专利名称：单片双轴桥式磁场传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及桥式传感器的设计和制备，特别的是一种单一芯片双轴桥式磁场传感器。
背景技术：
磁性传感器广泛用于现代系统中以测量或感应磁场强度、电流、位置、运动、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。但是，他们都受到了现有技术中的各种众所周知的限制，例如，尺寸过大，灵敏度低，动态范围窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持续地改进磁传感器，特别是改进易与半导体器件或集成电路整合的传感器及其制造方法是有必要的。隧道结磁电阻传感器(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)具有高灵敏度，尺寸小， 成本低以及功耗低等优点。尽管MTJ传感器与半导体标准制造工艺相兼容，但是高灵敏度的MTJ传感器并没有实现低成本大规模生产。特别是传感器的成品率取决于MTJ元件磁阻输出的偏移值，组成电桥的MTJ的磁阻很难达到高的匹配度，同时正交磁场传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂。

实用新型内容本实用新型提供了一种采用标准半导体制造工艺、用于规模生产的双轴线性磁电阻传感器芯片的制备方法。双轴传感器采用隧道结磁电阻元件或巨磁电阻(GMR)元件在同一半导体基片上制备两个不同的桥式磁传感器以感应正交磁场分量。双轴磁传感器能够感应正交磁场分量依赖于传感元件的几何形状。桥式传感器通过设置永磁偏置层后能更稳定，永磁层在晶圆级别或在封装之后通过同一工序在强磁场中初始化。因为桥式传感器的永磁偏置层和参考层沿同一方向初始化，没有通过特殊处理，局部加热，或者在不同的工序中沉积不同的磁性材料。本实用新型提供了一种单片双轴桥式磁场传感器，它包括一沿“Y”轴方向敏感的参考桥式传感器和一沿“X”轴方向敏感的推挽桥式传感器，所述参考桥式传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器包括传感元件，其中“X”轴和“Y”轴相正交。优选地，所述参考桥式传感器为参考全桥传感器，该参考全桥传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器为推挽全桥传感器，。优选地，它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。优选地，所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。优选地，所述参考桥式传感器为参考半桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽半桥传感器。[0010]优选地，它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。优选地，所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。优选地，所述参考桥式传感器包括参考臂和感应臂。优选地，所述参考桥式传感器包括一用于包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层以降低参考臂的灵敏度，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。优选地，所述参考桥式传感器的传感元件周边设置有高磁导率的铁磁材料以增加传感元件的灵敏度。。本实用新型采用以上结构，能够实现低成本大规模的在同一半导体基片上集成制作。

图1是隧道结磁电阻的示意图。图2是参考层磁化方向为难轴的自旋阀磁电阻元件的输出示意图。图3是将多个磁隧道结元件合并为一个等效磁电阻元件的连接示意图。图4是线性参考全桥磁电阻传感器的原理图。图5是一种采用永磁偏置产生交叉偏置场的参考全桥传感器的布局图。图6是参考全桥传感器在外加磁场沿灵敏度方向的分量作用下的响应图。图7是参考全桥传感器在外加磁场垂直于灵敏方向的分量作用下的响应图。图8是参考全桥磁电阻传感器的输出曲线的模拟结果。图9为线性推挽全桥磁电阻传感器的原理图。图10利用形状各项异性能和永磁体偏置的一种推挽全桥传感器的概念图。永磁体结构用于产生偏置磁场，旋转的自由层磁化方向用于产生推挽输出曲线。图11是自由层磁化方向旋转的推挽全桥磁电阻传感器在外场沿灵敏度方向的分量作用下的响应图。图12是是自由层磁化方向旋转的推挽全桥磁电阻传感器在外场垂直于灵敏度方向的分量作用下的响应图。图13是推挽全桥磁电阻传感器的输出图。图14是通过设置永磁体产生磁偏置的第一效果图。图15是通过设置永磁体产生磁偏置的第二效果图。图16是采用推挽全桥和参考全桥设计的单片双轴桥式磁场传感器的布局概念图。
具体实施方式
