一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法技术

本发明专利技术提出了一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥及制备方法。磁场传感器电桥包括衬底、错列软磁通量集中器阵列、以及位于衬底上具有X向磁敏感方向的GMR自旋阀或者TMR磁电阻传感单元阵列，软磁通量集中器包含平行于X轴和Y轴的边以及四个角，从左上位置顺时针依次标记为A、B、C和D，磁电阻传感单元位于软磁通量集中器之间间隙处，同时对应软磁通量集中器A、C角位置以及B、D角位置的磁电阻传感单元分别定义为推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂，挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂，推臂和挽臂电连接成推挽式传感器桥。该发明专利技术功耗低，磁场灵敏度高，可以测量Y方向磁场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁性传感器领域，特别涉及。
技术介绍
在两轴和三轴磁性罗盘芯片设计过程中，需要同时用到X轴和Y轴磁敏传感器，对于磁电阻类型的传感单兀，一般具有单一的敏感磁场方向，例如为X方向磁场敏感，对于Y方向磁场敏感的获得，一般采用将X方向磁场敏感传感单元旋转90度，以此来获得Y方向磁场敏感单元，其次，为了提高X或者Y轴磁电阻传感器的磁场灵敏度，通常采用推挽式电桥，其中推臂和腕臂采用分立制造的形式，即将其中的一个相对于另一个相对旋转180度，这样推臂和腕臂具有相反的钉扎层磁化方向，而自由层磁化方向相同，如图2a为这样飞线钉扎层的磁电阻传感单元的磁化状态示意图，而后在推臂和腕臂的切片之间采用飞线的形式进行连接。 以上提出的Y轴磁电阻传感器主要存在如下问题: I)在同一平面上同时制备X和Y轴磁电阻传感器时，由于X和Y轴磁电阻传感器都为分立元件，因此无法实现集成制造，增加了工艺的复杂性，并影响了两轴或三轴传感器的测量精度。 2)推臂和腕臂无法实现集成制造的工艺，采用分立切片飞线连接的工艺，同样增加了工艺的复杂性，影响传感器的测量精度。
技术实现思路
为了解决以上存在的问题，本专利技术提出了，采用通量集中器来实现对Y磁场的方向的扭曲，获得-X和X方向的磁场分量，这样所有的磁电阻传感单元具有相同的钉扎层磁化方向，推臂和挽臂通过自由层的相反方向的偏转来实现，图2a为这样类型差分自由层类型的磁电阻单元的磁化状态的示意图。 本专利技术所提出的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥包括: 位于X-Y平面上的衬底； 一个错列排列的软磁通量集中器阵列； 所述每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边，以及四个角，所述四个角从左上位置开始顺时针方向依次标记为A, B, C和D ; 位于所述衬底上的磁电阻传感单元阵列，其包括位于所述软磁通量集中器之间的间隙处的磁电阻传感单元； 位于任意软磁通量集中器的A和C角位置附近的所述磁电阻传感单元称为推磁电阻传感单元； 位于任意软磁通量集中器的B和D角位置附近的所述磁电阻传感单元称为挽磁电阻传感单元； 所有所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂； 所有所述挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂； 所有所述推臂和所有所述挽臂电连接成一个推挽式传感器桥。 优选的，所述磁电阻传感单元为GMR自旋阀或者TMR传感单元，无外磁场时，所有所述磁电阻传感单元的钉扎层磁化方向相同且平行于Y轴方向，所有所述磁电阻传感单元的自由层磁化方向相同且平行于X轴方向。 优选的，所述错列排列的软磁通量集中器阵列包括第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器均排列成平行于所述Y轴方向的列且平行于所述X轴方向的行，所述软磁通量集中器在所述Y轴方向尺度为Ly且在所述X轴方向尺度为Lx，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器各自的相邻的行之间沿所述Y轴方向的间隙为yGap，且所述第二软磁通量集中器的列相对于所述第一软磁通量集中器的列沿所述Y轴方向相对移动的距离为土(Ly+yGap)/2。 优选的，所述磁电阻传感单元阵列的行方向平行于所述X轴方向且列方向平行于所述Y轴方向，所述磁电阻传感单元阵列的列位于所述第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器相邻列的间隙中心，推磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角A和角C位置，且所述第二软磁通量集中器相对于所述第一软磁通量集中器具有正Y轴向位移，所述挽磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角B和角D位置，且所述第二软磁通量集中器相对于第一软磁通量集中器具有负Y轴向等值位移。 优选的，所述磁电阻传感单元阵列的每列和每行均由交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成。 