所述磁阻元件包括：

第一元件部，其包括一个以上的第一单位元件；以及，

第二元件部，其包括一个以上的第二单位元件；

所述第一元件部和所述第二元件部串联连接；

所述第一单位元件包括第一参考层以及具有闭合涡旋磁化图案的第一感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出线性变化的第一信号；

所述第二单位元件包括第二参考层以及具有非闭合磁化图案的第二感测层，用于在所述预设磁场范围内响应于外部磁场输出保持恒定的第二信号；

所述第二参考层与所述第一参考层具有相同的磁化方向。

可选地，所述磁阻元件还包括：

电连接部，其用于电接触所述第一元件部和所述第二元件部，使所述磁阻元件中各所述第一元件部与各所述第二元件部连接形成惠斯通电桥结构；

所述第一单位元件包括依次设置的第一底电极层、所述第一参考层、第一绝缘层、所述第一感测层以及第一顶电极层；

所述第一参考层具有第一膜面，其被磁化固定在所述第一膜面的面内方向上的第一方向；所述第一方向平行于所述第一感测层的易磁化方向；

所述第二单位元件包括依次设置的第二底电极层、所述第二参考层、第二绝缘层、所述第二感测层以及第二顶电极层；

所述第二参考层具有第二膜面，其被磁化固定在所述第二膜面的面内方向上的第二方向；所述第二方向平行于所述第一感测层的易磁化方向。

可选地，所述第一单位元件和所述第二单位元件为TMR磁阻元件。

可选地，所述第一感测层包括靠近所述第一绝缘层的第一自由层以及靠近所述第一自由层的第二自由层，所述第一自由层为铁磁性材料，所述第二自由层为软磁性材料。

可选地，在所述第二单位元件中，所述第二感测层与所述第二顶电极层之间还包括反铁磁层，所述反铁磁层与所述第二感测层之间存在交换偏置场，所述交换偏置场的磁化方向平行于所述第一感测层的易磁化方向。

可选地，所述反铁磁层的厚度为20-30nm。

可选地，所述第二感测层包括设置于所述第二绝缘层和所述第二顶电极层之间的第三自由层；

所述第三自由层为铁磁性材料；

所述第三自由层具有形状各向异性场，使得所述第二感测层具有平行于所述第一方向的磁化方向。

可选地，所述第三自由层的长轴与短轴的比值为3-10，其长轴平行于所述第一方向。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种磁阻元件的制备方法，所述制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积形成磁堆叠，对所述磁堆叠进行流片及磁场退火，形成如上文所述的磁阻元件；

其中，所述磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部，以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，所述第一单位元件中第一参考层与所述第二单位元件中第二参考层具有相同的磁化方向；

所述磁场退火包括：

在340-360℃及预设磁场下进行退火40-80min。

可选地，所述预设磁场的磁场强度为3000-5000 Oe，

可选地，所述预设磁场的磁场方向为平行于所述第一感测层的易磁化方向；

可选地，所述在所述基底上沉积形成磁堆叠，对所述磁堆叠进行流片包括：

根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成磁堆叠；所述磁堆叠至少包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层及反铁磁层；

对所述磁堆叠进行流片，形成至少一第一磁堆叠以及至少一第二磁堆叠，在所述磁堆叠中对应于所述第一磁堆叠的区域刻蚀所述反铁磁层以及沉积第一顶电极层，在所述磁堆叠层中对应于所述第二磁堆叠的区域沉积第二顶电极层；

可选地，所述在所述基底上沉积形成磁堆叠，对所述磁堆叠进行流片包括：

根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成磁堆叠；所述磁堆叠至少包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层；所述感测层包括感测一层和感测二层；

对所述磁堆叠进行流片，形成至少一第一磁堆叠以及至少一第二磁堆叠；在所述磁堆叠中对应于所述第一磁堆叠的区域沉积第一顶电极层，在所述磁堆叠中对应于所述第二磁堆叠的区域刻蚀所述感测二层以及沉积第二顶电极层，所述第一磁堆叠中感测一层与所述第二磁堆叠中感测一层具有不同的形状。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种磁传感装置，所述磁传感装置包括磁阻元件；

所述磁阻元件为如上文所述的磁阻元件，或采用如上文所述的制备方法制得；

所述磁传感装置用于电流感测、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。

本发明提供的磁阻元件包括第一元件部，其包括一个以上的第一单位元件；以及，第二元件部，其包括一个以上的第二单位元件；所述第一元件部和所述第二元件部串联连接；所述第一单位元件包括第一参考层以及具有闭合涡旋磁化图案的第一感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出线性变化的第一信号；所述第二单位元件包括第二参考层以及具有非闭合磁化图案的第二感测层，用于在所述预设磁场范围内响应于外部磁场输出保持恒定的第二信号；所述第二参考层与所述第一参考层具有相同的磁化方向。本发明的磁阻元件集成了涡旋结构磁阻传感器的优点，同时由于一体成型避免了因两个磁电阻传感器芯片中一个相对于另一个旋转180度导致的性能差异，具有灵敏度高、线性范围宽的技术效果。

