一种单封装的高强度磁场磁电阻角度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单封装的高强度磁场磁电阻角度传感器。
【背景技术】
[0002]图1为构成GMR或者TMR类型角度传感器的磁多层薄膜I结构图，包括反铁磁层
2、铁磁参考层3、非磁性隔离层4以及铁磁自由层5，磁多层薄膜两端的电阻受铁磁自由层5和铁磁参考层3之间相对夹角的控制，实际工作时，如图2所示，旋转永磁体6在封装的GMR或者TMR类型角度传感器芯片7的表面产生旋转磁场8，其中要求旋转磁场8大于铁磁自由层5的饱和磁化强度值，并且小于铁磁参考层3的各向异性磁化强度值，此时铁磁自由层5的磁化方向与旋转磁场8的方向一致，通过测量磁多层薄膜I两端的电阻随旋转磁场角度的变化，从而对其角度进行测量。图3为双轴角度传感器即包含一个X轴取向的铁磁参考层多层薄膜结构以及一个具有Y轴取向的铁磁参考层多层薄膜结构，其各自两端结构的输出信号，即其中一个为正弦信号9，另一个为余弦信号10，通过对其输出信号进行反正切计算，得到其角度信号值。
[0003]但实际上，采用以上的GMR或者TMR类型的磁多层薄膜结构设计的角度传感器，其旋转外磁场幅度必须小于300G，对于更高幅度的旋转外磁场，会导致铁磁参考层3发生旋转，从而产生非线性的输出。如图4所示，理想角度信号曲线11，旋转磁场为500e时，其输出曲线12接近理想的正余弦曲线11，而当旋转外磁场超过4000e时，其输出曲线13偏离理想曲线11，变成三角形，产生角度误差曲线14。
[0004]然而，许多应用要求的工作旋转外磁场幅度都大于300G，而且还要求低的非线性误差，因此，急需开发一种新型的能够在高强度旋转磁场条件下工作并产生低的非线性误差的角度传感器。
【发明内容】
[0005]为了解决旋转磁场幅度高于300G时所产生的由于铁磁参考层3的磁矩旋转所产生的角度传感器的非线性误差问题，本发明提出了一种单封装的高场强磁电阻角度传感器，通过在图1所示的GMR或者TMR类型角度传感器的磁多层薄膜结构I的表面覆盖一层软磁薄膜材料作为通量衰减器，将高于300G磁场幅度的旋转磁场进行衰减，使之在GMR或者TMR类型角度传感器的磁多层薄膜结构I的表面上所产生的磁场幅度小于300G，从而达到测量高磁场幅度旋转磁场并减小非线性误差的目的。
[0006]本发明提出的一种单封装的高强度磁场磁电阻角度传感器，包括:
[0007]至少一个推挽式磁电阻电桥和一衬底，
[0008]所述推挽式磁电阻电桥包含2个或者4个磁电阻桥臂，每个所述磁电阻桥臂包含多个磁电阻传感单元，且内连成一个两端口结构，所述磁电阻传感单元为MTJ或者GMR类型，所述磁电阻传感单元沉积在所述衬底上，所有所述磁电阻桥臂通过电连接成电桥；所述磁电阻传感单元包含至少一个钉扎层、一个铁磁参考层、一个非磁性间隔层以及一个铁磁自由层，位于任一所述推挽式磁电阻电桥的至少一个所述磁电阻桥臂的所述磁电阻传感单元的所述铁磁参考层的磁化强度反向于剩余所述磁电阻桥臂的所述铁磁参考层磁化强度；所述磁电阻传感单元的所述铁磁自由层为低纵横比的椭圆形或者圆形，以使得所述铁磁自由层磁化强度能够沿任意方向外磁场对齐排列；
[0009]以及一个或多个软磁通量衰减器，
[0010]所述软磁衰减器覆盖在所有所述磁电阻传感单元表面，以衰减外磁场，在所述角度传感器中，电子元件之间通过连接焊点或者硅穿孔连接。
[0011 ] 作为本发明的一种优选方式，所述磁电阻角度传感器的所述推挽式磁电阻电桥数量为至少I个；且所述磁电阻角度传感器包含至少2个位于同一平面内的磁电阻传感单元切片，且其中至少I个所述磁电阻传感单元切片相对于剩余所述磁电阻传感单元切片在切片所在平面内翻转180度相位，位于同一所述磁电阻传感单元切片上的所有所述磁电阻传感单元具有相同的铁磁参考层磁化方向，所述磁电阻传感单元切片之间通过引线邦定电连接成推挽式磁电阻电桥。
[0012]作为本发明的一种优选方式，所述磁电阻角度传感器的所述推挽式磁电阻电桥数量为至少2个，所述至少I个推挽式磁电阻电桥的铁磁参考层磁化方向正交于剩余所述推挽式磁电阻电桥的铁磁参考层磁化方向；所述磁电阻角度传感器共包括至少4个位于同一平面内的磁电阻传感单元切片，且其中至少3个所述磁电阻传感单元切片为剩余的所述磁电阻传感单元切片在所述切片所在平面范围内分别翻转90度、180度和270度而得到；所述位于同一磁电阻传感单元切片上的所有所述磁电阻传感单元具有相同的铁磁参考层磁化方向，所述具有相同或相反铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元切片通过引线邦定电连接成至少I个推挽式磁电阻电桥。
