單晶片推挽橋式磁場傳感器的製造方法
2024-01-23 14:18:15 1
單晶片推挽橋式磁場傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單晶片推挽橋式磁場傳感器，該傳感器包括基片、焊盤、磁電阻傳感元件以及通量集中器，其中磁電阻傳感元件位於相鄰通量集中器的間隙處，其釘扎層方向相同，通量集中器分為推臂和挽臂兩種類型，一種與X軸正向的夾角為正，另一種與X軸正向的夾角為負，該傳感器的工作原理是通過檢測在通量集中器間隙處的磁場大小，來獲得在X軸方向上的磁場差值。該傳感器具有以下優點：體積小、成本低、製作簡單、靈敏度高、線性度好、檢測的信號強、工作動態範圍寬等。
【專利說明】單晶片推挽橋式磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及傳感器【技術領域】，特別涉及一種單晶片推挽橋式磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]TMR (隧道磁電阻，Tunnel MagnetoResistance)傳感器是近年來開始應用於工業領域的新型磁電阻效應傳感器。該傳感器利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，主要表現在:在磁性多層膜材料中，隨著外磁場大小和方向的變化，磁性多層膜的電阻發生明顯變化。它比之前所發現並已實際應用的AMR (各向異性磁電阻，Anisotropic MagnetoResistance )和 GMR (巨磁電阻，Giant MagnetoResistance)傳感器具有更大的電阻變化率，同時相對於霍爾傳感器具有更好的溫度穩定性。
[0003]傳統的TMR或GMR推挽橋式傳感器要求相鄰兩個橋臂電阻中的磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相反，而通常沉積在同一基片上的TMR或GMR元件，由於其磁矩翻轉所需要的磁場強度大小相同，因此在同一基片上的磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向通常都相同，這使得製作推挽橋式傳感器存在很大困難。目前主要有以下幾種方法來實現在單一晶片上製備推挽橋式傳感器。
[0004](I)通過採用兩次成膜工藝或者雷射加熱輔助磁疇局部翻轉法來使臂中磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相反，從而實現單一晶片的橋式傳感器。兩次成膜工藝，即分兩次分別沉積釘扎層方向相反的TMR元件，這使得其製作工藝複雜，並且第二次工藝退火時會影響第一次沉積的薄膜，這使得前後兩次成膜的一致性差，從而影響傳感器的整體性能。雷射加熱輔助磁疇局部翻轉法，是指在同一強磁場中退火之後，採用雷射對晶片進行局部加熱輔助磁矩翻轉，來使相鄰臂的釘扎層的磁矩方向相反，從而實現單一晶片的橋式傳感器。但該方法需要使用專用設備，設備昂貴，並且整個過程耗時長。
[0005](2)通過傾斜臂上磁電阻傳感元件的自由層的磁矩平衡方向來實現單一晶片的橋式傳感器。即各臂上磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，相鄰臂上磁電阻傳感元件的自由層的磁化方向不同，但每個磁電阻傳感元件的自由層的磁化方向與其釘扎層的磁化方向的夾角相同。但此種方法會導致傳感器響應的磁場動態範圍有所減小，從而導致傳感器的靈敏度降低。
[0006](3)多晶片封裝技術:從同一晶圓或是不同晶圓取兩個一致性好的磁電阻，這兩個磁電阻的釘扎層的磁化方向相同，然後將其中一個相對另一個磁電阻翻轉180度進行多晶片封裝，構成推挽式半橋。該方法能夠實現推挽式半橋的功能，即提高了檢測靈敏度，具有溫度補償功能，但是另一方面多晶片封裝，封裝尺寸大，生產成本高，並且實際封裝時不能嚴格的進行180度翻轉，即兩個電阻的靈敏度方向不是嚴格的相差180度，這使得兩個電阻隨外場變化的輸出特性不相同，出現靈敏度不同，存在比較大的偏置電壓等不對稱問題，這樣在實際應用中就會帶來新的問題。
[0007]此外，推挽橋式傳感器具有比單電阻、參考橋式傳感器更高的靈敏度，還具有溫度補償功能，能夠抑制溫度漂移的影響。而現有技術中的推挽橋式磁場傳感器使用的是永磁體對磁電阻元件的磁化方向進行偏置，該傳感器成本高、偏移量大，並且不適用於高強度的磁場。
【發明內容】
[0008]本實用新型的目的在於克服現有技術存在的以上問題，提供一種體積小、成本低、靈敏度高、線性度好、製作簡單的單晶片推挽橋式磁場傳感器。
[0009]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本實用新型通過以下技術方案實現:
[0010]一種單晶片推挽橋式磁場傳感器，該傳感器包括:一位於XY平面內的基片、至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件組成的推臂和至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件組成的挽臂、多個設置在所述基片上的推臂通量集中器和挽臂通量集中器，其中多個推臂通量集中器兩兩之間和多個挽臂通量集中器兩兩間均設置有一定的間隙。其中，XY平面由坐標軸X軸和Y軸來定義。所述推臂通量集中器與X軸正向的夾角為正，而所述挽臂通量集中器與X軸正向的夾角為負，或者推臂通量集中器與X軸正向的夾角為負，而挽臂通量集中器與X軸正向的夾角為正。所述磁電阻傳感兀件的磁性釘扎層的磁化方向相同；各磁電阻傳感元件均分別對應地位於兩個相鄰推臂通量集中器或兩個相鄰挽臂通量集中器之間的間隙處，以檢測所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器之間的磁場在X軸方向上分量的差值；所述磁電阻傳感元件通過微電子連接和電子封裝方法形成推挽電橋，並進行輸入輸出連接。