附图说明

图1为本发明第一实施例中磁阻元件的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中第一单位元件的截面结构示意图；

图3为本发明第一实施例中第二单位元件的截面结构示意图；

图4为本发明第二实施例中第二单位元件的截面结构示意图；

图5为本发明第二实施例中第二单位元件的电阻随磁场变化的示意图；

图6为本发明第二实施例中第一单位元件的电阻随磁场变化的示意图；

图7为本发明第三实施例中第一单位元件和第二单位元件的截面结构示意图；

图8为本发明第三实施例中第二单位元件的电阻随磁场变化的示意图；

图9为本发明第三实施例中第一单位元件的电阻随磁场变化的示意图；

图10为本发明一种磁阻元件的制备方法一实施例的流程示意图；

图11为本发明实施例涉及的一种磁堆叠的图形结构示意图；

图12为本发明实施例涉及的一种底电极的刻蚀示意图；

图13为本发明实施例涉及的一种第一磁堆叠的刻蚀示意图；

图14为本发明实施例涉及的一种第二磁堆叠的刻蚀示意图；

图15为本发明实施例涉及的第一方案中第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系对比示意图；

图16为本发明实施例采用第一方案所制备的磁阻元件的结构示意图；

图17为本发明实施例涉及的第二方案中第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系对比示意图；

图18为本发明实施例采用第二方案所制备的磁阻元件的结构示意图。

附图标号说明

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。

具体实施方式

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。

TMR传感器由于其磁阻效应，被广泛应用于磁场检测领域。在实际应用中，TMR传感器通常采用惠斯通电桥结构实现，具有灵敏度高、温度稳定性高的优点。根据四个桥臂中电阻随磁场的变化特性，惠斯通电桥结构可以分为：单桥结构、半桥结构和全桥结构，其中全桥结构灵敏度最高。但是在TMR传感器制备全桥结构的过程中，要求彼此相邻的两个桥臂对同一变化磁场的响应输出相反，使得全桥结构TMR传感器的制备存在一定的困难。

为实现惠斯通全桥结构，一般的解决方式是通过外部接线的方式将两个独立的磁电阻传感器芯片中的一个相对另一个旋转180度后封装在一起实现的，这种机械组装的方式导致传感器制备工艺繁琐，更重要的是无法保证封装在一起的两个独立的磁电阻传感器芯片完全平行，从而对传感器的线性输出带来影响。

为克服现有技术中存在的以上问题，本发明实施例提供一种灵敏度高、线性范围宽的磁阻元件。

参照图1，图1为本发明第一实施例中磁阻元件的结构示意图。如图1所示，在本实施例中，磁阻元件包括第一元件部10与第二元件部20，第一元件部10与第二元件部20之间串联连接；第一元件部10包括一个以上的第一单位元件101，第二元件部20包括一个以上的第二单位元件201。

需要说明的是，第一元件部10中第一单位元件101的数量可以根据实际情况进行调整，本实施例对此不做限制。第二元件部20中第二单位元件201的数量以及连接方式是与第一元件部中第一单位元件的数量相同的。

第一元件部10中的各第一单位元件101之间可呈串联和/或并联连接；具体地，通过串联连接可提高第一元件部在不同温度下的稳定性，同时提高第一元件部的电阻值；通过并联连接可降低第一元件部的电阻值。同样的，第二元件部20中的各第二单位元件201之间也可呈串联或并联连接。

可理解的是，第一元件部10中各第一单位元件可依次串联连接；或者，第一元件部中各第一单位元件依次两两并联组成多个第一单位元件组，然后再将各第一单位元件组串联连接；又或者，第一元件部中各第一单位元件依次每3个或更多个并联组成多个第一单位元件串，然后再将各第一单位元件串串联连接。

可理解的是，在两个第一单位元件呈串联连接时，一第一单位元件与另一第一单位元件仅共用顶电极层或底电极层，不同时共用底电极层或顶电极层；在两个第一单位元件呈并联连接时，一第一单位元件与另一第一单位元件同时共用顶电极层和底电极层。

需要说明的是，该第一单位元件中各层堆叠后的形状可以为圆形、椭圆形或其他形状，此处不做限定。

在本实施例中，第一单位元件101包括第一参考层以及具有闭合涡旋磁化图案的第一感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出线性变化的第一信号；第二单位元件201包括第二参考层以及具有非闭合磁化图案的第二感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出保持恒定的第二信号；第二参考层具有与第一参考层相同的磁化方向。

