单片参考全桥磁场传感器的制作方法-山东科威数控机床有限公司

专利名称：单片参考全桥磁场传感器的制作方法
技术领域：
该实用新型涉及一种磁场探测用的传感器，尤其为一种单片参考全桥磁场传感器。
背景技术：
磁场传感器在现代系统中被广泛用于测量和探测物理量，其中包括但不限于磁场强度、电流、位置、动力、方向等参数的测量。虽然目前有很多种传感器对磁场和其他物理参数进行测量，但是这些技术都有其局限性，例如，尺寸过大，灵敏度低，动态范围窄，制造成本高，稳定性差以及其他缺点。因此，不断改善磁性传感器，尤其是易与半导体器件和集成电路集成的传感器，以及其制造方法是一种持续的需求。磁隧道结传感器具有高灵敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等优点。尽管MTJ或 GMR与半导体标准制造工艺相兼容，但是高灵敏度的MTj或GMR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或GMR元件磁阻输出的偏移值，组成电桥的 MTJ或GMR元件的磁阻输出很难达到匹配度一致。
发明内容本实用新型的目的是提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器可以通过设置磁阻元件的偏置场和敏感方向的角度来优化其线性度。为达到上述目的，本实用新型提供一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一设置在所述参考臂和所述感应臂周边的用于调整该磁场传感器自身的磁化强度和敏感方向的角度的磁体；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。本实用新型又提供一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。本实用新型又提供一种单片参考全桥磁场传感器，包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个 MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。本实用新型又提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。本实用新型又提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。本实用新型又提供一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。通过使用该技术，单片参考全桥磁场传感器展现出了温度稳定性，低偏移电压以及优异的电压对称性，所述单片磁传感电桥可以用标准的半导体制造工艺轻易制造。

图1是磁化方向为难轴的参考层自旋阀传感元件的磁电阻输出示意图。图2是采用磁阻元件的参考全桥结构示意图。图3是参考全桥的感应臂和参考臂的输出曲线图。图4是参考全桥电路的输出曲线图。图5是参考臂和感应臂的磁电阻阻值比和偏移值的函数图，其中列举了不同磁电阻变化率从50%到200%的偏移曲线图。图6是参考臂和感应臂的阻值比和对称性的函数图，其中列举了不同磁电阻变化率从50%到200%的对称性曲线图。图7是MTJ元件的偏置永磁体摆放位置示意图。图8是图7所示的永磁体和MTJ或GMR元件的截面图，图中描绘了一组偏置磁体的磁感线分布图。图9描绘了通过设置永磁体和敏感方向的夹角来控制MTJ元件输出的偏移和饱和场强度。图10是一组磁体中心区域场强的函数图，该场强取决于磁体宽度和磁体间的间隙。图11是将多个MTJ或GMR元件合并为一个磁电阻元件的方法的连接示意图。[0023]图12是传感芯片的布局图，利用倾斜摆放磁体去设置参考臂和感应臂的偏置点进而优化电桥输出曲线。图13是使用偏置磁体以及参考臂和感应臂的MTJ或GMR元件平行排列的布局图，如图所示在参考元件外设置屏蔽层以增加电桥电路灵敏度。图14是使用偏置磁体以及参考臂和感应臂的MTJ或GMR元件垂直排列的布局图。图15是沿着椭圆形MTJ或GMR元件的长轴和短轴方向的饱和场的测量结果，沿着短轴方向有一个偏置场。
具体实施方式
图1是作线性磁场探测用的GMR或MTJ磁传感元件的输出曲线的一般形式。如图 1所示，输出曲线在低阻态1和高阻态2饱和，&和&分别代表低阻态和高阻态的阻值。在达到饱和之前，输出曲线线性依赖于外加场H，输出曲线不一定是关于H=O的点对称的。Htl 是饱和场5和6之间的典型偏移，这使得&的饱和值更接近H=0。H0值通常被称作“桔子皮效应(Orange Peel)”或“奈尔耦合(Neel Coupling)”，其典型值通常在1到250e之间，和 MTJ或GMR磁性薄膜的结构和平整度相关，依赖于材料和制备工艺。在饱和场5和6之间，如图1所示的输出曲线方程近似为m =+(1)
ZIt 5Z图2是惠斯通参考电桥中传感元件的连接方式。如图所示，两个传感元件元件20、 21的输出曲线强烈依赖于外加磁场，两个参考元件元件22、23对外场的感应很弱。此外，布局在基板上的传感元件需要偏置电压(Vbias，24)和接地(GND，25)两个接触点和两个半桥中心触点(VI，26，V2，7)。中心触点的电压为_、n⑷‘ ⑵^2 Af =——,5 , Jriitu(3)惠斯通参考电桥的输出为V{H) = V\{H) — V2{H)(4)传感元件Rsns (30)和参考元件Rref (31)的输出曲线如图3所示。其中Rref 的饱和场为好，=130 0e，Rsns的饱和场为Hf5 =35 Oe0同时传感元件和参考元件的输出
曲线的中点并不在磁场为零的区域，其偏移范围为Rsns的=8 0e，Rref的//，=25 Oe0尽
管具有偏移值，但是惠斯通电桥的输出曲线40仍然具有很好的线性度和中心对称性，如图 4所示。在理想情况下，当if W RPf-Rr/ RK = /if5 O ,且H < H:时，电桥输出为[0037]
