本发明属于传感器制备技术领域，特别涉及一种柔性tmr磁阻传感器及其制备方法。
背景技术：
磁传感器是种类繁多的传感器中的一种，它能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息，广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。随着科技进步和信息技术的发展，人们对磁传感器的尺寸、灵敏度、热稳定性及功耗等提出了越来越高的要求。
目前，隧道磁阻(tmr)传感器得到广泛应用，相对于巨磁阻(gmr)和各项异性磁阻(amr)传感器，tmr传感器具有更大的磁阻率，在实际应用中cofeb/mgo/cofeb多层结构的磁阻率可达200％—300％。tmr传感器的测量范围宽、灵敏度高、温度稳定性好体积小等优点，它的线性特性远远超越了gmr传感器，加上tmr传感器的加工工艺可以很方便的和现有半导体工艺结合，所以tmr传感器将会使其在测量系统中有很好的应用前景。
随着信息社会的发展与物联网技术的不断进步，人们对周边环境信息的采集深度与广度不断提升。传统的tmr传感器由于其自身刚性的阻碍，可能导致信号传导质量差等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种柔性tmr磁阻传感器及其制备方法，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：
一种柔性tmr磁阻传感器，包括柔性基底、下电极层、磁阻结构、绝缘层和上电极层；下电极层设置在柔性基底上，磁阻结构设置在下电极层上，上电极层设置在磁阻结构上；绝缘层设置在上电极层和柔性基底之间，且包裹在磁阻结构外侧；
磁阻结构包括反铁磁层、钉扎层、磁隧道结层和自由层；钉扎层设置在反铁磁层的上表面，磁隧道结层设置在钉扎层的上表面，自由层设置在磁隧道结层的上表面；上电极层设置在自由层的上表面，反铁磁层位于下电极层的上表面。
进一步的，反铁磁层与钉扎层之间生长有缓冲层，自由层上方覆盖有缓冲层；磁隧道结层为铁磁层/隧道层/铁磁层组成的层状结构，隧道结上覆盖一层缓冲层。
进一步的，缓冲层为具有较好延展性的金属或其合金。
进一步的，反铁磁层为铁磁性金属及反铁磁性金属构成的两层金属薄膜。
进一步的，上电极层和下电极层为ta、au、ag、al、cu、pt、w、ti、mo、tan或tin中的一种或多种合金金属薄膜。
进一步的，柔性基底材料为pet、pen、pmma、pdms、mica或厚度小于50μm的硅片中的一种。
进一步的，一种柔性tmr磁阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供一个柔性基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗1～10min，之后用n2吹干，在烘箱内保持80～150℃烘5～30min；
步骤2，利用磁控溅射技术在柔性基底上依次生长缓冲层、下电极导电层、反铁磁层、缓冲层、隧道结、缓冲层；
步骤3，在柔性基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以300～700r/min速率旋转3～10s使得光刻胶覆盖基底，再以2000～6000r/min速率旋转20～60s使得光刻胶厚度均匀；将旋涂光刻胶的压电材料基底放入烘箱内，以80～150℃加热10～30min，使得光刻胶完全固化，形成第一光刻胶层；
步骤4，对第一光刻胶层进行紫外线曝光，曝光时间为30～60s；利用显影液对曝光后的第一光刻胶层进行显影处理；
步骤5，利用干法刻蚀，将基底上的tmr结构刻蚀为下电极形状，然后利用丙酮超声清洗，去除剩余的光刻胶；
步骤6，在基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以300～700r/min速率旋转3～10s使得光刻胶覆盖基底，再以200～6000r/min速率旋转20～60s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以80～150℃加热10～30min，使得光刻胶完全固化，形成第二光刻胶层；
步骤7，对第二光刻胶层进行紫外线曝光30～60s，利用显影液对曝光后的第二光刻胶层进行显影处理；
步骤8，利用干法刻蚀将基底上的多层结构刻蚀为两个tmr单元结构，刻蚀深度至下电极层和反铁磁层，然后利用丙酮超声清洗，去除剩余的光刻胶；