磁性隧道结概述图1是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件1 一般包括上层的铁磁层和反铁磁层10 (Synthetic Ant!ferromagnetic, SAF)，以及下层的铁磁层和SAF层11，两个磁性层之间的隧道势垒层12。在这种结构中，上层的铁磁层和SAF层10组成了磁性自由层，其磁化方向随外部磁场的改变而变化。下层的磁性层和SAF层11是一个固定的磁性层，因为其磁化方向是钉扎在一个方向，在一般条件下是不会改变的。钉扎层通常是在反铁磁性层13的上方或下方沉积铁磁层或SAF层。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层14 的上方，同时MTJ结构的上方为电极层15。MTJ的种子层14和保护层15之间的测量电阻值16是代表自由层10和钉扎层11的相对磁化方向。当上层的铁磁层和SAF层10的磁化方向与下层的铁磁层11的磁化方向平行时，整个元件的电阻16在低阻态。当上层的铁磁层10的磁化方向与下层的磁性层12的磁化方向反平行时，整个元件的电阻16在高阻态。 通过已知的技术，MTJ元件1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化。 图2是适用于线性磁场测量的GMR或MTJ磁电阻元件的输出曲线示意图。输出曲线在低阻态21和高阻态22的阻值时饱和，分别代表低阻态和高阻态的阻值。在阻值为&时，钉扎层和自由层磁化方向平行(28)；在阻值为&时，钉扎层和自由层磁化方向反平行(29)。在达到饱和之前，输出曲线是线性依赖于外加磁场H。输出曲线通常不与H=O 的点对称。H0 (25)是饱和场沈、27之间的典型偏移，&的饱和区域更接近H=O的点。H0 (25)的值通常被称为“桔子皮效应(Orange Peel)”或“奈尔耦合(Neel Coupling)”，其典型值通常在1到25 Oe之间，与GMR或MTJ元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。在不饱和区域，输出曲线方程可以近似为
权利要求1.一种单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于它包括一沿“Y”轴方向敏感的参考桥式传感器和一沿“X”轴方向敏感的推挽桥式传感器，所述参考桥式传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器包括传感元件，其中“X”轴和“Y”轴相正交。
2.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于所述参考桥式传感器为参考全桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽全桥传感器。
3.根据权利要求2所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。
4.根据权利要求2所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。
5.根据权利要求2所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于它还包括一用于偏置的永磁体，所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件以及所述推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状，永磁体产生的磁偏置场和磁各向异性的形状的磁各向异性能的结合以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。
6.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于所述参考桥式传感器为参考半桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽半桥传感器。
7.根据权利要求6所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。
8.根据权利要求6所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。
9.根据权利要求6所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于它还包括一用于偏置的永磁体，所述参考半桥的参考元件和传感元件以及所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状，永磁体产生的磁偏置场和磁各向异性的形状的磁各向异性能的结合以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。
10.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于所述参考桥式传感器包括一用于包覆住参考元件的屏蔽层以降低参考元件的灵敏度，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。
11.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于所述参考桥式传感器的传感元件周边设置有高磁导率的铁磁材料以增加传感元件的灵敏度。
专利摘要本实用新型公开了一种单片双轴桥式磁场传感器，该双轴桥式磁场传感器采用隧道结磁电阻元件在同一半导体基片上制备两种全桥磁场传感器以感应正交磁场分量。该传感器通过设置传感元件的形状和永磁偏置场以感应正交磁场分量。正交桥式传感器的偏置永磁体和参考层在在同一个磁场方向下初始化，不需要特殊的工艺，局部加热或在不同的工序中沉积其他磁性材料以实现双轴磁场传感器。
文档编号G01R33/09GK202305777SQ20112039634
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年4月6日
发明者沈卫锋, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷啸锋 申请人:江苏多维科技有限公司