CN109752677A

CN109752677A - 一种双电桥式薄膜磁阻传感器

Info

Publication number: CN109752677A
Application number: CN201910022171.7A
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

本发明公开了一种双电桥式薄膜磁阻传感器，各向异性磁阻层由四条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D头尾顺序连接组成一个电桥，由另一组四条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A’、B’、C’、D’头尾顺序连接组成另一个电桥，该两电桥相并联组成所述双电桥式薄膜磁阻传感器；其中，磁阻薄膜条A、B、C、D相位各相差90°，磁阻薄膜条A’B’C’D’排列方式与磁阻薄膜条ABCD相同，并且磁阻薄膜条A’、B’、C’、D’上都应用了与磁阻薄膜长轴方向成45°夹角的Barber电极(如摘要附图所示)。该薄膜磁阻传感器的结构新颖，首次采用了双电桥形式设计磁阻传感器，扩大了磁阻传感器的线性工作区，提高了灵敏度。

Description

一种双电桥式薄膜磁阻传感器

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双电桥式薄膜磁阻传感器。

背景技术

某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。1857年，Thomson发现坡莫合金的各向异性磁阻效应。对于有各向异性特性的强磁性金属,磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时,电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候,磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低,这种特性称为各向异性磁电阻效应

各向异性薄膜磁阻传感器是70年代中期才出现的新型磁传感器。由于它具有灵敏度高、体积小、可靠性高、温度特性好、耐恶劣环境能力强以及易于与数字电路匹配等优点，不断扩大着其应用领域，取代了不少原先由霍尔器件等传统磁敏器件所占领的市场。但是目前市场上的各向异性磁阻传感器结构单一，在弱磁场或者小角度磁场下并不工作在线性区域，因此研究一种线性区域大的磁阻传感器是目前的热点。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种双电桥式薄膜磁阻传感器，可以实现磁场方向的测量并且扩大线性工作区，提高传感器的稳定性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种双电桥式薄膜磁阻传感器采用的技术方案是：

该双电桥式薄膜磁阻传感器应用Barber电极实现，包括从下到上依次叠加的衬底、绝缘层、各向异性磁阻层、Barber电极层和顶层电极层；各向异性磁阻层由四条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D头尾顺序连接组成一个电桥，由另一组四条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A’、B’、C’、D’头尾顺序连接组成另一个电桥，该两电桥相并联组成所述双电桥式薄膜磁阻传感器；其中，磁阻薄膜条A和磁阻薄膜条B相差的相位为90°，磁阻薄膜条B和磁阻薄膜条C相位相差90°，磁阻薄膜条C和磁阻薄膜条D相位相差90°，磁阻薄膜条A’B’C’D’排列方式与磁阻薄膜条ABCD相同，并且磁阻薄膜条A’、B’、C’、D’上都应用了与磁阻薄膜长轴方向成45°夹角的Barber电极。

其中，

所述各向异性磁阻层的四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％。

所述磁阻薄膜条A、磁阻薄膜条B、磁阻薄膜条C、磁阻薄膜条D的平面形状为连续连接的S形。

所述衬底采用的材料是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。

Barber电极层采用的材料为铝。

顶层电极层所用的材料是铜。

Barber在磁阻材料上与长轴夹角成45°方向排列(如附图2所示)。外加磁场与薄膜平面平行，与膜条B电流方向夹角为θ(如附图2所示)。其等效电路如图3所示，其中a、b、c、d、e、f是铜导电材料制作成的电极。在a、f上施加偏置电压V_b，通过测量b、c和d、e之间分别的电压差，就能转换得到磁场的方向。

有益效果：本发明设计了一种双电桥结构的磁阻传感器，两个电桥共同工作，能使得线性区域扩大一倍，并且在弱磁场或小角度磁场下的灵敏度得到了极大的提高。

本发明的用于测量磁场方向的双电桥式薄膜磁阻传感器具有功耗小、性能可靠、实施便捷等优点，并且具有温度补偿的效益，使得测量更加精确，还扩大了磁阻薄膜的线性工作区，提高了弱磁场下的灵敏度。

