單片參考全橋磁場傳感器的製作方法
2023-05-29 02:21:21
專利名稱：單片參考全橋磁場傳感器的製作方法
技術領域：
該發明涉及一種磁場探測用的傳感器，尤其為一種單片參考全橋磁場傳感器。
背景技術：
磁場傳感器在現代系統中被廣泛用於測量和探測物理量，其中包括但不限於磁場強度、電流、位置、動力、方向等參數的測量。雖然目前有很多種傳感器對磁場和其他物理參數進行測量，但是這些技術都有其局限性，例如，尺寸過大，靈敏度低，動態範圍窄，製造成本高，穩定性差以及其他缺點。因此，不斷改善磁性傳感器，尤其是易與半導體器件和集成電路集成的傳感器，以及其製造方法是一種持續的需求。磁隧道結傳感器具有高靈敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等優點。儘管MTJ或GMR與半導體標準製造工藝相兼容，但是高靈敏度的MTJ或GMR傳感器並沒有實現低成本大規模生產。特別是傳感器的成品率取決於MTJ或GMR兀件磁阻輸出的偏移值,組成電橋的MTJ或GMR元件的磁阻輸出很難達到匹配度一致。
發明內容
本發明的目的是提供一種單片參考全橋磁場傳感器，該磁場傳感器可以通過設置磁阻元件的偏置場和敏感方向的角度來優化其線性度。為達到上述目的，本發明提供一種單片參考全橋磁場傳感器，包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，所述參考臂和所述感應臂由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；該磁場傳感器還包括一設置在所述參考臂和所述感應臂周邊的用於調整該磁場傳感器自身的磁化強度和敏感方向的角度的磁體；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。本發明又提供一種單片參考全橋磁場傳感器，包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，所述參考臂和所述感應臂由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；所述構成參考臂的磁電阻元件比所述構成感應臂的磁電阻元件更加細長；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。本發明又提供一種單片參考全橋磁場傳感器，包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，每個橋臂電阻由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。本發明又提供一種單片參考全橋磁場傳感器，該磁場傳感器包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，所述參考臂和所述感應臂由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；參考臂元件自由層上層或下層沉積了一層反鐵磁層或永磁層，利用所述反鐵磁層的交換耦合或所述永磁層的交換耦合和散場耦合對參考臂進行偏置；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。本發明又提供一種單片參考全橋磁場傳感器，該磁場傳感器包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，每個橋臂電阻由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；參考臂元件自由層上層或下層沉積了一層反鐵磁層或永磁層，利用所述反鐵磁層的交換耦合或所述永磁層的交換耦合和散場耦合對參考臂進行偏置；所述構成參考臂的磁電阻元件比所述構成感應臂的磁電阻元件更加細長；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。本發明又提供一種單片參考全橋磁場傳感器，該磁場傳感器包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，每個橋臂電阻由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；參考臂元件自由層上層或沉積了一層反鐵磁層或永磁層，利用所述反鐵磁層的交換耦合或所述永磁層的交換耦合和散場耦合對參考臂進行偏置；該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。通過使用該技術，單片參考全橋磁場傳感器展現出了溫度穩定性，低偏移電壓以及優異的電壓對稱性，所述單片磁傳感電橋可以用標準的半導體製造工藝輕易製造。
