一种单芯片双轴磁电阻角度传感器的制作方法

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片双轴磁电阻角度传感器。

背景技术：

双轴角度传感器，用于测量两个正交方向如X和Y方向的外磁场角度信息，可以用于磁轮速度测量，或者用于编码器角度测量，在磁传感器设计领域得到广泛的应用。

双轴磁电阻角度传感器包括X和Y两个单轴磁电阻角度传感器，每一单轴X或Y磁电阻角度传感器通常采用推挽式电桥结构以增强磁电阻角度传感器的信号输出，而推挽式电桥包括推磁电阻角度传感单元和挽磁电阻角度传感单元组成，且分别具有相反的磁场敏感方向。

对于TMR或者GMR类型的双轴磁电阻角度传感器，通常采用将一个具有单一磁场敏感方向如X轴的磁电阻传感单元切片，分别翻转90，180和270度，以此来获得Y轴的推磁电阻传感单元切片，挽磁电阻传感单元切片，以及X轴的推磁电阻传感器单元切片和挽磁电阻传感单元切片，因此，双轴磁电阻传感器采用翻转切片的方法将至少需要4片切片，其优点在于，制备方法简单，只需要一个切片，而且对应一个铁磁参考层结构，其缺点在于，需要操作4个切片在同一平面内进行定位，增加了由于操作失误导致的传感器的测量精度损失的可能性。

采用多层薄膜结构的铁磁参考层的设计，通过改变与反铁磁层交互耦合的铁磁层和金属间隔层构成的多层薄膜的层数，可以实现相反铁磁参考层的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的制造；对于正交的铁磁参考层的取向，可以通过两种不同反铁磁层AF1以及AF2，通过两次磁场热退火来实现，其缺点在于，由于在沉积多层薄膜时需要引入至少四种多层薄膜结构和两次磁场退火，增加了微加工工艺的复杂性。

中国专利申请号为CN201610821610.7的专利公开了一种采用激光程控加热磁场退火的方法以实现对磁电阻传感单元进行扫描、快速加热反铁磁层到阻塞温度以上，同时在冷却过程中可以沿任意方向施加磁场，可以逐个扫描、甚至逐片扫描实现磁电阻传感单元沿任一方向的磁场敏感方向的定向，采用该方法可以实现在单一切片上的双轴磁电阻传感单元的四种具有正交取向的磁电阻传感单元及其阵列的制造，从而克服了翻转切片的精确定位和沉积多种磁多层薄膜结构的微加工工艺复杂性的难题，并可实现单芯片双轴磁电阻角度传感器的批量制造。另一方面，中国专利公开号为CN104776794A的专利公开了一种单封装的高强度磁场磁电阻角度传感器，通过在磁电阻角度传感单元的表面增加磁场衰减层的方法来增加磁电阻角度传感单元的磁场测量范围，该磁电阻角度传感器依旧采用切片翻转的方法来改变磁电阻传感单元的磁场敏感方向，因此，如果采用激光辅助加热磁场退火的方法来实现对磁电阻传感单元磁场敏感方向的写入操作，可以得到单芯片的双轴高磁场强度磁电阻角度传感器。

此外，在实际激光程控加热磁退火过程中，由于磁电阻角度传感单元在加工过程中可能存在的偏离圆形、各向异性分散，以及应力等因素，这都可能使得实际的钉扎层磁化方向偏离所设定的+X，-X，+Y和-Y方向，因此还要求设定+X、-X轴磁电阻角度传感单元和+Y、-Y轴磁电阻角度传感单元钉扎层磁化方向之间夹角范围，来保证磁电阻角度传感单元的高效工作。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明所提出的一种单芯片磁电阻角度传感器，包括位于X-Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻角度传感器和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一个磁电阻角度传感单元阵列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁电阻角度传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器具有共同的几何中心，每个所述磁电阻角度传感单元阵列均包括多个所述磁电阻角度传感单元，所述磁电阻角度传感单元为TMR或者GMR自旋阀单元，所述磁电阻角度传感单元均具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自上而下包括种子层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，或者自上而下包括种子层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，所述磁电阻角度传感单元为TMR时，所述非磁中间层为Al₂O₃或者MgO，所述磁电阻角度传感单元为GMR自旋阀时，所述非磁中间层为Au或者为Cu。

