（微电子学与固体电子学专业论文）基于巨磁电阻效应的角度传感器研究.pdf

委员： 够积衫 翻确，亏解氓 ：冀彳拟 2 名发 纠炙 烈玩 学位论文版权使用授权书 。据我所 过的研究 料。与我 本学位论文作者完全了解金胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金胆工 些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：桃他格 导师签名： 遵灰 签字日期：弋夕l f 年珀7 日 签字日期：吱。1 1 年f 月中日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 业对传感器的需 化等要求也越来 的发现为传感器 变化而显著变化 的现象。利用巨磁电阻效应设计制作的传感器具有灵敏度高、功耗低、体积小、 稳定性好及非接触式测量等优点，开发巨磁电阻传感器已经成为国内外的研究热 点。 本课题研究内容是基于巨磁电阻效应的角度传感器的设计与实现。自旋阀巨 磁电阻材料是众多巨磁电阻材料的一种，它对弱磁场敏感，而且在饱和磁场范围 内其电阻率只与磁场方向有关，而几乎与磁场强度无关。这一特性非常适合测量 角度变化，因此可以根据这一效应设计制作角度传感器。 论文首先介绍了巨磁电阻效应的原理、应用、发展现状，以及自旋阀巨磁电 阻感测角度的原理，研究了自旋阀巨磁电阻多层膜的性质，并设计了自旋阀巨磁 电阻敏感元件结构。 其次设计了自旋阀巨磁电阻角度传感器的制作流程，使用l e d i t 软件设计制 作版图，测试了自旋阀多层膜的特性并利用集成电路工艺技术中的光刻、刻蚀、 蒸发、剥离等工艺在硅衬底上制各自旋阀巨磁电阻传感器芯片。 最后将制作的芯片进行划片封装后并测试性能，设计和制作了信号处理电 路，包括信号放大、模数转换、单片机数据处理和l e d 显示电路以及相应的软件 程序。 关键词：巨磁电阻；自旋阀；角度传感器 w i t ht h ec h a n g eo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h es e n s o r sb a s e do ng i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c th a v es o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hs e n s i t i v i t y , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s m a l ls i z e ，h i g hs t a b i l i t y , a n dc o n t a c t l e s sm e a s u r e m e n t t h er e s e a r c h o fg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c es e n s o r sa th o m ea n da b r o a dh a sb e c o m ear e s e a r c h h o t s p o t t h ew o r ko ft h i sp r o j e c ti sd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa na n g l es e n s o rb a s e do n g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t t h es p i n - v a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c em a t e r i a li s o n eo fm a n yk i n d so fg i a n tm a g n e t o - r e s i s t a n c em a t e r i a l s ，a n di ti ss e n s i t i v et ow e a k m a g n e t i cf i e l d ，a n dw i t h i nt h es a t u r a t i o nf i e l d ，i t sr e s i s t i v i t yi so n l yr e l a t et ot h e e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o n ，a l m o s tn o t h i n gt od ow i t ht h em a g n e t i cf i e l d s t r e n g t h t h i sc h a r a c t e r