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、Barber电极层4、顶层电极层5、各向异性磁阻薄膜A、B、C、D、A’、B’、C’、D’、铜电极a、b、c、d、e、f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，本发明的一种用于测量磁场方向的双电桥式薄膜磁阻传感器。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、Barber电极层4和顶层电极层5。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，Barber电极4材料是铝，顶层电极5是Cu电极。将各向异性磁阻效应完全相同的磁阻薄膜条按附图2方式连接，磁阻薄膜条A和B相差的相位为90°，磁阻薄膜条B、C相位相差90°，磁阻薄膜条C和D相位相差90°，磁阻薄膜条A’B’C’D’排列方式与ABCD相同，上面加了Barber电极。Barber在磁阻材料上与材料的长轴方向成45°夹角(如附图2所示)。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。Barber电极是通过溅射Al材料并且按照一定图形光刻得到的，Cu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，得到所需的六个电极。

如图2所示，包括八条完全相同的各向异性磁阻薄膜条，右侧磁阻材料上采用的Barber电极以及a、b、c、d、e、f六个完全相同的由导电材料制成的电极部分。外加磁场与薄膜平面平行，与磁阻薄膜条B电流方向夹角为θ(如附图2所示)。

对于左侧区域，磁阻薄膜条B的电阻率为：

p_B(θ)＝p_B⊥sin²θ+p_B||cos²θ (1)

磁阻薄膜条A的电阻率为：

p_A(θ)＝p_A⊥cos²θ+p_A||sin²θ (2)

由于磁阻薄膜条A和磁阻薄膜条B在空间相位相差90°相位角，它们构成串联电路之后，在同一磁场作用下，当磁场的方向改变时，b、f之间的电压U₁₊(θ)可以表示为：

将ρ_A(θ)和ρ_B(θ)的表达式代入式(3)中,得到:

同理：

所以

对于右侧区域A’、B’、C、’D’这四条磁阻膜条，由于加上了Barber电极，使得电流流动方向发生了倾斜，此时对于B’而言，电阻率为：

磁阻薄膜条A’的电阻率为：

此时，df之间的电压U₂₊(θ)可以表示为：

再将ρ_A′(θ)和p_B′(θ)代入方程(9)中，得到：

所以

式(10)(11)(12)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。从U_out1和U_out2表达式中可以看出，当磁场角度发生变化时，U_out1和U_out2也随着θ的改变发生变化，但是其中一个变化时呈正弦关系，另一个呈余弦关系，必定存在一个较大的输出电压。将较大的输出电压作为实际测量电压，实现扩展线性区的目的，使得磁阻薄膜传感器更加灵敏。采用电桥结构具有温度补偿效益，使得传感器更加稳定。

本发明的一种用于测量磁场方向的双电桥式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Al电极，光刻形成Barber电极图形(用光刻剥离法形成Barber电极)；

5)溅射Cu电极，光刻形成六个测试电极；

6)后续封装。

本发明的不同之处在于：

在本发明中，构成用于测量磁场方向的双电桥式薄膜磁阻传感器采用的是双电桥结构，并且其中一个电桥还应用了Barber电极。由于Barber电极能使得电流方向与易磁化轴的角度发生偏转，使得两个电桥总有一个工作在线性工作区，进而扩展线性工作区，使得器件更加稳定。

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双电桥式薄膜磁阻传感器。

Claims

1.一种双电桥式薄膜磁阻传感器，其特征在于，该双电桥式薄膜磁阻传感器应用Barber电极实现，包括从下到上依次叠加的衬底(1)、绝缘层(2)、各向异性磁阻层(3)、Barber电极层(4)和顶层电极层(5)；各向异性磁阻层(3)由四条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A、B、C、D头尾顺序连接组成一个电桥，由另一组四条完全一样的各向异性磁阻薄膜条A’、B’、C’、D’头尾顺序连接组成另一个电桥，该两电桥相并联组成所述双电桥式薄膜磁阻传感器；其中，磁阻薄膜条A和磁阻薄膜条B相差的相位为90°，磁阻薄膜条B和磁阻薄膜条C相位相差90°，磁阻薄膜条C和磁阻薄膜条D相位相差90°，磁阻薄膜条A’B’C’D’排列方式与磁阻薄膜条ABCD相同，并且磁阻薄膜条A’、B’、C’、D’上都应用了与磁阻薄膜长轴方向成45°夹角的Barber电极。

2.按照权利要求1所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述各向异性磁阻层(3)的四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所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，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所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，其特征在于，所述磁阻薄膜条A、磁阻薄膜条B、磁阻薄膜条C、磁阻薄膜条D的平面形状为连续连接的S形。

5.按照权利要求1所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，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所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，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所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，其特征在于，Barber电极层(4)采用的材料为铝。

8.按照权利要求书1所述的一种双电桥式薄膜磁阻传感器，其特征在于，顶层电极层(5)所用的材料是铜。