一種低噪聲磁電阻傳感器的制作方法

本實用新型涉及到磁電阻傳感器，尤其涉及到一種低噪聲磁電阻傳感器。

背景技術：

弱磁場是指磁場等級在地磁場附近(0.5Oe)或較弱于地磁場的磁場強度大小。而絕大多數的磁場均位于弱磁場區間。鐵磁性物體在地磁場中會被磁化，而被磁化的物體會對周圍磁場產生擾動。體積較小的永磁體或通有微弱電流的電子產品也會在一定空間范圍內產生磁場。

隨著科學技術的發展，人們在磁場測量方面設計出了各種不同的磁場傳感器,并廣泛的應用于磁場測量之中。在探礦、地下鉆孔、水下定位、無損探傷，磁場成像、航海系統，地震預測，航空航天等探測磁場的大小、方向方面往往需要測量弱磁場的微弱變化或擾動。由于磁場(如地磁場)強度較低，信號較弱，如果傳感器本體噪聲與磁場信號相近，則探測信號湮沒在噪聲背景中，無法獲得有效數據。因此，檢測磁場的微弱變化，需要采用低本體噪聲、高分辨率的傳感器，目前最常見的是采用磁通門磁力儀，磁通門磁力儀是一種測量磁場的傳感器，根據法拉第電磁感應原理設計而成，一般采用坡莫合金作為磁芯。然而磁通門磁力儀體積較大，成本較高，更重要的是磁通門必須靜置測量，否則誤差較大。

隨著技術的不斷進步，磁場測量傳感器的領域需要一種新型的磁場檢測裝置能夠解決分辨率低、成本高、誤差大、操作復雜、體積較大等技術問題。

技術實現要素：

為了解決以上技術問題，本實用新型提出了一種低噪聲的磁電阻傳感器。本實用新型的磁電阻傳感器使用多個大的通量集中器來增加傳感器的靈敏性和傳感器的面積，這樣可以減少傳感器的自身噪音。此外，由于磁電阻傳感器使用TMR元件，本實用新型的傳感器比磁通門具有更高的帶寬，且具有能耗低、尺寸小等優點。

本實用新型提出了一種低噪聲磁電阻傳感器，包括兩個磁電阻傳感器切片，其中一個磁電阻傳感器切片為另一個磁電阻傳感器切片在X-Y平面內旋轉180度角度相位得到，所述的磁電阻傳感器切片包括基片襯底、底層電極層、MTJ磁電阻層、頂層電極層、絕緣層和多個通量集中器，所述的底層電極層為導電材料并沉積在所述的基片襯底上，所述的MTJ磁電阻層由多個MTJ磁電阻單元串陣列構成，每個MTJ磁電阻單元串由多個MTJ磁電阻單元構成，所述的頂層電極層覆蓋所述的MTJ磁電阻單元串，所述的絕緣層覆蓋所述的底層電極層、所述的MTJ磁電阻層和所述的頂層電極層，其特征在于，所述的通量集中器位于MTJ磁電阻層的上表面或者下表面，所述的MTJ磁電阻單元位于所述的通量集中器之間的間隙處，每個所述的MTJ磁電阻單元的形狀為末端具有錐形或圓弧形的結構，所述的MTJ磁電阻單元的長度與寬度的比值在1.5—100之間，所述的MTJ磁電阻單元的寬度在0.1微米—10微米之間。

優選地，所述的基片襯底的材料為硅。

優選地，兩個所述的磁電阻傳感器切片上的磁電阻傳感單元串陣列電連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋，所述推挽式磁電阻傳感單元電橋至少包括一個推臂和一個挽臂，所述推臂包括至少一個推磁電阻傳感單元串，所述挽臂包括至少一個挽磁電阻傳感單元串，所述的推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串均由所述的MTJ磁電阻傳感單元構成。

優選地，所述MTJ磁電阻傳感單元包括自下而上依次分布的種子層、反鐵磁層AF1、合成反鐵磁釘扎層、隧道結、自由層、反鐵磁層AF2、覆蓋層，其中所述的反鐵磁層AF1的材料為PtMn，反鐵磁層AF2的材料為IrMn，合成反鐵磁釘扎層采用CoFe/Ta/CoFe/Ru/CoFeB的結構，自由層采用CoFeB/NiFe的結構，隧道結的材料為MgO。

優選地，所述的絕緣層的材料為SiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、聚酰亞胺或光刻膠。

優選地，所述的底層電極層為鉭與釕交替構成的多層結構，所述的頂層電極層的材料為金。

優選地，所述的MTJ磁電阻層由兩個相同的MTJ磁電阻單元串陣列構成，所述的MTJ磁電阻單元串陣列由所述的MTJ磁電阻單元串串聯連接而成，每個所述的MTJ磁電阻單元串陣列構成推挽式磁電阻傳感單元電橋的推臂和挽臂。

