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巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法技术

技术编号:6977163 阅读:200 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本发明专利技术涉及巨磁阻自旋阀磁敏传感器及其制造方法。现有技术工艺上和商业化生产方面都极为困难。本发明专利技术包括由四个磁敏电阻组成的惠斯通电桥,其特征在于组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻由两种不同的自旋阀材料制成,其中两个磁敏电阻由普通的自旋阀材料制成,而另外两个磁敏电阻由具有合成反铁磁被钉扎层的自旋阀材料制成,这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出。该GMR自旋阀传感器通过两次自旋阀材料的沉积方法而实现。其优点在于使输出信号大最大化,而且工艺简单、易于实现、尺寸小、灵敏度高、线性度好,是实现工业化生产的理想方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种,属于测量装置

技术介绍
巨磁阻(GMR)自旋阀磁敏传感器,可广泛应用于位移测量、速度测量、精密机械精确定位、石油勘探系统、电力控制、汽车ABS系统、速度控制和导航中的自动传感、导弹导航、医疗器械等
相对于传统磁敏传感器如霍耳器件、AMR器件等,GMR自旋阀磁敏传感器在尺寸、灵敏度、能耗和稳定性等方面都有诸多优势。现有技术中通常采用惠斯通电桥结构实现GMR自旋阀磁敏传感器的设计。如图1 所示,惠斯通电桥结构由四个等同的GMR磁敏电阻连接组成。惠斯通电桥式GMR磁敏传感器实现信号输出的方法有两种第一种方法是将四个等同的磁敏电阻连接成惠斯通电桥, 通过将其中的两个磁敏电阻进行磁场屏蔽,在外场下使电桥失去平衡而得到电桥输出。该种方法已在美国专利US 5569544与US 7639005中得到应用。如图2所示,可通过现代集成器件工艺将四个GMR磁敏电阻连接成惠斯通电桥,并用磁屏蔽层(图中阴影部分)屏蔽其中两个磁敏电阻0 2、R4)。这样在外磁场作用下,有磁屏蔽的两个电阻不受影响,没有磁屏蔽的两个电阻(RpR3)的阻值发生变化,使电桥输出发生改变。整个电桥的输出即反映外磁场的大小。该磁屏蔽层不仅可屏蔽外磁场对&及R4的影响,同时还可以将外磁场放大。 这种设计的优点是器件的温度稳定性好、灵敏度高。第二种方法是在集成传感器上集成导线如图3所示,在导线中通过的电流产生磁场;作用在礼、R3和R2、R4两对电阻上的磁场方向相反,这样使礼、R3和R2、R4的被钉扎层磁矩方向相反,从而使两对电阻对外场具有不同的响应特性,形成推拉结构。在正外场下电阻R” R3的电阻变大,而R2> R4电阻变小;在负外场下,R1、R3的电阻变小,而R2> R4电阻变大。该方法已在美国专利US2003/0157368 Al、US 5561368和美国Honeywell公司的专利 US 7016163 B2 中描述。然而,采用第二种方法形成具推拉结构的GMR自旋阀传感器,在工艺上和商业化生产方面都极为困难。首先需在传感器上集成导线,再通过集成导线中的电流产生磁场,该磁场方向在RpR3上与I 2、R4上的方向相反。还需要在升温达到TB(Blocking Temperature) 并在导线产生的磁场下降温,才可使R1和R3的钉扎方向与&、R4相反,从而形成电桥推拉结构,使R1和R3的电阻随外场的变化与R2、R4相反。由于该方案增加了工艺的复杂度,不利于硅片层次上器件的大规模制作,从而大大降低了商业化的可行性,该方案并没有得到实际应用。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷,提供一种既不需要添加磁屏蔽层,也不需要通过通电流和加热方法改变钉扎层磁矩方向,工艺简单、易于实现、尺寸小、灵敏度高、线性度好的磁敏传感器及其制造方法。为此,本专利技术采用如下技术方案。巨磁阻自旋阀磁敏传感器,包括由四个磁敏电阻组成的惠斯通电桥,其特征在于组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻由两种不同的自旋阀材料制成,其中两个磁敏电阻由普通的自旋阀材料制成,而另外两个磁敏电阻由具有合成反铁磁被钉扎层的自旋阀材料制成, 这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出。这样的结构可以使输出信号大最大化。对于上述技术方案的完善和补充,可以增加如下技术特征或其组合。所述的磁敏电阻由顶钉扎自旋阀材料、SAF顶钉扎自旋阀材料、底钉扎自旋阀材料、合成反铁磁底钉扎自旋阀材料制成。