专利名称：一种使用磁隧道结磁敏电阻芯片的磁编码器的制作方法
技术领域：
本发明提供了一种使用磁隧道结磁敏电阻芯片的磁编码器。磁隧道结磁敏电阻材料由极薄的、纳米量级厚度的绝缘体层分隔开的两层铁磁性层组成，或在其中一层铁磁性层上再加上一层反铁磁性层作为钉扎层组成，磁隧道结材料亦称为自旋相关隧道结材料。
背景技术：
在高度发展的现代化社会中，社会需求不断推动着各行业日趋走向自动化和智能化。这需要大量的能真实可靠地反映被测对象信息的传感器，并且要求传感器或由多种传感器组成的系统具有高灵敏度、高分辨率、体积小、重量轻、响应速度快、稳定性好等优良特性。并进一步要求传感器或由多种传感器组成的系统由传统的模拟量向数字化方向转化。编码器是数字化传感器中最常用、最基础的一种。磁编码器，由于它的抗震动和抗冲击性能高，适宜在水、油、粉尘、高温等工业环境下应用，而且结构简单、体积较小、成本较低，因此，磁编码器的研制开发近二三十年发展很快，并迅速实现产业化。现在使用的磁编码器的核心部件磁敏电阻芯片的功能材料是由具有各向异性磁敏电阻特性(AMR)的磁敏电阻薄膜材料，如镍铁合金薄膜材料、镍钴合金薄膜材料。
与各向异性磁敏电阻薄膜材料相比，磁隧道结磁敏电阻薄膜材料具有以下特点(1)适合于低磁场下工作。饱和磁场仅几个奥斯特(Oe)到几十个奥斯特(Oe)。(2)热稳定性提高。磁隧道结磁敏电阻薄膜工作温度可达125℃。(3)磁噪声小。磁隧道结磁敏电阻薄膜磁矩转动的一致性，完全不同于各向异性磁敏电阻薄膜材料，因而其巴克豪森磁噪声显著降低。(4)磁场灵敏度高。磁隧道结磁敏电阻薄膜的磁电阻效应通常在10％-40％、甚至更高，是各向异性磁敏电阻薄膜材料的10倍以上。磁隧道结磁敏电阻薄膜的磁场灵敏度高达2％-5％/Oe，甚至更高，高于各向异性磁敏电阻薄膜材料一个数量级以上。(5)响应时间快。响应时间在亚纳秒量级。(6)由于磁敏电阻特性而输出的电信号为脉冲方波，从而大大减化了后续信号处理电路。
发明内容
1、本发明的磁编码器(图6)由敏感元件磁隧道结磁敏电阻芯片(15)和被充磁的磁鼓(16)构成。上述磁敏电阻芯片(15)中的磁敏电阻感应部分(10)同上述磁鼓(16)之间保持一定距离固定放置，这一距离为10微米-1毫米。
2、磁隧道结磁敏电阻芯片(15)由基片(1)、在基片(1)上生成的按导电薄膜层(3)和绝缘层(4)的顺序构成的能够产生偏置磁场的部分(5)以及在产生偏置磁场的部分(5)上生成的按铁磁性层(6)、绝缘体层(7)和铁磁性层(8)的顺序构成的三层膜，或者按铁磁性层(6)、绝缘体层(7)、铁磁性层(8)和反铁磁性层(19)的顺序构成的四层膜，或者按反铁磁性层(19)、铁磁性层(6)、绝缘体层(7)和铁磁性层(8)的顺序构成的四层膜组成的，具有两组相同的微米或亚微米尺寸的点状或条状的磁隧道结感应部分，两组磁隧道结感应部分的间距为上述的磁鼓(16)上N-S磁极间距的一半。磁敏电阻感应部分(10)中绝缘体层(7)两边的铁磁性层(6)(8)和反铁磁性层(19)同时作为引出由于磁敏电阻变化引起的电信号变化的输出电极(9)。
基片(1)可以是高分子材料，也可以是非晶态材料，还可以是金属氧化物材料，也可以是半导体材料。上述产生偏置磁场部分(5)的导电薄膜层(3)可以是金属单质或合金层，也可以是金属氧化物薄膜层，厚度为10纳米-5000纳米；绝缘体层(4)可以是氧化物层，也可以是氮化物层，也可以是其它绝缘体层，厚度为10纳米-5000纳米。上述磁敏电阻感应部分(10)中铁磁性层(6)(8)可以是单质铁磁性金属层，也可以是金属合金铁磁性层，也可以是含氧原子的单质铁和含氧原子的铁磁合金层，也可以是亚铁磁性层，厚度为10纳米-5000纳米；绝缘体层(7)可以是氧化物层，也可以是氮化物层，也可以是硫化物层，也可以是砷化物层，厚度为0.5纳米-10纳米；反铁磁性层(19)可以是金属合金反铁磁性层，也可以是氧化物反铁磁性层，厚度为10纳米-5000纳米。
