本發(fā)明涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種單芯片高靈敏度磁電阻線性傳感器。

背景技術(shù)：

高靈敏度單軸磁電阻線性傳感器，采用軟磁通量集中器對外磁場進行放大，同時采用推挽式電橋結(jié)構(gòu)以增強信號輸出，是高靈敏度線性磁電阻傳感器和低噪聲線性磁電阻傳感器設計的基礎(chǔ)。

對于tmr磁電阻傳感器，通常采用將一個具有單一磁場敏感方向如x軸的磁電阻傳感單元切片，翻轉(zhuǎn)180度，以此來獲得x軸的推磁電阻傳感單元切片和挽磁電阻傳感單元切片，其優(yōu)點在于，制備方法簡單，只需要一個切片，而且對應一個鐵磁參考層結(jié)構(gòu)，且缺點在于，需要操作2個切片在同一平面內(nèi)進行精確定位，增加了由于操作失誤導致的傳感器的測量精度損失的可能性。

采用多層薄膜結(jié)構(gòu)的鐵磁參考層的設計，通過改變與反鐵磁層交互耦合的鐵磁層和金屬間隔層構(gòu)成的多層薄膜的層數(shù)，其中一個為奇數(shù)層，另一個為偶數(shù)層的方法，可以實現(xiàn)相反鐵磁參考層的推磁電阻傳感單元和挽磁電阻傳感單元的制造，其缺點在于，由于在沉積多層薄膜時需要引入至少2種多層薄膜結(jié)構(gòu)，增加了微加工工藝的復雜性。

如專利申請?zhí)枮閏n201610821610.7的中國專利公開了一種采用激光程控加熱磁場退火的方法以實現(xiàn)對磁電阻傳感單元進行掃描、快速加熱反鐵磁層到阻塞溫度以上，同時在冷卻過程中可以沿任意方向施加磁場，可以逐個掃描、甚至逐片掃描實現(xiàn)磁電阻傳感單元沿任一方向的磁場敏感方向的定向，采用該方法可以實現(xiàn)在單一切片上的雙軸磁電阻傳感單元的四種具有正交取向的磁電阻傳感單元及其陣列的制造，從而克服了翻轉(zhuǎn)切片的精確定位和沉積多種磁多層薄膜結(jié)構(gòu)的微加工工藝復雜性的難題，并可實現(xiàn)單芯片雙軸磁電阻角度傳感器的批量制造。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提出了一種單芯片高靈敏度磁電阻線性傳感器，通過激光輔助加熱磁場退火的方式實現(xiàn)對磁電阻傳感單元磁場敏感方向的寫入操作。

本發(fā)明提出的一種單芯片高靈敏度磁電阻線性傳感器，包括：

位于x-y平面上的襯底；

位于所述襯底上的磁通量集中器陣列，所述軟磁通量集中器陣列包括多個軟磁通量集中器，且相鄰兩個軟磁通量集中器之間形成有間隙，所述間隙的長軸沿著y方向，所述間隙的短軸沿著x方向；以及

位于所述軟磁通量集中器陣列上方或下方的+x磁電阻傳感單元陣列和-x磁電阻傳感單元陣列，所述+x磁電阻傳感單元陣列、-x磁電阻傳感單元陣列分別包括介于所述軟磁通量集中器的間隙處的+x磁電阻傳感單元、-x磁電阻傳感單元，其中，所述+x磁電阻傳感單元陣列和所述-x磁電阻傳感單元陣列的磁場敏感方向分別沿+x、-x，所述+x和-x磁電阻傳感單元陣列的長軸沿著y方向，所述+x磁電阻傳感單元陣列電連接成x推臂，所述-x磁電阻傳感單元陣列電連接成x挽臂，所述x推臂和所述x挽臂電連接成推挽式x軸磁電阻傳感器，

具有相同磁場敏感方向的磁電阻傳感單元相鄰排列，所述磁電阻傳感單元具有相同的磁多層薄膜結(jié)構(gòu)，所述磁多層薄膜結(jié)構(gòu)自下至上包括種子層、下電極層、反鐵磁層、釘扎層、ru、參考層、非磁中間層、自由層、磁偏置層、上電極層、鈍化層的結(jié)構(gòu)或者自下至上包括種子層、下電極層、反鐵磁層、參考層、非磁中間層、自由層、磁偏置層、上電極層、鈍化層的結(jié)構(gòu)，所述非磁中間層為al2o3或者mgo，所述磁偏置層為硬磁層、另一反鐵磁層、或者合成反鐵磁層結(jié)構(gòu)，所述鈍化層為對激光透明的材料，采用激光程控磁退火，激光光斑沿所述間隙的長軸y方向掃描所述磁電阻傳感單元陣列，放大所述軟磁通量集中器陣列的磁場使得所述反鐵磁層的x向外磁場激光退火。

