一種面陣巨磁阻磁傳感器及其制造方法
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感檢測領(lǐng)域，具體涉及一種面陣巨磁阻磁傳感器及其制造方法?！尽颈尘凹夹g(shù)】】
[0002]磁場可以作為多種信息的載體，其廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)社會的方方面面。磁檢測技術(shù)已成為一種重要的檢測手段。磁傳感器被廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電氣電子產(chǎn)品中，通過測量感應(yīng)磁場強度來獲得電流、位置、方向等物理參數(shù)。
[0003]在現(xiàn)有技術(shù)中，有多種不同類型的傳感器可用于進行磁場的測量，例如以霍爾(Hall)元件、各向異性磁電阻(AMR)元件、巨磁阻(GMR)元件或隧道結(jié)巨磁電阻(TMR)元件為敏感元件的磁傳感器。其中，巨磁阻效應(yīng)是指磁性材料的電阻率在外磁場作用時發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。因此，巨磁阻傳感器具有靈敏度高、易小型化、能耗低等優(yōu)點，成為近年來的研究熱點。
[0004]目前，人們?yōu)榱嗽O(shè)計制造上述具有巨磁阻效應(yīng)的陣列傳感器，已作出一些嘗試和努力。例如，在2012年7月4日授權(quán)的中國發(fā)明專利CN 102043083 B授權(quán)文本中披露了 “一種巨磁阻陣列電流傳感器”。該傳感器由巨磁阻芯片子板陣列、環(huán)形PCB母板、8通道放大器電路、8通道采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA信號處理電路構(gòu)成。其中，巨磁阻芯片子板陣列由8個巨磁阻子板構(gòu)成。巨磁阻芯片輸出的信號經(jīng)過放大后，進入8通道采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換電路，模擬的電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，再經(jīng)過FPGA處理電路對8路數(shù)字信號進行并行式處理。但是，這種陣列式傳感器有著明顯的不足。該傳感器的陣元數(shù)只有8個，且每個陣元由一片巨磁阻芯片和兩個條形的鋁鎳鈷永磁體構(gòu)成，8個子板以相同的半徑和角度焊接在環(huán)形PCB上，集成化程度低，使得該傳感器的使用環(huán)境和適用范圍有著很大的限制。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種高測量精度、小型化、高集成度、工藝兼容、便于批量生產(chǎn)的面陣巨磁阻傳感器，并提供一種制造該傳感器的方法。
[0006]為了達到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種面陣巨磁阻磁傳感器，包括數(shù)據(jù)采集處理單元和巨磁阻陣列，所述數(shù)據(jù)采集處理單元包括電源模塊、地址選擇器、模擬前端和模數(shù)轉(zhuǎn)換器;所述電源模塊通過地址選擇器連接至所述巨磁阻陣列，所述巨磁阻陣列經(jīng)過模擬前端模塊連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述地址選擇器用于選擇發(fā)送所述巨磁阻陣列中各單元的信號，所述模擬前端模塊用于接收所述信號進行放大、濾波處理，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸出；所述巨磁阻陣列包括多個采用納米多層膜結(jié)構(gòu)的巨磁阻磁傳感器，多個巨磁阻磁傳感器按照平面形式組成陣列單元，每個所述巨磁阻磁傳感器采用蜿蜒型電阻形式。
[0008]進一步，所述巨磁阻磁傳感器采用面陣形式組成巨磁阻陣列。
[0009]進一步，地址選擇器，以行掃描的方式，逐行將每行多個巨磁阻陣列單元的信號輸出。
[0010]進一步，巨磁阻磁傳感器為自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)，該多層膜結(jié)構(gòu)由上到下依次為固定層、隔離層，以及自由層，其中，固定層包括被釘扎層和用于固定被釘扎層的磁化方向的釘扎層，所述釘扎層為反鐵磁材料，所述自由層的磁化方向隨外加磁場發(fā)生變化，選用CoFe/NiFe復(fù)合層作為自由層的材料，隔離層位于固定層和自由層中間，由非磁性材料的電導體制成。
