CN102208530A - 单一芯片磁性传感器及其激光加热辅助退火装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单一芯片磁性传感器及其激光加热辅助退火装置与方法，它包括:a）磁性薄膜在强磁场中退火以使磁性薄膜的钉扎层的磁矩朝向同一个方向；b）将磁性薄膜固定放置在可移动平台的夹具上；c）打开激光源以发射出激光束，激光束经由光衰减器得以衰减，衰减后的激光束经由反光镜以改变方向，改变方向后的激光束经由聚焦物镜得以聚焦成光斑；d）移动可移动平台以使激光束聚焦后的光斑对准磁性薄膜以使激光束对磁性薄膜进行加热；e）调节设置在可移动平台上的电磁铁的磁场强度以翻转磁性薄膜的加热区域的磁畴。f）对磁性薄膜进行切片，并将切片好的磁性薄膜绑定成一体。
Description
技术领域
本发明涉及GMR、MTJ（Magnetic Tunnel Junction）自旋阀磁电阻传感器领域，特别的是一种单一芯片磁性传感器及其激光加热辅助退火装置与方法，能够辅助GMR、MTJ在较低的磁场下实现钉扎层磁矩的局部翻转，所述方法可以用于在磁性薄膜上制作半桥、全桥、双轴半桥、双轴全桥GMR、MTJ磁性传感器。
背景技术
磁性隧道结传感器（MTJ,Magnetic Tunel Junction）是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(Tunnel Magnetoresistance),主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化,磁性多层膜的电阻发生明显变化，它比之前所发现并实际应用的AMR(各向异性磁电阻效应)、具有更大的电阻变化率,同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性.MTJ磁性传感器具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，功耗低，温度稳定性高的优点。用MTJ制成的磁场测量器件,比AMR、GMR、霍尔器件具有灵敏度更高、功耗更低、线性更好、动态范围更宽、温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此外MTJ还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。
在GMR、MTJ磁性传感器的应用当中，可以有单电阻、参考电阻半桥、推挽式半桥、参考电阻全桥、推挽式全桥等不同形式。推挽式半桥要求两个桥臂电阻中的磁性隧道结的钉扎层磁矩方向相反，而通常沉积在同一硅片上的磁性隧道结MTJ，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的磁电阻钉扎层磁矩通常都相同。这样，在同一个硅片上沉积两个钉扎层磁矩相反的相邻磁电阻显得非常困难。而从实际应用的角度来讲，推挽式半桥具有比单电阻、参考电阻半桥更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。即从实际应用的需要来讲，推挽式半桥更好。因而在实际应用中，通常从同一硅片或是不同硅片取两个一致性好的磁电阻，这两个磁电阻的敏感方向相同（钉扎层方向），然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转180度进行多芯片封装，构成推挽式半桥。这样的结果是能够实现推挽式半桥的功能，即提高了检测灵敏度，具有温度补偿功能，但是另一方面多芯片封装，提高了生产成本；实际封装时不能严格的进行180度翻转，即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差180度，使得两个电阻随外场变化的输出特性不相同，出现灵敏度不同，存在比较大的偏置电压等不对称问题，这样在实际应用中就会带来新的问题。
同样，GMR、MTJ全桥的制备中也会存在同样的问题，同时，由于MTJ全桥需要四个电阻，这一问题会更为明显。另外，在双轴推挽式半桥，双轴推挽式全桥中，则需要四个不同的芯片，则此时的不对称性会更加的明显。因此，寻求一种直接在单一芯片上直接制备推挽式半桥、全桥的方法是一种很自然的想法。而在推挽式桥式磁性传感器中，由于相邻的两个电阻的钉扎层方向相反，相对的两个电阻的钉扎层方向相同。因此，在单一硅片上制备GMR、MTJ全桥时，不能采用将GMR、MTJ硅片在同一强磁场中退火来实现。在强磁场中退火，硅片上所有的GMR、MTJ单元的钉扎层都朝向同一个方向。而如果能够实现硅片上GMR、MTJ单元的线扫描翻转或是点对点局域磁矩翻转，则可以非常方便的同一硅片上制备MTJ更好的推挽式双轴磁场芯片。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的是提供一种单一芯片磁性传感器及其激光加热辅助退火装置与方法，在磁性薄膜上制作半桥、全桥、双轴半桥、双轴全桥GMR、MTJ磁性传感器。