優(yōu)選地，所述+x磁電阻傳感單元陣列和所述-x磁電阻傳感單元陣列的磁場敏感方向分別沿+x、-x方向，所述+x和-x磁電阻傳感單元陣列的長軸沿著y方向，所述磁電阻傳感單元都為mtj磁電阻單元，所述mtj磁電阻單元的形狀為橢圓，或者中部為矩形且分別位于中部相對兩側(cè)的兩端部為三角形或扇形的形狀。

進一步地，所述軟磁通量集中器為長條形，所述軟磁通量集中器的長軸方向沿著y方向，短軸方向沿著x方向，長度為500-5000μm，寬度為500-5000μm，厚度為5-30μm，所述間隙寬度為6.5-10μm，且所述軟磁通量集中器為高磁導率軟磁合金，該高磁導率軟磁合金包含fe、co、ni元素中的一種或多種。

進一步地，x方向外磁場磁場強度為hex，所述磁電阻傳感單元具有相同的x方向磁場強度brx，磁場增益因子為brx/(μ0*hex)，其中μ0為真空磁導率，，且磁場增益因子在1-10之間，所述軟磁通量集中器陣列具有相同的間隙，增加兩端的所述軟磁通量集中器的寬度使得兩端處的間隙與位于中間位置的所述間隙的磁場增益因子相同，換而言之，兩端的軟磁通量集中器的寬度大于位于所述兩端的軟磁通量集中器之間的軟磁通量集中器的寬度。

進一步地，所述軟磁通量集中器陣列包含n個所述軟磁通量集中器，其中n為大于0的整數(shù)，

當n為奇數(shù)時，所述磁電阻傳感單元陣列分布于第（n+1）/2個所述軟磁通量集中器兩側(cè)的n-1個所述間隙內(nèi)；

當n為偶數(shù)時，所述磁電阻傳感單元陣列分布于第1至第n/2，以及第n/2+1至第n個軟磁通量集中器之間的間隙處。

進一步地，所述推挽式磁電阻線性傳感器為半橋、全橋或者準橋結(jié)構(gòu)。

進一步地，所述軟磁通量集中器的間隙分布有單行磁電阻傳感單元；或者，所述軟磁通量集中器的間隙分布有雙行磁電阻傳感單元，且等距離分布于所述軟磁通量集中器間隙中心線的兩側(cè)。

進一步地，所述+x磁電阻傳感單元陣列和所述-x磁電阻傳感單元陣列分布于所述軟磁通量集中器陣列的x方向中心線的兩側(cè)或者y方向中心線的兩側(cè)。

進一步地，所述推挽式磁電阻傳感的全的構(gòu)成兩個推臂的所述+x磁電阻傳感單元陣列和構(gòu)成兩個挽臂的所述-x電阻傳感單元陣列分別空間分離或者空間混合，所述磁電阻傳感單元陣列所包含的所述磁電阻傳感單元串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)成兩端口結(jié)構(gòu)。

進一步地，所鈍化層為紫外激光透明材料或紅外激光透明材料，所述紫外激光透明材料包括bcb、si3n4、al2o3、hfo2、alf3、gdf3、laf3、mgf2、sc2o3、hfo2、sio2，所述紅外激光透明材料包括類金剛石碳膜、mgo、sin、sic、alf3、mgf2、sio2、al2o3、thf4、zns、znse、zro2、hfo2、tio2、ta2o7、si、ge。

進一步地，所述鈍化層表面覆蓋一層抗反射涂層。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有小尺寸、高精度、低功耗的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為單芯片高靈敏度線性磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為軟磁通量集中器陣列和磁電阻傳感單元陣列位置圖；