所述反铁磁层磁化方向通过激光程控加热磁退火获得，具有相同磁化方向的磁电阻桥臂位于相邻位置，具有不同磁场敏感方向的相邻磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间隙。

进一步地，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器和所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器为半桥、全桥或者准桥结构。

进一步地，所述磁电阻角度传感单元阵列之间排列方式：

+X、-Y、+Y、-X；

或者+X、+Y、-Y、-X；

或者-X、-Y、+Y、+X；

或者+X、-Y、+Y、-X。

进一步地，在所述磁电阻角度传感单元表面电镀磁场衰减层形成高磁场角度传感器，所述磁场衰减层的材料为高磁导率软磁合金，该高磁导率软磁合金包含Fe、Co、Ni元素中的一种或多种，所述磁电阻角度传感单元和所述磁场衰减层之间为绝缘材料层，所述磁场衰减层为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元为椭圆形结构，所述磁场衰减层的直径大于所述磁电阻角度传感单元的长轴距。

进一步地，在所述磁电阻角度传感单元表面电镀磁场衰减层形成高磁场角度传感器；所述磁场衰减层为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元的直径大于10微米，且所述磁场衰减层的直径大于所述磁电阻角度传感单元的直径。。

进一步地，所述X推臂、所述X挽臂、所述Y推臂和所述Y挽臂包含相同数量和相同电阻的磁电阻角度传感单元，且所述磁电阻角度传感单元通过串联、并联或者混合串并联形成两端口结构。

进一步地，所述磁电阻角度传感单元阵列之间通过互联导线进行连接，所述互联导线包括直线段和曲折段，所述直线段的一端与所述磁电阻传感单元相连，所述直线段的另一端与所述曲折段相连，所述曲折段距离所述磁电阻角度传感单元阵列的距离大于15微米。

进一步地，连接电源公共端的互联导线与连接地公共端的互联导线具有相同的互联电阻，连接电源公共端的互联导线与连接信号输出公共端的互联导线具有相同的互联电阻，且所述互联导线通过所述直线段和曲折段以得到相同的互联电阻。

进一步地，所述磁电阻角度传感单元的磁场敏感方向与所述钉扎层之间磁化方向的夹角范围在85°和95°之间。

进一步地，所述钝化层为紫外激光透明材料，所述紫外激光透明材料为BCB、Si₃N₄、Al₂O₃、HfO₂、AlF₃、GdF₃、LaF₃、MgF₂、Sc₂O₃、HfO₂或SiO₂的其中一种材料。

进一步地，所述钝化层为红外激光透明材料，所述红外激光透明材料为类金刚石碳膜，MgO、SiN、SiC、AlF₃、MgF₂、SiO₂、Al₂O₃、ThF₄、ZnS、ZnSe、ZrO₂、HfO₂、TiO₂、Ta₂O₇、Si或Ge的其中一种材料。

进一步地，所述磁多层薄膜结构还包括抗反射涂层，所述抗反射涂层覆盖在所述钝化层的表面。

进一步地，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器的电源、地、输出引脚沿着传感器芯片的边缘排列。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明采用单芯片结构，将两个角度传感器集成在同一个芯片上；并且两个角度传感器的磁电阻角度传感单元具有相同的磁多层薄膜结构，本发明具有结构紧凑、高精度、小尺寸，并可实现大幅度磁场工作范围的优点。

