CN109752675A

CN109752675A - 一种正八边形薄膜磁阻传感器

Info

Publication number: CN109752675A
Application number: CN201910022159.6A
Authority: CN
Inventors: 陈洁; 黄旭庭
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-01-10
Filing date: 2019-01-10
Publication date: 2019-05-14

Abstract

本发明公开了一种正八边形薄膜磁阻传感器。该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底(1)、绝缘层(2)、各向异性磁阻层(3)和顶层电极层(4)；其中，各向异性磁阻层(3)由八条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D、E、F、G、I按头尾顺序连接的方式正八边形排列组成，相邻膜条相差的相位为135°。外加磁场与薄膜平面平行，与膜条C电流方向夹角为θ。该正八边形薄膜磁阻传感器工作电流低，输出电压高，测量结果更加精确。

Description

一种正八边形薄膜磁阻传感器

技术领域

本发明属于磁传感器技术领域，具体来说，涉及一种用于测量磁场方向的正八边形薄膜磁阻传感器。

背景技术

信息技术飞速发展的一个重要基础就是传感器技术的不断进步，磁场作为人类生活息息相关的物理量，人们对它的检测和应用尤为关注。作为磁电效应的一个重要分支——磁阻效应正是这个领域的研究热点，一代又一代科学家努力推动着各向异性磁阻效应、巨磁阻效应、隧道磁阻效应等一系列磁电效应的研究，推动并引导着信息技术发展，而各向异性磁阻效应的研究恰恰是这个过程中的见证者和引领者。

在高灵敏度、高分辨率、良好的线性度以及微型化的趋势下，各向异性磁阻传感器逐渐引起研究人员的关注。ARM薄膜磁阻传感器出现于上世界70年代中期。它具有灵敏度高、体积小、耐恶劣环境能力强以及易与数字电路匹配等优点，使得它迅速发展并在磁性传感器中占有很大的比重，应用领域也在不断扩大。利用ARM磁阻效应制作的磁阻传感器是广泛应用的一种磁传感器，但是目前市场上的ARM磁传感器结构单一，热效应大，灵敏度不高，开发一种新型磁阻传感器结构，并且实现降低热效应，提高灵敏度是目前的热点。因此，研究一种新型的高灵敏度高稳定性的磁阻传感器结构是我们的目标。

本发明就是设计了一种低热效应、高灵敏度的正八边形的薄膜磁阻传感器。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种正八边形薄膜磁阻传感器，该正八边形薄膜磁阻传感器工作电流低，热效应下，输出电压高，测量结果更加精确。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种正八边形薄膜磁阻传感器采用的技术方案是：

该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底、绝缘层、各向异性磁阻层和顶层电极层；其中，各向异性磁阻层由八条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D、E、F、G、I按头尾顺序连接的方式正八边形排列组成，相邻膜条相差的相位为135°。

所述各向异性磁阻层3的八条各向异性磁阻效应完全相同的磁阻薄膜条选用的是具有各向异性磁阻效应的铁镍合金。

所述铁镍合金中铁的含量为20％。

所述八条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D、E、F、G、I的平面形状为连续连接的S形。

所述衬底1采用的材料是Si。

所述绝缘层采用的是SiO₂，具有非磁性、良好的绝缘性、稳定的化学性质、强度硬度高拉伸性好。

顶层电极层所用的材料是铜。

其等效电路如图3所示。其中a、b、c、d是铜导电材料制作成的电极。外加磁场与薄膜平面平行，与膜条C电流方向夹角为θ。磁场方向改变，b、d之间电压也会发生改变，通过测量b、d之间电压，最终就能转换得到磁场的角度。

有益效果：本发明的用于测量磁场方向的正八边形薄膜磁阻传感器结构新颖、功耗小、实施便捷。采用了正八边形结构，使得内阻变大，相同电压下电流小，热效应小，并且具有温度补偿效益，传感器工作更加稳定。该结构也能使得测量更加灵敏，能测出微小的磁场角度变化。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是本发明的等效电路图。

图中有：衬底1、绝缘层2、各向异性磁阻层3、顶层电极层4、各向异性磁阻膜条A、B、C、D、E、F、G、I、铜电极a、b、c、d和磁场H。

具体实施方式

下面结合摘要附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图3所示，本发明的一种正八边形薄膜磁阻传感器。包括从下到上依次叠加的衬底1、氧化层2、各向异性磁阻层3和顶层电极层4。其中衬底1是Si,绝缘层2是SiO₂，各向异性磁阻层3是各向异性磁阻薄膜NiFe，顶层电极4是Cu电极。各向异性磁阻层由八条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D、E、F、G、I按照附图二方式连接而成，相邻膜条相差的相位为135°。也就是说，衬底和基体都是框型，金属层是按照一定的图形进行光刻之后形成的如图2所示图形。电极是通过溅射技术形成一层铜金属层，并且将其图形化，进行光刻，最终得到所需的四个电极。

