一種用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器的製造方法
2023-10-17 17:28:09 1
一種用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，該傳感器包括兩個基片、磁電阻傳感元件以及推臂衰減器和挽臂衰減器。同一基片上磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，不同基片上的磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相反，其中一個基片上的磁電阻傳感元件相互電連接構成推挽電橋的推臂，另一個基片上的磁電阻傳感元件相互電連接構成推挽電橋的挽臂。推、挽臂上磁電阻傳感元件成列排布於推臂衰減器和挽臂衰減器的上方或下方。此傳感器可在準橋、半橋、全橋三種電橋結構上得到實現。其具有以下優點：功耗低、偏移量小、線性度好、工作範圍寬以及能在高強度磁場中工作等，並且其靈敏度能達到單晶片參考橋式磁傳感器的最大靈敏度的2倍。
【專利說明】一種用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及磁傳感器【技術領域】，特別涉及一種用於高強度磁場中的推挽橋式磁傳感器。
【背景技術】
[0002]磁傳感器廣泛用於現代工業和電子產品中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用於測量磁場及其他參數，例如霍爾(HalI)元件,各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)元件為敏感元件的磁傳感器。
[0003]霍爾磁傳感器雖然能在高強度磁場中工作，但靈敏度很低、功耗大、線性度差等缺點。AMR磁感器雖然靈敏度比霍爾傳感器高，但其製造工藝複雜，功耗高，並且不適用於高強度磁場。GMR磁傳感器相比霍爾磁傳感器有更高的靈敏度，但其線性範圍偏低，並且也不適用於高強度磁場。
[0004]TMR (Tunnel MagnetoResistance)磁傳感器是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，其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，其相對於霍爾磁傳感器、AMR磁傳感器以及GMR磁傳感器具有更高的靈敏度、更低的功耗、更好的線性度以及更寬的工作範圍。但現有的TMR磁傳感器仍然不適用於高強度磁場中工作，並且線性範圍也不夠寬。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的在於克服現有技術中存在的以上問題，提供一種適用於高強度磁場中的推挽橋式磁傳感器。
[0006]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本實用新型提供了一種用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，該傳感器包括推臂基片和挽臂基片；
[0007]至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構成的推臂和至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構成的挽臂；
[0008]至少一個推臂衰減器和至少一個挽臂衰減器；
[0009]所述推臂和所述推臂衰減器沉積在所述推臂基片上，所述挽臂和所述挽臂衰減器沉積在所述挽臂基片上；
[0010]所述推臂衰減器和所述挽臂衰減器的長軸方向為Y軸方向，短軸方向為X軸方向；
[0011]所述推臂中的磁電阻傳感元件成列排布於所述推臂衰減器的上方或下方，所述挽臂中的磁電阻傳感元件成列排布於挽臂衰減器的上方或下方；
[0012]同一基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同，所述推臂基片與所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相反；
[0013]所述推臂基片和所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的敏感方向均為X軸方向。[0014]優選的，每個所述推臂衰減器和每個所述挽臂衰減器的上方或下方各自分別最多對應一列所述磁電阻傳感元件，同一基片上的所述推臂衰減器或所述挽臂衰減器的個數與所述磁電阻傳感元件的列數之間的關係如下:NA>=NS+2i，其中NA為推臂衰減器或挽臂衰減器的個數，NS為磁電阻傳感元件的列數，i為非負整數。
[0015]優選的，所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件。
