[發(fā)明專利]單一芯片推挽橋式磁場傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110326725.6
• 申請日: 2011-10-25
• 公開（公告）號: CN102540112A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設計）人: 金英西;雷嘯鋒;詹姆斯·G·迪克;沈衛(wèi)鋒;王建國;薛松生;黎偉
• 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(chuàng)元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛(wèi);李艷

技術領域

該發(fā)明涉及一種磁場探測用的傳感器，尤其為一種單一芯片推挽橋式磁場傳感器。

背景技術

磁性傳感器主要用于磁場的方向、強度和位置探測。以磁電阻為敏感元件的推挽橋式磁場傳感器具有偏移低，靈敏度高以及溫度穩(wěn)定性良好的優(yōu)點。磁性隧道結(jié)元件（MTJ,?Magnetic?Tunnel?Junction）是近年來開始工業(yè)應用的一種磁電阻元件，它利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應（TMR,?Tunnel?Magnetoresistance），主要表現(xiàn)為磁電阻元件的阻值隨外場的大小和方向的變化而發(fā)生變化。以MTJ元件為傳感元件的磁場傳感器比目前廣泛應用的AMR（各向異性磁電阻效應）元件、霍爾效應材料以及GMR（巨磁電阻效應）元件制成的磁場傳感器具有靈敏度高，功耗低，線性度好，動態(tài)范圍寬，溫度特性好，抗干擾能力強的優(yōu)點，此外，MTJ元件還能方便地集成到現(xiàn)有的芯片微加工工藝中，便于制成體積很小的集成磁場傳感器。

推挽橋式傳感器具有比單電阻、參考橋式傳感器更高的靈敏度，同時具有溫度補償功能，能夠抑制溫度漂移的影響。傳統(tǒng)的MTJ或GMR推挽式橋式傳感器要求相鄰兩個橋臂電阻中的自旋閥元件的釘扎層磁化方向相反，而通常沉積在同一基片上的MTJ或GMR元件，由于其磁矩翻轉(zhuǎn)所需要的磁場強度大小相同，因此在同一個基片上的磁性元件的釘扎層磁化方向通常都相同，這使得制作推挽橋式傳感器存在很大困難。目前制作推挽留橋式傳感器的方法主要有：

（1）兩次成膜工藝：分兩次分別沉積釘扎層磁化方向相反的MTJ或GMR元件。該方法制作工藝復雜，同時第二次工藝進行退火時會明顯影響第一次沉積的薄膜。這使得前后兩次成膜的一致性差，導致橋式傳感器不同橋臂的電阻不相同，影響傳感器的整體性能；

（2）多芯片封裝技術：從同一晶圓或是不同晶圓取兩個一致性好的磁電阻，這兩個磁電阻的敏感方向相同（釘扎層磁化方向相同），然后將其中一個相對另一個磁電阻翻轉(zhuǎn)180°進行多芯片封裝，構(gòu)成推挽式半橋。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)推挽式半橋的功能，即提高了檢測靈敏度，具有溫度補償功能，但是另一方面多芯片封裝，封裝尺寸大，生產(chǎn)成本高；實際封裝時不能嚴格的進行180°翻轉(zhuǎn)，即兩個電阻的靈敏度方向不是嚴格的相差180°，使得兩個電阻隨外場變化的輸出特性不相同，出現(xiàn)靈敏度不同，存在比較大的偏置電壓等不對稱問題，這樣在實際應用中就會帶來新的問題；

（3）激光加熱輔助磁疇局部翻轉(zhuǎn)法：通常在基片上制備MTJ或GMR全橋時，采用將MTJ或GMR晶圓在同一強磁場中退火來使不同橋臂的釘扎層磁化方向相同。之后采用激光對晶圓進行局部加熱輔助磁矩翻轉(zhuǎn)，使得橋式傳感器相鄰橋臂的釘扎層磁化方向相反，從而實現(xiàn)單一芯片的橋式傳感器。該方法需要專用設備，設備昂貴，增加了工藝復雜度，同時激光加熱所制得的橋式傳感器，其各橋臂的電阻一致性也無法得到保證。

從以上可以看出，現(xiàn)有的單一芯片橋式傳感器都存在整體性能無法保證，生產(chǎn)成本高等缺點。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種可以大規(guī)模制造，可根據(jù)應用需求設計的一種單一芯片推挽橋式磁場傳感器，它包括多個橋式連接的磁電阻元件，每個磁電阻元件包括具有敏感方向的敏感元件，敏感元件為MTJ元件、AMR元件或GMR元件，所述每個磁電阻元件的兩側(cè)設置有用于對所述磁電阻元件的磁化方向進行偏置的一對永磁體。

優(yōu)選地，每個永磁體的長度大于該對永磁體之間的寬度以減小每對永磁體之間產(chǎn)生的邊緣化效應。

優(yōu)選地，每個永磁體具有最靠近相對應磁電阻元件的邊界邊，該邊界邊與所述的單一芯片推挽橋式磁場傳感器的敏感方向呈一夾角，該夾角為銳角或鈍角。

優(yōu)選地，位于磁電阻元件兩側(cè)的永磁體產(chǎn)生一永磁偏置場，該永磁偏置場具有一永磁偏置方向。

優(yōu)選地，通過設置永磁體的厚度以改變永磁偏置場的強度。

優(yōu)選地，每個永磁體具有最靠近相對應磁電阻元件的邊界邊，通過設置永磁體的充磁方向和所述永磁體的邊界邊所成的夾角以改變永磁偏置場的強度。

優(yōu)選地，所述該對永磁體具有產(chǎn)生均勻磁偏置場的形狀。

優(yōu)選地，所述磁電阻元件之間相互平行排布。

優(yōu)選地，所述磁電阻元件的周圍設置有用于預設和校準輸出偏移的通電線圈，所述磁電阻元件和通電線圈之間相絕緣。

附圖說明

圖1是一個隧道結(jié)磁電阻（MTJ）元件的示意圖。

圖2是MTJ元件的理想輸出曲線圖。

圖3是MTJ元件串聯(lián)而形成一個等效MTJ磁電阻的示意圖。