专利名称：一种磁电阻磁场梯度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁电阻磁场梯度传感器，尤其是一种采用MTJ磁电阻为敏感元件的磁场梯度传感器。
背景技术：
磁传感器广泛用于现代电子系统中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔元件，各向异性磁电阻(AMR)或巨磁电阻(GMR)为敏感元件的磁传感器。以霍尔元件为敏感元件的磁传感器灵敏度非常低，通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大，线性度差的缺陷。AMR元件虽然灵敏度比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄，同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置set/reset线圈对其进行预设_复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔传感器有更高的灵敏度，但是其线性范围偏低，同时，GMR元件的响应曲线呈偶对称，只能测量单极性的磁场梯度，不能测量双极性磁场梯度。隧道结磁电阻(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应(TMR，Tunnel Magnetoresistance)对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。MTJ元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。虽然MTJ元件具有极高的灵敏度，但是以MTJ元件为敏感元件的磁传感器在微弱磁场探测时会受到外界磁场的干扰，同时高灵敏度的MTJ传感器并没有实现低成本大规模生产，特别是传感器的成品率取决于MTJ兀件磁阻输出的偏移值,构成电桥的MTJ兀件的磁阻很难达到高的匹配度，同时MTJ传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂。

发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种以MTJ元件为敏感元件的磁场梯度传感器，具有抗外磁场干扰能力强，磁场共模抑制比高，灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。本发明公开了一种磁电阻磁场梯度传感器，它包括基片、分别设置在基片上的磁电阻电桥和永磁体，所述磁电阻电桥包括两个或两个以上的磁电阻臂，所述磁电阻臂由一个或多个磁电阻元件构成，该磁电阻元件具有磁性钉扎层，且所有磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同，所述永磁体设置在每个磁电阻臂的附近用于提供偏置场并使磁电阻元件的响应曲线的偏移归零，该磁电阻磁场梯度传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC或
3引线框的封装引脚上。优选地,所述磁电阻元件为MTJ元件。优选地，所述的磁电阻元件具有形状各向异性的形状。优选地，所述磁电阻元件在同一基片上采用同一工序制备，具有相同的形状和电阻值。优选地，所述磁电阻电桥为梯度半桥。优选地，所述磁电阻电桥为惠斯通全桥，惠斯通全桥的磁电阻桥臂的灵敏度方向相同，以检测空间的梯度磁场，惠斯通全桥结构中处于相对位置的桥臂电阻处于梯度磁场的同一位置，惠斯通全桥结构中处于相邻位置的桥臂电阻处于梯度磁场的不同位置。优选地，对永磁体充磁以调节该永磁体的磁化强度和方向以调节磁电阻磁场梯度传感器的输出性能。优选地，所述磁电阻磁场梯度传感器为单一芯片磁电阻磁场梯度传感器。本发明采用以上结构，具有抗外磁场干扰能力强，磁场共模抑制比高，灵敏度高， 线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。


图I是隧道结磁电阻元件(MTJ)的示意图。图2是适用于线性磁场测量的MTJ元件的磁阻变化响应图。图3是多个MTJ元件串联而形成一个等效MTJ磁电阻20的示意图。图4是MTJ元件I与片上永磁体22摆放位置示意图。图5是图4所示的永磁体22和MTJ元件I的截面图，图中描绘了一组偏置磁体的磁感线分布图。图6是通过设置永磁体22和敏感轴23的夹角来控制MTJ元件响应的偏移和饱和场强度的示意图。图7是半桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的结构示意图。图8是半桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的输出测量图。图9是全桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的原理示意图。图10是全桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的结构示意图。图11是全桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的输出测量图。
具体实施例方式图I是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件I 一般包括上层的铁磁层或人工反铁磁层(Synthetic Anti ferromagnetic, SAF )5,以及下层的铁磁层或SAF 层3，两个磁性层之间的隧道势垒层4。在这种结构中，上层的铁磁层(SAF层)5组成了磁性自由层，其磁矩方向7随外部磁场的改变而变化。下层的铁磁层(SAF层)3是一个固定的磁性层，因为其磁矩方向8是被钉扎在一个方向，在一般条件下是不会改变的，通常铁磁层 (SAF层)3也被称为被钉扎层。钉扎层通常是在反铁磁性层2的上方或下方沉积铁磁层或 SAF层。MTJ结构通常是沉积在导电的底电极层9的上方，同时MTJ结构的上方为顶电极层 6。MTJ的底电极层9和顶电极层6之间的测量电阻值12代表自由层5和钉扎层3的相对磁矩方向。当上层的铁磁层(SAF层)5的磁矩7方向与下层的铁磁层3的磁矩方向8平行时，整个元件的电阻12在低阻态。当上层的铁磁层(SAF层)5的磁矩方向与下层的铁磁层 3的磁矩方向反平行时，整个元件的电阻11在高阻态。通过已知的技术，MTJ元件I的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化。底电极层9和顶电极层6直接与相关的反铁磁层2和磁性自由层5电接触。电极层通常采用非磁性导电材料，能够携带电流输入欧姆计34。欧姆计34适用于已知的穿过整个隧道结的电流，并对电流(或电压)进行测量。通常情况下，隧道势垒层4提供了器件的大多数电阻，约为1000欧姆，而所有导体的阻值约为10欧姆。底电极层9位于绝缘基片10 上方，绝缘基片10要比底电极层9要宽，其位于其他材料构成的底基片11的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐热玻璃、GaAs、AlTiC或者是能够于晶圆集成的任何其他材料。