一种磁传感器芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及磁传感器芯片制造领域，具体而言，涉及一种磁传感器芯片及制备方法。

背景技术

各向异性磁阻效应(Anisotropic Magneto Resistance,AMR)是指随磁化强度与电流夹角θ变化，磁传感器中的薄膜磁阻元件的电阻值亦随之改变的效应。在目前主流的AMR磁传感器设计中，磁阻元件往往由若干条有着较大长宽比的薄膜磁阻条串联构成的。受宽度方向退磁场的影响，磁阻条宽度越小，磁化反转越困难，则其输出特性曲线的饱和场越大；宽度越大，则输出特性曲线的饱和场越小。

在实际应用中，多对极磁码盘、磁栅尺的磁场强度往往达不到AMR磁传感器的饱和场要求，且在同一时刻，由于传感器设计上的空间位置，同一磁阻元件中不同磁阻条感应到的磁场强度是不同的。对于厚度相同的薄膜磁阻条，其宽度越大，则可在越弱的磁场下完全磁化反转，输出较大的信号值。由于在同一磁阻元件中，不同磁阻条感应到的磁场强度是不同的，从而导致磁传感器中距离磁栅尺或磁码盘较远的磁阻条的输出性能不高。

因此，现有技术还存在不足，有待改进。

发明内容

本发明实施例提供了一种磁传感器芯片及制备方法，以至少解决距离磁栅尺或磁码盘较远的磁阻条的输出性能不高的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种磁传感器芯片，包括：

芯片板；

若干间隔设置的磁阻元件，设置在芯片板上；

金属电极单元，设置在芯片板上，配合与磁阻元件的数量设置，与磁阻元件一一对应连接；

磁阻元件包括：

磁阻层，包括若干厚度相同宽度不同的磁阻条，若干磁阻条按照由细至宽的方式依次串联；其中，磁阻条串联为层叠结构布置，且同一层为一种宽度的磁阻条；

金属层，包括第一金属单元及第二金属单元，第一金属单元与磁阻层的最细端连接，第二金属单元与磁阻层的最宽端连接。

在一实施方式中，每一层磁阻条呈“U”字形结构，且外一侧的磁阻条半包围相邻的内一层的磁阻条。

在一实施方式中，“U”字形结构的磁阻条的底部两侧为直角结构。

在一实施方式中，磁阻条包括宽度依次为5um、8um、10um、15um及20um的五条。

在一实施方式中，相邻磁阻元件的空间位置差为四分之一个磁极距。

在一实施方式中，不同粗细的磁阻条之间通过连接片连接。

一种磁传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：

以芯片板为衬底，使用磁控溅射法在芯片板沉积各向异性磁阻材料的多层膜结构；

采用光刻工艺实现图形化，以制备出呈若干间隔布置的磁阻元件；其中，磁阻元件包括磁阻层及金属层，磁阻层包括若干粗细不同的磁阻条，若干磁阻条依次串联并为层叠结构布置，且同一层为一种粗细的磁阻条，金属层包括第一金属单元及第二金属单元，第一金属单元与磁阻层的一端连接，第二金属单元与磁阻层的另一端连接；

在芯片板上溅射生长导电的金属电极层，金属电极层包括若干金属电极单元；金属电极单元的数量配合磁阻元件的数量设置，且与磁阻元件一一对应连接。

在一实施方式中，在采用光刻工艺实现图形化，以制备出呈若干间隔布置的磁阻元件之前还包括：

单面抛光芯平板，芯平板的抛光面沉积有厚度为预设厚度的绝缘层材料。

在一实施方式中，各向异性磁阻材料的多层膜结构为Ta/NiFe/Ta膜，其中，Ta层的厚度为3-10nm，NiFe层的厚度为20-50nm。

在一实施方式中，每一层磁阻条呈“U”字形结构，且外一侧的磁阻条半包围相邻的内一层的磁阻条。

本发明实施例中的磁传感器芯片及制备方法，将若干厚度相同宽度不同的磁阻条，按照由细至宽的方式依次串联；磁阻条串联为层叠结构布置，且同一层为一种粗细的磁阻条，如此，则形成了由细至粗的多层磁阻条。使用本申请的芯片时，磁阻条的细端与磁栅尺或磁码盘相对设置，由于磁阻条是按照细至粗布置，距离磁栅尺或磁码盘越远的磁阻条越宽，使得磁阻条在较弱的磁场下也可完全磁化反转，输出较大的信号值，从而有效提升磁传感器芯片的输出性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明单个磁阻元件的结构示意图；