[0011]進一步，所述多層膜結(jié)構(gòu)的頂部和底部均設(shè)置有保護層，分別位于釘扎層的頂面和自由層的底部，所述保護層采用Ta。
[0012]進一步，所述釘扎層采用Mnlr，所述被釘扎層采用CoFe，所述隔離層采用Cu。
[0013]進一步，所述多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)置在基底上，該基底為Si和A1203。
[0014]一種面陣巨磁阻磁傳感器的制造方法，先對外部的數(shù)據(jù)采集處理單元電路進行單獨加工，外部電路加工完成后，再通過兩步光刻處理加工巨磁阻陣列。
[0015]進一步，兩步光刻處理包括:第一次光刻，在制備好的薄膜上涂上一層光刻膠，用紫外線激光束把圖案外的光刻膠層去掉，即在光刻膠上刻上所需要的巨磁阻單元和陣列圖形，然后涂上顯影劑后烘干;第二次光刻，在已制備好的巨磁阻陣列上噴涂上一層光刻膠，經(jīng)過激光束照射、顯影劑烘干，使得光刻膠覆蓋住不希望有引線的區(qū)域。
[0016]進一步，巨磁阻陣列加工工藝包括以下步驟:
[0017](a)對預(yù)留的區(qū)域用乙酸異丙酯或異丙醇于去離子水配合進行表面清洗；
[0018](b)采用磁控濺射法，在真空隔離室內(nèi)充入氬氣，在基片和靶材之間加上高壓，使氬氣電離，加速的氬離子轟擊靶材，濺射的原子淀積在基片上，形成所需要的薄膜；
[0019](c)進行第一次光刻；
[0020](d)用離子束轟擊薄膜形成保護硬膜；
[0021](e)用丙酮溶劑洗去剩下的光刻膠層，形成定義的巨磁阻的陣列排布以及蜿蜒型電阻單元；
[0022](f)進行第二次光刻；
[0023](g)濺射一層銅或者銀等導電性良好的金屬薄膜，濺射完畢后，通過lift-off工藝剝離光刻膠及其上的金屬層形成引線；
[0024](h)在濺射S12絕緣層后，利用引線鍵合技術(shù)，將整個傳感器系統(tǒng)封裝在標準的芯片載體內(nèi)。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果:本發(fā)明高度集成化，小型化，通過專用制造方法，易于加工生產(chǎn)，可以檢測陣列表面的磁場整體信息，采用面陣形式采集到的磁場信息精確度更高，同時對每行多個單元信號進行掃描輸出，提高了靈敏度且質(zhì)量更加穩(wěn)定，蜿蜒型的電阻形式在較小的工作電流情況下也能有相對較大的電壓信號輸出，并節(jié)省空間排布。
【【附圖說明】】
[0026]圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明巨磁阻陣列示意圖；
[0028]圖3為現(xiàn)有自旋閥巨磁阻磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明巨磁阻磁傳感器結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明巨磁阻磁傳感器結(jié)構(gòu)的俯視示意圖；
[0031]圖6為本發(fā)明傳感器二步光刻法進行圖形轉(zhuǎn)移過程示意圖，其中，(a)為第一步光刻法進行圖形轉(zhuǎn)移過程示意圖，(b)為第二步光刻法進行圖形轉(zhuǎn)移過程示意圖。
【【具體實施方式】】
[0032]本發(fā)明提供了一種面陣巨磁阻磁傳感器，采用巨磁阻陣列對整個表面進行磁場檢測，以行掃描的方式快速輸出。
[0033]請參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明公開了一種面陣巨磁阻磁傳感器，包括巨磁阻陣列、電源模塊、地址選擇器、模擬前端模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。巨磁阻陣列由256個自旋閥巨磁阻單元組成16*16的面陣形式，每個單元設(shè)計成蜿蜒型的電阻形式；電源模塊為整個系統(tǒng)提供輸入電壓信號;地址選擇器主要由行譯碼器組成，作用是以行掃描的方式，逐行將每行16個巨磁阻陣元的信號輸出；模擬前端進行信號的放大、濾波和調(diào)理；16路模數(shù)轉(zhuǎn)換器將信號最終轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。
