一種單芯片具有校準/重置線圈的z軸線性磁電阻傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及磁性傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種單芯片具有校準/重置線圈的Z軸線性磁電阻傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隧道結(jié)磁電阻(MTJ, Magnetic Tunnel Junct1n)傳感器具有高靈敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等優(yōu)點。盡管MTJ傳感器與半導(dǎo)體標準制造工藝相兼容且其具有高磁電阻的性能，但是制備高性能的MTJ線性磁場傳感器的方法還沒有得到充分開發(fā)，特別是溫度特性和磁滯的問題不容易得到有效的控制。
[0003]磁場傳感器由單個的磁電阻元件組成，在實際應(yīng)用中一般將磁電阻元件連接成惠斯通電橋以消除偏移，增加靈敏度以及對溫度特性做一定的補償。盡管電橋構(gòu)造能對溫度特性做出一定的補償，但是傳感器磁電阻內(nèi)稟的磁性能對溫度的依賴不會得到完全抑制。對于高精度測量來說，在工作狀態(tài)下校準靈敏度是必要的，且芯片級別的校準線圈沿傳感器敏感方向產(chǎn)生一個磁場可以達到這個目的。
[0004]另外，因為磁電阻傳感器是由鐵磁敏感元件構(gòu)成，所以輸出曲線主要是非線性的，磁滯的產(chǎn)生是因為傳感元件以及其他部分(例如磁屏蔽層或聚磁層)的疇壁的生成和運動。為了克服以上問題，高性能的磁電阻傳感器通常需要另一個線圈為傳感元件提供定期的飽和場且消除磁疇，稱為重置線圈。
[0005]在專利201310409446.5中，公布了一種單芯片Z軸線性磁阻傳感器，如圖1所示，用于測量Z方向即垂直于襯底方向上的外磁場，該單芯片Z軸線性磁電阻傳感器包括襯底1，以及位于襯底I上的多個長條形軟磁通量集中器2，其長度方向為Y軸方向，寬度方向為X軸方向，以及位于軟磁通量集中器2上表面或下表面上的磁電阻傳感單元陣列4和5，所述磁電阻傳感單元陣列沿Y軸方向排列成推磁電阻單元串4和挽磁電阻單元串5，分別位于軟磁通量集中器2的Y軸中心線3的兩側(cè)，且距離Y軸中心線具有相同的距離，所述推磁電阻單元串4和挽磁電阻單元串5電連接成推挽式電橋，其所述磁電阻傳感單元的釘扎層及磁場敏感方向沿X軸方向，當Z軸方向外磁場作用時，軟磁通量集中器2將Z方向磁場扭曲成具有X和-X軸向磁場分量的兩個反向且幅度相同的敏感磁場作用于推磁電阻串4和挽磁電阻串5，從而形成推挽式磁電阻傳感器。
[0006]圖2為所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器截面圖，可以看出，推磁電阻傳感單元串4和挽磁電阻傳感單元串5位于襯底I之上，軟磁通量集中器2位于推磁電阻傳感單元串4和挽磁電阻傳感單元串5之上，此外，還包括電極6以及位于各層之間的絕緣層7和8分別用于隔離磁電阻傳感單元的電極以及隔離磁電阻傳感單元4，5以及軟磁通量集中器2，9為保護層，用于防護整個器件。
[0007]圖1和圖2所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器中的磁電阻傳感單元串4和5為TMR磁電阻傳感單元，包含自由層、釘扎層以及中間勢皇層，其自由層的起始磁化方向為Y軸方向，釘扎層磁化方向即磁場敏感方向為X軸方向。以上所述單芯片Z軸磁電阻傳感器可以實現(xiàn)來自于Z軸的外磁場分量的測量，但存在如下問題:
[0008]I)晶圓測試階段，需要設(shè)計復(fù)雜的Z向外磁場產(chǎn)生系統(tǒng)，包括電磁線圈和電磁線圈電源，而且電磁線圈系統(tǒng)需要隨著探針平臺一起移動，從而增加了測量的成本，影響了測量的效率；
[0009]2)電磁線圈系統(tǒng)磁場的施加和定位存在著不精確的問題，從而影響測量的精度；
[0010]3)由于自由層軟磁薄膜中存在磁疇，在外磁場作用時，存在著疇壁移動的不可逆性，導(dǎo)致在外磁場移除之后，自由層磁性薄膜無法回復(fù)起始狀態(tài)，并且導(dǎo)致磁滯的出現(xiàn)，使得傳感器測量可重復(fù)性難以保障。
【實用新型內(nèi)容】
[0011]為了解決以上的問題，本實用新型提出了一種單芯片具有校準/重置線圈的Z軸線性磁電阻傳感器，在前述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在芯片上引入校準線圈/重置線圈，通過在校準線圈中通過適當電流，在推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串所在位置分別沿X和-X方向產(chǎn)生大小相同的電流磁場，并且實現(xiàn)通過電流的調(diào)節(jié)實現(xiàn)磁場大小的精確調(diào)節(jié)，由于校準線圈位于所述Z軸傳感器芯片上，因此測量時只需要通過探針即可以施加電流的方式進行測量，從而提高了測量的效率，并且保證了測量的精度。
[0012]同樣，當Z軸磁電阻傳感器受外磁場作用發(fā)生不可逆的磁化狀態(tài)改變時，可以在重置線圈中通入電流，在所有磁電阻傳感單元處產(chǎn)生沿自由層起始磁化方向的外磁場，從而實現(xiàn)對自由層磁化狀態(tài)的恢復(fù)，消除由于磁場作用歷史對軟磁薄膜磁化狀態(tài)的影響。