图2为本发明磁传感器芯片的结构示意图；

图3为本发明磁传感器芯片与磁栅尺的装配示意图；

图4为本发明系列宽度磁阻条单条结构归一化后的磁各向异性磁阻响应曲线；

图5为本发明磁传感器芯片的制备方法流程图。

附图标记：1-磁阻元件、2-磁阻层、3-第一金属单元、4-第二金属单元、5-金属电极单元、6-连接片、7-磁栅尺。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种磁传感器芯片，参见图1至图3，包括：

芯片板；

若干间隔设置的磁阻元件1，设置在芯片板上；

金属电极单元5，设置在芯片板上，配合与磁阻元件1的数量设置，与磁阻元件1一一对应连接；

磁阻元件1包括：

磁阻层2，包括若干厚度相同宽度不同的磁阻条，若干磁阻条按照由细至宽的方式依次串联；其中，磁阻条串联为层叠结构布置，且同一层为一种宽度的磁阻条；

金属层，包括第一金属单元3及第二金属单元4，第一金属单元3与磁阻层2的最细端连接，第二金属单元4与磁阻层2的最宽端连接。

本实施例中将若干厚度相同宽度不同的磁阻条，按照由细至宽的方式依次串联；磁阻条串联为层叠结构布置，且同一层为一种粗细的磁阻条，如此，则形成了由细至粗的多层磁阻条。使用本申请的芯片时，磁阻条的细端与磁栅尺7或磁码盘相对设置，由于磁阻条按照细至宽布置，距离磁栅尺7或磁码盘越远的磁阻条越宽，使得磁阻条在较弱的磁场下也可完全磁化反转，输出较大的信号值，从而有效提升磁传感器芯片的输出性能。

具体地，芯片板为以硅片为衬底，且芯片板的单面抛光，抛光表面沉积有厚度为300nm的SiO

每个磁阻元件1均由磁阻条串联构成，其在材质和几何形状等方面均一致。

在一实施方式中，参考图1，每一层磁阻条呈“U”字形结构，且外一侧的磁阻条半包围相邻的内一层的磁阻条。

具体地，磁阻条设置有宽度不同的多条，每一层为一种宽度的磁阻条，并且每一层布置为“U”字形结构。例如，第一条磁阻条布置为第一个U形结构，第二条磁阻条布置为第二个U形结构，且第一个U形结构与第二个U形结构层叠布置，使得两个U形结构的相互平行设置。具体为两个U形结构的两个竖向边平行，两个U形结构的横向边平行。

依照上述原理，将第三条、第四条等多个磁阻条形成的第三个、第四个等多个U形结构依次层叠布置。

该种U形结构布置，在使用时，将磁传感器芯片的最细磁阻条的一侧相对磁栅尺7(或磁码盘)设置，根据磁性原理可知，距离磁栅尺7越远，则磁场越弱。而本申请中距离磁栅尺7越远的磁阻条越宽，而越宽的磁阻条输出信号越强，因此本申请距离磁栅尺7或磁码盘远的磁阻条在较弱的磁场下也可完全磁化反转，输出较大的信号值，从而有效提升磁传感器芯片的输出性能，参考图3。

在一实施方式中，参考图1，“U”字形结构的磁阻条的底部两侧为直角结构。即U形结构的两个竖向边与横向边之间为直角，直接的布置方式，方便磁阻条的布置。

在一实施方式中，参考图1及图3，磁阻条包括宽度依次为5um、8um、10um、15um及20um的五条。

具体地，单个磁阻元件1结构图实施例方案如图1所示，其中磁阻条的宽度对应分别为5um、8um、10um、15um及20um。磁阻条的横向边的长度为68-220um，磁阻条的纵向边长度为44-120um，例如，第一条磁阻条选择200um，第二条、第三条...的长度依次减小，保持磁阻条之间间隔设置且磁阻条依次层叠即可。