本发明采用的技术方案是：一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火装置，它包括：
激光源，用于发射对准磁性薄膜的激光束；
光衰减器，设置在经由激光源发出的激光束的后端；
反光镜，用于改变经由光衰减器衰减后的激光束的传播方向；
聚焦物镜，用于将经由反光镜改变方向后的激光束进行聚焦成光斑；
可移动平台，其上包括有用于夹持磁性薄膜的夹具；
电磁铁，该电磁铁设置在可移动平台上。
优选地，它还包括CCD相机，反光镜上具有一条缝隙，所述CCD相机通过反光镜的缝隙以调节反光镜将光斑对准磁性薄膜。
优选地，所述夹具上设置有一密封装置，该密封装置将磁性薄膜与外界相隔离。
优选地，所述密封装置内充入保护性气体。
优选地，它还包括一控制可移动平台移动的步进电机，所述步进电机为X、Y方向的双轴步进电机，Y轴与X轴相正交。
优选地，电磁铁包括沿X轴方向排布的X轴电磁铁X、沿Y轴方向排布的Y轴电磁铁Y。
优选地，它还包括一磁场探测器，所述磁场探测器用于探测电磁铁的磁场值。
优选地，它还包括一用于检测磁性薄膜温度的温度传感器，激光源上还设置有一用于调节激光束功率的功率调节装置，所述功率调节装置根据温度传感器采集到的数据对激光源进行调节。
优选地，所述的聚焦物镜上设置有一用于调节激光束的调焦装置。
一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火方法：a磁性薄膜在强磁场中退火以使磁性薄膜的钉扎层的磁矩朝向同一个方向；
b将磁性薄膜固定放置在可移动平台的夹具上；
c打开激光源以发射出激光束，激光束经由光衰减器得以衰减，衰减后的激光束经由反光镜以改变方向，改变方向后的激光束经由聚焦物镜得以聚焦成光斑；
d移动可移动平台以使激光束聚焦后的光斑对准磁性薄膜以使激光束对磁性薄膜进行加热；
e调节设置在可移动平台上的电磁铁的磁场强度以翻转磁性薄膜的加热区域的磁畴；
f对磁性薄膜进行切片，并将切片好的磁性薄膜连接好并封装成传感器芯片。
优选地，在步骤c中，通过CCD相机观察反光镜上的缝隙来调节反光镜的位置。
优选地，步骤d和步骤e之间还包括一步骤D，即
D转动反光镜，改变光斑与磁性薄膜接触的区域，以改变磁性薄膜的加热区域，调节设置在可移动平台上的电磁铁的磁力以改变磁性薄膜的加热区域的磁畴。
优选地，步骤d和步骤e之间还包括一步骤D，即 D移动可移动平台以改变光斑与磁性薄膜接触的区域，以改变磁性薄膜加热区域，调节设置在可移动平台上的电磁铁的磁力以翻转磁性薄膜的加热区域的磁畴。
一种单一芯片供推免式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多个并列排列的第一单元，所述第一单元由两个MTJ磁电阻元件构成，所述两个MTJ磁电阻元件的磁矩反向相平行。
一种单一芯片供双轴推挽式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多个并列排列的第二单元，所述第二单元包括四个MTJ磁电阻元件，位于第一行的两个磁电阻元件的磁矩方向反向相平行，位于所述第二行的两个磁电阻元件的磁矩方向反向相平行，并与位于第一行小格内的磁矩方向顺时针旋转度。
一种单一芯片供推挽式全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多个并列排列的第三单元，所述第三单元包括四个呈两排两列排列的MTJ磁电阻元件，位于第一列的两个磁电阻元件的磁矩方向同向且平行，位于第二列的两个磁电阻元件的磁矩方向相同且与为位于第一列的两个磁电阻元件的磁矩方向旋转度。
一种单一芯片供推挽式全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多个并列排列的第四单元，所述第四单元包括四个MTJ磁电阻元件，位于第一行的两磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行，位于第二行的两磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行，位于第一列的两个磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行。
一种单一芯片供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多个并列排列的第五单元，所述各第五单元包括第一区间和与第一区间相邻设置的第二区间，所述第一区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，位于所述第一区间的第一列两磁电阻元件内的磁矩方向同向相平行，位于所述第一区间的第二列两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第一列两磁电阻元件的磁矩方向旋转度，所述第二区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，位于所述第二区间的第一行两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第一列两磁电阻元件的磁矩方向顺时针旋转度，位于所述第二区间的第二行的两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第二列的两磁电阻元件的磁矩方向顺时针旋转度。
