结构参数对各向异性磁电阻（AMR）磁场传感器性能的影响

镍铁（NiFe）合金具有较强的各向异性磁电阻效应、较高的居里温度、易于实现与电路集成以及较低的制作成本等优点，成为开发磁电阻传感器的首选材料。基于NiFe薄膜制备的各向异性磁电阻（AMR）传感器具有成本低、灵敏度高、体积小及可靠性高等特点，广泛应用于磁场探测、转速测量、位置测量、电流传感和电子罗盘等领域。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自四川永星电子有限公司、贵州雅光电子股份有限公司和电子科技大学的研究团队利用组合材料芯片技术系统研究了磁电阻薄膜、Barber电极几何参数对AMR磁场传感器的性能影响规律。测试结果表明，在设计的工艺条件下，NiFe薄膜宽度为36μm、厚度为28 nm、Barber电极角度为40°、电极间距为10 μm时，所制备的磁场传感器在磁场范围为± 5 G内灵敏度最高，达到1.17 mV/(V·G)。这项研究工作为进一步开发基于AMR效应的角度及磁场传感器芯片提供了参考。相关研究成果已发表于《磁性材料及器件》期刊。

传感器结构与制备

AMR磁场传感器主要包括磁电阻层和Barber电极层。在线性磁场传感器设计中，为了迅速优化相关的关键试验参数，研究人员采用材料芯片技术，通过组合方式，一次制备样品后，形成多个参数组合的样品。实验中主要优化的参数包括薄膜厚度及磁电阻条宽度、Barber电极间距和角度。为此设计了如图1所示的图案分布，分别在晶圆不同区域实现磁电阻条宽度、电极间距以及不同电极角度的组合。一共组合成72个不同尺寸的AMR磁场传感器，每个器件结构及形状如图2所示。

图1 光刻板图案分布示意图

图2 AMR磁场传感器单元光学照片

研究人员系统研究了图形化的NiFe薄膜宽度、厚度以及Barber电极角度、间距等因素对传感器性能的影响。随着NiFe薄膜宽度的增大，传感器的灵敏度提高，当宽度大于28 μm时，灵敏度大于1 mV/(V·G)，继续增大薄膜宽度，灵敏度提高幅度有所下降。随着NiFe薄膜厚度减小，传感器的灵敏度增高。当NiFe薄膜的厚度为28 nm时，传感器的灵敏度达到最大为1.17 mV/(V·G)。当电极角度分别为40°、45°和50°时对应的线性区间磁场范围差异不大，当Barber电极角度为40°时，传感器灵敏度最大。随着Barber电极间距的增大，传感器灵敏度下降，为获得尽可能高的灵敏度，在设计Barber电极时应尽可能减小传感器的电极间距。

图3 传感器灵敏度随薄膜宽度的变化

图4 不同NiFe薄膜厚度传感器的灵敏度

图5 对应不同Barber电极角度磁场传感器输出电压随磁场的变化

图6 对应不同薄膜宽度传感器灵敏度随电极的间距的变化

整体实验结果表明，增加磁电阻条宽度以及减小Barber电极间距可以提高传感器的灵敏度。由于磁电阻薄膜电流分布的非均匀性，实际Barber电极角度小于45°时，AMR磁场传感器的灵敏度更高。NiFe薄膜宽度为36 μm、薄膜厚度为28 nm、Barber电极角度为40°、电极间距为10 μm时，本工艺制备的磁场传感器样品的灵敏度最高，可达到1.17 mV/(V·G)。

审核编辑：刘清