磁传感器中磁阻元件1的排布与磁栅尺7(或磁码盘)的磁极距相匹配，相邻磁阻元件1的空间位置差为四分之一个磁极距，即同一时刻相邻磁阻元件1感应到的磁场强度相位差为π/4。八个磁阻元件1通过金属电极层连接成第一惠斯通桥和第二惠斯通桥结构，可输出相位差为π/2的正弦信号和余弦信号，最终通过反正切公式实现角度或位移的检测。

在一实施方式中，参考图1，不同粗细的磁阻条之间通过连接片6连接，连接片6为金属片。

实施例2

一种磁传感器芯片的制备方法，参见图1、图3及图5，包括以下步骤：

S100：以芯片板为衬底，使用磁控溅射法在芯片板沉积各向异性磁阻材料的多层膜结构；

S200：采用光刻工艺实现图形化，以制备出呈若干间隔布置的磁阻元件1；其中，磁阻元件1包括磁阻层2及金属层，磁阻层2包括若干粗细不同的磁阻条，若干磁阻条依次串联并为层叠结构布置，且同一层为一种粗细的磁阻条，金属层包括第一金属单元3及第二金属单元4，第一金属单元3与磁阻层2的一端连接，第二金属单元4与磁阻层2的另一端连接；

S300：在芯片板上溅射生长导电的金属电极层，金属电极层包括若干金属电极单元5；金属电极单元5的数量配合磁阻元件1的数量设置，且与磁阻元件1一一对应连接。

具体地，磁阻元件1设置为八个，金属电极单元5对应磁阻元件1设置，而每个磁阻元件1包括厚度相同宽度不同的磁阻条由细至宽依次串联。磁阻元件1设置为八个，八个磁阻元件1均为使用各向异性磁电阻薄膜材料制备而成，材料均为Ni

本发明实施例中的磁传感器芯片及制备方法，将若干厚度相同宽度不同的磁阻条，按照由细至宽的方式依次串联；磁阻条串联为层叠结构布置，且同一层为一种粗细的磁阻条，如此，则形成了由细至粗的多层磁阻条。使用本申请的芯片时，磁阻条的细端与磁栅尺7或磁码盘相对设置，由于磁阻条是按照细至粗布置，距离磁栅尺7或磁码盘越远的磁阻条越宽，使得磁阻条在较弱的磁场下也可完全磁化反转，输出较大的信号值，从而有效提升磁传感器芯片的输出性能。

步骤S200之前还包括：

单面抛光芯平板，芯平板的抛光面沉积有厚度为预设厚度的绝缘层材料。

具体地，芯片板为衬底，衬底设置为硅片。芯片板单面抛光，抛光面沉积有厚度为300nm的SiO

在一实施方式中，各向异性磁阻材料的多层膜结构为Ta/NiFe/Ta膜，其中，Ta层的厚度为3-10nm，NiFe层的厚度为20-50nm。

具体地，使用磁控溅射法沉积Ta/NiFe/Ta结构的多层膜，Ta层的厚度为3-10nm，NiFe层的厚度为20-50nm，溅射过程中设备的本底真空优于3.0×10

磁传感器芯片材料可替代，如实施例中的材料结构为Ta/NiFe/Ta薄膜，可替换成其他重金属与NiCo等各向异性磁阻材料的多层膜结构，或在Ta/NiFe/Ta中加入氧化物插层。

匹配的磁栅尺7(或磁码盘)磁极距与表磁强度不同时，磁阻元件1图形尺寸可替换，如磁阻条的长度、宽度等。

在一实施方式中，参考图1，每一层磁阻条呈“U”字形结构，且外一侧的磁阻条半包围相邻的内一层的磁阻条。

具体地，磁阻条设置有宽度不同的多条，每一层为一种宽度的磁阻条，并且每一层布置为“U”字形结构。例如，第一条磁阻条布置为第一个U形结构，第二条磁阻条布置为第二个U形结构，且第一个U形结构与第二个U形结构层叠布置，使得两个U形结构的相互平行设置。具体为两个U形结构的两个竖向边平行，两个U形结构的横向边平行。