附图说明

图1为本发明的单芯片双轴磁电阻角度传感器示意图；

图2(a)为一种磁电阻角度传感单元磁多层薄膜结构；

图2(b)为图2(a)中100的结构放大图；

图2(c)为另一种磁电阻角度传感单元磁多层薄膜结构；

图2(d)为图2(c)中200的结构放大图；

图3(a)为本发明的反铁磁层磁化方向沿X方向磁电阻角度传感单元俯视图；

图3(b)为本发明的反铁磁层磁化方向沿Y方向磁电阻角度传感单元俯视图；

图4(a)为本发明的钉扎层磁化方向沿X方向的高场强磁电阻角度传感单元俯视图；

图4(b)为本发明的钉扎层磁化方向沿Y方向的高场强磁电阻角度传感单元俯视图；

图5(a)为本发明的钉扎层磁化方向沿X方向的高场强磁电阻角度传感单元侧视图；

图5(b)为本发明的钉扎层磁化方向沿Y方向的高场强磁电阻角度传感单元侧视图；

图6(a)为本发明的推挽式X轴磁电阻角度传感器结构图；

图6(b)为本发明的推挽式Y轴磁电阻角度传感器结构图；

图7为本发明的推挽式磁电阻角度传感器互联电阻分布图；

图8(a)为本发明的磁电阻角度传感单元阵列一种分布结构图；

图8(b)为本发明的磁电阻角度传感单元阵列另一种分布结构图；

图8(c)为本发明的磁电阻角度传感单元阵列另一种分布结构图；

图8(d)为本发明的磁电阻角度传感单元阵列另一种分布结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例一

图1为单芯片双轴磁电阻角度传感器示意图，包括，位于X-Y平面上的衬底1，位于衬底1上的推挽式X轴磁电阻角度传感器2和推挽式Y轴磁电阻角度传感器3，其中，X轴磁电阻角度传感器2和Y轴磁电阻角度传感器3具有共同的几何中心，这样，X轴磁电阻传感器和Y轴磁电阻传感器在衬底1上所测量的磁场区域具有相同的平均值，推挽式X轴磁电阻角度传感器包括X推臂和X挽臂，推挽式Y轴磁电阻角度传感器包括Y推臂和Y挽臂，X推臂包括至少一个磁场敏感方向沿+X方向的磁电阻角度传感单元阵列4和5，X挽臂包括至少一个磁场敏感方向沿-X方向的磁电阻角度传感单元阵列6和7，Y推臂包括至少一个磁场敏感方向沿+Y方向的磁电阻角度传感单元阵列8和9，Y挽臂包括至少一个磁场敏感方向沿-Y方向的磁电阻角度传感单元阵列10和11。

从图1中看出，相邻的两个磁场敏感方向不同的磁电阻传感单元阵列如4、5和8、9之间，8、9和10、11之间，10、11和6、7之间分别由隔热间距12-1，12-2，12-3分隔开来。具体地，+X方向的磁电阻角度传感单元阵列与+Y方向的磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间距12-1，也就是说，在磁电阻角度传感单元阵列4与磁电阻角度传感单元阵列8之间，以及磁电阻角度传感单元阵列5与磁电阻角度传感单元阵列8之间具有隔热间距12-1。相应地，+Y方向的磁电阻角度传感单元阵列与-Y方向的磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间距12-2，也就是说，在磁电阻角度传感单元阵列8与磁电阻角度传感单元阵列10之间，以及磁电阻角度传感单元阵列9与磁电阻角度传感单元阵列11之间具有隔热间距12-2。并且，-Y方向的磁电阻角度传感单元阵列与-X方向的磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间距12-3，也就是说，在磁电阻角度传感单元阵列10与磁电阻角度传感单元阵列6之间，以及磁电阻角度传感单元阵列11与磁电阻角度传感单元阵列7之间具有隔热间距12-3。其中，隔热间距12的目的在于使得激光加热对相邻磁场敏感方向不同的磁电阻传感单元阵列的影响进行隔离。

进一步地，+X、-X、+Y和-Y磁场取向的磁电阻角度传感单元阵列均由相同的磁电阻角度传感单元15组成，X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包含相同数量的+X、-X、+Y和-Y磁敏感方向磁电阻角度传感单元，并且各自通过串联、并联或者混合串并联的形式连接成两端口结构，并具有相同的电阻。