i s t i ci sv e r ys u i t a b l ef o rm e a s u r i n ga n g l ec h a n g e t h e r e f o r e ， t h ea n g l es e n s o r sc a nb ed e s i g n e da n df a b r i c a t e da c c o r d i n gt ot h i se f f e c t f i r s t l y , t h e s i si n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l e ，a p p l i c a t i o n ，a n dd e v e l o p m e n ts t a t u so f g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ，a n dt h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n ga n g l ew i t hs p i n - v a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c es e n s o r s t h ep r o p e r t i e so fs p i n v a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c em u l t i l a y e rw e r es t u d i e d ，a n dt h es t r u c t u r e 。o fs p i n v a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c es e n s o rw a sd e s i g n e d s e c o n d l y , t h ef a b r i c a t i o np r o c e s so fs p i n - v a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ea n g l e s e n s o rw e r ed e s i g n e d ，t h el a y o u to fs e n s o rc o m p o n e n tw a sd e s i g n e du s i n gl - e d i t s o f t w a r e ，t h ep r o p e r t i e so fs p i n v a l v em u l t i l a y e rw e r et e s t e da n dt h es p i n - v a l v e g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e s e n s o rc h i p sw e r ef a b r i c a t e do ns i l i c o ns u b s t r a t e sb y l i t h o g r a p h y , e t c h i n g ，e v a p o r a t i o n ，s t r i p p i n go fi n t e g r a t e d c i r c u i tp r o c e s s e s f i n a l l y , d i c i n g a n dp a c k a g i n gw e r ec o n d u c t e dw i t ht h ec h i p sa n dt h e p e r f o r m a n c ew a st e s t e d ；t h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i tw a sd e s i g na n df a b r i c a t e d ， i i i i i d i g i t a lc o n v e r t e hm i c r o c o n t r o l l e ru n i t c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ep r o g r a m s p i n - v a l v ea n g l es e n s o r 致谢 在论文完成之际，首先我要真诚的感谢我的导师梁齐副教授，感谢梁老师对 本论文的指导，更感谢梁老师多年来对我的谆谆教导。梁齐教授具有渊博的知 识、敏捷的思维、严谨的科学作风，以及勤恳的工作态度。梁老师的言传身教， 使我的专业水平有了很大的提高，为我以后的工作奠定了坚实的基础，在此我怀 着无比激动的心情向梁老师表示感谢。 