依照上述原理，将第三条、第四条等多个磁阻条形成的第三个、第四个等多个U形结构依次层叠布置。

该种U形结构布置，在使用时，将磁传感器芯片的最细磁阻条的一侧相对磁栅尺7(或磁码盘)设置，根据磁性原理可知，距离磁栅尺7越远，则磁场越弱。而本申请中距离磁栅尺7越远的磁阻条越宽，而越宽的磁阻条输出信号越强，因此本申请距离磁栅尺7或磁码盘远的磁阻条在较弱的磁场下也可完全磁化反转，输出较大的信号值，从而有效提升磁传感器芯片的输出性能。

以下对本申请的磁传感器芯片的制备方法进行详细说明：

步骤一：芯片板为衬底，衬底设置为硅片，对衬底进行单面抛光，表面沉积有厚度为300nm的SiO

步骤二：采用光刻工艺实现图形化，制备出系列宽度具有横向及纵向边的U形结构的磁阻条结构。每个磁阻元件1均由磁阻条串联构成，其在材质和几何形状等方面均是一致的。

步骤三：溅射生长金属电极层薄膜，其材质可为Au、Ag、Cu、Cr、Al、Pt等导电性能优异的金属材料，厚度为50-300nm。溅射时本底真空优于3.0×10

具体地，单个磁阻元件1结构图实施例方案如图1所示，其中磁阻条的宽度分别为5um、8um、10um、15um及20um。磁阻条的横向长度为68-220um，磁阻条的纵向长度为44-120um。磁传感器中磁阻元件1的排布与磁栅尺7(或磁码盘)的磁极距相匹配，相邻磁阻元件1的空间位置间距为四分之一磁极距，即同一时刻相邻磁阻元件1感应到的磁场强度相位差为π/4。

磁阻元件1设置为八个，八个磁阻元件1通过金属电极层连接成第一惠斯通桥和第二惠斯通桥结构，可输出相位差为π/2的正弦信号和余弦信号。最终通过反正切公式实现角度或位移的检测。

磁传感器结构图如图2所示，实施方案中磁传感器与磁栅尺7(或磁码盘)的装配方式如图3所示，本发明方案中磁阻元件1的特征为：无论是磁阻条的横向边或磁阻条的纵向边，其与磁栅尺7(或磁码盘)磁表面的相对距离越远，其宽度越大，长度越小。附图中仅出示了和本发明相关的部分而非全部结构。

本申请在靠近磁栅尺7(或磁码盘)处，磁力线分布密集，磁场强度较强，设计线条细且长的磁阻条，实现磁传感器面积尺寸的有效利用；在远离磁栅尺7(或磁码盘)处，磁力线稀疏，磁场强度弱，设计宽且短的磁阻条，可在较小的外磁场下使磁阻条磁化反转，输出较强的信号值。且不同宽度磁阻条中各向异性场的分散有利于磁阻元件1输出信号的高次谐波消除。

本发明通过实验制备了系列宽度的磁阻条单条结构器件，这些磁阻条单条结构在厚度与长度上是一致的，其宽度分别为5um，8um，10um，15um，20um和40um。在亥姆霍兹线圈产生的静态磁场下测试磁阻条的AMR性能，测试时外磁场与电流方向垂直，得到不同宽度的磁阻条的磁各向异性磁阻响应曲线。为了更直观地体现磁阻条饱和场的宽度依赖性，对测试结果进行归一化处理。图4为系列宽度磁阻条单条结构归一化后的磁各向异性磁阻响应曲线。依据实验结果，可知在厚度和长度不变时，磁阻条宽度越宽，饱和场越小，达到磁化反转需要的外磁场越小。

以1mm磁极距磁栅尺7为例，其表面磁场强度约为15mT，即12kA/m，该值已接近实验结果中5um宽度的磁阻条的饱和场，可以认为方案中最靠近磁栅尺7表面的5um宽度磁阻条可以在较大程度上磁化反转；而在距离磁栅表面较远的20um磁阻条，其在2kA/m的外磁场下便可基本实现磁化反转，本申请方案可使得在磁栅尺7的磁场强度迅速衰减后，亦可保证磁阻元件1输出足够大的电信号。

根据实验结果，20um和40um磁阻条的饱和场已十分接近，因此出于磁传感器尺寸面积利用的考虑，在发明方案中不采用比20um更宽的磁阻条设计。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。