[0016]優選的，對於所述推臂基片和所述挽臂基片，其中一個基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向為X軸正方向，另一個基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向為X軸負方向。
[0017]優選的，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件可以通過片上永磁體、片上線圈、雙交換作用、形狀各向異性中的任意一種或者至少兩種的結合來偏置磁性自由層的磁化方向，其中，所述片上永磁體和片上線圈所產生的交叉偏置場的方向為Y軸方向。
[0018]優選的，所述推臂和所述挽臂電連接構成的電橋為半橋、全橋或準橋。
[0019]優選的，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相互平行。
[0020]優選的，所述推臂衰減器和所述挽臂衰減器的數量相同並且相互平行。
[0021]優選的，所述推臂衰減器和所述挽臂衰減器均為細長條形陣列，其組成材料為軟鐵磁合金，含有N1、Fe、和Co中的一種元素或至少多種元素。
[0022]優選的，所述推臂和所述挽臂上磁電阻傳感元件處的磁場的增益係數Asns〈l。
[0023]優選的，所述推臂基片和所述挽臂基片包括了集成電路，或與包括了集成電路的其它基片相連接。
[0024]優選的，所述集成電路為CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者S0I，所述推臂直
接沉積在所述推臂基片上的集成電路上，所述挽臂直接沉積在所述挽臂基片上的集成電路上。
[0025]優選的，所述基片為ASIC晶片，其包含有偏移電路、增益(gain)電路、校準電路、溫度補償電路和邏輯(logic)電路中的任一種或幾種應用電路。
[0026]優選的，所述邏輯電路為數字開關電路或者旋轉角度計算電路。
[0027]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:功耗低、偏移量小、線性度好、工作範圍寬以及適用於高強度磁場，此外，該設計的靈敏度能達到單晶片參考橋式設計的最大靈敏度的2倍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]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實用新型的一些實施例，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。
[0029]圖1為現有技術中推挽橋式磁傳感器的結構示意圖。
[0030]圖2為本實用新型中的推挽橋式磁傳感器的結構示意圖。
[0031]圖3為磁電阻傳感元件周圍的磁場分布圖。
[0032]圖4為磁電阻傳感元件所在位置與相對應的增益係數之間的關係曲線。
[0033]圖5為磁電阻傳感元件的響應曲線。[0034]圖6為本實用新型中推挽橋式磁傳感器有無衰減器的轉換特性曲線。
【具體實施方式】
[0035]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。
[0036]圖1為現有技術中專利申請201310325337.5所公開的單晶片推挽橋式磁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的釘扎層的磁化方向相同。該傳感器容易飽和，不能用於高強度的磁場當中。
實施例
[0037]圖2為本實用新型中的推挽橋式磁傳感器的一種結構示意圖。該傳感器包括推臂基片20，挽臂基片21，多個磁電阻傳感元件22，42，多個推臂衰減器23、挽臂衰減器41，焊盤24-39。其中，磁電阻傳感元件22、推臂衰減器23、焊盤24-31沉積於推臂基片20上，磁電阻傳感元件42、挽臂衰減器41、焊盤32-39沉積於挽臂基片21上，推臂基片20和挽臂基片21除了方向不同之外，其它都相同。推臂衰減器23和挽臂衰減器41的長軸方向為Y軸方向，短軸方向為X軸方向。焊盤24，25，36，37分別作為電源供應端VBias，接地端GND，電壓輸出端V+，V-，焊盤26-29分別與焊盤34、35、38、39電連接。磁電阻傳感元件22，42分別相互電連接形成推臂和挽臂，並成列排布於推臂衰減器23、挽臂衰減器41的下方，但並不限於以上位置。每個推臂衰減器和每個挽臂衰減器的下方各自分別至多排布有一列磁電阻傳感元件。每一列磁電阻傳感元件可以含有一個或至少兩個磁電阻傳感元件，圖2中每一列含有6個磁電阻傳感元件。推臂基片20和挽臂基片21的兩側各自分別有兩個推臂衰減器23和挽臂衰減器41下方沒有排布磁電阻傳感元件22，42，這是為了使磁電阻傳感元件22，42處的磁場分布更加均勻。當然根據需要，可以設置更多的推臂衰減器和/或挽臂衰減器的下方不排布磁電阻傳感元件。優選的，這些下方不排布磁電阻傳感元件的推臂衰減器和/或挽臂衰減器分別位於推臂基片20和挽臂基片21的外側以及最中間。如果有需要，這些推臂衰減器和/或挽臂衰減器的下方也可以排布磁電阻傳感元件。同一基片上的推臂衰減器或挽臂衰減器的個數與磁電阻傳感元件的列數之間的關係如下:NA>=NS+2i，其中NA為推臂衰減器或挽臂衰減器的個數，NS為磁電阻傳感元件的列數，i為非負整數。此夕卜，磁電阻傳感元件22，42也可以成列排布於推臂衰減器23、挽臂衰減器41的上方，圖2中未顯示出此種情形。