权利要求1.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一设置在所述参考臂和所述感应臂周边的用于调整该磁场传感器自身的磁化强度和敏感方向的角度的磁体；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或弓I线框的封装弓I脚上。
2.如权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于所述参考臂和所述感应臂采用相同工艺步骤制备以提高温度的稳定性和元件的一致性。
3.如权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。
4.如权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长。
5.如权利要求1或4所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。
6.如权利要求5所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。
7.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
8.如权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于所述参考臂和所述感应臂采用相同工艺步骤制备以提高温度的稳定性和元件的一致性。
9.如权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。
10.如权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。
11.如权利要求10所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。
12.—种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或 GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
13.、如权利要求12所述的磁场传感器，其特征在于所述参考臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节参考臂的阻值，所述感应臂包括一个或多个磁电阻元件相串联以调节感应臂的阻值，所述参考臂和所述感应臂的阻值比可以通过设置不同数量的磁电阻元件调节。
14.如权利要求12所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。
15.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，所述参考臂和所述感应臂由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
16.如权利要求15所述的磁场传感器，其特征在于所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长。
17.如权利要求16所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。
18.如权利要求17所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。
19.一种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或下层沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；所述构成参考臂的磁电阻元件比所述构成感应臂的磁电阻元件更加细长；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
20.如权利要求19所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。
21.如权利要求20所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。
22.—种单片参考全桥磁场传感器，其特征在于该磁场传感器包括两个参考臂和两个感应臂，所述两个参考臂和两个感应臂相间隔连接以形成一全桥，每个桥臂电阻由一个或多个MTJ或GMR磁电阻元件构成；所述MTJ或GMR磁电阻元件是利用其输出曲线的线性部分来感应磁场；参考臂元件自由层上层或沉积了一层反铁磁层或永磁层，利用所述反铁磁层的交换耦合或所述永磁层的交换耦合和散场耦合对参考臂进行偏置；该磁场传感器还包括一包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料；该磁场传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。
23.如权利要求22所述的磁场传感器，其特征在于该磁场传感器还包括设置在所述构成感应臂的磁电阻元件周边的高磁导率的铁磁材料以增大外场。
专利摘要本实用新型公开了一种单片参考全桥磁场传感器，该磁场传感器是一种由磁电阻参考元件和传感元件组成的惠斯通全桥，感应臂和参考臂都是采用磁隧道结电阻或巨磁电阻材料。在本实用新型中，传感元件和参考元件的灵敏度是通过控制一个或一组磁偏置组合，交换偏置，磁屏蔽或形状各向异性能来进行调节的。此外，还可以通过预先设定调整参考元件和传感元件的阻值比来优化电桥输出偏移和对称性。通过使用该技术，该磁场传感器展现出了卓越的温度稳定性，低偏移电压以及优异的电压对称性。
文档编号G01R33/09GK202210144SQ20112011871
公开日2012年5月2日申请日期2011年4月21日优先权日2011年4月21日
发明者沈卫锋, 王建国, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷啸锋申请人:江苏多维科技有限公司