步骤9，在沉积有隧道结单元的基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以300～700r/min速率旋转3～10s使得光刻胶覆盖基底，再以2000～6000r/min速率旋转30～60s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以80～150℃加热10～30min，使得光刻胶完全固化，形成第三光刻胶层；
步骤10，对第三光刻胶层进行紫外线曝光30～60s，利用显影液对曝光后的第三层光刻胶进行显影处理；
步骤11：利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的样品上生长绝缘层，后利用丙酮超声清洗，去除第三光刻胶层，洗去多余绝缘材料；
步骤12，利用磁控溅射薄膜生长技术在样品上生长上电极，形成tmr传感器结构。
进一步的，步骤12中，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压强为3mtorr。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
将柔性基底应用到了tmr传感器，与传统刚性基底的tmr传感器相比。tmr传感单元本身可以发生一定程度弯折，其性能在一定弯折下几乎保持不变，柔性tmr传感器将tmr传感单元生长在柔性基底上，在对外部磁场保持优异灵敏度和线性度的同时，可以承受一定程度的应力和弯折。柔性tmr传感器有利于开发适用于各种安全和健康应用的机器人、生物医疗、可穿戴设备、可植入的健康检测设备以及人机交互等领域，拥有可观的发展前景。
附图说明
图1为柔性tmr传感器的立体图；
图2为tmr传感器的俯视图和剖面图；
图3为tmr传感器的制备流程示意图；
图4为在柔性基底上涂覆光刻胶示意图；
图5为刻蚀tmr传感器硅片背板流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种柔性的tmr传感器，如图1所示，其特征(如图2)在于，包括柔性基底1、下电极层2、磁阻结构3、绝缘层4和上电极层5。
其中，下电极层2和上电极层5包括缓冲层和导电层；磁阻结构3包括反铁磁层31、钉扎层32、隧道层33和自由层34，进一步的，反铁磁层与钉扎层之间生长有缓冲层，进一步的，反铁磁层为铁磁性金属及反铁磁性金属构成的两层金属薄膜，优选的，自由层上方覆盖有缓冲层，避免了自由层被氧化。
在磁阻结构之上覆盖有绝缘层，在绝缘层上方还覆盖有导电层，其中：
柔性基底材料为pet、pen、pmma、pdms、mica或厚度小于50μm的硅片中的一种；
优选的，缓冲层由具有较好延展性的金属，如cr、ta、ti、ru或其合金构成，生长这些金属后，晶圆表面粗糙度能得到良好的修饰，不同层间晶格失配减少。
上电极层和下电极层为ta、au、ag、al、cu、pt、w、ti、mo、tan或
tin中的一种或多种合金金属薄膜。
为了让本发明的上述其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
实施案例1：在柔性pet基底上制备柔性tmr器件
1.制备表面平整的柔性基底
如图4，选择100μm厚的pet箔作为柔性基底，先以500r/min转速在pet上旋涂光刻胶使其覆盖基底，再以6000r/min的转速在pet上自旋涂覆厚度为1.5μm的第一层负性光刻胶，时间为60s。然后在115℃下烘烤10分钟，在波长为365nm的光刻机下曝光3分钟，然后在160℃、氩气环境下烘烤30分钟。涂覆光刻胶的目的在于使柔性基底的表面更加平整，使tmr单元可以牢固地生长在柔性基底上。长时间曝光和烘烤的目的在于使光刻胶变性，不溶于显影液和丙酮等有机溶剂。
2.制备tmr单元
(1)生长多层膜：如图3b，利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的柔性基底1上依次生长下电极层2和磁阻结构3；
(2)刻蚀下电极形状：在完成多层膜生长后的柔性基底上以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对第三层光刻胶进行显影，如图3c。然后利用刻蚀技术对多层膜进行刻蚀，得到多层膜为下电极形状，如图3d；