其中，相鄰MTJ磁電阻單元串之間的間隙GAP1將每一個矩形的通量集中器分割成四個獨立的部分。

優選地，所述的MTJ磁電阻層由四個相同的MTJ磁電阻單元串陣列構成，所述的MTJ磁電阻單元串陣列由所述的MTJ磁電阻單元串串聯連接而成，其中兩個MTJ磁電阻單元串陣列串聯或并聯連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋的推臂，另外兩個MTJ磁電阻單元串陣列串聯或并聯連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋的挽臂。

其中，相鄰MTJ磁電阻單元串之間的間隙GAP1以及上下MTJ磁電阻單元陣列之間的間隙GAP2將每一個矩形的通量集中器分割成四個獨立的部分。

優選地，所述的MTJ磁電阻層由多個相同的MTJ磁電阻單元串陣列構成，所述的MTJ磁電阻單元串陣列由所述的MTJ磁電阻單元串串聯連接而成，所述的MTJ磁電阻單元串陣列電連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋，所述的MTJ磁電阻單元串陣列混合連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋的推臂和挽臂。

優選地，所述的通量集中器包括內部通量集中器和外部通量集中器，內部通量集中器的寬度為200微米、長度為1010微米，外部通量集中器的寬度為300微米、長度為1010微米。

優選地，所述的MTJ磁電阻單元的形狀由一個矩形和兩個相同的三角形組合構成，兩個三角形的兩條底邊分別與矩形的一對對邊共邊。

優選地，所述的矩形的寬度為4微米、長度為109微米，所述的三角形的底邊為4微米、高為5微米。

優選地，所述的MTJ磁電阻單元的形狀由一個矩形和兩個相同的弓形組合構成，兩個弓形的兩條弦分別與矩形的一對對邊共邊。

與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型的低噪聲磁電阻傳感器具有高帶寬、低能耗、分辨率高、低噪聲等優點。

附圖說明

作為說明書的一部分，下列說明書附圖用于解釋本實用新型的技術方案，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，能夠通過以下附圖，獲得其他附圖。

圖1為本實用新型低噪聲磁電阻傳感器分布的示意圖；

圖2為本實用新型的MTJ磁電阻傳感單元的多層薄膜示意圖；

圖3為本實用新型的磁電阻元件的放大示意圖；

圖4為本實用新型低噪聲磁電阻傳感器的第一實施例示意圖；

圖5為本實用新型的第一實施例的MTJ磁電阻單元的連接示意圖；

圖6為本實用新型低噪聲磁電阻傳感器的第二實施例示意圖；

圖7為本實用新型的第二實施例的MTJ磁電阻單元的連接示意圖；

圖8為本實用新型的磁電阻傳感器的全橋電路圖；

圖9為本實用新型的磁電阻傳感器的全橋結構電路示意圖；

圖10為磁通門磁力儀、AMR傳感器及本實用新型的磁電阻傳感器的噪聲測試數據對比圖。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。

圖1為磁電阻結構的示意圖，本實用新型的低噪聲磁電阻傳感器包括兩個磁電阻傳感器切片，其中一個磁電阻傳感器切片為另一個磁電阻傳感器切片在X-Y平面內旋轉180度角度相位得到，所述的磁電阻傳感器切片包括基片襯底、底層電極層、MTJ磁電阻層、頂層電極層、絕緣層和多個通量集中器，頂層電極層104和底層電極層102交錯串連，底層電極層102直接與基片襯底102接觸，基片襯底的材料為硅，頂層電極層104典型材料為金，底層電極層102為鉭和釕交替構成的多層結構。所述的絕緣層105覆蓋所述的底層電極層102、所述的MTJ磁電阻層103和所述的頂層電極層104。所述的MTJ磁電阻層103由多個MTJ磁電阻單元串陣列構成，每個MTJ磁電阻單元串由多個MTJ磁電阻單元構成。所述的通量集中器位于MTJ磁電阻層的上表面或者下表面，所述的MTJ磁電阻單元位于所述的通量集中器之間的間隙處。

如圖2所示為磁電阻元件薄膜結構示意圖，由種子層201、反鐵磁層AF1202、合成反鐵磁釘扎層203、隧道結204、自由層205、反鐵磁層AF2206、覆蓋層207構成。其中，反鐵磁層AF1202的材料為PtMn，反鐵磁層AF2206的材料為IrMn，合成反鐵磁釘扎層203采用CoFe/Ta/CoFe/Ru/CoFeB的結構，自由層205采用CoFeB/NiFe的結構，隧道結204的材料為MgO。這樣在同一芯片上需要沉積2種不同的反鐵磁層AF1和AF2，并且每種有兩種不同的多層薄膜沉積順序，并且對于AF1和AF2需要有兩種不同的磁場退火溫度和退火磁場方向，假設AF1和AF2中其中一種阻擋溫度為Tb1，另一種的阻擋溫度為Tb2，其中Tb1>Tb2，則磁場退火時，先對Tb1進行磁場退火而后對Tb2進行磁場退火。

