[实用新型]一种单芯片双轴磁电阻角度传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片双轴磁电阻角度传感器。

背景技术

双轴角度传感器，用于测量两个正交方向如X和Y方向的外磁场角度信息，可以用于磁轮速度测量，或者用于编码器角度测量，在磁传感器设计领域得到广泛的应用。

双轴磁电阻角度传感器包括X和Y两个单轴磁电阻角度传感器，每一单轴X或Y磁电阻角度传感器通常采用推挽式电桥结构以增强磁电阻角度传感器的信号输出，而推挽式电桥包括推磁电阻角度传感单元和挽磁电阻角度传感单元组成，且分别具有相反的磁场敏感方向。

对于TMR或者GMR类型的双轴磁电阻角度传感器，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，双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，其缺点在于，需要操作4个切片在同一平面内进行定位，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。

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，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AF1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。

中国专利申请号为CN201610821610.7的专利公开了一种采用激光程控加热磁场退火的方法以实现对磁电阻传感单元进行扫描、快速加热反铁磁层到阻塞温度以上，同时在冷却过程中可以沿任意方向施加磁场，可以逐个扫描、甚至逐片扫描实现磁电阻传感单元沿任一方向的磁场敏感方向的定向，采用该方法可以实现在单一切片上的双轴磁电阻传感单元的四种具有正交取向的磁电阻传感单元及其阵列的制造，从而克服了翻转切片的精确定位和沉积多种磁多层薄膜结构的微加工工艺复杂性的难题，并可实现单芯片双轴磁电阻角度传感器的批量制造。另一方面，中国专利公开号为CN104776794A的专利公开了一种单封装的高强度磁场磁电阻角度传感器，通过在磁电阻角度传感单元的表面增加磁场衰减层的方法来增加磁电阻角度传感单元的磁场测量范围，该磁电阻角度传感器依旧采用切片翻转的方法来改变磁电阻传感单元的磁场敏感方向，因此，如果采用激光辅助加热磁场退火的方法来实现对磁电阻传感单元磁场敏感方向的写入操作，可以得到单芯片的双轴高磁场强度磁电阻角度传感器。

此外，在实际激光程控加热磁退火过程中，由于磁电阻角度传感单元在加工过程中可能存在的偏离圆形、各向异性分散，以及应力等因素，这都可能使得实际的钉扎层磁化方向偏离所设定的+X，-X，+Y和-Y方向，因此还要求设定+X、-X轴磁电阻角度传感单元和+Y、-Y轴磁电阻角度传感单元钉扎层磁化方向之间夹角范围，来保证磁电阻角度传感单元的高效工作。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型所提出的一种单芯片磁电阻角度传感器，包括位于X-Y平面上的衬底、位于所述衬底上的推挽式X轴磁电阻角度传感器和推挽式Y轴磁电阻角度传感器，所述推挽式X轴磁电阻角度传感器包含X推臂和X挽臂，所述推挽式Y轴磁电阻角度传感器包含Y推臂和Y挽臂，所述X推臂、X挽臂、Y推臂和Y挽臂均包括至少一个磁电阻角度传感单元阵列，所述X推臂、X挽臂、Y推臂、Y挽臂的磁电阻角度传感单元阵列的磁场敏感方向分别沿+X方向、-X方向、+Y方向、-Y方向，所述X轴磁电阻角度传感器和所述Y轴磁电阻角度传感器具有共同的几何中心，每个所述磁电阻角度传感单元阵列均包括多个所述磁电阻角度传感单元，所述磁电阻角度传感单元为TMR或者GMR自旋阀单元，所述磁电阻角度传感单元均具有相同的磁多层薄膜结构，所述磁多层薄膜结构自上而下包括种子层、反铁磁层、钉扎层、Ru层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，或者自上而下包括种子层、反铁磁层、参考层、非磁中间层、自由层和钝化层，所述磁电阻角度传感单元为TMR时，所述非磁中间层为Al₂O₃或者MgO，所述磁电阻角度传感单元为GMR自旋阀时，所述非磁中间层为Au或者为Cu。

所述反铁磁层磁化方向通过激光程控加热磁退火获得，具有相同磁化方向的磁电阻桥臂位于相邻位置，具有不同磁场敏感方向的相邻磁电阻角度传感单元阵列之间具有隔热间隙。