特别感谢南京工业大学章伟教授在课题研究过程中给予细心的指导，感谢无 锡巍如电子科技有限公司提供的项目支持。 感谢合肥工业大学电子科学与应用物理学院微电子技术实验室的诸位老师， 本论文的完成和他们的大力支持和无私帮助是分不开的。感谢王莉老师、汪壮兵 老师、于永强老师、吴春艳老师以及仇旭升师兄对我工艺实验中的多次指导与协 助。 感谢安宁宁、梁金、张希威、彭强、蔡家骏、王曦文、汪祖民、徐开松、王 鹏、谢武军、裴广超、谢超、江鹏、王志、吴翟、王维松、董艳等同学在实验和 论文写作过程中给予的帮助和鼓励，在与同学们探讨的过程中使我受益匪浅。 最后，感谢我的父母、家人和朋友对我在生活和学业上的支持和鼓励。感谢 所有关心和帮助我的人。 i v 作者：饶晓俊 2 0 1 1 年3 月1 5 日 目录 1 j 1 1 1 ：! 3 的原理5 5 7 片的工作原理8 的设计11 构设计11 1 ：1 3 3 巨磁电阻角度传感芯片的版图设计1 3 第四章巨磁电阻角度传感芯片的制作1 6 4 1 自旋阀磁性多层膜的制备一。1 6 4 2 自旋阀巨磁电阻多层膜性能测试一1 7 4 2 1 样品t e m 测试1 7 4 2 2 四探针测量磁阻效应：18 4 3 利用光刻和刻蚀工艺制各自旋阀电阻：2 1 4 4 制备电阻和电极2 5 4 5 封装制作器件原型并测试性能2 7 第五章传感器系统的设计与制作3 2 5 1 硬件电路设计3 2 5 1 1 信号放大模块j 3 2 5 1 2 a d 转换模块一：3 3 5 1 3 单片机处理模块3 4 5 1 4 输出显示模块3 5 5 2 电路程序设计与编译3 7 5 2 1a d 转换子程序3 8 5 2 2 单片机数据处理子程序4 0 5 2 3l e d 数码管显示程序4 1 5 2 4 程序编译调试4 2 5 3 电路功能调试4 3 v v i 5 7 o 1 4 4 5 5 插图清单 图2 1 巨磁电阻效应的双电流模型5 图2 2 基于巨磁电阻效应的转速传感器7 图2 3 自旋阀的结构示意图j ，8 图2 4 自旋阀在外磁场下，各磁性层的磁化方向与磁场方向之间的关系9 图2 5 自旋阀巨磁电阻在旋转磁场下的典型余弦曲线1 0 图2 6 典型的自旋阀巨磁电阻角度传感器1 0 图3 1 全桥式惠斯通电桥1 1 图3 2 传感器芯片制作工艺流程7 1 2 图3 3 使用l e d i t 软件设计的传感器芯片整体版图1 5 图3 4 使用l e d i t 软件设计的自旋阀电阻版图1 5 图3 5 使用l e d i t 软件设计的金属电阻版图1 5 图3 6 使用l e d i t 软件设计的电极版图1 s 图4 1 自旋阀多层膜各层的磁化方向1 7 图4 2 自旋阀巨磁电阻多层膜的t e m 照片1 8 图4 3 四探针测试原理图1 8 图4 4 自旋阀巨磁电阻多层膜电阻与外磁场强度的关系曲线2 0 图4 5 自旋阀多层膜电阻与外磁场方向的关系曲线j i 2 1 图4 6 利用o r i g i n 软件拟合的余弦曲线与原输出曲线对比2 1 图4 7 采用c c d 高倍显微镜拍摄光刻效果图2 2 图4 8 采用c c d 高倍显微镜拍摄刻蚀效果图2 3 图4 9i v 特性测试图2 4 图4 1 0 利用o r i g i n 软件对i v 测试结果进行数据拟合2 4 图4 1 1 剥离工艺流程：2 5 图4 1 22 次光刻后的显微镜照片2 6 图4 1 3 器件的显微照片2 7 图4 1 4 器件封装照片2 7 图4 1 5 电桥输出特性曲线一2 8 图4 1 6 传感器输出拟合曲线3 0 图4 1 7 电桥迟滞特性曲线j 。：3 1 图4 18 电桥输出重复性特性曲线：3 1 图5 1 传感器系统结构3 2 图5 2a d 6 2 3 电路图：3 3 图5 3a d c 0 8 3 2 电路图3 4 图5 4 单片机电路图3 5 v i i i 3 6 3 6 3 7 4 3 4 3 i x 7 9 9 8 1 1 2 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 1 1 1 传感器简介 2 1 世纪是信息的时代，信息技术对科技和社会发展的推动作用越来越大。信 息技术主要包括对信息的采集、传输与处理。在利用信息的过程中，首先要解决 的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途 径。所有科研与生产过程需要的信息都要通过传感器获取并转化成容易传输和处 理的电信号。如果把计算机比作大脑，那么传感器可以比作人的感觉器官。倘若 没有功能完善的感觉器官，不能准确而快速的感知外界信息，大脑再发达也无法 发挥应有作用。所以传感器在测控系统中起着至关重要的作用【1 1 。 传感器早已渗透到如工业自动化、农业现代化、航空航天、军事工程、环境 保护、资源勘探、医学诊断、生物工程、家电汽车等等极其广泛的领域。