硅由于其易于加工为集成电路(尽管磁性传感器不总是需要这种电路)成为最好的选择。适合线性磁场测量的GMR或MTJ元件的响应图如图2所示。响应曲线13在低阻态 14和高阻态15饱和，&和Rh分别代表低阻态和高阻态的阻值。响应曲线13在饱和场之间的区域是随外场(H) 19线性变化的。外场19平行于传感元件的敏感轴23。被钉扎层3的磁矩8与敏感轴23反平行意味着其指向-H的方向。当自由层5的磁矩7与被钉扎层3的磁矩8反平行时，磁电阻元件的响应曲线13为最大值Rh，当两者平行时，为最小值磁电阻响应曲线13的中间值随自由层5和被钉扎层3之间的角度的变化而变化。响应曲线13 不是沿H=O的点对称的。饱和场17、18是沿着Htj点16典型的偏移场，因此&值对应的饱和场更接近H=O的点。H。值通常被称为“橘子皮效应(Orange Peel)”或“奈尔耦合(Neel Coupling)”场，其典型值为I到40 Oe0其与磁电阻元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。如图2所示的响应曲线在饱和场17和18之间的区域的工作状态可以近似为方程
R(H)=RH-RL/2H5(H-H0)+RH+RL/2其中，Hs是饱和场。Hs被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值，该值是在响应曲线相对于Htj点的不对称性消除的情况下所取的。图2所示的是在理想情况下的响应曲线13。在理想状态下，磁电阻R随外场H的变化是完美的线性关系，同时没有磁滞(在实际情况下，磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象，我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路，通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小，在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线)。在现实应用的传感器领域，由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷，这条曲线13会更弯曲。由于尺寸小，MTJ元件I能够连接成一个等效的MTJ磁电阻20以增加灵敏度，噪声减少至1/F (F为串联的MTJ元件I的个数)，同时可以提高其ESD性能，其实施方式见图 3。这些MTJ元件串20被用来作为更为复杂的电路结构的磁电阻臂。MTJ元件I在底电极 9和顶电极6层中间成三明治结构，内部的电流21垂直通过MTJ元件I水平方向交替流过顶电极层6和底电极层9。底电极9在绝缘层10的上方，而绝缘层10位于底基片11上。 在每个元件串的末端是焊盘，也就是电阻臂和其他元件或欧姆表34连接的地方或者可以通过其和芯片上其他电路的部件连接而没有任何其他的连接方式。在通常情况下电流流动的方向并不对磁电阻臂20的有效阻值广生影响，MTJ元件串20的电阻值是可以根据MTJ元件I的个数设置和调整。电桥是用来将磁电阻传感器的电阻值变化转化为的电压信号，使其输出电压便于被放大。这可以改变信号的噪声，取消共模信号，减少温漂或其他的不足。上述的MTJ元件串20可以连接构成电桥。如图4所示，MTJ元件I安置在两个永磁体22之间。永磁体22之间具有间隙(Gap) 38，宽度(W) 39，厚度(t) 40和长度(Ly) 41。永磁体22被设计为提供一个垂直于梯度计敏感轴23的偏置场氏 ^27。通过施加一个大磁场对永磁体22充磁,最终永磁体22周围的磁场分布43如图5所不。永磁体22的磁场被认为是在如图6所示的磁体的边缘35之间形成的磁荷和磁矩边界条件作用的结果。磁荷大小随着剩磁凡的大小和方向Θ mag37进行变化，并且与永磁体的倾斜角esns44相关:
权利要求
1.一种磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于它包括基片、分别设置在基片上的磁电阻电桥和永磁体，所述磁电阻电桥包括两个或两个以上的磁电阻臂，所述磁电阻臂由一个或多个磁电阻元件构成，该磁电阻元件具有磁性钉扎层，且所有磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同，所述永磁体设置在每个磁电阻臂的附近用于提供偏置场并使磁电阻元件的响应曲线的偏移归零，该磁电阻磁场梯度传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC或引线框的封装引脚上。
2.根据权利要求I所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于所述磁电阻元件为MTJ 元件。
3.根据权利要求2所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于所述的磁电阻元件具有形状各向异性的形状。
4.如权利要求3所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于所述磁电阻元件在同一基片上采用同一工序制备，具有相同的形状和电阻值。
5.根据权利要求I所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于所述磁电阻电桥为梯度半桥。
6.根据权利要求I所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于所述磁电阻电桥为惠斯通全桥，惠斯通全桥的磁电阻桥臂的灵敏度方向相同，以检测空间的梯度磁场，惠斯通全桥结构中处于相对位置的桥臂电阻处于梯度磁场的同一位置，惠斯通全桥结构中处于相邻位置的桥臂电阻处于梯度磁场的不同位置。
7.根据权利要求I所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于对永磁体充磁以调节该永磁体的磁化强度和方向以调节磁电阻磁场梯度传感器的输出性能。
8.根据权利要求I所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于所述磁电阻磁场梯度传感器为单一芯片磁电阻磁场梯度传感器。
全文摘要
本发明公开了一种磁电阻磁场梯度传感器，它包括基片、分别设置在基片上的磁电阻电桥和永磁体，所述磁电阻电桥包括两个或两个以上的磁电阻臂，所述磁电阻臂由一个或多个磁电阻元件构成，该磁电阻元件具有磁性钉扎层，且所有磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同，所述永磁体设置在每个磁电阻臂的附近用于提供偏置场并使磁电阻元件的响应曲线的偏移归零，该磁电阻磁场梯度传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC或引线框的封装引脚上。
文档编号G01R33/09GK102590768SQ20121006592
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者刘明峰, 沈卫锋, 白建民, 詹姆斯·G·迪克 申请人:江苏多维科技有限公司