3、上述磁鼓(16)是由非磁性材料的圆柱型鼓轮(12)和固定在鼓轮表面上的铁磁性材料的圆环形磁环(11)构成。圆柱形的鼓轮(12)可绕圆柱中心轴转动。用充磁机对固定在鼓轮(12)表面上的磁环(11)进行充磁，使其具有连续密排的微小N和S磁极(14)，N和S磁极间距为2微米——1毫米。
4、把上述磁隧道结磁敏电阻芯片(15)中的磁敏电阻感应部分(10)同上述具有微小磁极(14)的磁鼓(16)之间保持10微米-1毫米的距离固定放置，从而制成磁编码器(图6)。
本发明的优点在于适合于低磁场下工作；热稳定性提高；磁噪声小；磁场灵敏度高；响应时间快；后续信号处理电路简单。
图1是本发明制作磁隧道结磁敏电阻芯片用的偏置磁场部分的示意图，(a)断面结构示意图，(b)结构示意图。(1)基片，(2)二氧化硅层，(3)导电薄膜层，(4)绝缘体层，(5)产生偏置磁场部分。
图2是本发明制作磁隧道结磁敏电阻芯片用的按含20％氧原子的铁的铁磁性层、三氧化二铝绝缘体层和含20％氧原子的铁的铁磁性层的顺序构成的三层膜的断面扫描电子显微镜图像。
图3是本发明制作磁隧道结磁敏电阻芯片用的按含20％氧原子的铁的铁磁性层、三氧化二铝绝缘体层和含20％氧原子的铁的铁磁性层的顺序构成的三层膜磁隧道结磁敏电阻薄膜的磁敏电阻特性，被测磁隧道结磁敏电阻薄膜结区尺寸为10毫米×10毫米。
图4是本发明的实施例1的磁隧道结磁敏电阻芯片的结构示意图，(a)结构示意图，(b)断面结构示意图。(1)基片，(2)二氧化硅层，(3)导电薄膜层，(4)绝缘体层，(5)产生偏置磁场部分，(6)铁磁性层，(7)绝缘体层，(8)铁磁性层，(9)电极端子，(10)磁敏电阻感应部分。
图5是本发明的磁编码器的磁鼓结构示意图。(11)磁环，(12)鼓轮，(13)鼓轮的转轴，(14)N和S磁极单元。
图6是本发明的磁编码器的结构示意图。(10)磁敏电阻感应部分，(14)N和S磁极单元，(15)磁隧道结磁敏电阻芯片，(16)磁鼓，(17)电流输入/输出端子，(18)信号电压输出端子。
图7是本发明的实施例2的磁隧道结磁敏电阻芯片的结构示意图。(1)基片，(2)二氧化硅层，(3)导电薄膜层，(4)绝缘体层，(6)铁磁性层，(7)绝缘体层，(8)铁磁性层，(19)反铁磁性层。
图8是本发明的实施例3的磁隧道结磁敏电阻芯片的结构示意图。(1)基片，(2)二氧化硅层，(3)导电薄膜层，(4)绝缘体层，(6)铁磁性层，(7)绝缘体层，(8)铁磁性层，(19)反铁磁性层。
具体实施例方式
把光刻胶涂敷在二氧化硅绝缘体层上，使用具有偏置磁场部分和引线电极形状的光刻板，例如，偏置磁场部分的长度为20毫米、宽度为5毫米的偏置磁场条。把光刻板作为遮光板盖在涂好的光刻胶上，用紫外线使未被遮光板遮住的光刻胶感光硬化，然后，用化学溶液洗去未被紫外线感光的光刻胶。这样一来，在二氧化硅绝缘体层表面形成了长度为20毫米、宽度为5毫米的条状的光刻胶覆盖区域。把这一样品用离子刻蚀设备进行刻蚀后，就形成了长度为20毫米、宽度为5毫米的偏置磁场条部分，参看图1。(3)制作磁隧道结磁敏电阻感应部分在具有偏置磁场条的基片上用磁控溅射方法沉积200纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。沉积完含20％氧原子的铁薄膜后，在其上继续用射频溅射方法沉积2纳米厚的三氧化二铝绝缘体层，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。然后，待基片温度降至室温，用磁控溅射方法在三氧化二铝绝缘体层上沉积300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2。磁隧道结磁敏电阻三层膜被制备完成。各层薄膜的厚度可以用调整沉积时间来控制。图2显示了在二氧化硅上生成的上述磁隧道结磁敏电阻三层膜的断面扫描电子显微镜的图像，从图2中可以看出三层膜结构。图3给出了上述磁隧道结磁敏电阻三层膜的磁敏电阻特性，正象图3所显示的那样，当外加磁场达到30奥斯特(Oe)时，磁隧道结磁敏电阻三层膜的磁电阻变化率从0陡然升高到3.7％，磁敏电阻特性曲线显示出很好的方波形状。
