一种半翻转两轴磁电阻传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及磁性传感器领域，特别涉及一种半翻转两轴磁电阻传感器。
【背景技术】
[0002]两轴磁电阻传感器如两轴线性传感器或者两轴角度传感器，用于测量两个正交方向如X和Y方向的外磁场信息，其中两轴线性传感器用于测量外磁场在X和Y方向上的磁场强度，而两轴角度传感器用于测量外磁场与X和Y方向上的角度信息，而在磁传感器设计领域得到广泛的应用。
[0003]两轴磁电阻传感器包括两个单轴磁电阻传感器，每一单轴磁电阻传感器通常采用推挽式电桥结构以增强磁电阻传感器的信号输出，而推挽式电桥包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元组成，且分别具有相反的磁场敏感方向。
[0004]对于TMR或者GMR类型的两轴磁电阻传感器，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，两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，且缺点在于，需要操作4个切片在同一平面内进行精确定位，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。
[0005]另一方面，采用激光磁场退火的方法对磁电阻传感单元的反铁磁层进行扫描，同时改变磁场的方向，可以实现在单一切片上的两轴磁电阻传感单元的四个具有正交取向的磁电阻传感单元的制造，但是，其缺点在于采用激光扫描加热的方法实现对单个磁电阻传感单元的过程时间消耗非常长。
[0006]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，其中一个为奇数层，另一个为偶数层的方法，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AFl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。
【实用新型内容】
[0007]针对以上单芯片方法和翻转芯片方法的各自优点和缺点，本实用新型提出了一种半翻转两轴磁电阻传感器，通过在同一切片上制备两个正交的磁电阻传感单元，同时利用对该切片进行翻转180度来获得对应推臂和挽臂的磁电阻传感单元，其优点在于，不需要参考多层薄膜结构次序来实现推臂和挽臂，仅需要两次退火来实现正交的铁磁参考层取向，而且翻转切片的数量仅为二，从而简化了制造工艺和切片位置对准过程，提高了两轴磁电阻传感器的制造效率。
[0008]本实用新型所提出的一种半翻转两轴磁电阻传感器，包括位于X-Y平面内的至少一组切片；
[0009]每组切片包括两个切片，其中一个切片为另一个切片在X-Y平面内旋转180度角度相位得到，任一切片均包括两组具有正交铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串，所述磁电阻传感单元串均由至少两个磁电阻传感单元构成；且位于所述两个切片上的所述磁电阻传感单元串电连接成具有正交磁场敏感方向的至少两个推挽式磁电阻传感单元电桥，任一所述推挽式磁电阻传感单元电桥均包括分别位于两个切片上的具有相反铁磁参考层磁化方向的磁电阻传感单元串。
[0010]优选的，所述磁电阻传感单元为GMR或者TMR磁电阻传感单元。
[0011 ] 优选的，所述推挽式磁电阻传感单元电桥为线性磁电阻传感单元电桥或角度磁电阻传感单元电桥。
[0012]优选的，所述推挽式磁电阻传感单元电桥为半桥、全桥或者准桥结构。
[0013]优选的，没有外加磁场时，所述线性磁电阻传感单元电桥通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者他们的任意结合来使铁磁自由层的磁化方向来与铁磁钉扎层的磁化方向垂直。
[0014]优选的，所述磁电阻传感单元电桥的铁磁参考层结构采用单堆叠层结构或多层薄膜结构；
[0015]所述单堆叠层结构包括依序设置的反铁磁层、铁磁参考层；
[0016]所述多层薄膜结构包括位于中间层的依序设置的反铁磁层、铁磁层、金属间隔层、铁磁参考层、非金属间隔层、铁磁自由层，或者所述多层薄膜结构包括位于底层的依序设置的反铁磁层、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、铁磁自由层。
[0017]优选的，所述位于同一切片上的正交的所述两组磁电阻传感单元串的铁磁参考层分别对应反铁磁层I和反铁磁层2，用在所述反铁磁层I和反铁磁层2的阻隔温度下分别退火，并在冷却过程中分别施加正交方向的两个外磁场，从而形成具有所述正交铁磁参考层磁化方向的所述两组磁电阻传感单元串。