需要说明的是，第一信号和第二信号指的是电参数值，如电压值；保持恒定指的是在一定范围内第二信号的值基本不受外部磁场的影响，其数值上保持不变；该第一信号至少在可测量范围内能够随磁场线性变化，该第二信号至少可以在可测量范围内能够随磁场保持不变。

可理解的是，第一感测层仅仅在外部磁场低于其成核场后，其表面才会出现闭合涡旋磁化图案；以及，随着外部磁场的逐渐变小，在其减小至0后继续反向增大至湮灭场后，其表面的闭合涡旋磁化图案会逐渐消失。该预设磁场范围是包含在成核场-湮灭场的磁场范围内。

可理解的是，为得到闭合涡旋磁化图案，该第一感测层可以为圆盘状或椭圆盘状，其长轴与短轴的比值可在1-2之间。该第二感测层的形状可以与第一感测层相同，也可以与第一感测层不同，此处不做限定。

在本实施例中，由于第一单位元件可以在预设磁场范围内产生线性变化的第一信号，经串联或并联连接后的第一元件部同样的可在预设磁场范围内产生线性变化的第三信号（可假设为符合y1=ax+b，x为外部磁场，y1为第三信号的值）；由于第二单位元件可以在预设磁场范围内产生保持恒定的第二信号，经串联或并联连接后的第二元件部同样的可以在预设磁场范围内产生保持恒定的第四信号（可假设为符合y2=c，y2为第四信号的值），对第三信号和第四信号进行差分之后的第五信号的值y3可符合y3=ax+b-c，其数值与外部磁场是呈线性变化的。因此，通过本实施例的磁阻元件可实现线性测量外部磁场。

进一步地，由于第二参考层与第一参考层具有相同的磁化方向，在第一元件部与第二元件部电连接过程中不需要特意将第一元件部和第二元件部旋转180度后继续进行封装工序。磁阻元件可在堆叠、退火、流片等制备工序后直接进行封装得到，其制备过程较为简单，不需要将磁阻元件旋转180度后封装在一起，其应用于磁场测量时可不受机械封装的影响，可避免其线性范围受影响。因此，本发明实施例的磁阻元件可实现更高的灵敏度以及更宽的线性范围。

在本实施例中，磁阻元件还包括电连接部，电连接部用于电接触第一元件部和第二元件部，可使得磁阻元件中各第一元件部和各第二元件部连接形成惠斯通电桥结构。

具体的，电连接部可以为多个焊盘。

可理解的是，该第一元件部的数量可以为2个或2个以上，该第二元件部的数量可以为2个或2个以上。每2个第一元件部以及每2个第二元件部可通过电连接部的焊盘依次电连接，形成惠斯通电桥结构。

图2为第一实施例中第一单位元件的截面结构示意图，如图2所示，第一单位元件101可以包括依次设置的第一底电极层1011、第一参考层1012、第一绝缘层1013、第一感测层1014以及第一顶电极层1015；第一参考层1012具有第一膜面1012a，其被磁化固定在第一膜面1012a的面内方向上的第一方向D1；第一方向D1平行于第一感测层1014的易磁化方向。

需要说明的是，第一单位元件可以为TMR磁阻元件。该第一单位元件还包括用于对第一参考层进行磁化固定的第一钉扎层（未示出），设置于第一底电极层与第一参考层之间，用于限定并保持第一参考层的磁化方向。该第一钉扎层的材质、形状等此处不做限定。

可理解的是，该第一感测层1014的结构可以呈盘状，其长轴长度与短轴长度的比值可以为1~2，其长轴长度可以为0.1~10μm，其厚度可以为0.5~500μm，其厚度与长轴长度的比值可以为1/500~1/50。

在本实施例中，该第一感测层1014可以包括靠近第一绝缘层1013的第一自由层以及靠近第一自由层的第二自由层，其中，第一自由层为铁磁性材料，第二自由层为软磁性材料。

具体地，该第一自由层的材质可以为CoFeB，该第二自由层的材质可以为坡莫合金、非晶合金或微晶合金。

图3为本实施例中第二单位元件的截面结构示意图，如图3所示，第二单位元件201包括依次设置的第二底电极层2011、第二参考层2012、第二绝缘层2013、第二感测层2014以及第二顶电极层2015；第二参考层2012具有第二膜面2012a，其被磁化固定在第一膜面2012a的面内方向上的第二方向D2；第二方向D2平行于第一感测层1014的易磁化方向。

