一种测试灵敏方向可调的gmr磁场传感器及制备方法
阅读说明：本技术 一种测试灵敏方向可调的gmr磁场传感器及制备方法 (GMR magnetic field sensor with adjustable testing sensitivity direction and preparation method thereof ) 是由 刘明 王志广 胡忠强 苏玮 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及制备方法,包括第一导电材料、第二导电材料、第三导电材料、基底和磁阻条；四个第一导电材料成四宫格状分布在基底表面；若干磁阻条平行等间距设置,相邻的两个磁阻条之间的端部通过第二导电材料连接,使若干磁阻条形成S型串联结构；相邻的第一导电材料之间均设置有S型串联结构,形成惠斯通电桥,S型串联结构端部的磁阻条与第一导电材料连接。本发明通过磁电耦合效应实现了一种灵敏方向可调的新型GMR磁场传感器,利用在压电基底上施加不同的电压改变自由层的磁化方向,最大可以实现探测方向90°调控。保证了在更多工程场景下的应用,可以提高传感器的性能表现,提高传感器的工作效率和应用范围。(A GMR magnetic field sensor with adjustable test sensitivity direction and a preparation method thereof comprise a first conductive material, a second conductive material, a third conductive material, a substrate and a magnetoresistive strip; the four first conductive materials are distributed on the surface of the substrate in a four-grid shape; the plurality of magnetic resistance strips are arranged in parallel at equal intervals, and the end parts between two adjacent magnetic resistance strips are connected through a second conductive material, so that the plurality of magnetic resistance strips form an S-shaped series structure; and an S-shaped series connection structure is arranged between every two adjacent first conductive materials to form a Wheatstone bridge, and the magnetoresistive strips at the end parts of the S-shaped series connection structures are connected with the first conductive materials. The invention realizes a novel GMR magnetic field sensor with adjustable sensitivity direction through magnetoelectric coupling effect, and the magnetization direction of the free layer is changed by applying different voltages on the piezoelectric substrate, so that the detection direction can be adjusted and controlled at 90 degrees to the maximum extent. The method ensures the application in more engineering scenes, can improve the performance of the sensor, and improves the working efficiency and the application range of the sensor.)
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及 制备方法。
背景技术
在传统的GMR传感器的设计制造中，由于钉扎层与自由层的设计，传统GMR传感 器拥有单一的灵敏测试方向。在实际使用中，为了表征三维空间磁场的空间分布，需要通 过三个相互正交的传感器来同时测量。但是由于三轴磁强计的三个独立传感器元件之间距离较大，采用该设计的GMR传感器无法精确测量某一位置的磁场信息，只能用来测量较 大空间内的均匀磁场大小。除此之外，传统GMR传感器采用三组相互独立的传感单元会 增大传感器的尺寸，增加传感器的成本。在很多工程应用的场合下，需要使用小体积、高 精度的磁场传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器及制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，包括第一导电材料、第二导电材料、第三导电材料、基底和磁阻条；四个第一导电材料成四宫格状分布在基底表面；若干磁阻条平行等间距设置，相邻的两个磁阻条之间的端部通过第二导电材料连接，使若干磁阻条形成S型串联结构；相邻的第一导电材料之间均设置有S型串联结构，形成惠斯通电桥，S 型串联结构端部的磁阻条与第一导电材料连接。
进一步的，磁阻条为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲 层材料为Ta，厚度为5nm，上层保护层材料为Ta，厚度为5nm。
进一步的，中间层包括自由层、钉扎层和非磁性金属材料层，自由层为Ru/NiFe/CoFe， 厚度为3nm-20nm；钉扎层为CoFe/Ru/CoFe/IrMn，厚度为3nm-50nm；非磁性金属材料为 Cu，厚度1-10nm。
进一步的，第一导电材料、第二导电材料和第三导电材料均为导电金属；基底为PMN-PT压电基底。
进一步的，一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供一个PMN-PT压电基底，并对PMN-PT基底进行预处理；
步骤2，在PMN-PT压电基底上旋涂光刻胶，使得光刻胶覆盖PMN-PT基底；
步骤3，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除 多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第一预定义图形；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除 第一层光刻胶；
