本發(fā)明涉及磁傳感器，具體涉及一種360度無盲區(qū)微型角位移磁探頭芯片、制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在高精度角位移傳感技術(shù)的發(fā)展過程中發(fā)現(xiàn)，非接觸式角位移傳感技術(shù)在測量過程中不易出現(xiàn)磨損，耐久性好，可靠性高，比接觸式角位移傳感技術(shù)更適合應(yīng)用在工業(yè)、綠色能源、航天、航空等領(lǐng)域中?；诠鈱W(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等原理的角位移傳感技術(shù)是目前市場上最為常見的非接觸式角位移傳感器設(shè)計(jì)方法。

2、光傳感技術(shù)：該技術(shù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，操作不便，并且在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性較差。

3、電傳感技術(shù)：分辨率低、穩(wěn)定性差且精度不足。

4、磁傳感技術(shù)：通過感應(yīng)磁場變化來獲取角位移信息的磁傳感技術(shù)可以克服上述缺點(diǎn)。它具有單元機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗振動、抗噪聲等性能優(yōu)勢，且分辨率高、運(yùn)行穩(wěn)定性好、成本較低。因此，以磁信號探測原理為核心的磁傳感技術(shù)逐漸成為市場上的主流選擇。

5、磁阻類角位移傳感技術(shù)因其高精度、小型化、集成化、低功耗等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，主要分為以下幾種類型：

6、各向異性磁阻(amr)角位移傳感：受限于amr效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，傳統(tǒng)的amr角位移傳感技術(shù)最多只能實(shí)現(xiàn)0~180度的角位移探測。為了實(shí)現(xiàn)360度無盲區(qū)的角位移探測，必須額外搭配霍爾器件、tmr單極性開關(guān)器件等磁場極性判定手段。然而，這種組合方式集成度低、功耗較高，不利于電子元器件的小型化與低功耗發(fā)展。

7、巨磁阻(gmr)角位移傳感?和?隧道磁阻(tmr)角位移傳感：這兩種技術(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)360度的角位移探測，但它們存在磁滯較大、噪聲較高的問題，制備工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高、成本昂貴，且穩(wěn)定性不如amr角位移傳感技術(shù)。

8、綜上所述，現(xiàn)有的磁敏角位移傳感器在集成度、制備工藝流程、穩(wěn)定性和探測精度等方面仍有改進(jìn)空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種360度無盲區(qū)微型角位移磁探頭芯片、制備方法和應(yīng)用，其目的在于改善現(xiàn)有磁敏角位移傳感器的集成度、制備工藝流程、穩(wěn)定性及探測精度等性能，為360度無盲區(qū)角位移探測提供更優(yōu)解決方案。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片，所述芯片從下到上依次包括：

4、襯底，所述襯底為傳統(tǒng)的硅基片晶圓，在si上氧化幾百納米的sio2；

5、amr薄膜層，所述amr薄膜結(jié)構(gòu)為種子層/amr磁性功能層/保護(hù)層，其中amr磁性功能層選用具有低磁滯、小飽和場、高磁導(dǎo)率、高居里溫度的nife或nico等軟磁金屬合金材料；

6、絕緣介質(zhì)層，用于不同金屬層之間的電氣絕緣；

7、ahe薄膜層，所述ahe薄膜結(jié)構(gòu)為緩沖層/活性層/覆蓋層，活性層用于產(chǎn)生反?；魻栃?yīng)以實(shí)現(xiàn)磁場極性判別功能；

8、鈍化層，用于保護(hù)磁性薄膜元件在電測、封裝及使用中不受外界環(huán)境影響。

9、進(jìn)一步的，所述amr薄膜層采用雙飽和惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，每個惠斯通電橋由四組互成90度放置的磁阻條陣列構(gòu)成，用以改善靈敏度、信噪比、溫度穩(wěn)定性等參數(shù)指標(biāo)。

10、進(jìn)一步的，所述ahe薄膜層設(shè)計(jì)成形狀為十字架的hall?bar，用于進(jìn)行磁場極性判別，以實(shí)現(xiàn)0~360度無盲區(qū)的角位移探測。