需要说明的是，该第二单位元件可以为TMR磁阻元件。该第二单位元件还包括用于对第二参考层进行磁化固定的第二钉扎层（未示出），该第二钉扎层可设置于第二底电极层与第二参考层之间，用于限定并保持第一参考层的磁化方向。

在本发明的第二实施例中，如图4所示，在第二单位元件201中，第二感测层2014与第二顶电极层2015之间还包括反铁磁层2016，反铁磁层2016与第二感测层2014之间存在交换偏置场，交换偏置场的磁化方向平行于第一感测层1014的易磁化方向。

具体地，反铁磁层2016的厚度可以为20-30nm。

具体地，反铁磁层2016使用的材料可以为IrMn材料。

第一感测层和第二感测层2014的结构均可以为软磁性材料（如NiFe）覆盖铁磁性材料（如CoFeB），进而实现诱导涡旋畴结构。

具体地，在第一感测层1014中靠近第一绝缘层1013的一侧设置CoFeB材料层，在CoFeB材料层之上覆盖NiFe材料层，进而在第一感测层1014中形成诱导涡旋畴结构，在一定磁场下可得到闭合涡旋磁化图案。以及，在第二感测层2014中靠近第二绝缘层2013的一侧设置CoFeB材料层，在CoFeB材料层之上覆盖NiFe材料层，进而在第二感测层2014中形成诱导涡旋畴结构，在一定磁场下可得到闭合涡旋磁化图案。同时，在第二感测层2014上覆盖反铁磁层2016，可形成交换偏置场，破坏此涡旋畴结构，使得磁畴统一方向排布，即在第二感测层得到非闭合磁化图案。

可以理解的是，在本实施例中，第一单位元件101中第一感测层和第二单位元件201中第二感测层的形状可以相同，均呈盘状，其长轴长度与短轴长度的比值为1~2，其长轴长度为0.1~10μm，其厚度为0.5~500μm，其厚度与长轴长度的比值为1/500~1/50。

图5为第二实施例中第二单位元件的电阻随磁场变化的示意图，可以看出，在-H₁至+H₁的磁场范围内，随着磁场的变化，第一单位元件的电阻未发生改变。具体地，由于反铁磁层与第二感测层之间存在交换偏置场，当平行于第二参考层的磁化方向施加一个大的外部磁场时，由于第二感测层与第二参考层的磁化方向平行，此时第一单位元件的电阻为最小值，为图5中①所示；随着外部磁场的磁场强度逐渐减小，由于交换偏置场的作用，第二感测层的磁畴始终保持稳定，如图5中②所示；当磁场继续降低至0并反向增大至第一磁场时，第二感测层的磁畴开始发生转动，由于第二感测层与第二参考层的磁化方向不平行，第一单位元件的电阻开始逐渐变大，如图5中③所示；当外部磁场继续增大至第二磁场时，第二感测层完全反转，此时第二感测层磁畴与第二参考层磁畴反向排列，第二感测层与第二参考层的磁化方向反平行，第一单位元件的电阻为最大值，如图5中④所示；当外部磁场继续增大至第三磁场过程中，第一单位元件的电阻继续保持为最大值；当外部磁场由第三磁场继续增大，由于外部磁场超过第二参考层的钉扎场，第二参考层的磁畴发生转动，电阻开始降低，如图5中⑤所示；当外部磁场继续增大至第四磁场时，第二参考层磁畴完全翻转，此时第二感测层与第二参考层磁畴再次平行排列，阻值为最小值，如图5中⑥所示；当外部磁场由第四磁场逐渐减小时，阻值变化与第二感测层和第二参考层磁畴排列关系如图5中⑦到11所示，值得注意的是，由于交换偏置场的作用，磁场在负场时，第二感测层与第二参考层磁畴就会发生翻转，因此第二单位元件在±H₁磁场中阻值保持稳定。

图6为第二实施例中第一单位元件的电阻随磁场变化的示意图，可以看出，在-H₂至+H₂的磁场范围内，第一单位元件的电阻随磁场变化而均匀变化，具有一定的线性变化规律。

综合考虑图5和图6中示出的电阻随磁场的变化关系，若H₁大于H₂，则由此磁阻元件在±H₂范围内其信号输出随磁场线性变化，若H₂大于H₁，则在±H₁范围内其信号电压输出随磁场线性变化。

在第二实施例中，由于通过交换偏置效应钉扎第二单位元件中的第二感测层，被钉扎的第二元件部可以在预设磁场范围内输出信号保持稳定不变，作为对比，未被反铁磁层钉扎的第一单位元件由于具有涡旋畴结构而在该磁场范围内随磁场改变而线性变化，故第二元件可以在此范围内输出与外部磁场线性变化的信号，进而本磁阻元件可实现了对外部磁场的线性测量，同时由于第一元件部与第二元件部中参考层的磁化方向相同，其制备过程中不需要进行多次退火，实现了磁阻元件的一体成型。因此，本实施例的磁阻元件具有高的灵敏度与宽的线性范围。