[0034]256個自旋閥巨磁阻單元部署在基底上組成16*16的面陣形式。測量外部磁場的信息時，在同一時刻，每一個巨磁阻陣元均有信號輸出。利用后續(xù)的數(shù)據(jù)采集處理電路，該信號以16個為一組通過行掃描的方式輸出。面陣的集成方式使得每一個陣元的信號均反映該位置上的磁場，采用面陣形式采集到的磁場信息精確。因此面陣巨磁阻傳感器可以檢測陣列表面的磁場整體信息，而單個巨磁阻單元的傳統(tǒng)傳感器只能得到測量點的信息。
[0035]在利用本發(fā)明傳感器進行測量時，具體工作原理為:
[0036]16*16的巨磁阻陣列是磁場的敏感模塊，當有外加磁場的情況下，每個巨磁阻陣元的電阻發(fā)生變化，引起輸出電流的變化，通過采集得到的電流變化情況可以獲得巨磁阻的電阻值，再根據(jù)磁場與巨磁阻阻值的關(guān)系可以獲得被測的磁場強度。電源模塊為整個系統(tǒng)提供輸入電壓信號。地址選擇模塊主要由行譯碼器組成。由于每一個巨磁阻陣元都對應(yīng)有一個獨立的地址，總共256個地址，該行譯碼器的作用是用來選擇巨磁阻單元，即在某一時亥IJ，將某一行16個巨磁阻陣元的信號輸出到后續(xù)模塊(即模擬前端模塊)。模擬前端模塊處于巨磁阻陣列和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊之間，由于通常得到的電流信號較小，且存在一定的噪聲，所以需要模擬前端進行信號的放大、濾波和調(diào)理等。最終，信號經(jīng)16路模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。
[0037]請參閱圖3所示，為了便于更好的理解本發(fā)明巨磁阻磁傳感器的結(jié)構(gòu)原理，對巨磁阻效應(yīng)進行簡要說明。
[0038]最初發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)為多層膜結(jié)構(gòu)，即兩層鐵磁層中間夾一層非鐵磁層的三明治結(jié)構(gòu)。自旋閥結(jié)構(gòu)為了固定其中某一鐵磁層磁矩方向，在鐵磁層一側(cè)再加上一層反鐵磁層，使得一層鐵磁層磁矩方向釘扎。釘扎層是反鐵磁層;被釘扎層和自由層均為鐵磁層，但是兩者的材料不同；隔離層為非磁性層。當有外加磁場時，自由層的磁矩的方向會隨著外加磁場的大小、方向的改變而發(fā)生變化，導致自由層的磁矩的方向和被釘扎層的方向不同，當兩者磁矩方向的夾角越大時，巨磁阻效應(yīng)越明顯，在宏觀上，表現(xiàn)為電阻變大。自旋閥結(jié)構(gòu)也是目前本領(lǐng)域較為成熟的結(jié)構(gòu)。
[0039]請參閱圖4和圖5所示，本發(fā)明自旋閥巨磁阻的基本結(jié)構(gòu)為多層納米薄膜，從頂層到底層分別為固定層、隔離層、自由層。固定層，包括被釘扎層和用于固定被釘扎層的磁化方向的釘扎層，由于CoFe的矯頑力較大，選用CoFe作為被釘扎層材料;釘扎層為反鐵磁材料，選用MnIr作為釘扎層材料；自由層的磁化方向隨外加磁場發(fā)生變化，選用CoFe/NiFe復(fù)合層作為自由層的材料;隔離層位于固定層和自由層中間，由非磁性材料的電導體制成，選用Cu作為隔離層材料。
[0040]自旋閥型巨磁阻的多層膜各組成成分都是單層金屬膜，面電阻一般很小，大約幾十Ω，單純的矩形多層膜雖然同樣能夠在變化的外加磁場下產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)，但為了獲得足夠大的電壓輸出，必需通以很大的工作電流，這樣會使得傳感器件功耗較大。本發(fā)明為增大其電阻值達到K Ω數(shù)量級，在較小的工作電流情況下也能有相對較大的電壓信號輸出，同時考慮到空間的排布，所以對每個巨磁阻陣元采用蜿蜒型的電阻形式。
[0041]本發(fā)明提供了一種面陣巨磁阻磁傳感器的制造方法，先對外部的數(shù)據(jù)采集處理單元電路進行單獨加工，外部電路加工完成后，再通過兩步光刻處理加工所述巨磁阻陣列。
[0042]為提高整個系統(tǒng)集成度、保證測量精度，本發(fā)明提出基于標準CMOS集成電路工藝，按照先后順序分別單獨加工巨磁阻陣列和外圍電路。由于巨磁阻薄膜的加工需要額外材料，同時相比一般集成電路工藝溫度較低，因此先加工傳感器外圍的數(shù)據(jù)采集處理模塊電路，事先預(yù)留好測量模塊區(qū)域，然后