圖I是磁化方向為難軸的參考層自旋閥傳感元件的磁電阻輸出示意圖。圖2是採用磁阻元件的參考全橋結構示意圖。圖3是參考全橋的感應臂和參考臂的輸出曲線圖。圖4是參考全橋電路的輸出曲線圖。圖5是參考臂和感應臂的磁電阻阻值比和偏移值的函數圖，其中列舉了不同磁電阻變化率從50%到200%的偏移曲線圖。圖6是參考臂和感應臂的阻值比和對稱性的函數圖，其中列舉了不同磁電阻變化率從50%到200%的對稱性曲線圖。圖7是MTJ元件的偏置永磁體擺放位置示意圖。圖8是圖7所示的永磁體和MTJ或GMR元件的截面圖，圖中描繪了一組偏置磁體的磁感線分布圖。圖9描繪了通過設置永磁體和敏感方向的夾角來控制MTJ元件輸出的偏移和飽和場強度。圖10是一組磁體中心區域場強的函數圖，該場強取決於磁體寬度和磁體間的間隙。圖11是將多個MTJ或GMR元件合併為一個磁電阻元件的方法的連接示意圖。圖12是傳感晶片的布局圖，利用傾斜擺放磁體去設置參考臂和感應臂的偏置點進而優化電橋輸出曲線。圖13是使用偏置磁體以及參考臂和感應臂的MTJ或GMR元件平行排列的布局圖，如圖所示在參考元件外設置屏蔽層以增加電橋電路靈敏度。圖14是使用偏置磁體以及參考臂和感應臂的MTJ或GMR元件垂直排列的布局圖。圖15是沿著橢圓形MTJ或GMR元件的長軸和短軸方向的飽和場的測量結果，沿著短軸方向有一個偏置場。
具體實施例方式
圖I是作線性磁場探測用的GMR或MTJ磁傳感元件的輸出曲線的一般形式。如圖I所示，輸出曲線在低阻態I和高阻態2飽和，&和Rh分別代表低阻態和高阻態的阻值。在達到飽和之前，輸出曲線線性依賴於外加場H，輸出曲線不一定是關於H=O的點對稱的。H。是飽和場5和6之間的典型偏移，這使得&的飽和值更接近H=0。H0值通常被稱作「桔子皮效應(Orange Peel)」或「奈爾耦合(Neel Coupling)」，其典型值通常在I到250e之間，和MTJ或GMR磁性薄膜的結構和平整度相關，依賴於材料和製備工藝。在飽和場5和6之間，如圖I所示的輸出曲線方程近似為
R{H) = Rh_Rl (H - Hc)+Rh + Rl(i)
、f 2HS K " 2⑴
圖2是惠斯通參考電橋中傳感元件的連接方式。如圖所示，兩個傳感元件元件20、21的輸出曲線強烈依賴於外加磁場，兩個參考元件元件22、23對外場的感應很弱。此外，布局在基板上的傳感元件需要偏置電壓(Vbias，24)和接地(GND，25)兩個接觸點和兩個半橋中心觸點(VI，26，V2，7)。中心觸點的電壓為
Vl(H)=——產Vi ⑷,,FMm(2)
(3)
惠斯通參考電橋的輸出為
F(B)= Fl(H)-Pr 2(B)(4)
傳感元件Rsns (30)和參考元件Rref (31)的輸出曲線如圖3所示。其中Rref的飽和場為=130 Oe，Rsns的飽和場為Hfs =35 Oe0同時傳感元件和參考元件的輸出曲線
的中點並不在磁場為零的區域，其偏移範圍為Rsns的Zffs =8 0e，Rref的=25 Oe0盡
管具有偏移值，但是惠斯通電橋的輸出曲線40仍然具有很好的線性度和中心對稱性，如圖4所示。在理想情況下，當Rf対Rf-,Rh RsK =ATftjO ,J.H < 時，電橋輸出為
權利要求
1.一種單片參考全橋磁場傳感器，其特徵在於包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，所述參考臂和所述感應臂由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；該磁場傳感器還包括一設置在所述參考臂和所述感應臂周邊的用於調整該磁場傳感器自身的磁化強度和敏感方向的角度的磁體；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或弓丨線框的封裝弓I腳上。
2.如權利要求I所述的磁場傳感器，其特徵在於所述參考臂和所述感應臂採用相同工藝步驟製備以提高溫度的穩定性和元件的一致性。
3.3、如權利要求I所述的磁場傳感器，其特徵在於所述參考臂包括一個或多個磁電阻元件相串聯以調節參考臂的阻值，所述感應臂包括一個或多個磁電阻元件相串聯以調節感應臂的阻值，所述參考臂和所述感應臂的阻值比可以通過設置不同數量的磁電阻元件調節。
4.如權利要求I所述的磁場傳感器，其特徵在於所述構成參考臂的磁電阻元件比所述構成感應臂的磁電阻元件更加細長。
5.如權利要求I或4所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。
6.如權利要求5所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器設置在所述構成感應臂的磁電阻元件周邊的高磁導率的鐵磁材料以增大外場。
7.一種單片參考全橋磁場傳感器，其特徵在於包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，所述參考臂和所述感應臂由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；所述構成參考臂的磁電阻元件比所述構成感應臂的磁電阻元件更加細長；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。
8.如權利要求7所述的磁場傳感器，其特徵在於所述參考臂和所述感應臂採用相同工藝步驟製備以提高溫度的穩定性和元件的一致性。
9.如權利要求7所述的磁場傳感器，其特徵在於所述參考臂包括一個或多個磁電阻元件相串聯以調節參考臂的阻值，所述感應臂包括一個或多個磁電阻元件相串聯以調節感應臂的阻值，所述參考臂和所述感應臂的阻值比可以通過設置不同數量的磁電阻元件調節。