从茫茫 的宇宙到浩瀚的海洋，以及各种复杂的工程系统，以至于每一个现代化的项目， 都离不开各式各样的传感器。 传感器是一种技术密集、多学科交叉的产品。传感技术的发展水平标志着现 代化工业技术和生产力水平的高低，并且直接影响着世界各国在科技、经济、工 业生产以及军事等领域中的竞争力。因此，世界各国政府都十分重视传感器技 术；都把它列为重点发展的技术之一。所以深入研究传感器技术，不仅具有非常 重要的学术意义，还具有十分重大的社会价值【z 1 。 。 近年来，传感器技术的主要研究方向，一是在基础研究方面，研究发现新现 象与新效应，开发新材料和新工艺；二是实现传感器的微型化、集成化和智能化 1 1 。随着半导体微细加工技术的发展，已经能够将传感器敏感元件，微处理器以 及存储单元集成在同一芯片上，例如美国h o n e y w e l l 公司的s t - 3 0 0 0 智能传感器， 将c p u ，e p r o m 以及温度、压差、静压等三种敏感元件集成在一块芯片中，而 尺寸仅为3 m m x 4 m m 2 r a m 。智能传感器兼有信号检测、数据处理和存储功能， 与传统的分立式传感器相比，提高了精度和速度，降低了成本和功耗，具有广阔 的前景。 1 1 2 角度传感器 传感器种类繁多，角度传感器是其中的一种，它主要用来测量转动部件与固 定部件之间的角度变化。角度是一种重要的物理量，是机械、仪器仪表以及电子 制造业中的重要几何参数之一，它的精度对产品的质量和寿命有着直接的影响， 因此角度测量在现代工业中有着极其重要的作用【3 1 。现代的角度传感器种类繁 多，已在航空、导弹、机械制造、电机、汽车、船舶、交通、冶金等多方面获得 了极其广泛的应用。 例如在汽车领域中就广泛的应用到角度传感器。汽车油门踏板角度传感器是 用来检测油门踏板的开度信息并将其传递给e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，电子 控制单元) ，当油门踏板处于不同的角度时，角度传感器会产生不同的电压信号 并输送给e c u ，e c u 通过对这些信号进行处理分析，判断汽车正处于何种工作状 态下，以便对节气门进行控制【4 l 。车辆侧向倾斜角度传感器可以用于防止车辆在 行驶中发生倾翻事故。它是提高汽车行驶安全的重要措施，特别对双层客车、越 野车等重心较高的汽车更是非常必要。曲轴角度传感器，检测曲轴及发动机转 速，提供给e c u 作为确定点火时间以及工作顺序的基准信号。汽车方向盘中角度 传感器是e s p ( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ，车身电子稳定系统) 的重要部分， 它通过测定方向盘的转角来判断车辆的转向，其稳定性和精度直接关系着车辆行驶 的安全。 目前常用的角度传感器主要有机械式、电阻分压式、霍尔效应式、电磁感应 式、光栅式、编码盘式、电位器式、电容式、磁电阻式等。机械式优点是原理简 单、成本低，但体积大、精度低、测量延时大，难以实现实时动态测量，并且为 接触式测量【5 】。电阻分压式造价昂贵，信号处理电路复杂，并且是接触式测量， 影响传感器寿命。霍尔效应式对磁场要求高，体积大、功耗大。电磁感应式易受 温度和外部磁场的影响。编码盘式、光栅式等精度高、分辨率高、测量范围宽， 但体积大、成本高、结构复杂、易受环境影响。电位器式，电容式等结构简单， 但分辨率低，稳定性差【6 】。磁电阻式角度传感器是利用磁性敏感元件由外磁场的 方向变化引起自身电阻变化这一关系原理设计。它具有结构简单、稳定性好、噪 声低以及可实现非接触式测量等优点。磁电阻主要分为各向异性磁电阻和巨磁电 阻。如h o n e y w e l l 公司的磁电阻角度传感器h m c l 5 1 2 ，它利用的是各向异性磁电 阻原理，将磁性金属薄膜与放大电路集成到一个芯片里。但该传感器测量范围 窄，为0 。一1 8 0 。，且灵敏度会随着角度增大而降低。 近十几年来，随着工业技术的进步，尤其是汽车工业的快速发展，对角度传 感器的需求越来愈大，对其精度、功耗、可靠性、微型化、集成化、智能化等要 求也越来越高。研究开发新原理和结构的角度传感器具有十分重要的意义。 1 1 3 巨磁电阻角度传感器 巨磁电阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s t i v e ，g m r ) 式角度传感器利用的是自旋阀 ( s p i n v a l v e ) 磁性材料的巨磁电阻效应。自旋阀巨磁电阻材料的电阻在一定的 磁场范围内对磁场的大小不敏感，但随外界磁场方向的变化而变化，并且具有某 种确定的变化关系。因此可以根据这效应设计制作角度传感器。这种传感器由 一系列磁性多层薄膜叠加而成，这些薄层只有纳米级厚度，它对于非常微弱的磁场 也会有反应。这意味着这种传感器可以远离被测量物体，可实现非接触式测量。 自旋阀巨磁阻材料的磁阻变化率比一般磁阻材料大，对弱磁场灵敏度高，温度特 2 性很好【7 】。