[发明专利]单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及GMR、MTJ桥式传感器的设计和制备，特别的是一种单一芯片的桥式磁场传感器。所述方法可以用于在单一磁性薄膜上制作半桥、全桥GMR、MTJ磁性传感器。

背景技术

磁性隧道结传感器（MTJ,Magnetic Tunel Junction）是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR，Tunnel Magnetoresistance),主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化,磁性多层膜的电阻发生明显变化，它比之前所发现并实际应用的AMR(各向异性磁电阻效应)、具有更大的电阻变化率,同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性.MTJ磁性传感器具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，功耗低，温度稳定性高的优点。用MTJ制成的磁场测量器件,比AMR、GMR、霍尔器件具有灵敏度更高、功耗更低、线性更好、动态范围更宽、温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此外MTJ还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。

推挽桥式传感器具有比单电阻、参考电阻桥式传感器更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。传统的推挽式桥式传感器要求相邻两个桥臂电阻中的磁性隧道结的钉扎层磁矩方向相反，而通常沉积在同一硅片上的磁性隧道结MTJ，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的磁电阻钉扎层磁矩通常都相同。这使得制作推挽桥式传感器存在很大困难。目前制作推挽留桥式传感器的方法主要有：

采用两次成膜工艺，分两次分别沉积钉扎层方向相反的MTJ元件，这使得其制作工艺复杂，同时第二次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄膜。这使得前后两次成膜的一致性差，导致桥式传感器不同桥臂的电阻不相同，影响传感器的整体性能。

多芯片封装技术。通常从同一硅片或是不同硅片取两个一致性好的磁电阻，这两个磁电阻的敏感方向相同（钉扎层方向），然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转180度进行多芯片封装，构成推挽式半桥。这样的结果是能够实现推挽式半桥的功能，即提高了检测灵敏度，具有温度补偿功能，但是另一方面多芯片封装，封装尺寸大，生产成本高；实际封装时不能严格的进行180度翻转，即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差180度，使得两个电阻随外场变化的输出特性不相同，出现灵敏度不同，存在比较大的偏置电压等不对称问题，这样在实际应用中就会带来新的问题。

激光加热辅助磁畴局部翻转法。通常在硅片上制备GMR、MTJ全桥时，采用将GMR、MTJ硅片在同一强磁场中退火来使不同桥臂的钉扎层磁矩方向相同。之后采用激光对硅片进行局部加热辅助磁矩翻转，使得桥式传感器相邻桥臂的钉扎层磁矩方向相反，从而实现单一硅片的桥式传感器。但是激光加热辅助磁畴翻转的方法需要专用设备，设备昂贵，增加了工艺复杂度，同时激光加热所制得的桥式传感器，其各桥臂的电阻一致性也无法得到保证。

从以上可以看出，现有的单一芯片桥式传感器都存在整体性能无法保证，生产成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种全新的单一芯片桥式磁场传感器及其制备方法，可以方便的在单一芯片上制备桥式磁场传感器。

为达到上述目的，本发明提供了一种单一芯片全桥磁场传感器，包括四个磁电阻元件，其中每个磁电阻元件包括一个或多个GMR或MTJ传感元件，传感元件由自旋阀构成，所述磁电阻元件具有一磁性自由层和磁性钉扎层；所述四个磁电阻元件的磁性钉扎层的方向设置在相同的一个方向上；位于相对位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向相同，每个磁电阻的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角相同，位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性钉扎层的磁矩方向所成的夹角的角度相同或互补，且位于相邻位置的两个磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向不相同。

优选地，磁电阻元件的磁性自由层的磁矩方向采用形状各向异性进行偏置，磁电阻元件具有使磁性自由层磁矩方向指向其磁性易轴方向的形状，该传感器上还集成设置有用于对该推挽单一芯片全桥磁场传感器的磁性自由层的磁矩进行辅助偏置的片状永磁体。

优选地，所有的片状永磁体形状相同，片状永磁体充磁后的所形成的磁场方向使磁电阻元件的自由层磁矩指向其磁性易轴方向。