[發明專利]單片雙軸橋式磁場傳感器

有效

• 申請號: 201110315913.9
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102435963A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 詹姆斯·G·迪克;金英西;沈衛鋒;雷嘯鋒;薛松生
• 申請（專利權）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛;李艷

技術領域

本發明涉及橋式傳感器的設計和制備，特別的是一種單一芯片雙軸橋式磁場傳感器。

背景技術

磁性傳感器廣泛用于現代系統中以測量或感應磁場強度、電流、位置、運動、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于測量磁場和其他參數。但是，他們都受到了現有技術中的各種眾所周知的限制，例如，尺寸過大，靈敏度低，動態范圍窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持續地改進磁傳感器，特別是改進易與半導體器件或集成電路整合的傳感器及其制造方法是有必要的。

隧道結磁電阻傳感器（MTJ,?Magnetic?Tunnel?Junction）具有高靈敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等優點。盡管MTJ傳感器與半導體標準制造工藝相兼容，但是高靈敏度的MTJ傳感器并沒有實現低成本大規模生產。特別是傳感器的成品率取決于MTJ元件磁阻輸出的偏移值，組成電橋的MTJ的磁阻很難達到高的匹配度，同時正交磁場傳感器在同一半導體基片上集成的制造工藝非常復雜。

發明內容

本發明提供了一種采用標準半導體制造工藝、用于規模生產的雙軸線性磁電阻傳感器芯片的制備方法。雙軸傳感器采用隧道結磁電阻元件或巨磁電阻（GMR）元件在同一半導體基片上制備兩個不同的橋式磁傳感器以感應正交磁場分量。雙軸磁傳感器能夠感應正交磁場分量依賴于傳感元件的幾何形狀。橋式傳感器通過設置永磁偏置層后能更穩定，永磁層在晶圓級別或在封裝之后通過同一工序在強磁場中初始化。因為橋式傳感器的永磁偏置層和參考層沿同一方向初始化，沒有通過特殊處理，局部加熱，?或者在不同的工序中沉積不同的磁性材料。

本發明提供了一種單片雙軸橋式磁場傳感器，它包括一沿“Y”軸方向敏感的參考橋式傳感器和一沿“X”軸方向敏感的推挽橋式傳感器，所述參考橋式傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器包括傳感元件，其中?“X”軸和“Y”軸相正交。

優選地，所述參考橋式傳感器為參考全橋傳感器，該參考全橋傳感器包括參考元件和傳感元件，所述推挽橋式傳感器為推挽全橋傳感器，。

優選地，它還包括一用于偏置的永磁體以設置所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽全橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。

優選地，所述參考全橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置它們之間的靈敏度差，推挽全橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置其自由層磁化方向。

優選地，所述參考橋式傳感器為參考半橋傳感器，所述推挽橋式傳感器為推挽半橋傳感器。

優選地，它還包括一用于偏置的永磁體以設置所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件之間的靈敏度差和所述推挽半橋傳感器的傳感元件的自由層磁化方向。

優選地，所述參考半橋傳感器的參考元件和傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置它們之間的靈敏度差，所述推挽半橋傳感器的傳感元件具有磁各向異性的形狀以設置其自由層磁化方向。

優選地，所述參考橋式傳感器包括參考臂和感應臂。

優選地，所述參考橋式傳感器包括一用于包覆住構成參考臂的磁電阻元件的屏蔽層以降低參考臂的靈敏度，所述屏蔽層為高磁導率的鐵磁材料。

優選地，所述參考橋式傳感器的傳感元件周邊設置有高磁導率的鐵磁材料以增加傳感元件的靈敏度。。

本發明采用以上結構，能夠實現低成本大規模的在同一半導體基片上集成制作。

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附圖說明

圖1?是隧道結磁電阻的示意圖。

圖2?是參考層磁化方向為難軸的自旋閥磁電阻元件的輸出示意圖。

圖3是將多個磁隧道結元件合并為一個等效磁電阻元件的連接示意圖。

圖4是線性參考全橋磁電阻傳感器的原理圖。

圖5是一種采用永磁偏置產生交叉偏置場的參考全橋傳感器的布局圖。

圖6是參考全橋傳感器在外加磁場沿靈敏度方向的分量作用下的響應圖。

圖7是參考全橋傳感器在外加磁場垂直于靈敏方向的分量作用下的響應圖。

圖8?是參考全橋磁電阻傳感器的輸出曲線的模擬結果。

圖9為線性推挽全橋磁電阻傳感器的原理圖。

圖10利用形狀各項異性能和永磁體偏置的一種推挽全橋傳感器的概念圖。永磁體結構用于產生偏置磁場，旋轉的自由層磁化方向用于產生推挽輸出曲線。

圖11是自由層磁化方向旋轉的推挽全橋磁電阻傳感器在外場沿靈敏度方向的分量作用下的響應圖。