另外制造工艺还与半导体集成电路制造工艺兼容，易于微型化以及与 外围电路集成。总之巨磁阻角度传感器具有结构简单、体积小、易于集成、成本 低、灵敏度高、稳定性好，测量范围广，精度高等优点，具有很广阔的应用前 景，可广泛地应用于汽车、航空航天、数控机床、航海、军事等领域 8 1 。 由于巨磁电阻材料主要为纳米结构多层膜，其制备难度大，技术要求高，因 此目前只有极少部分公司开发出商用巨磁电阻角度传感器，如德国i n f i n e o n 公 司、日本t d k 公司、美国n v e 公司等【9 1 。 德国i n f i n e o n 公司的t l e 5 0 1 0 1 0 1 是采用c m o s 工艺制作的巨磁电阻角度传感 器。其测量角度范围为0 3 6 0 0 ，内部集成了两个巨磁电阻全桥，两个a d 转换 器，一个温度传感器，几个稳压器，额外的滤波器以及用来持续监测这些器件运 行的内部机制。该传感器芯片输出两个数字角度信号分量：一个正弦函数和一个 余弦函数。这些信号通过s p i 接口与8 位m c u ( 单片机) 相连，经过m c u 的处理 计算可以得出精确的角度信号。在传感器与m c u 之间传输数字信号可以降低信号 干扰，并且其内部集成的用于温度补偿的温度传感器可以确保该传感器在 4 0 一+ 1 5 0 的温度范围内具有很高的精确度。此角度传感器主要用于汽车方向 盘、无刷直流电机、旋转开关等器件中。 日本t d k 公司研制出应用于电动汽车及混合动力车马达控制的巨磁电阻角度 传感器。该角度传感器与当前通常使用的电磁式角度传感器相比，其主要优点是 尺寸较小、功耗低，并且角度测量精度高达o 3 5 。此传感器外形为圆弧状，内 置有4 个巨磁电阻元件，每个巨磁电阻元件后侧安装有永久磁铁。角度传感器和 安装于汽车马达转轴上的呈微椭圆形的金属圆盘配套使用。当汽车马达转轴旋转 时，引起金属圆盘与角度传感器地间距改变，从而改变它们之间的磁场分布。传 感器内部的巨磁电阻元件便可检测出磁场变化，以此来测量角度变化【1 1 1 。 美国n v e 公司推出的a a v 系列传感器，采用自旋阀巨磁电阻材料制作，使用 超小的p l l p 封装，能输出正弦或余弦信号。它能够精确检测磁场和角度，工作 于3 0 2 0 0 0 e 的饱和磁场下，而且不会因外界强大磁场而损坏【l2 1 。 目前，国内也已具备了巨磁电阻基础研究和器件研制的良好基础。国内一些 研究机构和公司也在这方面取得一定成果。深圳华夏磁电子技术有限公司建立了 国内首条巨磁电阻传感器芯片生产线，实现了巨磁电阻芯片的国产化，并已开发 出基于巨磁电阻效应的角度位移传感器h m e s s 5 0 1 1 3 】。中国科学院物理研究所 及北京大学、清华大学等高校在巨磁电阻多层膜、颗粒膜及氧化物方面都有深入 的研究。 1 2 论文的主要研究内容 本论文主要研究制作基于巨磁电阻效应的角度传感器原型器件并进行性能测 试，最后还设计制作了信号处理电路以及相应的程序。主要包含以下内容： 3 ( 1 ) 学习巨磁电阻效应及角度传感器方面的知识。通过查阅大量文献资料 学习了解巨磁电阻效应的现象、原理及应用，掌握自旋阀巨磁电阻材料的结构、 制作工艺及其测量角度原理。并且对现有的巨磁电阻传感器进行了调研。 ( 2 ) 设计巨磁电阻传感器芯片结构及制作流程，并利用l e d i t 软件设计自 旋阀巨磁电阻传感器芯片结构版图。 ( 3 ) 对利用磁控溅射制备的巨磁阻多层膜的相关性质进行研究；制作光刻 掩膜版并经过光刻、刻蚀、电子束蒸发、剥离等半导体工艺流程制各巨磁阻芯 片；测试确定传感器输出信号与外界磁场方向变化关系曲线。 ( 4 ) 设计制作外部信号处理电路并测试。根据实际应用的需要设计了以 s t c 8 9 c 5 2 单片机为核心的信号处理电路，主要包括信号放大滤波、a d 转换、 单片机数值处理以及l e d 数码显示等模块。采用单片机c 语言编写相应单片机 程序并利用k e i lu v i s i o n 2 单片机开发工具进行程序仿真调试。使用p r o t e l9 9s e 设计制作了p c b 板，焊接组装完整的巨磁阻传感器并测试性能。 4 第二章巨磁电阻效应角度敏感元件的原理 2 1 巨磁电阻效应概况 、 1 9 8 8 年，法国的费尔教授在研究f o c r 多层膜超晶格材料时发现了这一特殊 现象：在4 2 k 温度和2 t 磁感应强度下，f e c r 多层膜超晶格的电阻下降到零磁场 时的一半。并且研究还发现即使在室温下电阻变化率也达1 7 ，其变化的幅度远 远大于常规的各向异性磁阻效应( a m r ) ，他把这种效应命名为巨磁电阻效应 ( g i a n tm a g n e t o r e s i s t i v e ，g m r ) 1 4 】。 随后人们研究发现在许多铁磁金属( f e ，c o ，n i 等) 及其合金与非磁性金 属( c r ，c u ，a g 等) 交替生长而构成的多层膜中都存在类似的巨磁电阻效应。 