(3)刻蚀tmr形状：以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对第三层光刻胶进行显影，如图3e。通过刻蚀技术对多层膜进行刻蚀，然后利用超声清洗，去除表面的光刻胶，得到tmr单元形状，如图3f；
(4)生长绝缘层，在完成tmr生长的柔性基底上以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对光刻胶进行显影。利用磁控溅射薄膜生长技术生长绝缘层，如图3g。然后利用丙酮超声清洗，洗去光刻胶，去除tmr单元上端覆盖的绝缘层，如图3h；
(5)生长上电极结构：在完成绝缘层生长的柔性基底上以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对光刻胶进行显影，利用磁控溅射技术生长上电极层，如图3i，然后利用丙酮超声清洗，洗去第五层光刻胶，去除多余的上电极层，得到完整的tmr传感器结构，如图3j。
3.采用激光退火工艺在磁场下对tmr单元进行退火处理。
最终在柔性pet箔上生长出tmr传感器，磁阻率约为150％，最大弯曲曲率半径约为5mm，且磁阻性能没有明显变化。
实施案例2：在超薄柔性硅片上生长tmr传感器
1.生长tmr传感器
(1)清洗硅片：使用标称厚度为500μm的抛光氧化硅片作为基板，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100℃烘20min。
(2)生长多层膜：如图3b，利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的柔性基底1上依次生长下电极层2和磁阻结构3；
(3)刻蚀下电极形状：在完成多层膜生长后的柔性基底上以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对第三层光刻胶进行显影，如图3c。然后利用刻蚀技术对多层膜进行刻蚀，得到多层膜为下电极形状，如图3d；
(4)刻蚀tmr形状：以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对第三层光刻胶进行显影，如图3e。通过刻蚀技术对多层膜进行刻蚀，然后利用超声清洗，去除表面的光刻胶，得到tmr单元形状，如图3f；
(5)生长绝缘层，在完成tmr生长的柔性基底上以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对光刻胶进行显影。利用磁控溅射薄膜生长技术生长绝缘层，如图3g。然后利用丙酮超声清洗，洗去光刻胶，去除tmr单元上端覆盖的绝缘层，如图3h；
(6)生长上电极结构：在完成绝缘层生长的柔性基底上以4000r/min的转速在自旋涂覆光刻胶，时间为40s，在115℃下烘烤1分钟，使用掩模版波长为365nm的光刻机下曝光10s，然后在115℃环境下烘烤60s，在室温下对光刻胶进行显影，利用磁控溅射技术生长上电极层，如图3i，然后利用丙酮超声清洗，洗去第五层光刻胶，去除多余的上电极层，得到完整的tmr传感器结构，如图3j；
(7)退火：在退火炉中对tmr传感器进行退火，退火时沿tmr单元长轴方向施加磁场。
2.刻蚀硅片背面
(1)在硅片上以4000r/min的转速自旋涂覆一层光刻胶作为保护层，防止在刻蚀中tmr传感器被损坏，如图5b。
(2)从硅片背部进行刻蚀至硅片厚度为5±2μm。为防止过深刻蚀，每刻蚀100μm对硅片厚度进行测量，直至硅片厚度为100μm，然后每刻蚀10μm对硅片厚度进行测量，直至硅片厚度为20μm，然后每刻蚀5μm对硅片厚度进行测量直至厚度为5μm。刻蚀过程中根据每次刻蚀的厚度改变刻蚀时间，可以对刻蚀精度有更精准的把握，从而避免刻蚀过深损坏硅片正面的器件。
(3)利用丙酮超声清洗，洗去光刻胶，得到厚度约为5μm的柔性传感器芯片，如图5c，磁阻率约为150％，弯曲半径约为500μm，随着传感器弯曲，tmr单元磁阻率没有明显变化。
1.一种柔性tmr磁阻传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)、下电极层(2)、磁阻结构(3)、绝缘层(4)和上电极层(5)；下电极层(2)设置在柔性基底(1)上，磁阻结构(3)设置在下电极层(2)上，上电极层(5)设置在磁阻结构(3)上；绝缘层(4)设置在上电极层(5)和柔性基底(1)之间，且包裹在磁阻结构(3)外侧；