圖3為外磁場作用下軟磁通量集中器磁電阻傳感單元位置處磁場增益圖；

圖4為mtj磁電阻傳感單元多層薄膜結(jié)構(gòu)圖；

圖5（a1）、圖5（a2）、圖5（a3）以及圖5（b1）、圖5（b2）、圖5（b3）分別示出了圖4中a處可采用的六種不同情形的局部放大圖；

圖6a、6b為mtj磁電阻傳感單元形狀圖；

圖7為推挽式磁電阻傳感器全橋結(jié)構(gòu)圖；

圖8為+x和-x磁電阻傳感單元陣列和通量集中器的第一種排列圖；

圖9為+x和-x磁電阻傳感單元陣列和通量集中器的第二種排列圖；

圖10為+x和-x磁電阻傳感單元陣列和通量集中器的第三種排列圖；

圖11為+x和-x磁電阻傳感單元陣列和通量集中器的第四種排列圖；

圖12為+x和-x磁電阻傳感單元雙行陣列和通量集中器的第一種器排列圖；

圖13為+x和-x磁電阻傳感單元雙行陣列和通量集中器的第二種排列圖；

圖14為+x和-x磁電阻傳感單元陣列的典型激光磁退火掃描方式。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為單芯片高靈敏度線性磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)圖，包括：

位于x-y平面上的襯底1；

位于襯底1上的軟磁通量集中器陣列2，軟磁通量集中器包括n個長條形軟磁通量集中器21，22，…，2n，且相鄰兩個軟磁通量集中器2i，2（i+1）對應構(gòu)成一個間隙，其中i為小于n的正整數(shù)，所述間隙的長軸沿著y方向，所述間隙的短軸沿著x方向；以及

磁場敏感方向分別沿+x和-x的+x磁電阻傳感單元陣列3和-x磁電阻傳感單元陣列4，所述+x磁電阻傳感單元陣列3包括+x磁電阻傳感單元31，32，…，3j，…,3m，所述-x磁電阻傳感單元陣列4包括-x磁電阻傳感單元41，42，…，4j，…,4m，其中j為小于m的正整數(shù)。所述+x磁電阻傳感單元、-x磁電阻傳感單元分別位于軟磁通量集中器陣列2所構(gòu)成的間隙中，所述+x，-x磁電阻傳感單元陣列分別電連接成+x推臂5和-x挽臂6，圖1中為全橋結(jié)構(gòu)，包含兩個+x推臂51和52，以及兩個-x挽臂61和62，所述推臂5和挽臂6電連接成推挽式x軸磁電阻傳感器7。

圖2為磁電阻傳感單元和軟磁通量集中器在外磁場中的位置關(guān)系圖，+x磁電阻傳感單元陣列3和-x磁電阻傳感單元陣列4位于軟磁通量集中器陣列2的上方或下方，且介于相鄰兩個軟磁通量集中器的間隙處，在外磁場hex作用下，磁電阻傳感單元處的x向磁感性強度為brx，則磁場增益因子=brx/(μ0*hex)，其中μ0為真空磁導率，分布曲線如圖3所示，所述軟磁通量集中器陣列具有相同的間隙，所有磁電阻傳感單元具有相同的磁場增益因子。增加兩端的所述軟磁通量集中器的寬度以使得兩端處的間隙與位于中間位置的所述間隙的磁場增益因子相同。

所述軟磁通量集中器為長條形，其長軸和短軸分別沿y和x方向，長度為500-5000μm，寬度為500-5000μm，厚度為5-30μm，所述間隙寬度為6.5-10μm，且所述軟磁通量集中器為高磁導率軟磁合金，該高磁導率軟磁合金包含fe、co、ni元素中的一種或多種。

圖4為磁電阻傳感單元磁多層薄膜結(jié)構(gòu)示意圖，參照圖5（a1）-圖5（a3）以及圖5（b1）至圖5（b3）所示，磁電阻傳感單元為mtj單元，包括上層電極91和下層電極82，以及種子層81，此外，還包括鐵磁參考層86，非磁隔離層87以及鐵磁自由層88，非磁隔離層為al2o3或者mgo。鐵磁參考層87和鐵磁自由層88為磁化方向正交的組態(tài)，其中鐵磁參考層86的磁化方向通過與一反鐵磁層83的交換耦合作用來決定，有兩種交換耦合結(jié)構(gòu)，其一為反鐵磁層83/釘扎層84/ru/鐵磁參考層的交換耦合作用，其中釘扎層84的磁化方向由通過反鐵磁層83來決定，釘扎層84與鐵磁參考層86磁化方向相反，另外一種結(jié)構(gòu)為反鐵磁層83直接和鐵磁參考層86直接耦合，其磁化方向由83決定。鐵磁自由層88的磁化方向由三種方式來確定，第一為圖5（a1）所示的另一反鐵磁層89的直接耦合，第二為圖5（a2）所示的通過反鐵磁層/另一釘扎層89/ru/鐵磁自由層88的交換耦合實現(xiàn)，第三為圖5（a3）所示的通過硬磁層94的磁場偏置來實現(xiàn)，在三種情況下，反鐵磁層89以及硬磁層94的磁化方向均垂直于反鐵磁層83，以此來獲得自由層和鐵磁參考層磁化方向的正交。因此自由層釘扎方式有三種方式，參考層有兩種方式，因此，一共有6種組合。