在本发明的第三实施例中，如图7所示，第一感测层1014包括靠近第一绝缘层1013的第一自由层10141和靠近第一自由层10141的第二自由层10142；第一自由层10141为铁磁性材料，第二自由层10142为软磁性材料。第一自由层10141和第二自由层10142可以组成复合自由层结构。

需要说明的是，上述铁磁性材料可以为CoFeB。上述软磁性材料可以为坡莫合金、非晶合金或微晶合金，例如NiFe、CoFeAl或CoFeCuMo。软磁性材料对铁磁性材料结晶的影响极小，可以提高线性度，降低第一单位元件在磁场下的磁滞。此处不对以上各材料的种类进行限定。

在第三实施例中，参照图7，第二感测层2014包括设置于第二绝缘层2013和第二顶电极层2015之间的第三自由层20141；第三自由层20141为铁磁性材料，第三自由层20141具有形状各向异性场，使得其磁化方向平行于第一方向D1。

可理解的是，第三自由层20141的铁磁性材料可以和第一自由层10141的材质相同，例如为CoFeB。第二感测层与第一感测层相比，减少了一软磁层。该第一感测层2014由于其复合自由层结构，在磁场条件下较为容易诱导形成闭合涡旋磁化图案，而第二感测层2014在磁场条件下形成闭合涡旋磁化图案的可能性被大大降低了。

在第三实施例中，第三自由层20141中长轴与短轴的比值可以为3-10，其长轴平行于第一方向D1。因此，第一单位元件101和第二单位元件201中感测层的形状不同，同时由于第二单位元件中第二感测层的长轴与短轴的比值较大，使得第二感测层具有明显的形状各向异性。

可理解的是，在本实施例中，第二感测层仅包括第三自由层，且其长短轴比值明显增大，使得第二感测层受形状各向异性的影响，其难以形成闭合涡旋磁化图案，使得第二单位元件的电阻随外部磁场变化的规律也相应被改变。

图8为第三实施例中第二单位元件的电阻随磁场变化的示意图，可以看出，在-H₂至+ H₂的磁场范围内，随着磁场的变化，第一单位元件的电阻未发生改变。具体地，由于形状各向异性的影响，当平行于第二参考层的磁化方向施加一个大的外部磁场时，第三自由层与第二参考层的磁化方向平行，此时第二单位元件的电阻为最小值，为图8中1所示；当磁场逐渐减小，第三自由层与钉扎层磁畴始终保持稳定，如图8中2所示；当磁场降低至0并反向增大至某一值时，第三自由层的磁畴发生转动，电阻开始变大，如图8中3所示；当磁场继续增大至某一值时，第三自由层的磁畴完全反转，此时第三自由层磁畴与第二参考层磁畴反向排列，阻值为最大值，如图8中4所示；当磁场继续增大时，第二参考层磁畴发生转动，阻值开始降低，如图8中5所示；当磁场继续增大至某一值时，第二参考层磁畴完全翻转，此时第三自由层与第二参考层磁畴再次平行排列，阻值为最小值，如图8中6所示；当磁场开始减小时，阻值变化与第三自由层和第二参考层磁畴排列关系如图5中7到11所示，因此第二单位元件可在±H₂磁场中阻值保持不变。

图9为第三实施例中第一单位元件的电阻随磁场变化的示意图，可以看出，在-H₁至+H₁的磁场范围内，第一单位元件的电阻随磁场变化而均匀变化，具有一定的线性变化规律。

综合考虑图8和图9中示出的电阻随磁场的变化关系，若H₁大于H₂，则由此磁阻元件可以在±H₂范围内实现电压输出随磁场线性变化，若H₂大于H₁，则磁阻元件可以在±H₁范围内电压输出随磁场线性变化。

在本实施例中，第一元件部中具有复合自由层结构，易形成涡旋畴结构，其在预设磁场范围内下可产生线性变化的第一信号，而第二元件部中仅具有铁磁材料层，为非涡旋畴结构，其在预设磁场范围内可产生保持恒定的第二信号，进而使得磁阻元件中第一元件部与第二元件部的差分信号可在一定的外部磁场范围内与外部磁场呈线性变化。同时由于该磁阻元件中第一参考层与第二参考层的磁化方向相同，不需要将在形成第一元件部和第二元件部后进一步的进行翻转，实现磁阻元件的一体成型。