磁阻结构(3)包括反铁磁层(31)、钉扎层(32)、磁隧道结层(33)和自由层(34)；钉扎层(32)设置在反铁磁层(31)的上表面，磁隧道结层(33)设置在钉扎层(32)的上表面，自由层(34)设置在磁隧道结层(33)的上表面；上电极层(5)设置在自由层(34)的上表面，反铁磁层(31)位于下电极层(2)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种柔性tmr磁阻传感器，其特征在于，反铁磁层(31)与钉扎层(32)之间生长有缓冲层，自由层上方覆盖有缓冲层；磁隧道结层(33)为铁磁层/隧道层/铁磁层组成的层状结构，隧道结上覆盖一层缓冲层。
3.根据权利要求2所述的一种柔性tmr磁阻传感器，其特征在于，缓冲层为具有较好延展性的金属或其合金。
4.根据权利要求1所述的一种柔性tmr磁阻传感器，其特征在于，反铁磁层(31)为铁磁性金属及反铁磁性金属构成的两层金属薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种柔性tmr磁阻传感器，其特征在于，上电极层和下电极层为ta、au、ag、al、cu、pt、w、ti、mo、tan或tin中的一种或多种合金金属薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种柔性tmr磁阻传感器，其特征在于，柔性基底材料为pet、pen、pmma、pdms、mica或厚度小于50μm的硅片中的一种。
7.一种柔性tmr磁阻传感器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的一种柔性tmr磁阻传感器，包括以下步骤：
步骤1，提供一个柔性基底，利用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗1～10min，之后用n2吹干，在烘箱内保持80～150℃烘5～30min；
步骤2，利用磁控溅射技术在柔性基底上依次生长缓冲层、下电极导电层、反铁磁层、缓冲层、隧道结、缓冲层；
步骤3，在柔性基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以300～700r/min速率旋转3～10s使得光刻胶覆盖基底，再以2000～6000r/min速率旋转20～60s使得光刻胶厚度均匀；将旋涂光刻胶的压电材料基底放入烘箱内，以80～150℃加热10～30min，使得光刻胶完全固化，形成第一光刻胶层；
步骤4，对第一光刻胶层进行紫外线曝光，曝光时间为30～60s；利用显影液对曝光后的第一光刻胶层进行显影处理；
步骤5，利用干法刻蚀，将基底上的tmr结构刻蚀为下电极形状，然后利用丙酮超声清洗，去除剩余的光刻胶；
步骤6，在基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以300～700r/min速率旋转3～10s使得光刻胶覆盖基底，再以200～6000r/min速率旋转20～60s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以80～150℃加热10～30min，使得光刻胶完全固化，形成第二光刻胶层；
步骤7，对第二光刻胶层进行紫外线曝光30～60s，利用显影液对曝光后的第二光刻胶层进行显影处理；
步骤8，利用干法刻蚀将基底上的多层结构刻蚀为两个tmr单元结构，刻蚀深度至下电极层和反铁磁层，然后利用丙酮超声清洗，去除剩余的光刻胶；
步骤9，在沉积有隧道结单元的基底上滴加光刻胶，在匀胶机上先以300～700r/min速率旋转3～10s使得光刻胶覆盖基底，再以2000～6000r/min速率旋转30～60s使得光刻胶厚度均匀，将旋涂光刻胶的基底放入烘箱内，以80～150℃加热10～30min，使得光刻胶完全固化，形成第三光刻胶层；
步骤10，对第三光刻胶层进行紫外线曝光30～60s，利用显影液对曝光后的第三层光刻胶进行显影处理；
步骤11：利用磁控溅射薄膜生长技术在显影后的样品上生长绝缘层，后利用丙酮超声清洗，去除第三光刻胶层，洗去多余绝缘材料；
步骤12，利用磁控溅射薄膜生长技术在样品上生长上电极，形成tmr传感器结构。
8.根据权利要求7所述的一种柔性tmr磁阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤12中，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压强为3mtorr。
技术总结