上述磁隧道结磁敏电阻三层膜制备完成后，把光刻胶涂敷在磁隧道结磁敏电阻三层膜表面，使用具有磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分和电极端子形状的光刻板，例如，磁敏电阻芯片的感应部分由长度为4毫米、宽度为20微米的一条磁隧道结磁敏电阻条组成；电极端子形状为长宽分别为0.4毫米的正方形。把光刻板作为遮光板盖在涂有光刻胶三层膜上并使得光刻板上的磁敏电阻芯片的感应部分和电极端子形状的图形同磁隧道结磁敏电阻三层膜下部的偏置磁场条部分对齐，用紫外线使未被遮光板遮住的光刻胶感光硬化，然后，用化学溶液洗去未被紫外线感光的光刻胶。这样一来，在磁隧道结磁敏电阻三层膜表面形成了长度为4毫米、宽度为20微米的一条条状和长宽分别为0.4毫米的正方形的光刻胶覆盖区域。把这一样品用离子刻蚀设备进行刻蚀后，就形成了长度为4毫米、宽度为20微米的一条条状的磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分和长宽分别为0.4毫米正方形的电极端子，在其下部是偏置磁场条，参看图4。(4)磁隧道结磁敏电阻芯片使用上述方法在偏置磁场条上制做出二个相互完全独立的长度为4毫米、宽度为20微米的条状的磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分和长宽分别为0.4毫米正方形的电极端子，磁隧道结磁敏电阻芯片被制成。二个相互完全独立的长度为4毫米、宽度为20微米的条状的磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分之间的距离为50微米。为了清楚起见，图4只显示了磁隧道结磁敏电阻芯片中的一条条状的磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分。2.制作磁鼓把四氧化三铁的铁磁性粉末铸塑成型成圆环形，圆环的内径为20毫米、外径为22毫米、高为8毫米，从而构成磁环。把铝材料制成直径20毫米、高8毫米的圆柱型鼓轮，鼓轮的中轴线处有一转轴。把磁环套装在鼓轮上，使用充磁机对磁环进行充磁，使磁环具有尺寸为100微米的N或S磁极单元，参看图5。3.磁编码器的组成把图4显示的磁隧道结磁敏电阻芯片和图5显示的磁鼓保持一定的间距固定放置，使磁敏电阻芯片中的感应部分同磁鼓的磁极单元相对，它们之间的间距为0.1毫米，从而构成了磁编码器，参看图6。
实施例2把实施例1中的磁隧道结磁敏电阻三层膜换成磁隧道结磁敏电阻四层膜，其余部分不变；即磁隧道结磁敏电阻感应部分是由磁隧道结磁敏电阻四层膜构成。其制作方法如下1.制作磁隧道结磁敏电阻芯片(1)基片清洗同实施例1相同。(2)制备偏置磁场部分同实施例1相同。(3)制作磁隧道结磁敏电阻感应部分在具有偏置磁场条的基片上在2×10-4帕斯卡的背景真空下用磁控溅射方法沉积200纳米的FeMn合金薄膜，沉积时的氩气压强为0.8帕斯卡，基片温度200度。在FeMn合金薄膜上用磁控溅射方法沉积200纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。沉积完含20％氧原子的铁薄膜后，在其上继续用射频溅射方法沉积2纳米厚的三氧化二铝绝缘体层，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。然后，待基片温度降至室温，用磁控溅射方法在三氧化二铝绝缘体层上沉积300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2。磁隧道结磁敏电阻四层膜(Fe-O/Al2O3/Fe-O/FeMn四层膜)被制备完成。各层薄膜的厚度可以用调整沉积时间来控制。