本发明实施例还提供了一种磁阻元件的制备方法，参照图10，图10为本发明一种磁阻元件的制备方法一实施例的流程示意图。

本实施例中，磁阻元件的制备方法包括：

步骤S10，提供一基底。

基底是用于承载沉积形成的膜层的载体，可以为平板状。基底的材料可以为Si（100）/SiO₂。

步骤S20，在基底上沉积形成磁堆叠，对磁堆叠进行流片及磁场退火，形成磁阻元件。

具体地，磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部，以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，第一单位元件和第二单位元件具有相同的磁化方向；第一元件部中第一感测层与第二元件部中第二感测层具有不同的结构。

具体的，磁场退火的步骤可以包括：在340-360℃及预设磁场下进行磁场退火40-80min。

可理解的是，进行磁场退火的目的在于，对磁阻元件中各参考层及感测层赋予一定的磁化方向。该预设磁场的大小可以为3000-5000Oe。

需要说明的是，此温度范围为高于CoFeB的结晶温度。退火的方向可以根据实际需要进行选择，以易轴方向作为参考。

需要说明的是，该磁场退火的步骤可以是在得到磁堆叠后进行，也可以是在进行流片之后进行，此处不做限制。

在一些可行的实施方式（即第一方案）中，在基底上沉积形成磁堆叠，对磁堆叠进行流片的步骤可以具体包括：

步骤S211，根据预设材质与预设厚度在基底上沉积形成磁堆叠；磁堆叠至少包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层及反铁磁层；

需要说明的是，该磁堆叠还可包括钉扎结构、保护层等其他有利于磁阻元件性能发挥的结构，该钉扎结构可设置于电极层与参考层之间，该保护层可以设置在反铁磁层的上方。

应理解的是，该磁堆叠中各层的堆叠顺序可以依次为：底电极层沉积在基底的上方，该参考层沉积在底电极层的上方，该绝缘层沉积在参考层的上方，该感测层沉积在绝缘层的上方，该反铁磁层沉积在感测层的上方。

步骤S212，对磁堆叠进行流片，形成至少一第一磁堆叠以及至少一第二磁堆叠，在磁堆叠中对应于第一磁堆叠的区域刻蚀反铁磁层以及沉积第一顶电极层，在磁堆叠层中对应于第二磁堆叠的区域沉积第二顶电极层；

需要说明的是，在磁堆叠中对应于第一磁堆叠的区域刻蚀反铁磁层指的是将感测层上方的反铁磁层刻蚀，以避免反铁磁层的存在影响了第一磁堆叠的结构；如该磁堆叠在反铁磁层上方还设置有其他结构（例如，保护层）的话，在此步骤也应一并刻蚀，如有需要的话，可以在刻蚀之后再沉积相应的材料，如保护层。

本方案，在进行刻蚀之后的第一磁堆叠及第二磁堆叠的截面结构示意图如图15所示。

在本方案中，可以先在基底上形成包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层及反铁磁层的磁堆叠，再通过流片进行区域划分，形成至少一第一磁堆叠和至少一第二磁堆叠。

具体地，通过流片进行区域划分，包括：

步骤S2121：在磁堆叠中第一磁堆叠和第二磁堆叠的对应位置覆盖光刻胶，如图11所示，再进行刻蚀，使得磁堆叠中除底电极层，仅有光刻胶所覆盖的区域被保留下来。

需要说明的是，该刻蚀的深度对应于底电极层以上的区域。该刻蚀可以采用IBE（Ion Beam Etching，离子束刻蚀）技术实现。

该第一磁堆叠与第二磁堆叠的形状不一定为圆形、椭圆形，该区域至少应覆盖第一元件部与第二元件部的所有结构。

步骤S2122：将磁堆叠中各第一底电极层和各第二底电极层的对应位置覆盖光刻胶，如图12所示，再进行刻蚀，使得磁堆叠中仅有第一底电极层和第二底电极层对应的区域被保留下来。

此步骤的目的在于得到第一底电极层和第二底电极层，即底部电极。

需要说明的是，该刻蚀的深度对应基底以上的区域。

应理解的是，该第一底电极层、第二底电极层对应的区域应跨至少2个第一磁堆叠或第二磁堆叠，进而实现2个第一磁堆叠或第二磁堆叠的电连接。

可理解的是，在刻蚀底电极层之后，还可以采用ICPCVD（Inductively CoupledPlasma Chemical Vapour Deposition，电感耦合等离子体化学气相沉积）技术在在刻蚀区域生长厚度为200-300nm的SiO₂，形成绝缘保护层。

步骤S2123：将磁堆叠中各第一磁堆叠以外的对应区域覆盖光刻胶，如图13所示，再对各第一单位元件对应的区域进行刻蚀，以拆除第一单位元件中反铁磁层及其以上的结构；

步骤S2124：将磁堆叠中各第二磁堆叠以外的对应区域覆盖光刻胶，如图14所示，再对第二磁堆叠中第二单位元件对应的区域进行刻蚀，以拆除第二单位元件中反铁磁层以上的结构；