[0011]優選地,所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件。
[0012]優選地，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任 意結合來使磁性自由層的磁化方向與磁性釘扎層的磁化方向垂直。
[0013]優選地，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同並且兩者的相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行。
[0014]優選地，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻元件彼此的旋轉角度的幅度相同，但方向不同。
[0015]優選地，所述推臂通量集中器與X軸正向的夾角為5° ^85°，所述挽臂通量集中器與X軸正向的夾角為-5°~-85°。
[0016]優選地，所述推挽電橋為半橋、全橋或者準橋。
[0017]優選地，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均為細長條形陣列，其組成材料為選自N1、Fe、Co和Al中的一種或幾種兀素組成的軟鐵磁合金。
[0018]優選地，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的數量相同。
[0019]優選地，所述微電子連接和封裝方法包括焊盤引線框、倒裝晶片、球柵陣列技術、圓片級封裝以及板上晶片直裝式。
[0020]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0021](I)電橋橋臂中的磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，所以無需採用兩次成膜或退火等工藝，就可以實現在單一晶片上製備。
[0022](2)採用多個細長條形通量集中器，能使傳感器具有良好的線性度和高靈敏度，也使得傳感器的輸出不容易達到飽和狀態，從而增大了傳感器工作的動態範圍，此外在長條形通量集中器的間隙處能放置更多的磁電阻元件，從而降低了噪聲；
[0023](3)與現有技術中的推挽橋式磁傳感器相比，本發明中的推挽橋式磁場傳感器使用的是通量集中器而不是永磁體，所以成本更低，並且本設計的推挽橋式磁場傳感器不需要在不同方向旋轉，因而更易於橋臂匹配，從而偏移量更小，此外由於所使用的磁電阻傳感元件的尺寸很小(例如0.1x10 um)，使得該設計更適用於高強度的磁場。
[0024](4)相對於現有的參考橋式磁場傳感器而言,本發明中的推挽橋式磁場傳感器的線性度更好、所檢測的信號更強、工作的動態範圍更寬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本實用新型實施例技術中的技術方案，下面將對實施例技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0026]圖1為現有技術中單晶片橋式磁場傳感器的結構示意圖。
[0027]圖2為本實用新型中的單晶片推挽全橋磁場傳感器的結構示意圖。
[0028]圖3為本實用新型中的單晶片推挽全橋磁場傳感器的另一種結構示意圖。
[0029]圖4為本實用新型中的單晶片推挽全橋磁場傳感器在Y軸方向磁場中的磁場分布圖。
[0030]圖5為本實用新型中的單晶片推挽全橋磁場傳感器在X軸方向磁場中的磁場分布圖。
[0031]圖6為本實用新型中的單晶片推挽全橋磁場傳感器和單晶片參考橋式磁場傳感器的響應曲線。
[0032]圖7為本實用新型的全橋電路圖。
[0033]圖8為本實用新型的半橋電路圖。
[0034]圖9為本實用新型的準橋電路圖。
【具體實施方式】
[0035]圖1所示為現有技術中的一種單晶片橋式磁場傳感器的結構示意圖。該結構包括基片1、兩個屏蔽層2、感應元件3、參考元件4，兩個屏蔽層2之間具有間隙5。4個用於輸入輸出的焊盤6-9，依次分別作為電源供應端Vbias、接地端GND、電壓輸出端V+和V-，其感應軸方向為110。參考元件4位於屏蔽層2的下方，感應元件3位於兩個屏蔽層2之間的間隙5處，屏蔽層2的形狀為方形。感應元件3之間連接構成感應臂，參考元件4之間連接構成參考臂。基片I在沿著感應軸方向110具有很大的長度，並且感應元件3和參考元件4相距較遠，也就是感應臂和參考臂之間的間距比較大，並且二者之間只有一個間隙5，這會造成晶片上的空間浪費，也使得晶片的尺寸比較大，此種設計而成的晶片尺寸大小約為2mmX 0.5mm。並且，由於感應臂和參考臂之間的間距比較大，會使得電橋難以平衡，並且會導致這兩臂上的溫度不同，從而導致其溫度補償功能降低。此外，由於採用了方形的屏蔽層2，會致使傳感器更容易達到磁場的飽和狀態，在屏蔽層2的中心附近就會開始產生非均勻的飽和磁場，並且在間隙5附近會產生磁滯，從而降低了傳感器的線性度。[0036]現有技術中也出現了解決上述問題的方法，但並不是很完善。例如，中國專利申請201310203311.3公開了一種單晶片參考橋式磁場傳感器,該傳感器包括相互交錯排放的參考元件串和感應元件串、長條形的屏蔽結構，參考元件串位於屏蔽結構的下方，感應元件串位於兩個屏蔽結構之間的間隙處。這種結構的傳感器雖然能解決上述問題，但與本發明相t匕，其線性度不夠好，所檢測的信號也不夠強，並且很難控制其偏移量。