一种单一芯片供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多个并列排列的第六单元，所述第六单元包括第一区间和与第一区间相邻设置的第二区间，所述第一区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，所述第一区间的第一行两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，所述第一区间的第二行两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，且所述第一区间的第一列两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，所述第二区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，所述第二区间各磁电阻元件内的磁矩方向为第一区间各对应磁电阻元件内的磁矩方向逆时针旋转度。
以上本发明所提供的技术方案，本发明所述的激光加热辅助退火装置和方法，能够在同一个硅片上实现局部加热和局部磁矩翻转。采用该方法，制得的半桥，半桥双轴，全桥，全桥，双轴推挽式传感器具有灵敏度高，具备推挽桥式传感器的温度补偿功能和噪声抵消的特点。同时能够在同一个硅片上生产半桥，半桥双轴，全桥，全桥MTJ或GMR传感器，适合大规模批量生产，成本低。传感器的磁电阻匹配度好，一致性高，同时对准精度高，因此，整体上具有更优的性能。
附图说明
图1是磁性薄膜的激光加热辅助退火装置示意图。
图2是MTJ磁电阻元件的工作原理示意图。
图3是磁性薄膜在强磁场中退火的过程示意图。
图4是推挽式MTJ或GMR半桥磁性传感器工作原理示意图。
图5是推挽式MTJ或GMR半桥磁性传感器的钉扎层的结构示意图。
图6是双轴推挽式MTJ或GMR半桥磁性传感器工作原理示意图。
图7是双轴推挽式MTJ或GMR半桥磁性传感器的钉扎层的结构示意图。
图8是推挽式MTJ或GMR全桥磁性传感器结构示意图。
图9是推挽式MTJ或GMR全桥磁性传感器的钉扎层的第一结构示意图。
图10是推挽式MTJ或GMR全桥磁性传感器的钉扎层的第二结构示意图。
图11是双轴推挽式MTJ或GMR全桥磁性传感器工作原理示意图。
图12是双轴推挽式MTJ或GMR全桥磁性传感器的钉扎层的第一结构示意图。
图13是双轴推挽式MTJ或GMR全桥磁性传感器的钉扎层的第二结构示意图。
附图中：1、钉扎层；2、磁性被钉扎层；3、非磁性氧化层；4、磁性自由层；5、被钉扎层磁矩方向；6、自由层磁矩方向；21、第一桥壁；21A、A半桥的第一桥壁；21B、B半桥的第一桥壁；22、第二桥壁；22A、A半桥的第二桥壁；22B、B半桥的第二桥壁；23、第一方向；23A、A半桥第一方向；23B、B半桥第一方向；24、第二方向；24A、A半桥第二方向；24B、B半桥第二方向；25、半桥MTJ或GMR敏感方向；31、第一电阻；31A、A全桥第一电阻；31B、B全桥第一电阻；32、第二电阻；32A、A全桥第二电阻；32B、B全桥第二电阻；33、第三电阻；33A、A全桥第三电阻；33B、B全桥第三电阻；34、第四电阻；34A、A全桥第四电阻；34B、B全桥第四电阻；35、第一磁矩方向；35A、A全桥第一磁矩方向；35B、B全桥第一磁矩方向；36、第二磁矩方向；36A、A全桥第二磁矩方向；36B、B全桥第二磁矩方向；37、第三磁矩方向；37A、A全桥第三磁矩方向；37B、B全桥第三磁矩方向；38、第四磁矩方向；38A、A全桥第四磁矩方向；38B、B全桥第四磁矩方向；39、全桥MTJ或GMR敏感方向；41、磁性薄膜常态下的钉扎层磁畴的磁矩方向；42、强磁场退火后的磁性薄膜的钉扎层的磁矩方向；60、激光源；61、光衰减器；62、激光束；63、CCD相机；64、反光镜；65、聚焦物镜；66、可移动平台；67、磁性薄膜；68X、X轴向电磁铁；68Y、Y轴向电磁铁；69、磁场探测器；70、温度探测器；71、第一单元；72、第二单元；81、第三单元；82、第四单元；83、第五单元；84、第六单元。
具体实施方式
下面结合附图1-13分别对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
