一种用于测量弱磁场的磁传感器的制作方法

1.本实用新型属于传感器技术领域，涉及一种用于测量弱磁场的磁传感器。


背景技术：

2.如图1所示，最早期的聚磁方式是磁电阻元件10结设置在较厚磁性材料20的边缘处或者在多个磁性材料20的间隔处。但是上述方法中磁性材料20的生长往往是通过后续工艺额外生长，且通常需要的磁性材料20厚度较大，成本高，存在对准误差。
3.另一种传统的聚磁方式，如图2所示是将磁性材料20和磁电阻元件10在同一平面上沉积生长，且磁性材料20往往被设计成尖端结构，不同变化的陡峭程度对聚磁效果有很大影响，但该种方式的磁性材料20需要占据远大于磁电阻元件10的面积，使得设计出的芯片尺寸偏大不适合小型化。
4.后续发展出“abut junction”工艺，软磁材料在磁电阻元件制造工艺中一起生长，且平行于磁敏感层，如此只需要较薄的磁性材料层，但聚磁效果仍然不理想，不适用于检测弱磁场，主要因为磁性材料层厚度较薄，聚磁效果不明显。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种用于测量弱磁场的磁传感器，以解决了现有技术中存在的微小型磁传感器因聚磁材料太薄，聚磁效果差，不能测量弱磁场的技术问题。
6.第一个方面，本实用新型实施例提供了一种用于测量弱磁场的磁传感器，包括：基板，在所述基板上生长磁电阻元件，所述磁电阻元件包含磁敏感层，所述磁敏感层的磁矩方向随着被测磁场的变化而变化；第一磁性材料层，在所述磁电阻元件的周围设置所述第一磁性材料层，所述第一磁性材料层靠近基板一侧的表面与所述磁敏感层靠近基板一侧的表面在同一水平面上；第二磁性材料层，所述第二磁性材料层紧贴所述第一磁性材料层，所述第二磁性材料层设置在所述第一磁性材料层上方，或所述第二磁性材料层设置在所述第一磁性材料层下方，所述第一磁性材料层与所述第二磁性材料层使聚集的磁感应线穿过所述磁敏感层。
7.进一步的，所述第一磁性材料层包括第一磁性材料层第一部分和第一磁性材料层第二部分，所述第一磁性材料层第一部分和所述第一磁性材料层第二部分分别位于所述磁敏感层两侧。
8.进一步的，所述第二磁性材料层包括第二磁性材料层第一部分和第二磁性材料层第二部分，所述第二磁性材料层第一部分和所述第二磁性材料层第二部分分别位于所述磁电阻元件两侧；所述第一磁性材料层第一部分和所述第二磁性材料层第一部分组成第一聚磁结构，所述第一磁性材料层第二部分和所述第二磁性材料层第二部分组成第二聚磁结构。
9.进一步的，所述第二磁性材料层第一部分紧贴所述第一磁性材料层第一部分生长在所述第一磁性材料层第一部分上方，所述第二磁性材料层第二部分紧贴所述第一磁性材
料层第二部分生长在所述第一磁性材料层第二部分上方。
10.进一步的，所述第二磁性材料层第一部分紧贴所述第一磁性材料层第一部分生长在所述第一磁性材料层第一部分下方，所述第二磁性材料层第二部分紧贴所述第一磁性材料层第二部分生长在所述第一磁性材料层第二部分下方。
11.进一步的，所述第一磁性材料层第一部分与所述磁敏感层之间的间隙x1的范围是0《x1《100nm；或/且，所述第一磁性材料层第二部分与所述磁敏感层之间的间隙x2的范围是0《x2《100nm。
12.进一步的，所述第一磁性材料层与所述第二磁性材料层的厚度之和大于所述磁敏感层的厚度。
13.进一步的，所述第一磁性材料层的厚度不小于所述磁敏感层的厚度。
14.进一步的，所述第二磁性材料的厚度大于所述第一磁性材料层的厚度。
15.进一步的，所述磁电阻元件垂直于膜层平面的截面为梯形。
16.本实用新型实施例至少具有以下技术效果：
17.本实用新型实施例提供的一种用于测量弱磁场的磁传感器，在磁电阻元件周围设置第一磁性材料层与第二磁性材料层，第一磁性材料层可以靠近磁电阻元件中的磁敏感层，且第一磁性材料层靠近基板一侧的表面与磁敏感层靠近基板一侧的表面在同一水平面上，有效的发挥距离的优势来增强聚磁效应；由于第一磁性材料层与第二磁性材料层是紧贴的，不论第二磁性材料层设置在第一磁性材料层上方或者下方，通过增加第二磁性材料层的厚度，可以不断增加第一磁性材料层与第二磁性材料层所共同引起的聚磁效应，提高器件的灵敏度，可以用于测量单轴向方向上的弱磁场。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型提供的背景技术第一示意图；
20.图2为本实用新型提供的背景技术第二示意图；
21.图3为本实用新型提供的一种用于测量弱磁场的磁传感器的第一种结构示意图；
22.图4为本实用新型提供的一种用于测量弱磁场的磁传感器的第二种结构示意图；
23.图5为本实用新型提供的一种用于测量弱磁场的磁传感器的第三种结构示意图。
24.图标：1-基板；10-磁电阻元件；20-磁性材料；21-第一磁性材料层；22-第二磁性材料层；101-磁敏感层；201-第一聚磁结构；202-第二聚磁结构；211-第一磁性材料层第一部分；212-第一磁性材料层第二部分；221-第二磁性材料层第一部分；222-第二磁性材料层第二部分。