需要说明的是，该步骤S2124可以在步骤S2123之前或之后执行。

步骤S2125：在各第一磁堆叠和各第二磁堆叠对应区域的上方中分别沉积第一顶电极层和第二顶电极层，以及沉积用于连接各第一磁堆叠和各第二磁堆叠的多个焊盘（即电极），如图16所示。

需要说明的是，各焊盘可与部分第一顶电极层和第二顶电极层电接触。各磁堆叠的数量以及连接方式不限于图16所示。各第一磁堆叠可以呈串联和/或并联方式实现电连接。

图15为本方案中第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系对比示意图，从图15中可以见得，第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系不同的区域仅在于其最上面的两层，通过不同区域开孔刻蚀时间的控制，可以实现同一基底上不同材料体系的制备。

具体的，第一磁堆叠和第二磁堆叠均包括依次堆叠的底电极层（即金属层）、用于对参考层进行钉扎的钉扎层（即AFM、FM、金属层）、参考层（FM）、绝缘层、感测层（FM、FM），第二磁堆叠上方还包括用于影响感测层的反铁磁层（AFM）以及用于保护作用的金属层。

需要说明的是，第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系不仅限于图15所示。

图16为采用第一方案制备的磁阻元件的结构示意图，两个第一元件部10和两个第二元件部20可以分别作为惠斯通电桥结构中的桥臂，通过焊盘（或电极）依次连接成惠斯通电桥结构。

在另一些可行的实施方式（即第二方案）中，在基底上沉积形成磁堆叠，对磁堆叠进行流片的步骤可以包括：

步骤S221，根据预设材质与预设厚度在基底上沉积形成磁堆叠；磁堆叠至少包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层；

具体地，该感测层包括感测一层和感测二层。

需要说明的是，该感测一层与感测二层分别为不同材质，此处不做限定。

本方案中预设材质与预设厚度是指磁堆叠中各层的材质与厚度，可以根据实际需求进行设置。

需要说明的是，该磁堆叠不仅限于底电极层、参考层、绝缘层、感测层，还可以包括钉扎结构，该钉扎结构可设置于电极层与参考层之间。在不考虑该钉扎结构情况下，该磁堆叠中各层的堆叠顺序可以为：底电极层沉积在基底的上方，该参考层沉积在底电极层的上方，该绝缘层沉积在参考层的上方，该感测层沉积在绝缘层的上方，该反铁磁层沉积在感测层的上方。

步骤S222，对磁堆叠进行流片，形成至少一第一磁堆叠以及至少一第二磁堆叠；在磁堆叠中对应于第一磁堆叠的区域沉积第一顶电极层，在磁堆叠中对应于第二磁堆叠的区域刻蚀感测二层以及沉积第二顶电极层，第一磁堆叠中感测一层与第二磁堆叠中感测一层具有不同的形状。

具体地，在本方案中，可以先在基底上形成包括底电极层、参考层、绝缘层、感测一层、感测二层的磁堆叠，再通过流片进行区域划分，形成至少一第一磁堆叠和至少一第二磁堆叠。

需要说明的是，第一磁堆叠中感测一层与第二磁堆叠中感测一层具有不同的形状，例如，可以设置第一磁堆叠形状为长短轴比值为1-2的椭圆形，第二磁堆叠形状为长短轴比值为3-10的椭圆形。

图17为第二方案中第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系对比示意图，从图17中可以见得，第一磁堆叠和第二磁堆叠的材料体系不同的区域仅在于其最顶层还包括金属层和AFM，通过不同区域开孔刻蚀时间的控制，即可以实现同一基底上不同材料体系的制备。

图18为采用第二方案制备的磁阻元件的结构示意图，两个第一元件部10和两个第二元件部20可以分别作为惠斯通电桥结构中的桥臂，通过焊盘依次连接，形成惠斯通电桥结构。

需要说明的是，在图18中所示的第一单位元件与第二单位元件的形状示意的是其中感测层所对应的形状。

因此，在本方案中，通过控制不同区域开孔刻蚀的时机，结合涡旋结构磁阻传感器的优点，实现惠斯通电桥结构的一体成型，降低了两个磁阻传感器芯片不同时成型再组装在一起导致的性能差异。

本发明还提供一种磁传感装置，磁传感装置包括上述磁阻元件，或采用上述磁阻元件的制备方法得到的磁阻元件。该磁传感装置可用于电流感测、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。

该磁传感装置继承了磁阻元件的高灵敏度及宽线性范围的优点，更加适用于电流测量、速度测量、方向测量、旋转角度测量以及接近测量，可进一步降低其测量误差。

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。

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 (10)