[0038]同一基片上的各磁電阻傳感元件22以及各磁電阻傳感元件42的釘扎層的磁化方向相同，但磁電阻傳感元件22與磁電阻傳感元件42的釘扎層的磁化方向相反，分別為100，101,磁化方向101與X軸方向相同，磁化方向100與X軸方向相反。磁電阻傳感兀件22，42的敏感方向均為X軸方向，其可以為GMR或者TMR傳感元件，磁電阻傳感元件22，42的數量相同並且相互平行。此外，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件可以通過片上永磁體、片上線圈、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結合來偏置磁性自由層的磁化方向，使其與釘扎層的磁化方向垂直，片上永磁體和片上線圈所產生的交叉偏置場的方向為Y軸方向。磁電阻傳感兀件22與磁電阻傳感兀件42上的交叉偏置場的方向可以相反，即一個沿Y軸正向，另一個沿Y軸負向，也可以相同，即均沿Y軸正向或Y軸負向。
[0039]推臂衰減器23和挽臂衰減器41的數量相同，可以為一個或多個，在圖2中為12個，它們相互平行並且均為細長條形陣列，其組成材料為選自N1、Fe和Co中的一種或幾種元素組成的軟鐵磁合金，但並不限於以上材料。在推臂基片20和挽臂基片21上也還可以印製有集成電路，或與印製有集成電路的其他基片相連接，優選地，所印製的集成電路可以為CM0S、BiCM0S、Bipolar、BCDM0S或者SOI，當推臂基片20和挽臂基片21上印製有集成電路時，推臂與挽臂便可直接沉積在對應基片的集成電路上面。此外，推臂基片20和挽臂基片可為ASIC晶片，其可含有偏移、增益、校準、溫度補償和邏輯中的任一種或幾種應用電路，其中邏輯電路還可以為數字開關電路或者旋轉角度計算電路，但並不限於以上電路。
[0040]本實施例中是採用焊盤引線鍵合來進行輸入輸出連接，也可以採用倒裝晶片、球柵陣列封裝、晶圓級封裝以及板上晶片封裝等半導體封裝方法。
[0041]圖3為在衰減器23下方的磁電阻傳感元件22在外加磁場中的磁場分布圖。圖中，外加磁場的方向為102。從圖中可以看出，通過衰減器23的磁場強度會大幅衰減，所以即使施加高強度的外加磁場，只要在磁電阻傳感元件22的工作磁場範圍內，便能檢測到此磁場。由此可見，即使把本實用新型中的推挽橋式磁傳感器放置於高強度的磁場中，該傳感器所感測到的磁場大小是衰減後的磁場，只要在其飽和範圍之內，此傳感器仍然可以正常工作。磁電阻傳感元件42周圍的磁場分布與圖3中相同，在此就不再贅敘。
[0042]圖4為磁電阻傳感元件22，42所在位置與相對應的增益係數之間的關係曲線。從圖中曲線40可以看出，磁電阻傳感元件22，42所在位置處磁場的增益係數Asns〈l。從該曲線也可以得到通過衰減器23的磁場強度會大幅衰減的結論。
[0043]圖5為磁電阻傳感元件22，42的響應曲線。當外加磁場102的方向與釘扎層的磁
化方向47平行，同時外加磁場的強度大於-Bs+Bo 51時,磁性自由層的磁化方向46與外
加磁場102的方向平行，進而與釘扎層的磁化方向47平行，此時磁電阻傳感元件的磁阻最
小，即為& 48。當外加磁場102的方向與釘扎層的磁化方向47反平行，同時外加磁場的強
度大於Bs+Bo 52時,磁性自由層的磁化方向46與外加磁場102的方向平行,進而與釘扎層
的磁化方向47反平行，此時磁電阻傳感元件的磁阻最大，即為Rh49。當外加磁場102的強
度為Bo 50時，磁性自由層的磁化方向46與釘扎層的磁化方向47垂直，此時，磁電阻傳感
元件的磁阻為Rl 48和Rh49的中間值，即(Rl +Rh) /2。-Bs+Bo 51與Bs+Bo 52之間的磁場
便是傳感器的測量範圍。從圖中可以看出，曲線53在-Bs+Bo 25與Bs+Bo 26之間呈線性，
電阻變化率為~kχ 100%=— X100%。
[0044]對於TMR傳感元件，其電阻變化率最高可達到200%，對於GMR元件，其電阻變化率最高只有10%。
[0045]圖6為磁電阻傳感元件為TMR傳感元件時，本實用新型中的推挽橋式磁傳感器有無衰減器時的轉換特性曲線。曲線43對應的是沒有衰減器的情形，曲線44對應的是有衰減器的情形。圖中橫軸為外加磁場的大小，縱軸為傳感器輸出電壓與電源電壓之間的比值。對比兩曲線可以看出，使用了衰減器之後，傳感器的線性工作範圍明顯變寬，線性度也更好，並且曲線原點上下對稱性更好，也就是說偏移量會更小。[0046]以上討論的是電橋為全橋的情形，由於半橋和準橋的工作原理與全橋相同，在此就不再贅述，上述所得到的結論也同樣適用於半橋和準橋結構的推挽橋式磁傳感器。