而且，在颗粒膜、亚稳态合金膜、钙钛矿结构锰氧化物膜以及隧道结磁性多层膜 等材料中也发现了巨磁电阻效应【”】。 巨磁电阻效应是一种量子力学效应，它产生于铁磁性材料与非铁磁性薄膜交 叠而成的层状结构中。它的具体机理比较复杂，与电子自旋相关散射和层间交换 耦合作用有关，迄今还没有系统完善的理论可以解释。目前主要采用双电流模型 这一唯象理论定性的解释巨磁电阻现象。通常认为电子除携带电荷外，还具有自 旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。将电子的传输分为自 旋向上与自旋向下两部分，相当于两个并联的导电通道。并假设电子在散射过程 中自旋取向不会改变。当电子自旋与磁层的磁化方向相同时，受到散射小，电子 平均自由程长，处于低阻态。反之则处于高阻态。当相邻磁层是反铁磁耦合，相 邻两层的磁化方向不同。电子不管自旋状态如何，在相邻层间都会受到散射，这 对应于高阻态。相反相邻磁层磁化方向一致时，与磁层磁化方向相同的部分电子 受到散射小，处于低阻态，从而形成一条低阻通路使电阻减小【1 6 】。其原理如图2 1 所示。 5 5 舢 l l _ i l q | 一r ir i r t 图2 1 巨磁电阻效应的双电流模型 5 一懑羞 ，燃缓躲辫秽弘西渤簪。缴匪曩il一匿 蹦重i 巨磁电阻效应被发现以后，迅速得到了实际应用，也引发了科学和技术的飞 速发展，开创了自旋电子学这一具有巨大科学意义的新领域。费尔教授也因此获 得2 0 0 7 年度诺贝尔奖。目前具有巨磁电阻效应的材料主要有以下几种： ( 1 ) 磁性金属多层膜巨磁电阻 在多层膜中，铁磁层被非常薄( 几纳米厚) 的非铁磁层隔离，铁磁层和非铁 磁层交替排布。在一定厚度的非磁性层下，相邻的铁磁层变成反铁磁耦合，从而 能够使得相邻铁磁层的磁化方向反平行。在磁化方向反平行下，多层膜的电阻会 变大，在室温下，其电阻变化率可达1 0 【1 7 】。磁性金属多层膜巨磁电阻材料种类 很多，一般有( c o c u ) n 、( c o f e c o ) n 、( c o r u ) n 、( c o a g ) n 、( n i c o c r ) n 、 ( n i f e c u ) n 、( n i f e c o c u c o ) n 等结构。这些材料在室温下磁电阻变化率都很 高，达到1 0 以上。但是由于在多层膜巨磁电阻材料中存在较大的层间交换耦合 作用，需要外加很大的饱和磁场才产生巨磁电阻效应，所以它们的灵敏度并不 高，实际应用价值不大u 引。 ( 2 ) 自旋阀巨磁电阻 自旋阀( s p i n v a l v e ) 其实是一种特殊的磁性多层膜。典型的自旋阀结构包 括四层金属薄膜：一层自由的磁性层；一层非磁性的导电隔离层；一层被钉扎的 磁性层；一个钉扎的反铁磁性层。通过在磁场中退火处理，使得被钉扎磁性层的 磁化方向被相邻反铁磁层通过层间交换耦合钉扎住，而自由磁性层由于非磁性层 的隔离不受层间耦合影响，其磁化方向则可以随外加磁场的方向变化而自由变化 【l9 1 。于是就会出现两磁性层磁化方向从平行到反平行两种状态之间转化，其相应 的电阻率也在低阻态与高阻态之间变化。尽管自旋阀结构的磁电阻变化率相对于 磁性多层膜不是很高，但是噪声小、灵敏度高，因而具有很好的实用价值【2 0 1 。 ( 3 ) 颗粒膜巨磁电阻 颗粒膜巨磁电阻效应是由磁性金属纳米颗粒散布在非磁性基质薄膜中形成的 复合结构产生的。纳米颗粒的尺寸很小，一般在5l l m 以下，颗粒之间的距离通 常小于体系中电子运动的平均自由程。颗粒膜的产生机制主要是电子在嵌入非磁 性薄膜晶格中磁性金属颗粒的界面自旋相关散射。颗粒膜巨磁电阻材料主要有： f e c u 、 c o a g 、f e a g 、f o c o a g 、c o c u 等【2 1 1 。颗粒膜具有磁电阻变化率 大、制备工艺较简单、成本低、一致性好和热稳定性好等优点，但饱和磁场较 高，以至于灵敏度较低，所以应用价值也不大。 ( 4 ) 磁隧道结巨磁电阻 在磁隧道结中，两个铁磁层被一个非常薄的非磁性绝缘层隔离。电流通过电 子量子隧穿效应垂直流过膜面。当两磁性层的磁化方向一致是，隧道电阻最小， 反之，隧道电阻最大。它的磁电阻效应很大，饱和磁场小，一般在l 一1 0 0 0 e 范围。 所以灵敏度高。典型的采用氧化铝绝缘层的磁隧道结磁电阻变化率能达到 4 0 2 2 】，因而具有很大的应用价值。但是磁隧道结巨磁电阻还有许多问题有待解 6 决，如隧道电阻与磁电阻的波动，并且有些理论还处在实验室研究阶段。 几种典型巨磁电阻材料性能对比如表2 1 【2 3 】： 表2 1 几种巨磁电阻材料性能对比 巨磁电阻类型 磁电阻( )饱和磁场( o e )灵敏度( o e ) 多层膜1 0 - 8 010 0 2 0 0 0o 1 颗粒膜8 4 08 0 0 - 8 0 0 00 0 l 自旋阀 5 1 05 5 01 o 隧道结 l o 2 55 2 52 o 2 2 巨磁电阻效应的应用 巨磁电阻材料具有室温下磁电阻大、磁场灵敏度高、饱和磁场低、温度特性 好、稳定性高等优点。