圖3為MTJ磁電阻單元的放大示意圖，如圖3所示，所述的MTJ磁電阻單元的長度與寬度的比值在1.5—100之間，所述的MTJ磁電阻單元的寬度在0.1微米—10微米之間。所述的MTJ磁電阻單元303的典型結構為：由一個矩形和兩個相同的三角形組合構成，其中，兩個三角形的兩條底邊分別與矩形的一對對邊共邊，矩形的寬度為4微米、長度為109微米，三角形的底邊為4微米、高為5微米；所述的MTJ磁電阻單元的形狀也可以是：由一個矩形和兩個相同的弓形組合構成，兩個弓形的兩條弦分別與矩形的一對對邊共邊。所述的通量集中器包括內部通量集中器301和外部通量集中器302，其中內部通量集中器的寬度為200微米，長度為1010微米，外部通量集中器的寬度為300微米，長度為1010微米。所述的切片大小為9×4.5mm。

圖4為本實用新型的一個實施例，MTJ磁電阻層由兩個相同的MTJ磁電阻單元串陣列構成，所述的MTJ磁電阻單元串陣列串聯連接，每個所述的MTJ磁電阻單元串陣列構成推挽式磁電阻傳感單元電橋的推臂和挽臂。其中，MTJ磁電阻單元串陣列的大小為32行、20列的MTJ磁電阻單元串，在同一列中，每8個MTJ磁電阻單元串為一節，共分為4節，其中相鄰兩節MTJ磁電阻單元串的間距為50微米。

圖5為本實用新型的第一實施例的MTJ磁電阻單元連接示意圖，切片上的磁電阻單元串串聯連接，相鄰MTJ磁電阻單元串之間的間隙GAP1為50微米，間隙GAP1將每一個矩形的通量集中器分割成四個獨立的部分。

圖6為本實用新型的另一個實施例，所述的MTJ磁電阻層為四個相同的MTJ磁電阻單元串陣列構成，其中兩個MTJ磁電阻單元串陣列串聯或并聯連接推挽式磁電阻傳感單元電橋的推臂，另外兩個MTJ磁電阻單元串陣列串聯或并聯連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋的挽臂。其中，每個所述的磁電阻條陣列中的磁電阻條串聯連接，其中，MTJ磁電阻單元串陣列大小為32行、59列的MTJ磁電阻單元串，在同一列中，每8個MTJ磁電阻單元串為一節，共分為2節，其中每相鄰兩節MTJ磁電阻單元串的間隙為50微米。

圖7為本實用新型的第二實施例的MTJ磁電阻單元連接示意圖，切片上的磁電阻單元串陣列分別串聯連接，相鄰MTJ磁電阻單元串之間的間隙GAP1為50微米，上下MTJ磁電阻單元陣列之間的間隙GAP2為大于等于50微米，間隙GAP1和間隙GAP2將每一個矩形的通量集中器分割成四個獨立的部分。

此外，所述的MTJ磁電阻層由多個相同的MTJ磁電阻單元串陣列構成，電連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋，所述的MTJ磁電阻單元串陣列混合連接成推挽式磁電阻傳感單元電橋的推臂和挽臂。

圖8為磁電阻傳感器的推挽式全橋結構，本實用新型的低噪聲磁電阻傳感器，包括兩個磁電阻傳感器切片，其中一個磁電阻傳感器切片為另一個磁電阻傳感器切片在X-Y平面內旋轉180度角度相位得到，構成推挽式全橋結構。如圖9所示為本實用新型的磁電阻傳感器的推挽式全橋電路結構示意圖，所述的磁電阻傳感器切片上的磁電阻傳感單元組成推挽式電橋的推臂和挽臂，所述的推臂和挽臂都包括多個MTJ磁電阻單元串。

圖10為噪聲測試數據對比圖，圖中標注“良好磁通門”的線表示磁通門磁力儀的噪聲測試數據，磁通門是一種基于電感應器的不同于本實用新型的技術，其噪聲低但成本非常高；圖中，曲線HMC1001表示AMR傳感器的噪聲測試數據，曲線Q4V27-JI和Q4V27-J2是采用本實用新型的磁電阻傳感器測得的噪聲數據，人們普遍認為TMR不會比AMR的噪聲更低，然而，圖中數據表明本實用新型的傳感器產生的噪聲比AMR傳感器的噪聲更低。

基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。盡管本實用新型就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本實用新型的權利要求所限定的范圍，可以對本實用新型進行各種變化和修改。