[0047]以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於:該傳感器包括 推臂基片和挽臂基片； 至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構成的推臂和至少一個由一個或多個磁電阻傳感元件電連接構成的挽臂； 至少一個推臂衰減器和至少一個挽臂衰減器； 所述推臂和所述推臂衰減器沉積在所述推臂基片上，所述挽臂和所述挽臂衰減器沉積在所述挽臂基片上； 所述推臂衰減器和所述挽臂衰減器的長軸方向為Y軸方向，短軸方向為X軸方向； 所述推臂中的磁電阻傳感元件成列排布於所述推臂衰減器的上方或下方，所述挽臂中的磁電阻傳感元件成列排布於挽臂衰減器的上方或下方； 同一基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同，所述推臂基片與所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相反； 所述推臂基片和所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的敏感方向均為X軸方向。
2.根據權利要求1所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，每個所述推臂衰減器和每個所述挽臂衰減器的上方或下方各自分別最多對應一列所述磁電阻傳感元件，同一基片上的所述推臂衰減器或所述挽臂衰減器的個數與所述磁電阻傳感元件的列數之間的關係如下:NA>=NS+2i，其中NA為推臂衰減器或挽臂衰減器的個數，NS為磁電阻傳感元件的列數，i為非負整數。
3.根據權利要求1所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件。
4.根據權利要求1或3所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，對於所述推臂基片和所述挽臂基片，其中一個基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向為X軸正方向，另一個基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向為X軸負方向。
5.根據權利要求4所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，在沒有外加磁場時，所述磁電阻傳感元件可以通過片上永磁體、片上線圈、雙交換作用、形狀各向異性中的任意一種或者至少兩種的結合來偏置磁性自由層的磁化方向，其中，所述片上永磁體和片上線圈所產生的交叉偏置場的方向為Y軸方向。
6.根據權利要求1或3所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，所述推臂和所述挽臂電連接構成的電橋為半橋、全橋或準橋。
7.根據權利要求1所述的用於高強度磁場的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相互平行。
8.根據權利要求1所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂衰減器和所述挽臂衰減器的數量相同並且相互平行。
9.根據權利要求1或8所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂衰減器和所述挽臂衰減器均為細長條形陣列，其組成材料為軟鐵磁合金，含有N1、Fe、和Co中的一種元素或多種元素。
10.根據權利要求1所 述的用於高強度磁場的推挽橋式磁場傳感器，其特徵在於，所述推臂和所述挽臂上磁電阻傳感元件處的磁場的增益係數Asns〈l。
11.根據權利要求1所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，所述推臂基片和所述挽臂基片包括了集成電路，或與包括了集成電路的其它基片相連接。
12.根據權利要求11所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，所述集成電路為CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者SOI，所述推臂直接沉積在所述推臂基片上的集成電路上，所述挽臂直接沉積在所述挽臂基片上的集成電路上。
13.根據權利要求1所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，所述基片為ASIC晶片，其包含有偏移電路、增益(gain)電路、校準電路、溫度補償電路和邏輯(logic)電路中的任一種或幾種應用電路。
14.根據權利要求13所述的用於高強度磁場的推挽橋式磁傳感器，其特徵在於，所述邏輯電路為數字開關電路或者 旋轉角度計算電路。
【文檔編號】G01R33/09GK203587786SQ201320647519
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年10月21日 優先權日:2013年10月21日
【發明者】詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司