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、易于實現與電路集成以及較低的制作成本等優點，成為開發磁電阻傳感器的首選材料。基于NiFe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，廣泛應用于磁場探測、轉速測量、位置測量、電流傳感和電子羅盤等領域。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來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的研究團隊利用組合材料芯片技術系統研究了磁電阻薄膜、Barber電極幾何參數對AMR磁場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，所制備的磁場傳感器在磁場范圍為± 5 G內靈敏度最高，達到1.17 mV/(V·G)。這項研究工作為進一步開發基于AMR效應的角度及磁場傳感器芯片提供了參考。相關研究成果已發表于《磁性材料及器件》期刊。

傳感器結構與制備

AMR磁場傳感器主要包括磁電阻層和Barber電極層。在線性磁場傳感器設計中，為了迅速優化相關的關鍵試驗參數，研究人員采用材料芯片技術，通過組合方式，一次制備樣品后，形成多個參數組合的樣品。實驗中主要優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個不同尺寸的AMR磁場傳感器，每個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磁場傳感器單元光學照片

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，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，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°時對應的線性區間磁場范圍差異不大，當Barber電極角度為40°時，傳感器靈敏度最大。隨著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電極角度磁場傳感器輸出電壓隨磁場的變化

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，實際Barber電極角度小于45°時，AMR磁場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，本工藝制備的磁場傳感器樣品的靈敏度最高，可達到1.17 mV/(V·G)。

審核編輯：劉清