11、進(jìn)一步的，所述ahe元件可以制備為楔形膜的形式，通過感應(yīng)平面內(nèi)磁場極性的不同直接輸出正、負(fù)兩種類型的電壓值，用于判定磁場方向。

12、進(jìn)一步的，所述ahe元件還可以設(shè)計(jì)為平面內(nèi)互成90度放置的兩個hall?bar，根據(jù)感應(yīng)到的磁場極性的不同輸出正、負(fù)兩種不同形式的電壓，用于實(shí)現(xiàn)快速磁場極性判別。

13、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片的制備方法，包括以下步驟：

14、在si/sio2晶圓上利用光刻、刻蝕、磁控濺射、平坦化及熱處理等工藝制備amr薄膜元件；

15、沉積絕緣介質(zhì)層以進(jìn)行amr元件與后續(xù)ahe元件之間的電氣絕緣；

16、制備具有楔形膜結(jié)構(gòu)或平面內(nèi)互成90度放置的兩個hall?bar的ahe元件；

17、沉積保護(hù)層以保護(hù)芯片上除pad以外的剩余區(qū)域；

18、利用高溫?zé)崽幚砉に囋鰪?qiáng)薄膜致密性，減小薄膜內(nèi)部缺陷，修復(fù)晶格損傷，改善晶圓性能。

19、進(jìn)一步的，所述amr薄膜元件的制備過程包括：涂覆光刻膠、烘焙、對準(zhǔn)曝光、顯影，然后利用磁控濺射鍍膜設(shè)備沉積ta/nife/ta，剝離光刻膠，完成amr元件主體功能結(jié)構(gòu)制備，再通過光刻、沉積互連導(dǎo)電金屬層cu，完成各組磁阻條之間的電氣連接。

20、進(jìn)一步的，所述ahe元件的制備過程包括：平坦化處理后利用楔形膜制備工藝或光刻、沉積兩個互成90度放置的hall?bar，完成ahe元件的主體功能結(jié)構(gòu)制備，最后通過光刻、沉積導(dǎo)電金屬層cu，完成所有元件的電極pad制備。

21、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片的應(yīng)用，將傳感器置于旋轉(zhuǎn)磁場之下，根據(jù)雙飽和惠斯通電橋輸出的正、余弦信號解算出旋轉(zhuǎn)角度值，并結(jié)合ahe元件輸出的正、負(fù)電壓值判別磁場極性，從而實(shí)現(xiàn)360度無盲區(qū)的角位移探測。

22、進(jìn)一步的，當(dāng)amr元件反正切解算出的計(jì)算角度值在特定范圍內(nèi)時，根據(jù)ahe元件中一個或多個hall?bar輸出值的正負(fù)判定計(jì)算角度值實(shí)際處于哪個角度區(qū)間，以確定最終的角位移測量結(jié)果。

23、本發(fā)明所達(dá)到的有益效果為：

24、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片，通過將各向異性磁阻(amr)元件和反?；魻栃?yīng)(ahe)元件集成在一個芯片上，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)0~360度范圍內(nèi)任意角度的唯一性探測。amr元件負(fù)責(zé)0~180度范圍內(nèi)的高精度測量，而ahe元件則用于判定磁場極性，從而解決了傳統(tǒng)amr傳感器只能探測0~180度的問題。

25、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片，相比需要額外搭配線性霍爾傳感器或tmr單極性開關(guān)等器件的傳統(tǒng)方案，本發(fā)明將amr和ahe元件集成在單一芯片上，不僅減少了外部組件的數(shù)量，還降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積，使得安裝更加便捷，使用功耗更低。

26、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片，本發(fā)明的磁敏探頭芯片具有較小的磁滯、較高的信噪比、簡單的薄膜制備工藝流程以及較低的成本。相較于gmr和tmr技術(shù)，它提供了更好的穩(wěn)定性和可靠性，同時保持了高分辨率和運(yùn)行穩(wěn)定性。

27、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片，由于采用了磁信號探測原理，該磁敏芯片具備單元機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、抗振動、抗噪聲等特點(diǎn)，能夠在各種惡劣環(huán)境下正常工作，適用于工業(yè)、綠色能源、航天航空等多個領(lǐng)域。