所鈍化層為紫外激光透明材料，包括bcb、si3n4、al2o3、hfo2、alf3、gdf3、laf3、mgf2、sc2o3、hfo2、sio2或為紅外激光透明材料，包括類金剛石碳膜、mgo、sin、sic、alf3、mgf2、sio2、al2o3、thf4、zns、znse、zro2、hfo2、tio2、ta2o7、si、ge。所述鈍化層表面增加了抗反射涂層。

+x磁電阻傳感單元和-x磁電阻傳感單元可為mtj磁電阻傳感單元。圖6為mtj磁電阻傳感單元形狀圖，有兩種形狀，其中一種為橢圓形狀；另外一種為中部為矩形且分別位于中部相對兩側(cè)的兩端部為三角形或扇形的形狀，通過形狀各向異性使得自由層磁化方向偏向長軸方向，從而與沿短軸方向的釘扎層磁化方向垂直。

所述推臂和挽臂可以連接成全橋，半橋或者準橋。圖7示出了磁電阻全橋結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8和圖9分別為軟磁通量集中器陣列包含軟磁通量集中器的個數(shù)n為奇數(shù)、偶數(shù)時，磁電阻傳感單元的排列圖。當軟磁通量集中器的個數(shù)為奇數(shù)時，磁電阻傳感單元分布于第（n+1）/2個軟磁通量集中器兩側(cè)的間隙中，如圖8所示，換言之，每個間隙中分別對應一行磁電阻傳感單元。當軟磁通量集中器的個數(shù)為偶數(shù)時，磁電阻傳感單元分布于第1至第n/2，以及第n/2+1至第n個軟磁通量集中器之間的間隙處，如圖9所示，換言之，除最中間的間隙（即，形成于第n/2和第n/2+1個軟磁通量集中器之間的間隙）外，其它間隙分別對應一行磁電阻傳感單元。

圖8-11為推挽磁電阻傳感單元陣列的四種排列方式。圖8和圖9中，推磁電阻傳感單元陣列103和104，挽磁電阻傳感單元陣列105和106，分別相對于軟磁通量集中器陣列的y軸中心線100對稱，此外，相同種類的磁電阻傳感單元陣列如103和104，105和106則分別相對于x軸中心線101對稱。圖10中，則是推磁電阻傳感單元陣列103和104，與挽磁電阻傳感單元陣列105和106分別相對于x軸中心線對稱，而相同的兩個推磁電阻傳感單元103和104，以及挽磁電阻傳感單元陣列105和106之間，則分別相對于y中心線對稱。圖11為第三種排列方式，其中兩個相同的推或者挽磁電阻傳感單元陣列混合成一個陣列103’和106’，而后沿y軸中心線100或者x軸中心線101對稱排列。

圖12和圖13分別為磁電阻傳感單元在軟磁通量集中器陣列間隙處形成雙行的排列方式，磁電阻傳感單元行311和312位于同一間隙處，并相對于間隙中線400、401具有相同的距離，以保證具有相同的磁場增益因子。其中圖12為兩個相同類型磁電阻傳感單元陣列相對于x軸中心線對稱的排列方式，圖13為兩個相同類型磁電阻傳感單元陣列混合排列的排列方式。所述磁電阻傳感單元陣列所包含的所述磁電阻傳感單元串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)成兩端口結(jié)構(gòu)。

圖14為+x、-x磁電阻傳感單元陣列的典型激光磁退火掃描方式，103和104為+x向磁場敏感方向的磁電阻傳感單元陣列，105和106為-x向磁場敏感方向的磁電阻傳感單元陣列，且相對于軟磁通量集中器y軸中心線對稱分布于間隙中。掃描時，激光光斑路徑分別為700和800，分別沿著間隙方向掃描磁電阻傳感單元陣列，從而可以節(jié)省掃描所需的時間，500和600為磁場退火所施加的外磁場方向，可以通過軟磁通量集中器陣列的增益作用而得到增強。

基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進行各種變化和修改。