磁电阻角度传感单元阵列之间通过互联导线13的形式进行连接，且对于没有与磁电阻角度传感单元阵列中的磁电阻角度传感单元相连的互联导线13，则位于距离磁电阻传感单元阵列之间距离14大于15um的范围内；具体地，所述互联导线包括直线段和曲折段，所述直线段的一端与所述磁电阻传感单元相连，所述直线段的另一端与所述曲折段相连，所述曲折段距离所述磁电阻角度传感单元阵列的距离大于15微米。此外，16为互联导线的曲折段，其目的在于通过增加互联导线总长度的方法来增加互联导线电阻。

图2为磁电阻角度传感单元的磁多层薄膜结构图，磁电阻角度传感单元20为磁隧道结MTJ或者为GMR自旋阀，其中，两个角度传感器的磁电阻角度传感单元具有相同的磁多层薄膜结构，图2(a)为一种磁电阻角度传感单元磁多层薄膜结构,图2(b)为图2(a)中100的结构放大图,所述磁多层薄膜结构自上而下包括种子层23、反铁磁层24、钉扎层25、Ru26、参考层27、非磁中间层28、自由层29、钝化层30；或者图2(c)为另一种磁电阻角度传感单元磁多层薄膜结构,图2(d)为图2(c)中200的结构放大图,所述磁多层薄膜结构自上而下包括种子层23、反铁磁层24、参考层27、非磁中间层28、自由层29、钝化层30；其中，对于磁隧道结MTJ，非磁中间层为Al₂O₃或者MgO薄膜，对于GMR自旋阀，非磁中间层为金属导电层如Cu和Au薄膜，在两种情况下，反铁磁层磁化方向24为沿+X和-X方向31，或者为+Y和-Y方向32。

图3为磁电阻角度传感单元20的形状图，图3(a)为反铁磁层沿X方向磁电阻角度传感单元俯视图，图3(b)为反铁磁层沿Y方向磁电阻角度传感单元俯视图，从图3(a)和图3(b)看出，两者均为圆形结构，反铁磁层磁化方向分别沿+X，-X方向和+Y，-Y方向。为了保证双轴磁电阻角度传感器能够正常的工作，考虑到由于磁电阻角度传感单元可能存在的偏离圆形、热应力以及各向异性的分散性而导致的实际钉扎层磁化方向偏离+X、-X、+Y和-Y方向，还要求敏感方向为X轴和Y轴磁电阻传感单元的钉扎层之间角度取向范围在85°和95°之间。

图4为高场强磁电阻角度传感单元俯视图，具体地，图4(a)为钉扎层磁化方向沿X方向的高场强磁电阻角度传感单元俯视图，图4(b)为钉扎层磁化方向沿Y和方向的高场强磁电阻角度传感单元俯视图；图5与图4相对应，图5为高场强磁电阻角度传感单元侧视图，具体地，图5(a)为钉扎层磁化方向沿X方向的高场强磁电阻角度传感单元侧视图，图5(b)为钉扎层磁化方向沿Y方向的高场强磁电阻角度传感单元侧视图。从图4和图5看出，所述高场强磁电阻角度传感单元包含磁电阻角度传感单元20以及位于磁电阻角度传感单元上表面或者下表面的磁衰减层33，其中磁衰减层33和磁电阻角度传感单元20之间为绝缘层34。其中，磁衰减层33为高磁导率软磁合金材料，包括Fe、Co、Ni元素中的一种或者几种，且只有在所有磁电阻角度传感单元20的激光程控加热磁退火完成之后，才能通过在磁电阻角度传感单元表面电镀磁衰减材料层33，从而得到高场强磁电阻角度传感器。