[0037]下面結合附圖及實施例對本實用新型的
【發明內容】
作進一步的描述。
[0038]實施例1
[0039]圖2為本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器的結構示意圖。該傳感器包括基片1、用於輸入輸出的焊盤6-9、多個傾斜設置在基片I上面的推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13、以及分別位於相鄰兩個推臂通量集中器之間的間隙14和相鄰兩個挽臂通量集中器之間的間隙15處的磁電阻傳感元件10和11。磁電阻傳感元件10和11為GMR或者TMR磁電阻傳感元件，其形狀可以為方形、菱形或者橢圓形，磁電阻傳感元件10和磁電阻傳感元件11的個數相同並且相對應的磁電阻傳感元件10與11相互平行,這些磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同，均為110。在沒有外加磁場時，磁電阻傳感元件10和11通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來使磁性自由層的磁化方向與磁性釘扎層的磁化方向垂直，用於檢測推臂通量集中器和挽臂通量集中器之間的磁場在X軸方向上分量的差值。磁電阻傳感兀件10和11與焊盤6-9電連接形成一個全橋,該全橋包括兩個推臂和兩個挽臂，其中，磁電阻傳感元件10構成的橋臂為推臂，磁電阻傳感元件11構成的橋臂為挽臂。推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13為細長條形陣列，它們的組成材料為選自N1、Fe、Co和Al中的一種或幾種元素組成的軟鐵磁合金，但不限於以上材料。推臂通量集中器12與X軸正向的夾角為16，優選的，其取值範圍為5°、5°，在本實施例中為45° ;挽臂通量集中器13與X軸正向的夾角17的取值範圍為-5°?-85°，在本實施例中為-45°。優選地，本發明的晶片尺寸大小為0.5mm X 0.5mm，。此外，根據應用需求的不同，晶片的尺寸還可以小於0.5_ X 0.5_。在本實施例中，間隙14和15的大小為20um，推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13的寬度均為20um，厚度為10um，磁電阻傳感元件(10，11)的尺寸大小為15um X 1.5um。
[0040]本實施例中是採用焊盤來進行輸入輸出連接，也可以採用倒裝晶片、球柵陣列技術、圓片級封裝以及板上晶片直裝式等微電子連接和封裝方法。
[0041]圖3為本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器的另一種結構示意圖。圖2中的磁電阻元件10和11分別旋轉+45°和-45°便得到了本圖所示的結構，圖3所示的結構與圖2的區別在於，磁電阻元件10和11分別與推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13平行。
[0042]與現有技術中的方形結構相比，本實用新型採用長條形結構的通量集中器更有效的利用了空間，磁滯更低，能使傳感器具有良好的線性度和高靈敏度，也使得傳感器的輸出不容易達到飽和狀態，從而增大了傳感器工作的動態範圍，此外在其間隙處能放置更多的磁電阻元件，從而降低了噪聲。
[0043]實施例2
[0044]圖4為本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器在Y軸方向磁場中的磁場分布圖。圖中外加磁場的方向100與Y軸平行，測量方向101與X軸平行。從圖中可以看出，進入到傳感器裡面的外加磁場被推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13進行了偏置，其中，在推臂通量集中器12之間的間隙14處的磁場方向為102，在挽臂通量集中器13之間的間隙15處的磁場方向為103。磁場方向102與103關於Y軸對稱。在本實施例中，外加磁場By=100G，所測得的 X 軸磁場大小 BX+=90G，BX_=_90G，則增益係數 Axy=Bx/By= ( Bx+- BxJ/By=180/100=1.8，這比現有技術中單晶片參考橋式磁場傳感器的增益係數要大，所得到的增益係數與推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13的尺寸大小和間隙大小有關。
[0045]圖5為本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器在X軸方向磁場中的磁場分布圖。圖中外加磁場的方向以及測量方向均為與X軸平行的方向101。在推臂通量集中器12間隙14處的磁場方向為104,在挽臂通量集中器13間隙15處的磁場方向為105。磁場方向104與105關於X軸對稱。在本實施例中，外加磁場Bx=IOO G，所測得的X軸磁場大小BX+=101G，BX_=-101G，則增益係數 Axx=( Bx+- BxJ /Bx= (101-101)/100=0,由此可見兩個橋臂上的磁場在X軸分量相互抵消，將不能檢測到X軸磁場信號。
