[发明专利]一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法

说明书

【技术领域】

本发明属于传感检测领域，具体涉及一种面阵巨磁阻磁传感器及其制造方法。

【背景技术】

磁场可以作为多种信息的载体，其广泛存在于现代工业社会的方方面面。磁检测技术已成 为一种重要的检测手段。磁传感器被广泛用于现代工业和电气电子产品中，通过测量感应磁场 强度来获得电流、位置、方向等物理参数。

在现有技术中，有多种不同类型的传感器可用于进行磁场的测量，例如以霍尔(Hall)元 件、各向异性磁电阻(AMR)元件、巨磁阻(GMR)元件或隧道结巨磁电阻(TMR)元件为 敏感元件的磁传感器。其中，巨磁阻效应是指磁性材料的电阻率在外磁场作用时发生显著变化 的现象。因此，巨磁阻传感器具有灵敏度高、易小型化、能耗低等优点，成为近年来的研究热 点。

目前，人们为了设计制造上述具有巨磁阻效应的阵列传感器，已作出一些尝试和努力。例 如，在2012年7月4日授权的中国发明专利CN102043083B授权文本中披露了“一种巨磁阻 阵列电流传感器”。该传感器由巨磁阻芯片子板阵列、环形PCB母板、8通道放大器电路、8 通道采样保持及A/D转换电路、FPGA信号处理电路构成。其中，巨磁阻芯片子板阵列由8 个巨磁阻子板构成。巨磁阻芯片输出的信号经过放大后，进入8通道采样保持及A/D转换电 路，模拟的电压信号转变成数字信号，再经过FPGA处理电路对8路数字信号进行并行式处 理。但是，这种阵列式传感器有着明显的不足。该传感器的阵元数只有8个，且每个阵元由一 片巨磁阻芯片和两个条形的铝镍钴永磁体构成，8个子板以相同的半径和角度焊接在环形PCB 上，集成化程度低，使得该传感器的使用环境和适用范围有着很大的限制。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提出一种高测量精度、小型 化、高集成度、工艺兼容、便于批量生产的面阵巨磁阻传感器，并提供一种制造该传感器的方 法。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种面阵巨磁阻磁传感器，包括数据采集处理单元和巨磁阻阵列，所述数据采集处理单元 包括电源模块、地址选择器、模拟前端和模数转换器；所述电源模块通过地址选择器连接至所 述巨磁阻阵列，所述巨磁阻阵列经过模拟前端模块连接至模数转换器，所述地址选择器用于选 择发送所述巨磁阻阵列中各单元的信号，所述模拟前端模块用于接收所述信号进行放大、滤波 处理，所述模数转换器用于将所述信号经过模数转换后输出；所述巨磁阻阵列包括多个采用纳 米多层膜结构的巨磁阻磁传感器，多个巨磁阻磁传感器按照平面形式组成阵列单元，每个所述 巨磁阻磁传感器采用蜿蜒型电阻形式。

进一步，所述巨磁阻磁传感器采用面阵形式组成巨磁阻阵列。

进一步，地址选择器，以行扫描的方式，逐行将每行多个巨磁阻阵列单元的信号输出。

进一步，巨磁阻磁传感器为自旋阀多层膜结构，该多层膜结构由上到下依次为固定层、隔 离层，以及自由层，其中，固定层包括被钉扎层和用于固定被钉扎层的磁化方向的钉扎层，所 述钉扎层为反铁磁材料，所述自由层的磁化方向随外加磁场发生变化，选用CoFe/NiFe复合层 作为自由层的材料，隔离层位于固定层和自由层中间，由非磁性材料的电导体制成。

进一步，所述多层膜结构的顶部和底部均设置有保护层，分别位于钉扎层的顶面和自由层 的底部，所述保护层采用Ta。

进一步，所述钉扎层采用MnIr，所述被钉扎层采用CoFe，所述隔离层采用Cu。

进一步，所述多层膜结构设置在基底上，该基底为Si和Al₂O_3。

一种面阵巨磁阻磁传感器的制造方法，先对外部的数据采集处理单元电路进行单独加工， 外部电路加工完成后，再通过两步光刻处理加工巨磁阻阵列。

进一步，两步光刻处理包括：第一次光刻，在制备好的薄膜上涂上一层光刻胶，用紫外线 激光束把图案外的光刻胶层去掉，即在光刻胶上刻上所需要的巨磁阻单元和阵列图形，然后涂 上显影剂后烘干；第二次光刻，在已制备好的巨磁阻阵列上喷涂上一层光刻胶，经过激光束照 射、显影剂烘干，使得光刻胶覆盖住不希望有引线的区域。

进一步，巨磁阻阵列加工工艺包括以下步骤：

(a)对预留的区域用乙酸异丙酯或异丙醇于去离子水配合进行表面清洗；