如附图3所示，在外加磁场下磁畴中磁矩方向翻转示意图。磁性薄膜常态下的钉扎层的磁畴中磁矩方向41为未经磁畴翻转的磁性薄膜磁畴中磁矩指向。在没有外场的情况下，磁畴中的磁矩是随机取向的。通过外加磁场H，当磁场H大小达到可以将磁畴中的磁矩翻转到指向同一个方向，即外场方向。如图3中所示，外加一翻转磁场H后，强磁场退火后的磁性薄膜的钉扎层的磁矩方向42为沿外场方向进行翻转后的磁矩指向。在每个MTJ元件的磁性钉扎层中，希望磁矩都能指向一个相同的方向。
要实现磁矩翻转这一翻转过程，需要满足两个条件，即在一定的温度下，磁场大于相应的翻转磁场Bf,此时，磁畴中的磁矩才能实现翻转。同时，可以看出随着温度的升高，磁畴磁矩翻转所需要的磁场减小，即，温度越高，只要不破坏材料的结构，不发生新的相变，则实现磁矩翻转所需要的磁场越低。这样，即可以通过加热，来降低磁畴翻转所需的磁场。同样，可以通过局域加热降低局部的翻转磁场而保持其它区域的翻转磁场不变。即进行局域加热后,使局部的温度升高，使得局部磁畴磁矩翻转磁场降低，而周围未加热区域的磁矩翻转所需磁场保持在一个更大的磁场B1，则可以通过外加一个磁场B，使Bf<B<B1,则可以实现局部的磁矩翻转。而激光由于光束的精确定位和聚集性，高强度，能够非常精确的实现局域加热，从而实现磁矩的局部翻转来达到对磁性薄膜激光加热辅助退火。
如附图1所示，一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火装置，它包括
激光源60，用于发射对准磁性薄膜67的激光束62；
光衰减器61，设置在经由激光源60发出的激光束62的后端；
反光镜64，用于改变经由光衰减器61衰减后的激光束62的传播方向；
聚焦物镜65，用于将经由反光镜64改变方向后的激光束62聚焦成光斑；
可移动平台66，其上包括有用于夹持磁性薄膜67的夹具；
电磁铁，该电磁铁设置在可移动平台66上。
它还包括CCD相机63，反光镜64上具有一条缝隙，所述CCD相机63通过反光镜64的缝隙来调节反光镜64。
所述夹具上设置有一密封装置，该密封装置将磁性薄膜67与外界相隔离。所述密封装置内充入保护性气体。
它还包括一控制可移动平台66移动的步进电机，所述步进电机为X、Y方向的双轴步进电机。双轴步进电机可以控制可移动平台的运动，改变电磁铁加热的目标区域，Y轴与X轴相正交。
电磁铁包括沿X轴方向排布的X轴电磁铁68X、沿Y轴方向排布的Y轴电磁铁68Y。
它还包括一磁场探测器69，所述磁场探测器69用于探测电磁铁的磁场值。
它还包括一用于检测磁性薄膜67温度的温度传感器70，激光源60上还设置有一用于调节激光束62功率的功率调节装置，所述功率调节装置根据温度传感器70采集到的数据对激光源60进行调节。
所述的聚焦物镜65上设置有一用于调节激光束62的调焦装置。
本实施例中，一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火装置，它包括一激光源60，用于发射对准磁性薄膜67的激光束62；激光源60上还设置有一用于调节激光束62功率的功率调节装置。
它包括光衰减器61，设置在经由激光源60发出的激光束62的后端，将激光源60发射的激光束62能量调节至合适的范围。
它包括反光镜64，用于改变经由光衰减器61衰减后的激光束62的传播方向，它还包括CCD相机63，反光镜64上具有一条缝隙，所述CCD相机63通过反光镜64的缝隙来调节反光镜64。所述反光镜64可转动，改变光斑在磁性薄膜的扫描方向，使得光斑可以在X轴扫描与Y轴扫描之间转换。
它包括聚焦物镜65，用于将经由反光镜64改变方向后的激光束62聚焦成光斑，光斑与磁性薄膜67接触的范围即为退火装置的加工区域，所述的聚焦物镜65上设置有一用于调节激光束62的调焦装置。
它包括可移动平台66，它还包括一控制可移动平台66移动的步进电机，所述步进电机为X、Y方向的双轴步进电机，Y轴与X轴相正交。双轴步进电机可以控制可移动平台66的运动，改变电磁铁加热的目标区域其上包括有用于夹持磁性薄膜67的夹具，所述夹具上设置有一密封装置，该密封装置将磁性薄膜67与外界相隔离。所述密封装置内充入保护性气体。一般来说，保护性气体包括氩气、氮气，此为常用技术，并不局限此发明专利的保护范围。夹具可以调节用于夹持各种尺寸的磁性薄膜67，此为常用技术，并不局限此发明专利的保护。
它包括电磁铁，该电磁铁设置在可移动平台上，电磁铁包括沿X轴方向排布的X轴电磁铁68X、沿Y轴方向排布的Y轴电磁铁68Y，X轴电磁铁68X和Y轴电磁铁68Y可改变通过改变其通过电流改变其大小，并通过改X、Y方向的磁场分量大小，改变合成的总磁场的方向和大小。它还包括一磁场探测器69，所述磁场探测器69用于探测电磁铁产生的磁场值，当磁场探测器69探测到电磁铁的磁场值不在合适的范围时，通过自动调节其通过电流改变其方向和大小，保证加工的质量。
它还包括CCD相机63，反光镜64上具有一条缝隙，所述CCD相机63通过反光镜64的缝隙来调节反光镜64。所述反光镜64可转动，改变光斑在磁性薄膜67的扫描方向。