[0018]优选的，所述的半翻转两轴磁电阻传感器还包括ASIC专用集成电路，所述ASIC和所述推挽式磁电阻传感单元电桥之间电连接。
[0019]优选的，所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路。
[0020]优选的，所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路和用于对所述推挽式磁电阻传感单元电桥的输出进行计算的处理电路以使得其以数字形式输出。
[0021]优选的，所述推挽式磁电阻传感单元电桥的输入和输出端通过引线连接到位于同一引线框架上的引脚上。
[0022]优选的，所述引线框和所述推挽式磁电阻电桥被密封在塑料中以形成标准的半导体封装。
[0023]优选的，所述两个切片之间通过绑定连接或者通过TSV焊头连接。
【附图说明】
[0024]图I为半翻转两轴磁电阻传感器结构一；
[0025]图2为半翻转两轴磁电阻传感器结构二 ；
[0026]图3 (a) ,3(b)为半翻转两轴磁电阻传感器推挽式全桥结构图；
[0027]图4为TMR或者GMR磁电阻传感单元多层薄膜结构图；
[0028]图5 (a) ,5(b)为线性磁电阻传感单元磁化强度分布图；
[0029]图6 (a)、6 (b)为角度磁电阻传感单元磁化强度分布图；
[0030]图7为半翻转两轴磁电阻传感器结构一的切片间电连接图；
[0031]图8为半翻转两轴磁电阻传感器结构二的切片间电连接图；
[0032]图9为包含ASIC的半翻转两轴磁电阻传感器的切片间电连接图；
[0033]图10为TMR或者GMR铁磁参考层结构一图；
[0034]图11为TMR或者GMR铁磁参考层结构二图；
[0035]图12 (a)、12 (b)为半翻转两轴磁电阻传感器X轴磁电阻传感单元和Y轴磁电阻传感单元铁磁参考层结构图；
[0036]图13为激光热辅助磁场退火设备图；
[0037]图14为半翻转两轴磁电阻传感器的两轴单切片在晶圆上分布图。
【具体实施方式】
[0038]下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
[0039]实施例一
[0040]图I和图2为本实用新型所提出的半翻转两轴磁电阻传感器的两种结构图，半翻转两轴磁电阻传感器I和5均包括两个位于X-Y平面内的切片，其中半翻转两轴磁电阻传感器I包括切片2和2 (I)，半翻转两轴磁电阻传感器5包括切片6和6 (I)，且其中一个切片为另一个切片在X-Y平面内旋转180度相位而得到，即切片2和2(1)，切片6和6(1)均可以通过各种旋转180度相位而得到；另一方面，图I和图2中构成半翻转两轴磁电阻传感器的两个切片中的任一切片均包括相互正交的两个单轴磁电阻传感器，例如切片2和2(1)均包括X轴磁电阻传感单元串3和Y轴磁电阻传感器单元串4，切片6和6 (I)均包括X轴磁电阻传感单元串7和Y轴磁电阻传感单元串8，其中图I中，X磁电阻传感单元串3和Y轴磁电阻传感单元串4比邻排列，其中一个磁电阻传感单元串位于另一个磁电阻传感单元串的一侧。图2中，X轴磁电阻传感单元串7和Y轴磁电阻传感单元串交替排列，其中X轴磁电阻传感单元串7所包含的子单元71和72和Y轴磁电阻传感单元串8所包含的子单元81和82相互交替；图I和图2中，两个切片2和2(1)，切片6和6(1)上的X轴磁电阻传感单元串之间电连接成如图3 (a)所示的推挽式X轴磁电阻传感单元电桥，Y轴磁电阻传感单元串电连接成如图3 (b)所示的推挽式Y轴磁电阻传感单元电桥，其中一个切片上的X轴磁电阻传感单元与另一个切片上的X轴磁电阻传感单元相互电连接构成了推臂磁电阻传感单元，且一个切片上的Y磁电阻传感单元和另一个切片上的Y轴磁电阻传感单元相互电连接构成了挽臂磁电阻传感单元，图3为推挽式全桥结构，实际上还可以为推挽式半桥或者准桥结构。
[0041 ] 半翻转两轴磁电阻传感器所包括的X轴磁电阻传感器和Y轴磁电阻传感器可以同为线性磁电阻传感器，或者同为角度磁电阻传感器，其磁电阻传感单元为GMR或者TMR类型，其磁电阻传感单元结构如图4所示，多层薄膜结构9均从上到下依次包括反铁磁层12，铁磁参考层13，非磁隔离层14，铁磁自由层15，其中10为对应角度磁电阻传感器的多层薄膜结构，其铁磁参考层13的磁化方向16即为角度传感器的磁场敏感方向，铁磁自由层15的磁化方向17可以沿着外磁场方向自由转动，而11为对应线性磁电阻传感单元的多层薄膜结构，在O外磁场时，其铁磁参考层13的磁化方向18和铁磁自由层15的磁化方向19相互垂直，此时通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者他们的任意结合来使铁磁自由层的磁化方向与铁磁参考层的磁化方向垂直。
[0042]图5和图6分别为线性磁电阻传感单元和角度磁电阻传感单元所对应形状