具体实施方式
25.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，
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，都属于本实用新型保护的范围。
26.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
27.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
28.第一个方面，请参阅图3及图4，本实用新型实施例提供了一种用于测量弱磁场的磁传感器，包括：基板1，在基板1上生长磁电阻元件10，磁电阻元件10包含磁敏感层101，磁敏感层101的磁矩方向随着被测磁场的变化而变化；第一磁性材料层21，在磁电阻元件10的周围设置第一磁性材料层21，第一磁性材料层21靠近基板一侧的表面与磁敏感层101靠近基板一侧的表面在同一水平面上；第二磁性材料层22，第二磁性材料层22紧贴第一磁性材料层21，第二磁性材料层22设置在第一磁性材料层21上方，或第二磁性材料层22设置在第一磁性材料层21下方，第一磁性材料层21与第二磁性材料层22使聚集的磁感应线穿过所述磁敏感层。
29.本实施例中，第一磁性材料层21靠近基板一侧的表面与磁敏感层101靠近基板一侧的表面在同一水平面上，在紧贴第一磁性材料层21的上方或下方设置第二磁性材料层22，第一磁性材料层21与第二磁性材料层22共同作用，磁性材料的体积越大，其引起周围空间的磁聚集效应也越明显，聚磁效果就越好。因此弱磁场存在的空间，需要体积或面积更大的聚磁结构使得更多的磁感线能够穿过磁电阻元件10，影响磁电阻元件10的磁阻从而检测出磁场的大小。
30.具体的，第一磁性材料层21是利用邻近结工艺制备，这样做的好处是第一磁性材料层21可以离磁敏感层101很近，但受制于邻近结工艺的固有限制，第一磁性材料层21的厚度不会太厚，器件的灵敏度受到工艺限制，不能达到测量弱磁场所需的聚磁效果，因此发明人想到了在紧贴第一磁性材料层21的上方或下方利用电镀工艺设置第二磁性材料层22，通过增加整体磁性材料的厚度来使磁传感器的聚磁效果更加明显，灵敏度更高，从而可以用作测量弱磁场。
31.可选的，请继续参阅图3，第一磁性材料层21包括第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212，第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212分别位于磁敏感层101两侧。
32.本实施例中，在磁电阻元件10的磁敏感层101两侧设置第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212，加强了在x轴方向上穿过磁敏感层101的磁场，从而影响到磁电阻元件10的电阻。
33.可选的，请继续参阅图3，第二磁性材料层22包括第二磁性材料层第一部分221和
第二磁性材料层第二部分222，第二磁性材料层第一部分221和第二磁性材料层第二部分222分别位于磁电阻元件10两侧；第一磁性材料层第一部分211和第二磁性材料层第一部分221组成第一聚磁结构201，第一磁性材料层第二部分212和第二磁性材料层第二部分222组成第二聚磁结构202。
34.本实施例中，第二磁性材料层第一部分221和第二磁性材料层第二部分222分别位于磁电阻元件两侧，同时第一磁性材料层第一部分211和第二磁性材料层第一部分221组成第一聚磁结构201，第一磁性材料层第二部分212和第二磁性材料层第二部分222组成第二聚磁结构202，当器件处在x轴方向的磁场中时，相较于只含有第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212的结果，第一聚磁结构201与第二聚磁结构202因磁性材料体积增大能够使更多的磁感线穿过磁敏感层101，磁传感器的灵敏度大大提高。
35.可选的，第二磁性材料层第一部分221紧贴第一磁性材料层第一部分211生长在第一磁性材料层第一部分211上方，第二磁性材料层第二部分222紧贴第一磁性材料层第二部分212生长在第一磁性材料层第二部分212上方。
36.本实施例中，如图3所示，首先在基板1上生长磁电阻元件10，磁电阻元件10中的磁敏感层101远离基板1，利用邻近结工艺生长第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212，保证第一磁性材料层21与磁敏感层101在同一水平面上，再利用电镀工艺将第二磁性材料层第一部分221和第二磁性材料层第二部分222生长在第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212上方。