并且制作与集成电路工艺兼容，容易实现微型化集成化， 成本低廉。由于以上优点巨磁电阻很快得到实际应用。 ( 1 ) 巨磁电阻传感器 利用巨磁电阻( g m r ) 效应研究开发的巨磁电阻( g m r ) 传感器芯片，具有体积 小、灵敏度高、温度特性好、可靠性高、成本低、功耗低以及可工作于恶劣环境 等优点，与传统的传感器相比具有明显优势【2 4 1 。目前巨磁电阻效应已经在一些传 感器技术领域获得了成功的应用，比如：微弱磁场探测器、电流传感器、转速传感 器、位移、角度传感器等【2 ”。图2 2 为巨磁电阻转速传感器。 “j _ _ 。c 撇 图2 - 2 基于巨磁电阻效应的转速传感器 ( 2 ) 巨磁电阻硬盘读出磁头 1 9 9 4 年，i b m 公司t a n g 研制出利用巨磁电阻效应的硬磁盘读出磁头( r e a d h e a d ) ，从而将硬磁盘记录密度提高了1 7 倍。它比原来的a m r 磁头的灵敏度高两 倍以上，这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的 7 存储能力得到大幅度的提高【2 6 1 。 ( 3 ) 巨磁电阻随机存储器m r a m 利用巨磁电阻材料在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成磁电 阻随机存储器( m r a m ) ，它是利用磁滞效应存储信息，通过巨磁电阻效应读取 信息。其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。它拥有静态随机存储器 ( s r a m ) 的高速读取写入能力，以及动态随机存储器( d r a m ) 的高集成度， 而且基本上可以无限次地重复写入。此外它还具有能耗低，性能稳定等优点，因 此具有广阔的应用前景1 2 。7 1 。 2 3 自旋阀巨磁电阻角度传感芯片的工作原理 自旋阀( s p i n v a l v e ) 巨磁电阻由于具有低饱和磁场、低噪声、高灵敏度和高磁 电阻等优点而成为主流的巨磁电阻材料，目前已经成功应用于各个技术领域，如 硬盘读出磁头、角度传、位移、电流传感器以及涡流探伤【2 s 】等。 自旋阀巨磁电阻效应是d i e n y 等人在1 9 9 1 年发现的【2 9 1 。其采用磁控溅射方法 在硅衬底上制备了n i f e ( 15 n m ) c u ( 2 6 n m ) n i f e ( 15 n m ) f e m n ( 10 n m ) a g ( 2 n m ) 多 层膜，在室温和1 0 0 e 磁场强度下磁电阻变化率达到5 ，大于室温下n i f e 薄膜的 各向异性磁电阻( a m r ) 值。自旋阀巨磁电阻结构的基本思想是：通过降低磁性多 层膜的层间交换耦合作用来实现低磁场强度下两磁性层磁化方向的相对变化，从 而提高巨磁电阻效应的灵敏度【30 1 。这种结构利用电子的自旋特性像阀门一样控制 电子的传输，所以称为自旋阀。图2 3 所示为典型的自旋阀巨磁电阻结构。 电i 流方向 图2 - 3 自旋阎的结构示意图 自旋阀的基本结构由铁磁性自由层( f r e el a y e r ) 非磁性金属隔离层( s p a c e r l a y e r ) 铁磁性被钉扎层( p i n n e dl a y e r ) 反铁磁性钉扎层( p i n n i n gl a y e r ) 组成，每层 厚度都很薄，在几纳米左右。其中反铁磁层一般由f e m n ，i r m n 组成，铁磁层通 常为n i f e ，c o f e 等软磁性材料，非磁性层大多数为c u ，c r 等非磁性金属。由于 自由层与铁磁性被钉扎层被非磁性隔离层分开，它们之间的耦合很弱。外界很小 8 被与其相邻的反铁 界磁场方向变化而 方向与磁场方向之 图2 4 自旋阀在外磁场下，各磁性层的磁化方向与磁场方向之间的关系 根据前面所述巨磁电阻原理的双电流模型。当钉扎层的磁化方向与自由层平 行一致，通过自由层与钉扎层的电子遭受的自旋散射几率减少，所以电阻变小。 反之，它们方向相反的话，电子层间运动遭受散射的几率增大，电阻增大。自由 层暴露在外磁场下，它的磁化方向与外磁场一致。外磁场方向变化，引起自由层 与钉扎层的磁化方向相对变化，自旋阀巨磁阻材料的电阻率也随之变化【3 1 1 。自旋 阀的磁电阻较大，约为8 2 0 ，即使在几o e 磁场强度下也可获得2 一5 的磁 电阻变化率。自旋阀结构巨磁电阻由于具有众多优点而成为巨磁电阻材料领域的 研究热点。目前人们已经发展出多种结构的自旋阀，如项自旋阀、底自旋阀、对 称自旋阀和伪自旋阀等。 d i e n y 等人还研究了自旋阀巨磁电阻的磁电阻与两铁磁层的磁化强度方向相 对角度的变化关系。