具体地，在所述磁电阻角度传感单元20表面电镀磁场衰减层33形成高磁场角度传感器；所述磁场衰减层33为圆形结构，所述磁电阻角度传感单元20为椭圆形或圆形结构；若磁电阻角度传感单元20为椭圆形，所述磁场衰减层33的直径大于所述磁电阻角度传感单元20的长轴距；若所述磁电阻角度传感单元20为圆形结构，所述磁场衰减层33的直径大于所述磁电阻角度传感单元20的直径，并且，此时所述磁电阻角度传感单元20的直径大于10微米。

所述钝化层为紫外激光透明材料，包括BCB、Si₃N₄、Al₂O₃、HfO₂、AlF₃、GdF₃、LaF₃、MgF₂、Sc₂O₃、HfO₂或SiO₂。

所述钝化层为红外激光透明材料，包括类金刚石碳膜，MgO、SiN、SiC、AlF₃、MgF₂、SiO₂、Al₂O₃、ThF₄、ZnS、ZnSe、ZrO₂、HfO₂、TiO₂、Ta₂O₇、Si或Ge。

所述钝化层表面增加了抗反射涂层。

所述X轴磁电阻角度传感器和Y轴磁电阻角度传感器的电源、地、输出引脚沿着矩形芯片的一个边排列。

图6为推挽式双轴磁电阻角度传感器结构图，可以为半桥，全桥或者准桥结构，图6(a)为推挽式X轴磁电阻角度传感器全桥结构图，图6(b)为推挽式Y轴磁电阻角度传感器全桥结构图。

图7为推挽式磁电阻角度传感器互联电阻分布图，对于推挽式X轴磁电阻角度传感器或者推挽式Y轴磁电阻角度传感器，无论是推挽式全桥或者半桥电路中，连接电源公共端Vs和所述推臂和挽臂的互联导线，以及连接地公共端GND和所述推臂和挽臂的互联导线均具有相同的互联电阻Rc1，连接信号输出公共端V+、V-和所述推臂和挽臂的互联导线均具有相同的互联电阻Rc2，而同时所有推臂和挽臂具有相同的电阻，这样，可以保证推挽式X轴磁电阻角度传感器或者推挽式Y轴磁电阻角度传感器均能够在0磁场时输出为0电压信号，为了达到这个目的，互联导线通过直线段或者曲折段实现，如图1中16所示曲折段以增加电阻，从而得到相同的互联电阻。

图8为图1所示双轴磁电阻角度传感器+X，-X，+Y，-Y磁电阻角度传感单元阵列的分布图，为了保证X推挽式磁电阻角度传感器和Y推挽式磁电阻角度传感器的+X、-X、+Y、-Y磁电阻传感单元阵列分布具有相同的几何中心，图8(a)分布结构为+Y、+X、-X、-Y的磁电阻角度传感单元阵列分布结构图，图8(b)分布结构为-Y、+X、-X、+Y的磁电阻角度传感单元阵列分布结构图，图8(c)分布结构为+Y、-X、+X、-Y的磁电阻角度传感单元阵列分布结构图，图8(d)分布结构为-Y、-X、+X、+Y的磁电阻角度传感单元阵列分布结构图，其中具有相同磁化方向的磁电阻桥臂相邻排列，以便激光程控操作。

综上所述，本发明的磁电阻角度传感器包括推挽式X轴磁电阻角度传感器和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，两个角度传感器集成在同一个芯片上，使得整体尺寸小、结构紧凑；所述X轴磁电阻角度传感器和Y轴磁电阻角度传感器具有共同的几何中心，并且，两个角度传感器的磁电阻角度传感单元具有相同的磁多层薄膜结构，这样两个角度传感器在衬底上所测量的磁场区域具有相同的平均值，从而使得传感器整体具有较低的功耗；还能够在磁电阻角度传感单元表面沉积磁场衰减层以提高工作磁场范围；进一步地，相邻的两个磁场敏感方向不同的磁电阻传感单元阵列之间具有隔热间距，所述隔热间距能够隔离相邻磁场敏感方向不同的磁电阻传感单元阵列之间的影响；总之，本发明具有结构紧凑、高精度，小尺寸，并可实现大幅度磁场工作范围的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。