如图2所示，包括八条完全相同的各向异性磁阻薄膜条，以及a、b、c、d四个完全相同的由铜制成的电极部分。不加外加磁场时，八条磁阻薄膜条的电阻均为R，对应此时电阻率称为ρ₀。外加磁场与薄膜平面平行，与磁阻薄膜条C电流方向夹角为θ。磁阻薄膜条C的电阻率为：

根据磁阻薄膜条D和磁阻薄膜条C的位置关系，可以得到磁阻薄膜条D的电阻率为：

由于磁阻薄膜条A和C垂直，磁阻薄膜条B和D垂直，可知道当A电阻增加△R1，C的电阻就会相应减少△R1。此时若磁阻薄膜条D增加△R2，磁阻薄膜条B就会相应减小△R2。磁阻薄膜条A、B、C、D构成串联电路之后，在同一磁场作用下，当磁场的方向改变时，b、c之间的电压U₊(θ)可以表示为：

由于对称结构(如附图2、3所示)，此时d，c之间的电压U_-(θ)可以表示为：

八条磁阻薄膜是完全一样的，所以电阻可以用电阻率来代替。

Δρ₁＝p_C(θ)-ρ₀ (6)

Δρ₂＝p_D(θ)-ρ₀ (7)

此时，将(1)(2)代入(8)中，可以得到：

式(6)(7)(8)(9)中，Δρ＝ρ_||-ρ_⊥，ρ_||表示磁化强度与电流同方向时的电阻率，ρ_⊥则表示互相垂直时的电阻率。若在器件的ac之间接上直流偏置V_b，则可以在b、d之间得到输出电压U_out，该电压频率是外加磁场频率的两倍，所以该器件具有两倍频特性。由于采用了正八边形结构，使得内阻变大，相同电压下电流小，热效应低，并且具有温度补偿效益，传感器工作更加稳定。该结构也能使得测量更加灵敏，能测出微小的磁场角度变化。

其等效电路如图3所示。其中a、b、c、d是铜导电材料制作成的电极。外加磁场与薄膜平面平行，与磁阻薄膜条C电流方向夹角为θ。在a、c之间施加直流电压V_b，当磁场方向改变，b、d之间电压也会发生改变，通过测量b、d之间电压，最终就能转换得到磁场的角度。

本发明的一种用于测量磁场方向的正八边形薄膜磁阻传感器的制备过程是：

1)准备硅基片，并进行清洗、烘干；

2)在硅基片上氧化形成一层氧化硅膜层；

3)溅射NiFe层，退火后，按照一定图形掩模板光刻形成磁阻条；

4)溅射Cu电极，光刻形成四个测试电极；

5)后续封装。

本发明的不同之处在于：

本发明的一种正八边形薄膜磁阻传感器，采用了一种新颖的正八边形结构，使得内阻变大，相同电压下电流小，热效应小，并且具有温度补偿效益，传感器工作更加稳定。该结构也能使得测量更加灵敏，能测出微小的磁场角度变化。

满足以上条件的结构即视为本发明的用于测量磁场方向的正八边形薄膜磁阻传感器。

Claims

1.一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，该磁场传感器包括从下向上依次叠加设置的衬底(1)、绝缘层(2)、各向异性磁阻层(3)和顶层电极层(4)；其中，各向异性磁阻层(3)由八条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D、E、F、G、I按头尾顺序连接的方式正八边形排列组成，相邻膜条相差的相位为135°。

2.按照权利要求1所述的一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述各向异性磁阻层(3)的八条各向异性磁阻效应完全相同的磁阻薄膜条选用的是具有各向异性磁阻效应的铁镍合金。

3.按照权利要求2所述的一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述铁镍合金中铁的含量为20％。

4.按照权利要求1所述的一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述八条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D、E、F、G、I的平面形状为连续连接的S形。

5.按照权利要求1所述的一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述衬底1采用的材料是Si。

6.按照权利要求1所述的一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述绝缘层(2)采用的是SiO₂，具有非磁性、良好的绝缘性、稳定的化学性质、强度硬度高拉伸性好。

7.按照权利要求书1所述的一种正八边形薄膜磁阻传感器，其特征在于，顶层电极层(4)所用的材料是铜。