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鎳鐵（NiFe）合金具有較強的各向異性磁電阻效應、較高的居里溫度、易于實(shí)現與電路集成以及較低的制作成本等優(yōu)點(diǎn)，成為開(kāi)發(fā)磁電阻傳感器的首選材料?；贜iFe薄膜制備的各向異性磁電阻（AMR）傳感器具有成本低、靈敏度高、體積小及可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應用于磁場(chǎng)探測、轉速測量、位置測量、電流傳感和電子羅盤(pán)等領(lǐng)域。

近期，來(lái)自四川永星電子有限公司、貴州雅光電子股份有限公司和電子科技大學(xué)的研究團隊利用組合材料芯片技術(shù)系統研究了磁電阻薄膜、Barber電極幾何參數對AMR磁場(chǎng)傳感器的性能影響規律。測試結果表明，在設計的工藝條件下，NiFe薄膜寬度為36μm、厚度為28 nm、Barber電極角度為40°、電極間距為10 μm時(shí)，所制備的磁場(chǎng)傳感器在磁場(chǎng)范圍為± 5 G內靈敏度最高，達到1.17 mV/(V·G)。這項研究工作為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于A(yíng)MR效應的角度及磁場(chǎng)傳感器芯片提供了參考。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《磁性材料及器件》期刊。

傳感器結構與制備

AMR磁場(chǎng)傳感器主要包括磁電阻層和Barber電極層。在線(xiàn)性磁場(chǎng)傳感器設計中，為了迅速優(yōu)化相關(guān)的關(guān)鍵試驗參數，研究人員采用材料芯片技術(shù)，通過(guò)組合方式，一次制備樣品后，形成多個(gè)參數組合的樣品。實(shí)驗中主要優(yōu)化的參數包括薄膜厚度及磁電阻條寬度、Barber電極間距和角度。為此設計了如圖1所示的圖案分布，分別在晶圓不同區域實(shí)現磁電阻條寬度、電極間距以及不同電極角度的組合。一共組合成72個(gè)不同尺寸的AMR磁場(chǎng)傳感器，每個(gè)器件結構及形狀如圖2所示。

圖1 光刻板圖案分布示意圖

圖2 AMR磁場(chǎng)傳感器單元光學(xué)照片

研究人員系統研究了圖形化的NiFe薄膜寬度、厚度以及Barber電極角度、間距等因素對傳感器性能的影響。隨著(zhù)NiFe薄膜寬度的增大，傳感器的靈敏度提高，當寬度大于28 μm時(shí)，靈敏度大于1 mV/(V·G)，繼續增大薄膜寬度，靈敏度提高幅度有所下降。隨著(zhù)NiFe薄膜厚度減小，傳感器的靈敏度增高。當NiFe薄膜的厚度為28 nm時(shí)，傳感器的靈敏度達到最大為1.17 mV/(V·G)。當電極角度分別為40°、45°和50°時(shí)對應的線(xiàn)性區間磁場(chǎng)范圍差異不大，當Barber電極角度為40°時(shí)，傳感器靈敏度最大。隨著(zhù)Barber電極間距的增大，傳感器靈敏度下降，為獲得盡可能高的靈敏度，在設計Barber電極時(shí)應盡可能減小傳感器的電極間距。

圖3 傳感器靈敏度隨薄膜寬度的變化

圖4 不同NiFe薄膜厚度傳感器的靈敏度

圖5 對應不同Barber電極角度磁場(chǎng)傳感器輸出電壓隨磁場(chǎng)的變化

圖6 對應不同薄膜寬度傳感器靈敏度隨電極的間距的變化

整體實(shí)驗結果表明，增加磁電阻條寬度以及減小Barber電極間距可以提高傳感器的靈敏度。由于磁電阻薄膜電流分布的非均勻性，實(shí)際Barber電極角度小于45°時(shí)，AMR磁場(chǎng)傳感器的靈敏度更高。NiFe薄膜寬度為36 μm、薄膜厚度為28 nm、Barber電極角度為40°、電極間距為10 μm時(shí)，本工藝制備的磁場(chǎng)傳感器樣品的靈敏度最高，可達到1.17 mV/(V·G)。

這項研究工作將為AMR線(xiàn)性磁場(chǎng)傳感器的設計和制備提供參考，同時(shí)也為開(kāi)發(fā)更高性能的磁場(chǎng)傳感器提供參考。