优选的，所述磁电阻传感单元阵列的每列包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元阵列包括交替排列的推磁电阻传感单元行和挽磁电阻传感单元行，所述推磁电阻传感单元行由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元行由挽磁电阻传感单元组成。 优选的，所述磁电阻传感单元阵列的每行包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻单元阵列的列为交替排列的推磁电阻传感单元列和挽磁电阻传感单元列，所述推磁电阻传感单元列由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元列由挽磁电阻传感单元组成。 优选的，所述推挽式磁场传感器电桥的偏压，地和信号输出端电连接到位于所述衬底正面的焊盘或者通过TSV连接到所述衬底背面的焊盘。 优选的，无外磁场时，所述磁电阻传感单元通过永磁偏置，双交换作用、形状各向异性中的至少一种方式来使所述磁电阻传感单元的磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。 优选的，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的数量相同。 优选的，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的自由层相对于各自的钉扎层的磁化方向的旋转角度的幅度相同且方向相反。 优选的，所述推挽式磁场传感器电桥为半桥，全桥或者准桥。 优选的，所述衬底的材料为玻璃或硅片，且所述衬底上含有ASIC芯片或所述衬底与另外的ASIC芯片相连接。 优选的，所述软磁通量集中器为包含Fe，Ni或Co元素中的一种或多种的合金软磁材料。 优选的，单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥还包括测试线圈，所述测试线圈分别位于所述磁电阻传感单元的正上方或者正下方，所述测试线圈的电流方向平行于所述Y轴方向，且测试时流经所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元分别对应的所述测试线圈的电流方向相反且大小相同。 优选的，单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥还包括重置线圈，所述重置线圈位于所述磁电阻传感器的正下方或者正上方，所述重置线圈的电流方向平行于所述X轴方向，流过所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元分别对应的所述重置线圈的电流大小相同且方向相同。 本专利技术还提供了一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥制备方法，该方法包括如下步骤: I)在晶圆表面上沉积磁电阻传感单元薄膜材料的堆叠层，并设置所述薄膜材料钉扎层的磁化方向； 2)构建底层电极，并通过使用第一相关工艺来在所述磁电阻传感单元薄膜材料上构建磁电阻传感单元的图案； 3)在所述磁电阻传感单元上方沉积第二绝缘层，并通过第二相关工艺形成与所述磁电阻传感单元进行电连接的通孔； 4)在所述通孔的上方沉积一顶层金属层，通过第一相关工艺形成顶层电极，并在各所述磁电阻传感单元之间进行布线； 5)在所述顶部金属层上方沉积第三绝缘层；6)在所述第三绝缘层上方沉积并图形化所述软磁通量集中器； 7)在所述软磁通量集中器上方沉积钝化层，再在对应所述底层电极和所述顶层电极位置的上方对所述钝化层进行刻蚀、通孔，在衬底正面形成对外连接的焊盘。 优选的，在所述步骤I)之前，所述方法还包括: 01)在晶圆表面上沉积并图形化重置线圈导体，在所述重置线圈导体表面沉积第一绝缘层； 所述步骤I)为在第一绝缘层表面上沉积磁电阻传感单元薄膜材料的堆叠层，并设置所述磁电阻传感单元薄膜材料钉扎层的磁化方向。 优选的，所述步骤5)还包括: 在所述第三绝缘层上方沉积并图形化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，包括：位于X‑Y平面上的衬底；一个错列排列的软磁通量集中器阵列，其每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边，以及四个角，所述四个角从左上位置开始顺时针方向依次标记为A，B，C和D；位于所述衬底上的磁电阻传感单元阵列，其包括位于所述软磁通量集中器之间的间隙处的磁电阻传感单元；位于任意软磁通量集中器的A和C角位置附近的所述磁电阻传感单元称为推磁电阻传感单元；位于任意软磁通量集中器的B和D角位置附近的所述磁电阻传感单元称为挽磁电阻传感单元；所有所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂；所有所述挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂；所有所述推臂和所有所述挽臂电连接成一个推挽式传感器桥。

【技术特征摘要】