[0013]作为本发明的一种优选方式，所述推挽式磁电阻电桥数量为至少2个，所述至少I个推挽式磁电阻电桥的铁磁参考层磁化方向正交于剩余所述推挽式磁电阻电桥的铁磁参考层磁化方向；且包含至少2个磁电阻传感单元切片，且其中至少I个所述磁电阻传感单元切片相对于剩余所述磁电阻传感单元切片在切片所在平面内翻转180度相位，位于同一所述磁电阻传感单元切片上的所述磁电阻传感单元具有正交的铁磁参考层磁化方向，所述切片之间通过引线邦定电连接成推挽式磁电阻电桥。
[0014]作为本发明的一种优选方式，所述推挽式磁电阻电桥数量为至少I个，且位于同一个磁电阻传感单元切片上，位于同一磁电阻桥臂上的所述磁电阻传感单元具有相同的铁磁参考层磁化方向，且其中至少I个所述磁电阻桥臂的铁磁参考层相对于剩余所述磁电阻桥臂的铁磁参考层具有相反磁化方向，所述磁电阻桥臂之间内连成推挽式磁电阻电桥。
[0015]作为本发明的另一种优选方式，所述推挽式磁电阻电桥数量为至少2个，且位于同一个磁电阻传感单元切片上，位于同一磁电阻桥臂上的所述磁电阻传感单元具有相同的铁磁参考层磁化方向，所述至少I个推挽式磁电阻电桥的铁磁参考层磁化方向正交于其余推挽式磁电阻电桥的铁磁参考层磁化方向，且任一所述推挽式磁电阻电桥内，至少I个所述磁电阻桥臂的铁磁参考层相对于剩余所述磁电阻桥臂的铁磁参考层具有相反磁化方向，所述磁电阻桥臂内连成所述推挽式磁电阻电桥。
[0016]进一步地，所述推挽式磁电阻电桥的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元均为单堆叠层结构，包括反铁磁层和铁磁参考层，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的铁磁参考层磁化方向相反；采用激光加热所述磁电阻传感单元的所述反铁磁层到其阻挡温度以上，而后分别施加相反方向的磁场，冷却到室温，从而形成具有相反铁磁参考层磁化方向的推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元。
[0017]进一步地，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元分别采用两个不同的多层薄膜沉积结构，即自下而上包括反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层和铁磁自由层，或者自下而上包括反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层和铁磁自由层；而后在所述反铁磁层的阻挡温度退火，在冷却过程中施加同一个方向的外磁场，从而得到具有相反参考层磁化方向的所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元。
[0018]进一步地，所述磁电阻传感单元均为单堆叠层结构，包括反铁磁层和铁磁参考层；采用激光加热所述磁电阻传感单元的所述反铁磁层到其阻挡温度以上，而后分别施加沿正交方向分别取向的2个或4个外磁场，冷却到室温，从而分别形成所述正交推挽式磁电阻电桥的推臂和挽臂。
[0019]进一步地，所述正交的推挽式磁电阻电桥，
[0020]其中一个方向的推挽式磁电阻电桥所对应的其中一个或两个具有相反取向的参考层磁化方向的桥臂的多层薄膜结构为:自下而上包括反铁磁层1、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层和铁磁自由层，或者自下而上包括反铁磁层1、铁磁层、金属间隔层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层和铁磁自由层；
[0021]另一个与此正交的推挽式磁电阻电桥所对应的其中一个或两个具有相反取向的参考层磁化方向的桥臂的多层薄膜结构为:自下而上包括反铁磁层2、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层和铁磁自由层，或者自下而上包括反铁磁层2、铁磁层、金属间隔层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层和铁磁自由层；
[0022]分别在所述反铁磁层I和反铁磁层2的阻挡温度退火，并在冷却过程中分别施加正交方向两个外磁场，从而得到具有正交推挽式磁电阻电桥的具有正交且相反方向铁磁参考层磁化方向的所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元。
[0023]具体地，所述每个磁电阻传感单元切片对应一个软磁通量衰减器，且所述软磁通量衰减器位于所述磁电阻传感单元切片上所有磁电阻传感单元表面。
[0024]具体