得出在外磁场达到饱和时，自旋阀巨磁电阻的磁电阻与磁场 强度无关而与c o s 阳p 毋) 成比例【1 6 1 。其中如为钉扎层的磁化方向，毋为自由层 磁化方向。这意味着只需处在饱和磁场范围内，外磁场的距离对自旋阀巨磁电阻 性能无影响。这一原理为自旋阀巨磁电阻应用于非接触角度测量领域展现了广阔 前景。 有关文献研究表明，在外磁场达到饱和时，自旋阀巨磁阻的磁电阻与磁场强 度无关，而与自由层和钉扎层的相对磁化方向之间存在如下关系【3 2 】： 1 r = r 一民脚c o s ( 口，一目，) ( 2 1 ) z 其中尺d 为自旋阀零磁场时的电阻值，m r 为自旋阀巨磁电阻的最大磁电阻变 9 图2 - 6 典型的自旋阀巨磁电阻角度传感器 1 0 偶极磁体 器将感测 因而可以 态特性等有很 磁阻传感器主 结构和几何形 小，且电阻的 出来并转化为 电压或电流变化。惠斯通电桥可以和巨磁阻元件集成在一块芯片上，结构和工艺 简单并且可以提高传感器的灵敏度、精度、测量范围以及温度特性。惠斯通电桥 基本形式如图3 1 所示。 n _ = 图3 1 全桥式惠斯通电桥 图3 1 是一种全桥式电桥，4 个电阻都是可变的，其中相邻的2 个电阻阻值 变化幅度相同，方向相反。一般电桥输出端连接放大电路，其输入阻抗很高，所 以可以认为电桥输出开路。根据电路定律，可得如下公式： 口口 场u t = v i n ( 坐一一= = l )( 2 2 ) r + r 2置+ 尺3 。 、。 当r j = r 2 = r 3 = r 彳时，输出v o u r = o ，电桥处于平衡状态。当r ，= 皿= r + a r ，r 3 = r 2 = r - d r 时，输出v o u t = v i n d r r 。4 个电阻的温度系数相同，它 们随温度变化幅度相等，可以相互抵消他，从而实现温度补偿【3 3 1 。 全桥式惠斯通电桥必须保证四个桥臂的敏感电阻的变化方向不同。而自旋阀 巨磁电阻的电阻变化与磁场方向和自身磁化方向相对取向有关。如果4 个电阻都 采用自旋阀制备，必须保证它们的磁化方向不同。在同一块芯片上制作4 个大小 相等，磁化方向不同的巨磁电阻难度非常大。所以在本设计中采用单臂电桥，即 一个桥臂采用巨磁电阻，其余桥臂为定值电阻，4 个电阻初始值相同，电桥采用 恒压源供电。如将上图中r 4 由自旋阀巨磁电阻代替，在外部磁场作用下，r 4 = r + a r ，输出为： v o u t = 砌意2 r ) ( 2 3 ) 2 ( 丝+ 、7 3 2 芯片制作工艺流程设计 自旋阀巨磁电阻传感器的敏感元件主要材料是纳米金属多层膜，制备工艺可 以与集成电路制造工艺兼容。使用集成电路制造工艺制备巨磁阻敏感元件可以实 现集成化、微型化、批量化，可以大大降低成本，提高传感器的性能。 本设计中自旋阀巨磁电阻传感器芯片结构简单，其制作工艺比集成电路制造 工艺要简单得多。按照传统的半导体集成电路工艺来制作的话，主要包括以下流 程。制各自旋阀薄膜、光刻刻蚀形成电阻、制备二氧化硅隔离层、光刻并刻蚀通 孔、制备薄膜电阻、制备二氧化硅隔离层、再光刻并刻蚀通孔、淀积电极薄膜、 最后光刻刻蚀电极。工艺步骤多、成本高、单步工艺难度也大。所以该方案不可 行。通过查找文献资料和分析总结，结合现有的实验条件，尽量减少优化实验步 骤。最终确定具体工艺流程如图3 2 所示。 ( 4 ) 一_ 一一 各工艺步骤概述如下： ( 7 ) 麟嬲嬲 9 ) 口一髀渤 硅片自旋阀电极 口圈 光刻胶 电阻 图3 2 传感器芯片制作工艺流程 1 2 = ( 1 ) 溅射制备自旋阀巨磁电阻多层膜。这是最关键的一步，直接关系到自旋 阀巨磁电阻的性能。多层薄膜制备完成后要放入一定大小磁场中进行退火处理， 以确定自旋阀的磁化方向。 ( 2 ) 通过光刻将自旋阀巨磁电阻图形复制到自旋阀多层膜上。 ( 3 ) 以光刻胶为掩膜通过刻蚀将多余的自旋阀多层膜去除，制备自旋阀巨磁 电阻。 ( 4 ) 通过光刻将与电阻互补的图形复制到光刻胶上。采用图案相反的掩膜 版，使用正胶光刻显影后，无光刻胶的区域为所需电阻图形。 ( 5 ) 使用电子束蒸发沉积电阻薄膜。利用该方法制备薄膜台阶覆盖性不好的 特点，使薄膜在光刻胶侧壁处断开。 ( 6 ) 清洗光刻胶，光刻胶项部的薄膜会随着光刻胶一起被去除，从而留下所 需电阻图形。 ( 7 ) 通过光刻将与电极互补的图形复制到光刻胶上。 ( 8 ) 电子束蒸发沉积金属薄膜。 ( 9 ) 清洗光刻胶，制备电极。 3 3 巨磁电阻角度传感芯片的版图设计 在集成电路制造工艺中，图形的转移是通过光刻实现。光刻是把掩膜版上的 图形转移到衬底上的过程。工艺流程设计完成后，应根据流程设计制作相应的光 刻掩膜版。光刻掩膜版成本高，本设计通过优化工艺流程，最终确定为3 套光刻 掩模版。掩膜版的制作需要设计专门的版图。本文采用l e d i t 设计版图。l e d i t 是美国t a n n e r 公司的版图设计工具