它还包括一用于检测磁性薄膜67温度的温度传感器70，激光源60上还设置有一用于调节激光束62功率的功率调节装置，所述功率调节装置根据温度传感器70采集到的数据对激光源60进行调节。温度传感器70可以为接触式或非接触式，当探测到磁性薄膜67的温度不在合适的区域时，通过自动调节激光源60的功率调节装置，改变激光束62的功率，使得其温度在恰当的范围内。
一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火方法：
a）磁性薄膜67在强磁场中退火以使磁性薄膜67的钉扎层的磁矩朝向同一个方向；
b）将磁性薄膜67固定放置在可移动平台66的夹具上；
c）打开激光源60以发射出激光束62，激光束62经由光衰减器61得以衰减，衰减后的激光束62经由反光镜64以改变方向，改变方向后的激光束62经由聚焦物镜65得以聚焦成光斑；
d）移动可移动平台66以使激光束62聚焦后的光斑对准磁性薄膜67以使激光束62对磁性薄膜67进行加热；
e）调节设置在可移动平台66上的电磁铁的磁场强度以翻转磁性薄膜67的加热区域的磁畴；
f）对磁性薄膜67进行切片，并将切片好的磁性薄膜67连接好并封装成传感器。
在步骤c）中，通过CCD相机63观察反光镜64上的缝隙来调节反光镜64的位置。
步骤d和步骤e之间还包括一步骤D1），即
D1）转动反光镜64，改变光斑与磁性薄膜67接触的区域，以改变磁性薄膜67的加热区域，调节设置在可移动平台66上的电磁铁的磁力以改变磁性薄膜67的加热区域的磁畴。
步骤d）和步骤e）之间还包括一步骤D2），即
D2）移动可移动平台66以改变光斑与磁性薄膜67接触的区域，以改变磁性薄膜67加热区域，调节设置在可移动平台66上的电磁铁的磁力以翻转磁性薄膜67的加热区域的磁畴。
本实施例中，一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火方法，其步骤包括：
a）磁性薄膜67在强磁场中退火以使磁性薄膜67的钉扎层的磁矩朝向同一个方向；
b）将磁性薄膜67固定放置在可移动平台66的夹具上；
c）打开激光源60以发射出激光束62，激光束62经由光衰减器61得以衰减，衰减后的激光束62经由反光镜64以改变方向，通过CCD相机63观察反光镜64上的缝隙来调节反光镜64的位置，改变方向后的激光束62经由聚焦物镜65得以聚焦成光斑；
d）移动可移动平台66以使激光束62聚焦后的光斑对准磁性薄膜67以使激光束62对磁性薄膜67进行加热；
e）调节设置在可移动平台66上的电磁铁的磁场强度以翻转磁性薄膜67的加热区域的磁畴；
f）移动可移动平台66以改变光斑与磁性薄膜67接触的区域，以改变磁性薄膜67加热区域，调节设置在可移动平台66上的电磁铁的磁力以改变磁性薄膜67的加热区域的磁畴；
g）对磁性薄膜67进行切片，并将切片好的磁性薄膜67邦定连接并封装成传感器芯片。
如附图2所示，MTJ磁电阻元件的工作原理示意图。MTJ磁电阻元件的结构主要由纳米级多层膜组成：钉扎层1，磁性被钉扎层2，非磁性氧化物层3，磁性自由层4。被钉扎层磁矩方向如5所示。自由层磁矩方向如6所示。被钉扎层磁矩方向5与自由层磁矩方向6相互垂直。自由层磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。隧道结MTJ的磁阻随着自由层磁矩方向6与被钉扎层磁矩方向5的夹角的变化而变化。
采用本发明可以制备出供推挽式半桥用的MTJ或GMR传感器、供双轴推挽式半桥用的MTJ或GMR传感器、供推挽式全桥用的MTJ或GMR传感器和供双轴推挽式全桥用的MTJ或GMR传感器。
如附图4所示，一种单一芯片推挽式半桥MTJ或GMR传感器的工作原理示意图。图中两个相邻的MTJ或GMR磁电阻第一桥壁21R-的磁性钉扎层的第一方向23和第二桥壁22R+的磁性钉扎层的第二方向24相互反平行，随着沿半桥MTJ或GMR敏感方向25的外磁场变化时,则推挽式半桥中第一桥壁21的电阻R-和第二桥壁22的电阻R+一个变大，一个变小，具有相反的变化关系，即构成一个推挽式半桥。
如附图5所示，一种单一芯片供推挽式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它是通过物理方法沉积在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多个并列排列的第一单元71所述第一单元71由两个MTJ磁电阻元件构成，所述两个MTJ磁电阻元件的磁矩反向相平行。
如附图6所示，一种单一芯片供双轴推挽式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器的工作原理示意图。一种双轴推挽式半桥，由两个敏感方向正交的推挽式半桥A、B组成，A半桥内，两个电阻的钉扎层磁矩A半桥第一方向23A与A半桥第二方向24A反向相平行,B半桥内，两个电阻的钉扎层磁矩B半桥第一方向23B与B半桥第二方向24B反向相平行。两个半桥A、B的敏感轴正交，分别感应正交的X、Y方向的磁场。如附图7所示，一种供双轴推挽式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它是通过物理方法沉积在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多个并列排列的第二单元72，所述各第二单元72包括四个MTJ磁电阻元件，位于第一行的两个磁电阻元件的磁矩方向反向相平行，位于所述第二行的两个磁电阻元件的磁矩方向反向相平行，并与位于第一行小格内的磁矩方向顺时针旋转90度。