[0046]圖6為本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器和單晶片參考橋式磁場傳感器的響應曲線。曲線20為本發明的單晶片推挽全橋磁場傳感器的響應曲線，曲線21為單晶片參考橋式磁場傳感器的響應曲線。從圖中可以看出，曲線20關於原點對稱，而曲線21不對稱，這限制了傳感器的線性範圍。此外，本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器的線性度要更好，檢測的信號強度也更強，靈敏度也更高，動態工作範圍更寬。
[0047]實施例3
[0048]圖7為本實用新型的單晶片推挽全橋磁場傳感器的電路示意圖。若干個磁電阻傳感元件10電連接構成等效磁電阻R18和R18』，若干個磁電阻傳感元件11電連接構成等效磁電阻R19和R19』，這四個磁電阻連接構成全橋。它們的磁性釘扎層的磁化方向相同，相對位置的磁電阻(R18和R18』，R19和R19』 )的磁性自由層的磁化方向相同,相鄰位置的磁電阻(R18和R19，R18和R19，，R18，和R19，R18，和R19，)的磁性自由層的磁化方向不同。當沿著磁電阻傳感元件10和11的敏感方向施加外磁場時，磁電阻R18和R18』的阻值變化情況會與磁電阻R19和R19』的阻值變化相反,從而構成推輓輸出。該全橋的輸出電壓
[0049]
【權利要求】
1.一種單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，它包括: 一位於XY平面內的基片，其中XY平面由坐標軸X軸和Y軸來定義； 至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件組成的推臂； 至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件組成的挽臂； 多個設置在所述基片上的推臂通量集中器和挽臂通量集中器，多個所述推臂通量集中器兩兩之間和多個挽臂通量集中器兩兩間均設置有一定的間隙，其中，所述推臂通量集中器與X軸正向的夾角為正而所述挽臂通量集中器與X軸正向的夾角為負，或者所述推臂通量集中器與X軸正向的夾角為負，而所述挽臂通量集中器與X軸正向的夾角為正； 所述磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同； 各磁電阻傳感元件均分別對應地位於兩個相鄰推臂通量集中器或兩個相鄰挽臂通量集中器之間的間隙處，以檢測所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器之間的磁場在X軸方向上分量的差值； 所述磁電阻傳感元件通過微電子連接和電子封裝方法形成推挽電橋，並進行輸入輸出連接。
2.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件。
3.根據權利要求1或2所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件通過永磁偏置、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來使磁性自由層的磁化方向與磁性釘扎層的磁化方向垂直。
4.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數量相同並且兩者的相對位置上的磁電阻傳感元件之間相互平行。
5.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻元件彼此的旋轉角度的幅度相同，但方向不同。
6.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂通量集中器與X軸正向的夾角為5° ^85°，所述挽臂通量集中器與X軸正向的夾角為-5° ~-85。。
7.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推挽電橋為半橋、全橋或者準橋。
8.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均為細長條形陣列，其組成材料為軟鐵磁合金，所述軟鐵磁合金包含有N1、Fe、Co和Al中的一種或幾種元素。
9.根據權利要求1，4及8中任一項所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的數量相同。
10.根據權利要求1所述的單晶片推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述微電子連接和封裝方法包括焊盤引線框、倒裝晶片、球柵陣列技術、圓片級封裝以及板上晶片直裝式。
【文檔編號】G01R33/09GK203587785SQ201320459796
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年7月30日 優先權日:2013年7月30日
【發明者】詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司