[發(fā)明專利]單芯片橋式磁場傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310203311.3
• 申請(qǐng)日: 2013-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN103267955A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 詹姆斯·G·迪克
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號(hào): G01R33/09
• 分類號(hào): G01R33/09
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 孫仿衛(wèi)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有低偏移的單芯片橋式磁場傳感器。

背景技術(shù)

TMR（隧道磁電阻，Tunnel?MagnetoResistance）傳感器是近年來開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的新型磁電阻效應(yīng)傳感器。該傳感器利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場進(jìn)行感應(yīng)，主要表現(xiàn)在：在磁性多層膜材料中，隨著外磁場大小和方向的變化，磁性多層膜的電阻發(fā)生明顯變化。它比之前所發(fā)現(xiàn)并已實(shí)際應(yīng)用的AMR（各向異性磁電阻，Anisotropic?MagnetoResistance?）和GMR（巨磁電阻，Giant?MagnetoResistance）傳感器具有更大的電阻變化率，同時(shí)相對(duì)于霍爾傳感器具有更好的溫度穩(wěn)定性。

盡管GMR或TMR元件能與半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)制造工藝相兼容，但高靈敏度的GMR或TMR傳感器并沒有實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)，該傳感器的成品率取決于GMR或TMR元件磁電阻輸出的偏移值，組成電橋的GMR或TMR元件的磁電阻輸出很難達(dá)到匹配一致。為了實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)出高靈敏度的GMR或TMR傳感器，從而產(chǎn)生了在單一芯片上制備GMR或TMR傳感器的想法，目前主要有以下三種方法來實(shí)現(xiàn)在單一芯片上制備高靈敏度的GMR或TMR傳感器。

（1）通過采用兩次成膜工藝或者激光加熱輔助磁疇局部翻轉(zhuǎn)法來使臂中磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相反，從而實(shí)現(xiàn)單一芯片的橋式傳感器。兩次成膜工藝，即分兩次分別沉積釘扎層方向相反的TMR元件，這使得其制作工藝復(fù)雜，并且第二次工藝退火時(shí)會(huì)影響第一次沉積的薄膜，這使得前后兩次成膜的一致性差，從而影響傳感器的整體性能。激光加熱輔助磁疇局部翻轉(zhuǎn)法，是指在同一強(qiáng)磁場中退火之后，采用激光對(duì)芯片進(jìn)行局部加熱輔助磁矩翻轉(zhuǎn)，來使相鄰臂的釘扎層的磁矩方向相反，從而實(shí)現(xiàn)單一芯片的橋式傳感器。但該方法需要使用專用設(shè)備，設(shè)備昂貴，并且整個(gè)過程耗時(shí)長。

（2）通過傾斜臂上磁電阻傳感元件的自由層的磁矩平衡方向來實(shí)現(xiàn)單一芯片的橋式傳感器。即各臂上磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，相鄰臂上磁電阻傳感元件的自由層的磁化方向不同，但每個(gè)磁電阻傳感元件的自由層的磁化方向與其釘扎層的磁化方向的夾角相同。但此種方法會(huì)導(dǎo)致傳感器響應(yīng)的磁場動(dòng)態(tài)范圍有所減小，從而導(dǎo)致傳感器的靈敏度降低。

（3）使用磁屏蔽或者通量集中器的參考橋式傳感器，目前的這種傳感器由于參考臂與感應(yīng)臂相隔很遠(yuǎn)，致使其體積大，成本高，輸出的偏移量也難以控制。

如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的一種單芯片橋式磁場傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)包括硅基片1，屏蔽結(jié)構(gòu)2，感應(yīng)元件3，參考元件4，間隙5，4個(gè)用于輸入輸出的焊盤7-10，分別作為電源供應(yīng)端Vbias，接地端GND，電壓輸出端V+，V-，其感應(yīng)軸方向?yàn)?00。參考元件4位于屏蔽結(jié)構(gòu)2的下方，感應(yīng)元件3位于兩個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)2的間隙5處，屏蔽結(jié)構(gòu)2的形狀為方形。感應(yīng)元件3之間連接構(gòu)成感應(yīng)臂，參考元件4之間連接構(gòu)成參考臂，感應(yīng)元件3和感應(yīng)元件4為GMR傳感元件。硅基片1在沿著感應(yīng)軸方向100具有很大的長度，并且感應(yīng)元件3和參考元件4相距較遠(yuǎn)，也就是感應(yīng)臂和參考臂之間的間距比較大，并且二者之間只有一個(gè)間隙5，這會(huì)造成芯片上的空間浪費(fèi)，也使得芯片的尺寸比較大，此種設(shè)計(jì)而成的芯片尺寸大小約為2mm?X?0.5mm。并且，由于感應(yīng)臂和參考臂之間的間距比較大，會(huì)使得電橋難以平衡，并且會(huì)導(dǎo)致這兩臂上的溫度不同，從而導(dǎo)致其溫度補(bǔ)償功能降低。此外，由于采用了方形的屏蔽結(jié)構(gòu)2，會(huì)致使傳感器更容易達(dá)到磁場的飽和狀態(tài)，在屏蔽結(jié)構(gòu)2的中心附近就會(huì)開始產(chǎn)生非均勻的飽和磁場，并且在間隙5附近會(huì)產(chǎn)生磁滯，從而降低了傳感器的線性度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種體積小、成本低、偏移量小、靈敏度高、線性度好的單芯片橋式磁場傳感器。

為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種單芯片橋式磁場傳感器，它包括：

基片；

沉積在所述基片上的惠斯通半橋或惠斯通準(zhǔn)橋，所述惠斯通半橋或惠斯通準(zhǔn)橋包括：

參考臂R1，其包括至少兩行/列的參考元件串，每個(gè)參考元件串由一個(gè)或者多個(gè)相同的磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成；以及

感應(yīng)臂S1，其包括至少兩行/列的感應(yīng)元件串，每個(gè)感應(yīng)元件串由一個(gè)或者多個(gè)相同的磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成；

所述參考元件串和所述感應(yīng)元件串的行/列數(shù)相同，并沿縱/橫向相間隔排布，

相鄰的所述參考元件串與所述感應(yīng)元件串之間的間隔相同；