1.一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，包括: 位于X-Y平面上的衬底； 一个错列排列的软磁通量集中器阵列，其每个软磁通量集中器具有平行于X轴和Y轴的边，以及四个角，所述四个角从左上位置开始顺时针方向依次标记为A，B，C和D ; 位于所述衬底上的磁电阻传感单元阵列，其包括位于所述软磁通量集中器之间的间隙处的磁电阻传感单元； 位于任意软磁通量集中器的A和C角位置附近的所述磁电阻传感单元称为推磁电阻传感单元； 位于任意软磁通量集中器的B和D角位置附近的所述磁电阻传感单元称为挽磁电阻传感单元； 所有所述推磁电阻传感单元电连接成一个或多个推臂； 所有所述挽磁电阻传感单元电连接成一个或多个挽臂； 所有所述推臂和所有所述挽臂电连接成一个推挽式传感器桥。2.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元为GMR自旋阀或者TMR传感单元，无外磁场时，所有所述磁电阻传感单元的钉扎层磁化方向相同且平行于Y轴方向，所有所述磁电阻传感单元的自由层磁化方向相同且平行于X轴方向。3.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述错列排列的软磁通量集中器阵列包括第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器均排列成平行于所述Y轴方向的列且平行于所述X轴方向的行，所述软磁通量集中器在所述Y轴方向尺度为Ly且在所述X轴方向尺度为Lx，所述第一软磁通量集中器和所述第二软磁通量集中器各自的相邻的行之间沿所述Y轴方向的间隙为yGap，且所述第二软磁通量集中器的列相对于所述第一软磁通量集中器的列沿所述Y轴方向相对移动的距离为土(Ly+yGap)/2。4.根据权利要求3所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的行方向平行于所述X轴方向且列方向平行于所述Y轴方向，所述磁电阻传感单元阵列的列位于所述第一软磁通量集中器和第二软磁通量集中器相邻列的间隙中心，推磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角A和角C位置，且所述第二软磁通量集中器相对于所述第一软磁通量集中器具有正Y轴向位移，所述挽磁电阻传感单元同时分别对应第一和第二软磁通量集中器的角B和角D位置，且所述第二软磁通量集中器相对于第一软磁通量集中器具有负Y轴向等值位移。5.根据权利要求1，3或4所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥,其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的每列和每行均由交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成。6.根据权利要求1，3或4所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥,其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的每列包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元阵列包括交替排列的推磁电阻传感单元行和挽磁电阻传感单元行，所述推磁电阻传感单元行由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元行由挽磁电阻传感单元组成。7.根据权利要求1，3或4所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述磁电阻传感单元阵列的每行包括交替排列的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述磁电阻单元阵列的列为交替排列的推磁电阻传感单元列和挽磁电阻传感单元列，所述推磁电阻传感单元列由推磁电阻传感单元组成，所述挽磁电阻传感单元列由挽磁电阻传感单元组成。8.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推挽式磁场传感器电桥的偏压，地和信号输出端电连接到位于所述衬底正面的焊盘或者通过TSV连接到所述衬底背面的焊盘。9.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，无外磁场时，所述磁电阻传感单元通过永磁偏置，双交换作用、形状各向异性中的至少一种方式来使所述磁电阻传感单元的磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。10.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的数量相同。11.根据权利要求1或2所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感单元的自由层相对于各自的钉扎层的磁化方向的旋转角度的幅度相同且方向相反。12.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述推挽式磁场传感器电桥为半桥，全桥或者准桥。13.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃或硅片，且所述衬底上含有ASIC芯片或所述衬底与另外的ASIC芯片相连接。14.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，所述软磁通量集中器为包含Fe，Ni或Co元素中的一种或多种的合金软磁材料。15.根据权利要求1所述的一种单芯片差分自由层推挽式磁场传感器电桥，其特征在于，还包括测试线圈，所述测试线圈分别位于所述磁电阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·G·迪克，周志敏，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32