28、一種360度無盲區(qū)探測的微型角位移磁探頭芯片，此發(fā)明有助于推動角位移傳感技術(shù)的進(jìn)一步微型化、集成化發(fā)展，滿足了市場對小型化、低功耗、高性能角位移傳感器的需求，為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新提供了新的可能性。

技術(shù)特征：

1.一種360度無盲區(qū)微型角位移磁探頭芯片，其特征在于，所述芯片從下到上依次包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型角位移磁探頭芯片，其特征在于，所述amr薄膜層（2）采用雙飽和惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，每個惠斯通電橋由四組互成90度放置的磁阻條陣列構(gòu)成，用以改善靈敏度、信噪比、溫度穩(wěn)定性參數(shù)指標(biāo)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型角位移磁探頭芯片，其特征在于，所述ahe薄膜層（4）設(shè)計(jì)成形狀為十字架的hall?bar，用于進(jìn)行磁場極性判別，以實(shí)現(xiàn)0~360度無盲區(qū)的角位移探測。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型角位移磁探頭芯片，其特征在于，所述ahe元件制備為楔形膜的形式，通過感應(yīng)平面內(nèi)磁場極性的不同直接輸出正、負(fù)兩種類型的電壓值，用于判定磁場方向。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型角位移磁探頭芯片，其特征在于，所述ahe元件設(shè)計(jì)為平面內(nèi)互成90度放置的兩個hall?bar，根據(jù)感應(yīng)到的磁場極性的不同輸出正、負(fù)兩種不同形式的電壓，用于實(shí)現(xiàn)快速磁場極性判別。

6.一種如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的360度無盲區(qū)微型角位移磁探頭芯片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述amr薄膜元件的制備過程包括：涂覆光刻膠、烘焙、對準(zhǔn)曝光、顯影，然后利用磁控濺射鍍膜設(shè)備沉積ta/nife/ta，剝離光刻膠，完成amr元件主體功能結(jié)構(gòu)制備，再通過光刻、沉積互連導(dǎo)電金屬層cu，完成各組磁阻條之間的電氣連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述ahe元件的制備過程包括：平坦化處理后利用楔形膜制備工藝或光刻、沉積兩個互成90度放置的hall?bar，完成ahe元件的主體功能結(jié)構(gòu)制備，最后通過光刻、沉積導(dǎo)電金屬層cu，完成所有元件的電極pad制備。

9.一種如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的360度無盲區(qū)微型角位移磁探頭芯片的應(yīng)用，其特征在于，將傳感器置于旋轉(zhuǎn)磁場之下，根據(jù)雙飽和惠斯通電橋輸出的正、余弦信號解算出旋轉(zhuǎn)角度值，并結(jié)合ahe元件輸出的正、負(fù)電壓值判別磁場極性，從而實(shí)現(xiàn)360度無盲區(qū)的角位移探測。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，當(dāng)amr元件反正切解算出的計(jì)算角度值在特定范圍內(nèi)時，根據(jù)ahe元件中一個或多個hall?bar輸出值的正負(fù)判定計(jì)算角度值實(shí)際處于哪個角度區(qū)間，以確定最終的角位移測量結(jié)果。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及電氣機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種360度無盲區(qū)微型角位移磁探頭芯片、制備方法和應(yīng)用。所述芯片從下到上依次包括：襯底，所述襯底為傳統(tǒng)的硅基片晶圓；AMR薄膜層，所述AMR薄膜結(jié)構(gòu)為種子層/AMR磁性功能層/保護(hù)層；絕緣介質(zhì)層，用于不同金屬層之間的電氣絕緣；AHE薄膜層，所述AHE薄膜結(jié)構(gòu)為緩沖層/活性層/覆蓋層；通過將各向異性磁阻(AMR)元件和反?；魻栃?yīng)(AHE)元件集成在一個芯片上，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)0~360度范圍內(nèi)任意角度的唯一性探測。AMR元件負(fù)責(zé)0~180度范圍內(nèi)的高精度測量，而AHE元件則用于判定磁場極性，從而解決了傳統(tǒng)AMR傳感器只能探測0~180度的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：杜偉,關(guān)業(yè)輝,劉曉琦,牟宏杰,許濤,鐘貽兵,王磊,車進(jìn)超,任淑鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東航天電子技術(shù)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15