10.如權利要求7所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。
11.如權利要求10所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括設置在所述構成感應臂的磁電阻元件周邊的高磁導率的鐵磁材料以增大外場。
12.—種單片參考全橋磁場傳感器，其特徵在於包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，每個橋臂電阻由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。
13.如權利要求12所述的磁場傳感器，其特徵在於所述參考臂包括一個或多個磁電阻元件相串聯以調節參考臂的阻值，所述感應臂包括一個或多個磁電阻元件相串聯以調節感應臂的阻值，所述參考臂和所述感應臂的阻值比可以通過設置不同數量的磁電阻元件調節。
14.如權利要求12所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括設置在所述構成感應臂的磁電阻元件周邊的高磁導率的鐵磁材料以增大外場。
15.一種單片參考全橋磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，所述參考臂和所述感應臂由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁 場；參考臂元件自由層上層或下層沉積了一層反鐵磁層或永磁層，利用所述反鐵磁層的交換耦合或所述永磁層的交換耦合和散場耦合對參考臂進行偏置；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。
16.如權利要求15所述的磁場傳感器，其特徵在於所述構成參考臂的磁電阻元件比所述構成感應臂的磁電阻元件更加細長。
17.如權利要求16所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。
18.如權利要求17所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括設置在所述構成感應臂的磁電阻元件周邊的高磁導率的鐵磁材料以增大外場。
19.一種單片參考全橋磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，每個橋臂電阻由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；參考臂元件自由層上層或下層沉積了一層反鐵磁層或永磁層，利用所述反鐵磁層的交換耦合或所述永磁層的交換耦合和散場耦合對參考臂進行偏置；所述構成參考臂的磁電阻元件比所述構成感應臂的磁電阻元件更加細長；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。
20.如權利要求19所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。
21.如權利要求20所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括設置在所述構成感應臂的磁電阻元件周邊的高磁導率的鐵磁材料以增大外場。
22.—種單片參考全橋磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器包括兩個參考臂和兩個感應臂，所述兩個參考臂和兩個感應臂相間隔連接以形成一全橋，每個橋臂電阻由一個或多個MTJ或GMR磁電阻元件構成；所述MTJ或GMR磁電阻元件是利用其輸出曲線的線性部分來感應磁場；參考臂元件自由層上層或沉積了一層反鐵磁層或永磁層，利用所述反鐵磁層的交換耦合或所述永磁層的交換耦合和散場耦合對參考臂進行偏置；該磁場傳感器還包括一包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料；該磁場傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC集成電路或引線框的封裝引腳上。
23.如權利要求22所述的磁場傳感器，其特徵在於該磁場傳感器還包括設置在所述構成感應臂的磁電阻元件周邊的高磁導率的鐵磁材料以增大外場。
全文摘要
本發明公開了一種單片參考全橋磁場傳感器，該磁場傳感器是一種由磁電阻參考元件和傳感元件組成的惠斯通全橋，感應臂和參考臂都是採用磁隧道結電阻或巨磁電阻材料。在本發明中，傳感元件和參考元件的靈敏度是通過控制一個或一組磁偏置組合，交換偏置，磁屏蔽或形狀各向異性能來進行調節的。此外，還可以通過預先設定調整參考元件和傳感元件的阻值比來優化電橋輸出偏移和對稱性。通過使用該技術，該磁場傳感器展現出了卓越的溫度穩定性，低偏移電壓以及優異的電壓對稱性。
文檔編號G01R33/09GK102621504SQ20111010022
公開日2012年8月1日 申請日期2011年4月21日 優先權日2011年4月21日
發明者沈衛鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司