一种抗强磁场干扰的AMR传感器及其制备方法与流程

本发明属于传感器制造技术领域，特别涉及一种抗强磁场干扰的amr传感器及其制备方法。

背景技术：

在传统amr传感器的设计制造中，通过采用巴贝电极的设计，来获得较好的线性范围。在磁阻条表面生长平行间隔排列的金属电极，金属电极与矩形磁阻条长边方向成45°。但是这样的设计存在重大缺陷，会极大的限制amr传感器应用范围：当外界干扰磁场超过磁阻材料的矫顽场时，即使干扰磁场恢复到零场，矩形磁阻条的磁化状态取向存在反平行的两种排列状态，电流与磁阻条磁化取向呈现随机的45°和135°夹角，使得amr磁场传感器无法对测试磁场输出线性的电压输出。目前商业产品在磁场超过约±5oe时，无法主动恢复到正常工作状态，为了使得传感器在强磁场干扰后能够恢复正常工作状态，需要增加用于产生偏置磁场的额外装置，这会增加器件的生产成本和实际体积。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种抗强磁场干扰的amr传感器及其制备方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种抗强磁场干扰的amr传感器，包括第一导电材料、第二导电材料和磁阻条；四个第一导电材料成四宫格状分布，若干磁阻条平行等间距设置，相邻的两个磁阻条之间的端部通过第二导电材料连接，使若干磁阻条形成s型串联结构；相邻的第一导电材料之间均设置有s型串联结构，形成惠斯通电桥，s型串联结构端部的磁阻条与第一导电材料连接；每个s型串联结构均与四宫格的中线成45度夹角；第一导电材料和第二导电材料均为导电金属。

进一步的，磁阻条为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲层材料为ta，厚度为5nm，上层保护层材料为ta，厚度为5nm，中间层包括铁磁层和反铁磁层，铁磁层为nife或nico，厚度为10nm-200nm；反铁磁层为nio或irmn，厚度为10nm-500nm。

进一步的，一种抗强磁场干扰的amr传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一个si基底，并对si基底进行预处理；

步骤2，在si基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖si片；

步骤3，将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；

步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第一预定义图形；

步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一、第二导电材料，第一、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一、第二导电材料包括ta或au；

步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有第一、第二导电材料的si基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖；

步骤7，将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；

步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第二预定义图形；

步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除第二层光刻胶。

进一步的，步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用n2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

进一步的，步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为apr-3510t，在si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。

进一步的，步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。

进一步的，步骤9中，在薄膜生长过程中，对si基底添加外部偏置磁场，偏置磁场方向与磁阻条夹角成45°，偏置磁场方向为水平横向。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明去除了磁阻条表面巴贝电极层，利用铁磁/反铁磁材料耦合，实现了电流与磁阻长条夹角固定为45°或135°。保证了磁性材料磁化状态的稳定排列，保证传感器在强磁场干扰后保持正常稳定的工作状态。可以提高传感器抗强磁场干扰的能力，提高器件的工作效率和应用范围。

通过铁磁/反铁磁耦合的方式解决磁阻条在强磁场干扰后磁化状态不稳定的问题。相较传统的amr传感器设计，铁磁/反铁磁耦合的方法可以有效提升铁磁材料磁化状态的稳定性，增加amr传感器的应用范围。

附图说明

图1示意了amr传感器结构。

图2示意了amr传感器的磁阻功能层材料组成。

图3示意了amr传感器的制造流程。

图4示意了amr传感器磁阻材料层磁滞回线性能，表明在磁场为0时，传感器磁阻层有钉扎定向的磁化取向。

图5示意了amr传感器在强磁场干扰前后的实际测试结果，包括(a)强磁场对于amr传感器线性工作区域输出电压的影响，(b)强磁场干扰前后，具有固定大小、频率的外界磁场测试时的示波器检测到的输出电压。

图中：1-第一导电材料，2-第二导电材料，3-磁阻条，4-偏置磁场。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图3，一种抗强磁场干扰的amr传感器，包括第一导电材料1、第二导电材料2和磁阻条3；四个第一导电材料1成四宫格状分布，若干磁阻条3平行等间距设置，相邻的两个磁阻条3之间的端部通过第二导电材料2连接，使若干磁阻条3形成s型串联结构；相邻的第一导电材料1之间均设置有s型串联结构，形成惠斯通电桥，s型串联结构端部的磁阻条3与第一导电材料1连接；每个s型串联结构均与四宫格的中线成45度夹角；第一导电材料1和第二导电材料2均为导电金属。

磁阻条3为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲层材料为ta，厚度为5nm，上层保护层材料为ta，厚度为5nm，中间层包括铁磁层和反铁磁层，铁磁层为nife或nico，厚度为10nm-200nm；反铁磁层为nio或irmn，厚度为10nm-500nm。

一种抗强磁场干扰的amr传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，提供一个si基底，并对si基底进行预处理；

步骤2，在si基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖si片；

步骤3，将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；

步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第一预定义图形；

步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一、第二导电材料，第一、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一、第二导电材料包括ta或au；

步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有第一、第二导电材料的si基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖；

步骤7，将旋涂光刻胶的si基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；

步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在si基底上留下第二预定义图形；

步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除第二层光刻胶。

步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用n2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。

步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为apr-3510t，在si基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖si片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。

步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。

步骤9中，在薄膜生长过程中，对si基底添加外部偏置磁场，偏置磁场方向与磁阻条夹角成45°，偏置磁场方向为水平横向。

在薄膜生长过程中，对si基底添加外部偏置磁场4，偏置磁场4方向与磁阻条3夹角成45°，如图1所示，偏置磁场4方向为水平横向。此处nife薄膜厚度可以改变，同时也可以是其他磁性材料，nio薄膜厚度也可以改变，也可以是其他反铁磁材料，磁阻条3的数量与尺寸也可以改变。导电金属1、2与磁阻条3组成惠斯通电桥。

相关实验测试如图4和图5所示，图4展示了铁磁/反铁磁材料耦合效果：测试结果表明在外界磁场为0时，磁阻层表现由于钉扎效果表现出稳定的磁畴取向。同时，当磁场方向沿难轴方向时，磁阻层表现出良好的线性的及线性区间，可以实现抗强磁场干扰的功能。图5展示了抗强磁场磁场传感器的具体测试结果：图5(a)展示了1.5t强磁场干扰前后，传感器对频率为2hz，场强连续变化的外界磁场探测结果。图5(a)展示了1.5t强磁场干扰前后，传感器对频率为2hz，大小为15.5oe的外界磁场探测波形输出。图5结果表明抗强磁场干扰磁场传感器在1.5t强磁场干扰后，可以稳定工作，无需手动恢复。相对于目前商业amr磁场传感器，当外加磁场超过约5oe时，无法主动恢复正常工作状态，需要人工设置使其恢复正常工作状态。