37.或者，如图5所示，磁电阻元件10中的磁敏感层101靠近基板，第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212依然设置在磁敏感层101两侧，保证第一磁性材料层21与磁敏感层101在同一水平面，再利用电镀工艺将第二磁性材料层第一部分221和第二磁性材料层第二部分222生长在第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212上方。这两种结构同样都可以达到增强聚磁效应，提高器件灵敏度的效果。
38.可选的，第二磁性材料层第一部分221紧贴第一磁性材料层第一部分211生长在第一磁性材料层第一部分211下方，第二磁性材料层第二部分222紧贴第一磁性材料层第二部分212生长在第一磁性材料层第二部分212下方。
39.本实施例中，如图4所示，首先在基板1上生长磁电阻元件10，磁电阻元件10中的磁敏感层101远离基板，首先利用电镀工艺在磁电阻元件10两侧生长第二磁性材料层第一部分221和第二磁性材料层第二部分222，然后再利用邻近结工艺生长第一磁性材料层第一部分211和第一磁性材料层第二部分212，保证第一磁性材料层21与磁敏感层101在同一水平面上。
40.可选的，请参阅图3，第一磁性材料层第一部分211与磁敏感层101之间的间隙x1的范围是0《x1《100nm；或/且，第一磁性材料层第二部分212与磁敏感层101之间的间隙x2的范围是0《x2《100nm。
41.本实施例中，限定了第一磁性材料层第一部分211与磁敏感层101之间的间隙x1以及第一磁性材料层第二部分212与磁敏感层101之间的间隙x2，首先第一磁性材料层21不能直接接触磁敏感层101，否则磁敏感层101不仅会受到磁场引起的磁矩变化，更可能受到与第一磁性材料层21接触而产生的耦合，影响器件本身的灵敏度，基于此，第二磁性材料层22也是不能与磁电阻元件10接触的。同时，如果间隙x1与间隙x2过大，则第一磁性材料层第一
部分211与第一磁性材料层第二部分212都会因为距离过大，聚磁效果降低，不利于测量弱磁场。因此，限定0《x1《100nm，或/且0《x2《100nm，是基于实际的产品设计考量给出的合理区间。
42.可选的，请参阅图3至图5，第一磁性材料层21与第二磁性材料层22的厚度之和大于磁敏感层101的厚度。
43.本实施例中，如果第一磁性材料层21与第二磁性材料层22的厚度之和小于磁敏感层101的厚度，那么就不能保证有足够的磁感线穿过磁敏感层101，达不到聚磁的效果。为了满足测量弱磁场的需求，同时也要满足器件小型化的需求，第一磁性材料层21与第二磁性材料层22的面积不能太大，因此只能增加磁性材料的厚度，第一磁性材料层21与第二磁性材料层22的厚度之和大于磁敏感层101的厚度，即磁性材料的厚度大于磁敏感层101的厚度，这样整个磁敏感层101都会处于加强的磁场内部，有利于提高器件灵敏度。
44.可选的，请参阅图3至图5，第一磁性材料层21的厚度不小于磁敏感层101的厚度。本实施例中，第一磁性材料层21的厚度不小于磁敏感层101的厚度时，可以更多的发挥出第一磁性材料层21距离磁敏感层101更近的优势，增强聚磁效果。
45.可选的，第二磁性材料层22的厚度大于第一磁性材料层21的厚度。本实施例中，由于制备第一磁性材料层21的工艺限制，导致第一磁性材料层21厚度较薄，可以通过增大第二磁性材料层22的厚度使其大于第一磁性材料层21的厚度，增大整体磁性材料的体积，从而增强聚磁效果。
46.可选的，请参阅图3至图5，磁电阻元件10垂直于膜层平面的截面为梯形。本实施例中，磁电阻元件10垂直于膜层平面的截面为梯形，在不影响器件性能的基础上可以减小器件体积。容易想到的是，磁电阻元件10垂直于膜层平面的截面也可以是矩形等其它不影响器件性能的形状。
47.本技术领域技术人员可以理解，本实用新型中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本实用新型中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本实用新型中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。
48.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
49.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
50.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于
本领域的普通技术人员而言，可以具体状况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
51.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
52.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。