上述磁隧道结磁敏电阻四层膜制备完成后，磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分和电极端子的制作方法同实施例1相同，参看图7。(4)磁隧道结磁敏电阻芯片经过以上制作方法的各个步骤，磁隧道结磁敏电阻芯片被制成，图7显示了磁隧道结磁敏电阻芯片的断面结构示意图。2.制作磁鼓同实施例1相同。3.磁编码器的组成同实施例1相同。
实施例3把实施例2中的磁隧道结磁敏电阻四层膜(Fe-O/Al2O3/Fe-O/FeMn四层膜)中的FeMn合金薄膜层从Fe-O/Al2O3/Fe-O三层膜的下部换到Fe-O/Al2O3/Fe-O三层膜的上部，其余部分不变，从而制成磁隧道结磁敏电阻四层膜；即磁隧道结磁敏电阻感应部分是由磁隧道结磁敏电阻(FeMn/Fe-O/Al2O3/Fe-O四层膜)四层膜构成。其制作方法如下1.制作磁隧道结磁敏电阻芯片(1)基片清洗同实施例1相同。(2)制备偏置磁场部分同实施例1相同。(3)制作磁隧道结磁敏电阻感应部分在具有偏置磁场条的基片上在2×10-4帕斯卡的背景真空下用磁控溅射方法沉积200纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。沉积完含20％氧原子的铁薄膜后，在其上继续用射频溅射方法沉积2纳米厚的三氧化二铝绝缘体层，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。然后，待基片温度降至室温，用磁控溅射方法在三氧化二铝绝缘体层上沉积300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2。在300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜上用磁控溅射方法继续沉积200纳米的FeMn合金薄膜，沉积时的氩气压强为0.8帕斯卡，基片温度200度，磁隧道结磁敏电阻四层膜被制备完成。各层薄膜的厚度可以用调整沉积时间来控制。
上述磁隧道结磁敏电阻四层膜制备完成后，磁隧道结磁敏电阻芯片的感应部分和电极端子的制作方法同实施例1相同，参看图8。(4)磁隧道结磁敏电阻芯片经过以上制作方法的各个步骤，磁隧道结磁敏电阻芯片被制成，图8显示了磁隧道结磁敏电阻芯片的断面结构示意图。制作磁鼓与实施例1相同；磁编码器的组成与实施例1相同。
权利要求
1.一种使用磁隧道结磁敏电阻芯片的磁编码器，其特征在于磁编码器由敏感元件磁隧道结磁敏电阻芯片(15)和被充磁的磁鼓(16)构成，磁隧道结磁敏电阻芯片(15)中的磁敏电阻感应部分(10)与磁鼓(16)之间的距离为10微米-1毫米；磁隧道结磁敏电阻芯片(15)由基片(1)、在基片(1)上生成的能够产生偏置磁场的部分(5)以及在能够产生偏置磁场的部分(5)上生成的磁敏电阻感应部分(10)组成。