如附图8所示，推挽式全桥MTJ或GMR传感器的工作原理示意图。分别由四个MTJ或GMR磁电阻组成，分别是第一电阻31R-、第二电阻32R+、第三电阻33R+、第四电阻34R-。其中第一电阻31R-与第四电阻34R-相对，其磁性钉扎层的第一磁矩方向35和第四磁矩方向38相平行；第二电阻32R+与第三电阻33R+相对，其钉扎层的第二磁矩方向36与第三磁矩方向37相同向平行；且第一电阻31R-的第一磁矩方向35与第二电阻32R+的第二磁矩方向36相反向平行，随外加沿全桥MTJ或GMR敏感方向39的外磁场，相邻的两个桥臂的电阻分别变大或变小，相对的两个桥臂的两个电阻同时增大或减小，即构成一个推挽式全桥传感器。
它包括两种结构。
如附图9所示，第一种单一芯片供推挽式全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它是通过物理方法沉积在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多个并列排列的第三单元81，所述各第三单元81包括四个呈两排两列排列的MTJ磁电阻元件，位于第一列的两个磁电阻元件的磁矩方向同向且平行，位于第二列的两个磁电阻元件的磁矩方向相同且与为位于第一列的两个磁电阻元件的磁矩方向旋转180度。
如附图10所示，第二种单一芯片供推挽式全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它是通过物理方法沉积在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多个并列排列的第四单元82，所述各第四单元82包括四个MTJ磁电阻元件，位于第一行的两磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行，位于第二行的两磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行，位于第一列的两个磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行。
如附图11所示，供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器的工作原理示意图。两个全桥A、B正交放置，分别感应X、Y方向的磁场，在每个全桥中相邻的磁电阻钉扎层磁矩方向相平行，相对的磁电阻钉扎层磁矩同向相平行，图中，A半桥第一磁矩方向35A与A半桥第四磁矩方向38A相平行，A半桥第二磁矩方向36A与A半桥第三磁矩方向37A相平行，且A半桥第一磁矩方向35A与A半桥第三磁矩方向37A反向相平行；图中，B半桥第一磁矩方向35B与B半桥第四磁矩方向38B相平行，B半桥第二磁矩方向36B与B半桥第三磁矩方向37B 相平行，且B半桥第一磁矩方向35B与B半桥第三磁矩方向37B反向相平行；且A半桥第一磁矩方向35A与B半桥第一磁矩方向35B相正交。
它包括两种结构。
如附图12所示，第一种单一芯片供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，它是通过物理方法沉积在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多个并列排列的第五单元83，所述各第五单元83包括包括第一区间和与第一区间相邻设置的第二区间，所述第一区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，位于所述第一区间的第一列两磁电阻元件内的磁矩方向同向相平行，位于所述第一区间的第二列两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第一列两磁电阻元件的磁矩方向旋转180度，所述第二区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，位于所述第二区间的第一行两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第一列两磁电阻元件的磁矩方向顺时针旋转90度，位于所述第二区间的第二行的两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第二列的两磁电阻元件的磁矩方向顺时针旋转90度。
如附图13所示，第二种单一芯片供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，