所述的组成推拉结构的惠斯通电桥的两对磁敏电阻为一对磁敏电阻由顶钉扎自旋阀材料制成而另外一对由合成反铁磁顶钉扎自旋阀材料制成或者一对磁敏电阻由底钉扎自旋材料制成,而另外一对由合成反铁磁底钉扎自旋阀材料制成。所述的顶钉扎自旋阀材料由种子层、自由层、间隔层、被钉扎层、反铁磁钉扎层及保护层组成;种子层材料为Ta、NiCr或者Nii^eCr材料;自由层材料为NiFe、Nii^eCo、CoFe、 Co、CoFeB及其复合层材料;间隔层由非磁性导电材料组成,成份为CU、AU、Ag、Cr及其合金; 被钉扎层由铁磁材料组成,成份为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料;反铁磁钉扎层由反铁磁性材料组成,成份为i^eMn、NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn或CrPtMn合金材料;保护层成份为Ta、NiCr或者Nii^eCr。所述的合成反铁磁顶钉扎自旋阀材料的种子层、自由层、间隔层、反铁磁钉扎层及保护层与顶钉扎自旋阀材料相同,被钉扎层为合成反铁磁材料,合成反铁磁材料的为铁磁层/非磁性层/铁磁层结构,铁磁层成份为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料,非磁性层成份Ru。所述的底钉扎自旋阀材料由种子层、反铁磁钉扎层、被钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成,种子层材料可选用Ta、NiCr或者NWeCr ;钉扎层由反铁磁性材料组成,成份为 FeMn, NiMn, IrMn, PtMn, PtPdMn或CrPtMn合金材料或NiO作为钉扎层;被钉扎层由铁磁材料组成,成份为NiFe、Nii^eCo、CoFe、Co及其复合层材料;间隔层由非磁性导电材料组成,成份为Cu、Au、Ag、Cr及其合金;自由层材料为NiFe、NiFeCo, CoFe, Co、CoFeB及其复合层材料;保护层为Ta、NiCr或者Nii^eCr。所述的合成反铁磁底钉扎自旋阀材料的种子层、反铁磁钉扎层、间隔层、自由层及保护层组成与底钉扎自旋阀材料相同,被钉扎层用合成反铁磁材料,合成反铁磁材料为铁磁层/非磁性层/铁磁层结构,铁磁层成份是NWe、NiFeCo, CoFe, Co及其复合层材料,非磁性层成份为Ru。所述的惠斯通电桥中的两对磁敏电阻是采用巨磁阻自旋阀材料的两次沉积方法, 并通过光刻、刻蚀而制成。所述的自旋阀材料的两次沉积方法为通过第一次沉积顶钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第一对磁敏电阻,沉积一层绝缘材料后再第二次沉积SAF顶钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第二对磁敏电阻或通过第一次沉积底钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第一对磁敏电阻,沉积一层绝缘材料后再第二次沉积SAF底钉扎自旋阀材料并刻蚀得到第二对磁敏电阻。所述的巨磁阻自旋阀磁敏传感器通过沉积、刻蚀、开孔、钝化工艺完成,其中器件衬底采用的是沉积了一层绝缘层材料的单晶硅,该绝缘层材料成份是Sih或Si3N4,巨磁阻自旋阀材料的两次沉积并刻蚀得到组成惠斯通电桥的四个电阻,然后沉积一层绝缘材料, 开连接窗口,沉积金属层,光刻形成连线,最后再沉积一层厚的绝缘隔离材料,并开连接孔形成对外输出焊接盘。本专利技术采用该专利技术制成的GMR自旋阀磁敏传感器由两对响应特性相反的四个自旋阀磁敏电阻组成推拉结构的惠斯通电桥。两次沉积的自旋阀材料的结构不同,可通过刻蚀得到两对对外场响应特性不同的磁敏电阻。该GMR自旋阀传感器通过两次自旋阀材料的沉积方法而实现。两次沉积的自旋阀材料的结构不同,可通过刻蚀得到两对对外场响应特性不同的磁敏电阻。这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出,使输出信号大最大化。该方法不需要集成导线,适用于硅片层次的工艺实现。 惠斯通电桥由两对自旋阀材料结构不同的磁敏电阻组成,组成本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.巨磁阻自旋阀磁敏传感器,包括由四个磁敏电阻组成的惠斯通电桥,其特征在于组成惠斯通电桥的四个磁敏电阻由两种不同的自旋阀材料制成,其中两个磁敏电阻由普通的自旋阀材料制成,而另外两个磁敏电阻由具有合成反铁磁被钉扎层的自旋阀材料制成,这两对磁敏电阻组成的惠斯通电桥的差分输出信号在外场下形成推-拉输出。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:钱正洪
申请(专利权)人:钱正洪
类型:发明
国别省市:US

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