2.按照权利要求1所述的磁编码器，其特征在于基片(1)可以是塑料、聚四合物高分子材料，也可以是玻璃、二氧化硅非晶态材料，还可以是氧化镁、氧化铝、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、钛酸锆酸镧酸铅金属氧化物材料，也可以是硅、砷化镓半导体材料；产生偏置磁场的部分(5)由在基片(1)上的生成的导电薄膜层(3)和在导电薄膜层上生成的绝缘体层(4)组成，具有条形的结构；导电薄膜层(3)可以是Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ta、AlCu金属单质或合金层，也可以是二氧化铱，二氧化钌金属氧化物薄膜层；绝缘体层(4)可以是三氧化二铝、五氧化二钽、五氧化二钒、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、钛酸锆酸镧酸铅氧化物层，也可以是氮化钽、氮化铝、氮化硅、氮化钛氮化物层，也可以是碳化硅、碳化物，还可以是聚合物等高分子材料；导电薄膜层(3)厚度为10纳米-5000纳米；绝缘体层(4)的厚度为10纳米-5000纳米。
3.按照权利要求1或2所述的磁编码器，其特征在于磁敏电阻感应部分(10)由在产生偏置磁场的部分(5)上生成的按铁磁性层(6)、绝缘体层(7)和铁磁性层(8)的顺序构成的三层膜，或者按铁磁性层(6)、绝缘体层(7)、铁磁性层(8)和反铁磁性层(19)的顺序构成的四层膜，或者按反铁磁性层(19)、铁磁性层(6)、绝缘体层(7)和铁磁性层(8)的顺序构成的四层膜组成的，具有两组相同的微米或亚微米尺寸的点状或条状的磁隧道结感应部分，两组磁隧道结感应部分的间距是磁鼓(16)N和S磁极间距的一半，为1微米——0.5毫米，绝缘体层(7)两边的铁磁性层(6)(8)与反铁磁性层(19)同时作为引出由于磁敏电阻变化引起的电信号变化的输出电极(9)；所沉积的铁磁性层(6)(8)可以是Ni、Co、Fe单质金属层，也可以是NiFe、NiCo、CoFe、NiCu、AuCo以Ni、Co、Fe为基的金属合金层，也可以是含5％-40％氧原子的铁等单质铁磁性金属层和含5％-40％氧原子的NiFe金属合金铁磁性层，也可以是铁氧体亚铁磁性层，也可以是GaMnAs、Mn系磁性层；绝缘体层(7)可以是三氧化二铝、五氧化二钽、五氧化二钒、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、钛酸锆酸镧酸铅氧化物层，也可以是氮化钽、氮化铝、氮化硅、氮化硼、氮化钛氮化物层，也可以是硫化锌、硫化物层，也可以是砷化铝砷化物层；反铁磁性层(19)可以是FeMn、IrMn金属合金层，也可以是氧化镍、氧化钴氧化物层；铁磁性层(6)(8)和反铁磁性层(19)的厚度分别为10纳米-5000纳米；绝缘体层(7)的厚度为0.5纳米-10纳米。
4.按照权利要求1所述的磁编码器，其结构特征在于磁鼓(16)由非磁性材料的圆柱型鼓轮(12)和固定在鼓轮表面上的铁磁性材料的圆环形磁环(11)构成；圆柱形的鼓轮(12)可绕圆柱中心轴转，用充磁机对固定在鼓轮(12)表面上的磁环(11)进行充磁，使其具有连续密排的微小N和S磁极(14)，N和S磁极间距为2微米——1毫米。
全文摘要
本发明提供了一种使用磁隧道结磁敏电阻芯片的磁编码器。其特征在于:磁编码器由敏感元件磁隧道结磁敏电阻芯片(15)和被充磁的磁鼓(16)构成,磁隧道结磁敏电阻芯片(15)中的磁敏电阻感应部分(10)与磁鼓(16)之间的距离为10微米－1毫米;磁隧道结磁敏电阻芯片(15)由基片(1)、在基片(1)上生成的能够产生偏置磁场的部分(5)以及在能够产生偏置磁场的部分(5)上生成的磁敏电阻感应部分(10)组成;本发明的优点是提高磁编码器的灵敏度、温度稳定性,减少其信号处理电路。
文档编号G01D5/249GK1356531SQ0113469
公开日2002年7月3日 申请日期2001年11月13日 优先权日2001年11月13日
发明者潘礼庆, 田跃, 邱宏, 王凤平, 吴平, 黄筱玲, 鲁武军, 周怀安 申请人:北京科大天宇微电子材料技术开发有限公司, 北京科技大学