它是通过物理方法沉积在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多个并列排列的第六单元84，各第六单元84包括第一区间和与第一区间相邻设置的第二区间，所述第一区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，所述第一区间的第一行两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，所述第一区间的第二行两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，且所述第一区间的第一列两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，所述第二区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，所述第二区间各磁电阻元件内的磁矩方向为第一区间各对应磁电阻元件内的磁矩方向逆时针旋转90度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火装置，其特征在于:它包括
激光源（60），用于发射对准磁性薄膜（67）的激光束（62）；
光衰减器（61），设置在经由激光源（60）发出的激光束（62）的后端；
反光镜（64），用于改变经由光衰减器（61）衰减后的激光束（62）的传播方向；
聚焦物镜（65），用于将经由反光镜（64）改变方向后的激光束（62）进行聚焦成光斑；
可移动平台（66），其上包括有用于夹持磁性薄膜（67）的夹具；
电磁铁，该电磁铁设置在可移动平台（66）上。
2.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：它还包括CCD相机（63），反光镜（64）上具有一条缝隙，所述CCD相机（63）通过反光镜（64）的缝隙以调节反光镜（64）将光斑对准磁性薄膜（67）。
3.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：所述夹具上设置有一密封装置，该密封装置将磁性薄膜（67）与外界相隔离。
4.根据权利要求3所述的辅助退火装置，其特征在于：所述密封装置内充入保护性气体。
5.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：它还包括一控制可移动平台（66）移动的步进电机，所述步进电机为X、Y方向的双轴步进电机，Y轴与X轴相正交。
6.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：电磁铁包括沿X轴方向排布的X轴电磁铁（68X）、沿Y轴方向排布的Y轴电磁铁（68Y）。
7.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：它还包括一磁场探测器（69），所述磁场探测器（69）用于探测电磁铁的磁场值。
8.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：它还包括一用于检测磁性薄膜（67）温度的温度传感器（70），激光源（60）上还设置有一用于调节激光束（62）功率的功率调节装置，所述功率调节装置根据温度传感器（70）采集到的数据对激光源（60）进行调节。
9.根据权利要求1所述的辅助退火装置，其特征在于：所述的聚焦物镜（65）上设置有一用于调节激光束（62）的调焦装置。
10.一种单一芯片磁性传感器激光加热辅助退火方法，其特征在于：
a）磁性薄膜（67）在强磁场中退火以使磁性薄膜（67）的钉扎层的磁矩朝向同一个方向；
b）将磁性薄膜（67）固定放置在可移动平台（66）的夹具上；
c）打开激光源（60）以发射出激光束（62），激光束（62）经由光衰减器（61）得以衰减，衰减后的激光束（62）经由反光镜（64）以改变方向，改变方向后的激光束（62）经由聚焦物镜（65）得以聚焦成光斑；
d）移动可移动平台（66）以使激光束（62）聚焦后的光斑对准磁性薄膜（67）以使激光束（62）对磁性薄膜（67）进行加热；
e）调节设置在可移动平台（66）上的电磁铁的磁场强度以翻转磁性薄膜（67）的加热区域的磁畴；
f）对磁性薄膜（67）进行切片，并将切片好的磁性薄膜（67）连接好并封装成传感器芯片。
11.根据权利要求10所述的辅助退火方法，其特征在于：在步骤c）中，通过CCD相机（63）观察反光镜（64）上的缝隙来调节反光镜（64）的位置。
12.根据权利要求10所述的辅助退火方法，其特征在于：步骤d）和步骤e）之间还包括一步骤D1），即
D1）转动反光镜（64），改变光斑与磁性薄膜（67）接触的区域，以改变磁性薄膜（67）的加热区域，调节设置在可移动平台（66）上的电磁铁的磁力以改变磁性薄膜（67）的加热区域的磁畴。
13.根据权利要求10所述的辅助退火方法，其特征在于：步骤d）和步骤e）之间还包括一步骤D2），即