步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有磁阻材料的PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后， 使得光刻胶覆盖；
步骤7，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除 多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第二预定义图形；
步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一导电材料、第二导 电材料，第一导电材料、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一导电材料、第二导电材料为Ta或Au；然后去除第二层光刻胶；
步骤10，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第三导电材料，第三导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第三导电材料包括Ta或Au。
进一步的，步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min， 之后用N2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。
进一步的，步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为APR-3510T，在PMN-PT压电 基底上滴加光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖PMN-PT压 电片，再以4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。
进一步的，步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。
进一步的，步骤5中，在薄膜生长过程中，对PMN-PT压电基底添加外部偏置磁场，生长自由层时偏置磁场方向与磁阻条夹角成0°和180°，偏置磁场方向为水平横向；生 长钉扎层时，偏执磁场方向与磁阻条夹角成90°，偏置磁场方向为竖直方向。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明通过磁电耦合效应实现了一种灵敏方向可调的新型GMR磁场传感器，利用在压电基底上施加不同的电压改变自由层的磁化方向，最大可以实现探测方向90°调控。保证了在更多工程场景下的应用，可以提高传感器的性能表现，提高传感器的工作效率和应用范围。
通过磁电耦合的方式解决了传统GMR传感器只有单一灵敏方向的问题。相较于传统GMR传感器，利用磁电耦合的方法可以有效提升传感器的性能表现，最大可以实现灵 敏度方向90°的调控，增加GMR传感器的应用范围。
附图说明
图1示意了GMR传感器整体结构。
图2示意了GMR传感器中传感器的设计结构。
图3示意了GMR传感器的制造流程。
图中：1-压电衬底材料，2-第一导电材料，3-第二导电材料，4-第三导电材料，5-磁阻条，6-磁场方向。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，一种测试灵敏方向可调的GMR磁场传感器，包括第一导电材料2、第二导电材料3第三导电材料4和磁阻条5；四个第一导电材料2成四宫格状分布， 若干磁阻条5平行等间距设置，相邻的两个磁阻条5之间的端部通过第二导电材料3连接， 使若干磁阻条5形成S型串联结构；相邻的第一导电材料2之间均设置有S型串联结构， 形成惠斯通电桥，S型串联结构端部的磁阻条5与第一导电材料2连接；第一导电材料2、 第二导电材料3和第三导电材料4均为导电金属。
磁阻条5为三明治结构，包括底层缓冲层、中间层和上层保护层；底层缓冲层材料为Ta，厚度为5nm，上层保护层材料为Ta，厚度为5nm，中间层包括自由层、钉扎层和 非磁性金属材料层，自由层为Ru/NiFe/CoFe，厚度为3nm-20nm；钉扎层为 CoFe/Ru/CoFe/IrMn，厚度为3nm-50nm；非磁性金属材料为Cu,厚度1-10nm。
一种基于磁电耦合的灵敏方向可调的新型GMR磁场传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个PMN-PT压电基底，并对PMN-PT基底进行预处理；
步骤2，在PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖PMN-PT基底；
步骤3，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤4，经过第一预定义图形的掩膜版对第一光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第一预定义图形；
步骤5，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长磁阻材料层，然后去除第一层光刻胶。
步骤6，去除第一层光刻胶，在生长有磁阻材料的PMN-PT压电基底上滴加光刻胶后，使得光刻胶覆盖；
步骤7，将旋涂光刻胶的PMN-PT压电基底放入烘箱内，使得光刻胶完全固化；
步骤8，经过第二预定义图形的掩膜版对第二光刻胶层进行紫外线曝光，显影，去除多余的光刻胶，在PMN-PT压电基底上留下第二预定义图形；
步骤9，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第一、第二导电材料，第一、第二导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第一、第二导电材料包括Ta或Au；然后 去除第二层光刻胶；
步骤10，利用磁控溅射薄膜生长技术，在处理好的基底上生长第三导电材料，第三导电材料薄膜层厚度为50-100nm，第三导电材料包括Ta或Au。
步骤1中预处理包括：依次利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗5min，之后用N2吹干，在烘箱内保持115℃烘20min。
步骤2和步骤6中，采用光刻胶的型号为APR-3510T，在PMN-PT压电基底上滴加 光刻胶后，在匀胶机上先以600转速率旋转10s使得光刻胶覆盖PMN-PT压电片，再以 4000转速率旋转40s使得光刻胶厚度均匀。
步骤3和步骤7中，烘箱内以115℃加热20min。
步骤5中，在薄膜生长过程中，对PMN-PT压电基底添加外部偏置磁场，生长自由 层时偏置磁场方向与磁阻条夹角成0°和180°，偏置磁场方向为水平横向；生长钉扎层 时，偏执磁场方向与磁阻条夹角成90°，偏置磁场方向为竖直方向。
在薄膜生长过程中，对PMN-PT基底添加外部偏置磁场6，偏置磁场6方向与磁阻 条5夹角成0°、90°和180°，如图1所示，偏置磁场6方向为水平横向。此处自由层 薄膜厚度可以改变，同时也可以是其他磁性材料，钉扎层材料薄膜厚度也可以改变，也可 以是其他反铁磁材料，磁阻条5的数量与尺寸也可以改变。导电金属2、3与磁阻条5组 成惠斯通电桥。
测试结果表明给PMN-PT上施加电压，可以改变钉扎层的磁化曲线，使得钉扎层的难易轴实现90度的调控效果。