[0013]本實用新型所提出的一種單芯片具有校準/重置線圈的Z軸線性磁電阻傳感器，包括單芯片Z軸線性磁電阻傳感器，以及校準線圈或和重置線圈，所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器包括將Z方向磁場扭曲成具有X和-X軸向磁場分量的兩個反向且幅度相同的敏感磁場的軟磁通量集中器和包含多個磁電阻單元的陣列，所述多個磁電阻單元形成推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串，
[0014]所述校準線圈/重置線圈分別包括平行于所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的磁電阻傳感單元的釘扎層/自由層磁化方向的直導(dǎo)線，
[0015]所述校準線圈在所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的推/挽磁電阻傳感單元串處產(chǎn)生同/反釘扎層方向且等值的校準磁場，所述重置線圈在所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的所有磁電阻傳感單元處產(chǎn)生沿自由層磁化方向的均勻重置磁場。
[0016]所述校準線圈為平面校準線圈，所述平面校準線圈的直導(dǎo)線與所述推磁電阻傳感單元串和挽磁電阻傳感單元串一一對應(yīng)，且分別位于所述軟磁通量集中器Y軸中心線的所述推磁電阻傳感單元串和所述挽磁電阻傳感單元串的同一側(cè)，且與所述推磁電阻傳感單元串對應(yīng)的直導(dǎo)線與所述挽磁電阻傳感單元串對應(yīng)的直導(dǎo)線具有相反方向的電流。
[0017]所述平面校準線圈的直導(dǎo)線與所述軟磁通量集中器的Y軸中心線的距離為O?(l/2*Lx+l/2*Lgap),其中Lx為所述通量集中器的寬度，Lgap為所述通量集中器之間間隙的寬度。
[0018]所述平面校準線圈的直導(dǎo)線與Y軸中心線距離為O?l/2*Lx時，所述平面線圈位于所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的襯底之上磁電阻傳感單元之下、磁電阻傳感單元和軟磁通量集中器之間、軟磁通量集中器之上。
[0019]所述平面校準線圈的直導(dǎo)線與Y軸中心線距離為l/2*Lx?(l/2*Lx+l/2*Lgap)時，所述平面線圈位于所述單芯片Z軸線性磁電阻傳感器的襯底之上磁電阻傳感單元之下、磁電阻傳感單元和軟磁通量集中器之間、軟磁通量集中器之間間隙處。
[0020]所述校準線圈是纏繞軟磁通量集中器和磁電阻傳感單元的三維校準線圈，
[0021]所述三維校準線圈包括多個相互串聯(lián)的三維校準子線圈，每一個所述軟磁通量集中器、所述推磁電阻傳感單元串、挽磁電阻傳感單元串均對應(yīng)一個所述三維校準子線圈，
[0022]所述三維校準子線圈包括平行于所述軟磁通量集中器Y軸中心線的第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線，所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線對稱分布在對應(yīng)的所述軟磁通量集中器Y軸中心線兩側(cè)，所述第一組/第二組直導(dǎo)線包括兩條直導(dǎo)線，所述第一 /第二組直導(dǎo)線的兩條直導(dǎo)線分別位于所述軟磁通量集中器或推磁電阻傳感單元串、挽磁電阻傳感單元串表面上，所述第一組直導(dǎo)線的一條直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線的一條直導(dǎo)線對稱于所述Y軸中心線分布于推和挽磁電阻傳感單元串之間區(qū)域，所述第一組直導(dǎo)線的另一條直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線的另一條直導(dǎo)線對稱于所述Y軸中心線分布于推和挽磁電阻傳感單元串的外側(cè)區(qū)域，在所述Y軸中心線兩側(cè)的所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線分別形成一個三維螺線圈，
[0023]且兩個所述三維螺線圈具有相反纏繞方向，且相互之間串聯(lián)連接，其中一個所述三維螺線圈產(chǎn)生平行于X方向的磁場，另一個所述三維螺線圈產(chǎn)生-X方向的磁場。
[0024]所述重置線圈是平面重置線圈，所述平面重置線圈包含多個串聯(lián)連接的垂直于所述軟磁通量集中器Y軸中心線的直導(dǎo)線，其中，所述直導(dǎo)線位于所述Z軸線性傳感器沿X軸方向的磁電阻單元行正上方或者正下方，并具有相同的電流方向。
[0025]所述重置線圈是三維重置線圈，所述三維重置線圈包含多個平行于所述磁電阻傳感單元陣列沿X軸方向的磁電阻單元行的第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線，所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線分別位于所述軟磁通量集中器和所述磁電阻單元的表面，所述第一組直導(dǎo)線和第二組直導(dǎo)線具有相反電流方向，并連接