D2）移动可移动平台（66）以改变光斑与磁性薄膜（67）接触的区域，以改变磁性薄膜（67）加热区域，调节设置在可移动平台（66）上的电磁铁的磁力以翻转磁性薄膜（67）的加热区域的磁畴。
14.一种单一芯片供推免式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器，其特征在于：
它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜（67），所述磁性薄膜（67）具有多个并列排列的第一单元（71），所述第一单元（71）由两个MTJ磁电阻元件构成，所述两个MTJ磁电阻元件的磁矩反向相平行。
15.一种单一芯片供双轴推挽式半桥用的MTJ或GMR磁性传感器，其特征在于：
它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜（67），所述磁性薄膜（67）具有多个并列排列的第二单元（72），所述第二单元（72）包括四个MTJ磁电阻元件，位于第一行的两个磁电阻元件的磁矩方向反向相平行，位于所述第二行的两个磁电阻元件的磁矩方向反向相平行，并与位于第一行小格内的磁矩方向顺时针旋转90度。
16.一种单一芯片供推挽式全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，其特征在于：
它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜（67），所述磁性薄膜（67）具有多个并列排列的第三单元（81），所述第三单元（81）包括四个呈两排两列排列的MTJ磁电阻元件，位于第一列的两个磁电阻元件的磁矩方向同向且平行，位于第二列的两个磁电阻元件的磁矩方向相同且与为位于第一列的两个磁电阻元件的磁矩方向旋转180度。
17.一种单一芯片供推挽式全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，其特征在于：
它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜（67），所述磁性薄膜（67）具有多个并列排列的第四单元（82），所述第四单元（82）包括四个MTJ磁电阻元件，位于第一行的两磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行，位于第二行的两磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行，位于第一列的两个磁电阻元件内的磁矩方向反向相平行。
18.一种单一芯片供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，其特征在于：
它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜（67），所述磁性薄膜（67）具有多个并列排列的第五单元（83），所述各第五单元（83）包括第一区间和与第一区间相邻设置的第二区间，所述第一区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，位于所述第一区间的第一列两磁电阻元件内的磁矩方向同向相平行，位于所述第一区间的第二列两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第一列两磁电阻元件的磁矩方向旋转180度，所述第二区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，位于所述第二区间的第一行两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第一列两磁电阻元件的磁矩方向顺时针旋转90度，位于所述第二区间的第二行的两磁电阻元件内的磁矩方向相同且与位于第一区间的第二列的两磁电阻元件的磁矩方向顺时针旋转90度。
19.一种单一芯片供双轴全桥用的MTJ或GMR磁性传感器，其特征在于：
它包括沉积在硅片上的一磁性薄膜（67），所述磁性薄膜（67）具有多个并列排列的第六单元（84）， 所述第六单元（84）包括第一区间和与第一区间相邻设置的第二区间，所述第一区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，所述第一区间的第一行两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，所述第一区间的第二行两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，且所述第一区间的第一列两磁电阻元件内的磁矩反向且相平行，所述第二区间包括四个呈两行两列排列的磁电阻元件，所述第二区间各磁电阻元件内的磁矩方向为第一区间各对应磁电阻元件内的磁矩方向逆时针旋转90度。
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