1.一种磁阻元件，其特征在于，用于磁场测量，所述磁阻元件包括：

第一元件部，其包括一个以上的第一单位元件；以及，

第二元件部，其包括一个以上的第二单位元件；

所述第一元件部和所述第二元件部串联连接；

所述第一单位元件包括第一参考层以及具有闭合涡旋磁化图案的第一感测层，用于在预设磁场范围内响应于外部磁场输出线性变化的第一信号；

所述第二单位元件包括第二参考层以及具有非闭合磁化图案的第二感测层，用于在所述预设磁场范围内响应于外部磁场输出保持恒定的第二信号；

所述第二参考层与所述第一参考层具有相同的磁化方向。

2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其特征在于，

所述磁阻元件还包括：

电连接部，其用于电接触所述第一元件部和所述第二元件部，使所述磁阻元件中各所述第一元件部与各所述第二元件部连接形成惠斯通电桥结构；

所述第一单位元件包括依次设置的第一底电极层、所述第一参考层、第一绝缘层、所述第一感测层以及第一顶电极层；所述第一参考层具有第一膜面，其被磁化固定在所述第一膜面的面内方向上的第一方向；所述第一方向平行于所述第一感测层的易磁化方向；

所述第二单位元件包括依次设置的第二底电极层、所述第二参考层、第二绝缘层、所述第二感测层以及第二顶电极层；所述第二参考层具有第二膜面，其被磁化固定在所述第二膜面的面内方向上的第二方向；

所述第二方向平行于所述第一感测层的易磁化方向。

3.根据权利要求2所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第一感测层包括靠近所述第一绝缘层的第一自由层以及靠近所述第一自由层的第二自由层；所述第一自由层为铁磁性材料，所述第二自由层为软磁性材料。

4.根据权利要求2或3所述的磁阻元件，其特征在于，

在所述第二单位元件中，所述第二感测层与所述第二顶电极层之间还包括反铁磁层，所述反铁磁层与所述第二感测层之间存在交换偏置场，所述交换偏置场的磁化方向平行于所述第一感测层的易磁化方向。

5.根据权利要求4所述的磁阻元件，其特征在于，所述反铁磁层的厚度为20-30nm。

6.根据权利要求3所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第二感测层包括设置于所述第二绝缘层和所述第二顶电极层之间的第三自由层；

所述第三自由层为铁磁性材料；

所述第三自由层具有形状各向异性场，使得所述第二感测层具有平行于所述第一方向的磁化方向。

7.根据权利要求6所述的磁阻元件，其特征在于，

所述第三自由层的长轴与短轴的比值为3-10，其长轴平行于所述第一方向。

8.一种磁阻元件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底上沉积形成磁堆叠，对所述磁堆叠进行流片及磁场退火，形成权利要求1-7中任一项所述的磁阻元件；

其中，所述磁阻元件包括包含有一个以上第一单位元件的第一元件部，以及包含有一个以上第二单位元件的第二元件部，所述第一单位元件中第一参考层与所述第二单位元件中第二参考层具有相同的磁化方向；

所述磁场退火包括：

在340-360℃及预设磁场下进行退火40-80min。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，

所述预设磁场的磁场强度为3000-5000 Oe，所述预设磁场的磁场方向为平行于所述第一感测层的易磁化方向；

所述在所述基底上沉积形成磁堆叠，对所述磁堆叠进行流片包括：

根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成磁堆叠；所述磁堆叠至少包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层及反铁磁层；

对所述磁堆叠进行流片，形成至少一第一磁堆叠以及至少一第二磁堆叠，在所述磁堆叠中对应于所述第一磁堆叠的区域刻蚀所述反铁磁层以及沉积第一顶电极层，在所述磁堆叠层中对应于所述第二磁堆叠的区域沉积第二顶电极层；

或，

根据预设材质与预设厚度在所述基底上沉积形成磁堆叠；所述磁堆叠至少包括底电极层、参考层、绝缘层、感测层；所述感测层包括感测一层和感测二层；

对所述磁堆叠进行流片，形成至少一第一磁堆叠以及至少一第二磁堆叠；在所述磁堆叠中对应于所述第一磁堆叠的区域沉积第一顶电极层，在所述磁堆叠中对应于所述第二磁堆叠的区域刻蚀所述感测二层以及沉积第二顶电极层，所述第一磁堆叠中感测一层与所述第二磁堆叠中感测一层具有不同的形状。

10.一种磁传感装置，其特征在于，所述磁传感装置包括磁阻元件；

所述磁阻元件为权利要求1-7中任一项所述的磁阻元件，或采用权利要求8或9所述的制备方法制得；

所述磁传感装置用于电流感测、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。