[發明專利]一種磁電阻Z軸梯度傳感器芯片

有效

• 申請號: 201410238418.6
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103995240B
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 詹姆斯·G·迪克;周志敏
• 申請（專利權）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號: G01R33/022
• 分類號: G01R33/022
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司32103
• 代理人: 李艷,孫仿衛

技術領域

本發明涉及磁性傳感器領域，特別涉及一種磁電阻Z軸梯度傳感器芯片。

背景技術

磁阻梯度傳感器廣泛應用于齒輪速度傳感器、磁性圖像傳感器，如POS機磁頭、驗鈔機磁頭等，通常情況下，磁阻傳感器如GMR、TMR傳感器具有平面敏感單元，其磁場敏感方向平行于傳感器所在的芯片平面，而Hall傳感器則具有垂直于平面的Z軸敏感方向，目前Hall傳感器在用于磁性圖像傳感器時，主要有Murata的InSb薄膜材料的Hall效應磁頭，基于Z軸磁場分量進行測量。然而不論是基于Z軸磁場分量進行測量的Hall傳感器，還是基于平面內磁場分量進行測量的GMR、TMR傳感器，都存在一定的問題：

1)由于InSb不是一個標準的材料，采用的是非標準的半導體制造工藝，因此，相對于TMR、GMR等傳感器的標準半導體制造工藝來說，其制造工藝較為復雜；

2)目前所有的基于GMR、TMR的磁性圖像傳感器主要基于平面內磁場敏感方向的，在用于驗鈔機磁頭時，需要使用一個表面切割深槽的背磁體，形狀較為復雜，因此表面產生的磁場分布不均勻，而基于InSb的Z軸傳感器背磁可以使用一個Z軸方向磁化的背磁塊，結構較為簡單；

3)相對于GMR、TMR傳感器而言，Hall效應傳感器磁場靈敏度較低、穩定性差(靈敏度、offset以及電阻)、可重復性差(難于控制offset和靈敏度變化)

發明內容

針對以上存在的問題，本發明提出了一種磁電阻Z軸梯度計芯片，結合GMR、TMR傳感器的標準制造工藝和Z軸傳感器背磁的優點，成功解決了以上問題的不足，實現了利用平面敏感磁阻傳感器對Z軸磁場梯度的測量，具有小尺寸、低功耗、比Hall傳感器具有更高磁場靈敏度等優點。

本發明所提出的一種磁電阻Z軸梯度傳感器芯片，用于探測磁性介質所產生的Z軸方向磁場分量在XY平面內的梯度，所述磁電阻Z軸梯度傳感器芯片包括Si襯底、位于所述Si襯底上的電互連成全橋梯度計或半橋梯度計的磁電阻傳感單元、位于所述Si襯底上的兩個或兩組通量引導器；所述磁電阻傳感單元位于所述通量引導器的上方或下方，且具有平行于所述Si襯底表面的敏感方向，所述通量引導器用于將所述磁性介質所產生的Z軸方向磁場分量轉變成沿所述磁電阻傳感單元的敏感方向；

所述每組通量引導器包含至少兩個通量引導器，所述兩個或兩組通量引導器之間的間距為Lg，所述全橋梯度計或半橋梯度計中相對橋臂之間的間距為Lg。

優選的，所述磁電阻傳感單元為GMR和/或TMR傳感單元。

優選的，所述通量引導器為選自Co、Fe、和Ni中的一種或幾種元素組成的軟磁合金。

優選的，所述通量引導器為長條形狀，其長軸沿Y方向，短軸沿X方向,其長度Ly大于寬度Lx，也大于厚度Lz。

優選的，所述磁電阻傳感單元到對應的所述通量引導器的Y軸方向中心線的垂直距離小于或等于1/3*Lx時，能增加所述磁電阻傳感單元的磁場工作范圍。

優選的，所述磁電阻傳感單元的位置到所述Y軸方向中心線的垂直距離越大，或所述通量引導器的厚度Lz越大，或者所述通量引導器的寬度Lx越小，所述磁電阻傳感單元的磁場靈敏度越高。

優選的，所述磁電阻Z軸梯度傳感器芯片包含兩個所述通量引導器，排列成兩行一列陣列，其行方向為Y軸方向，列方向為X軸方向，且行間距Lg對應為梯度特征距離。

優選的，所述半橋梯度計中的兩個橋臂分別對應于所述兩個通量引導器，所述兩個橋臂位于對應通量引導器的Y軸中心線的同一側的相同位置，兩個所述橋臂上的所述磁電阻傳感單元具有相同的敏感方向。

優選的，所述全橋梯度計中的兩個半橋分別對應于所述兩個通量引導器，每個所述半橋的兩個橋臂對稱分布在對應的通量引導器的Y軸中心線兩側，與同一電源電極相連的兩個橋臂位于對應通量引導器的Y軸中心線的同一側的相同位置，所述全橋梯度計的所述磁電阻傳感單元具有相同的敏感方向。

優選的，所述全橋梯度計的兩個半橋中任一半橋的兩個橋臂分別位于兩個通量引導器的Y軸中心線的同一側的相同位置，與同一電源電極相連的兩個橋臂對應同一通量引導器且對稱分布在該通量引導器的Y軸中心線兩側，所述全橋梯度計的所述磁電阻傳感單元具有相同的敏感方向。

優選的，每組通量引導器均為2*N(N>1)個，所述兩組通量引導器成兩行一列的陣列，且行方向沿Y軸方向，列方向為X軸方向；每組通量引導器成N行一列的陣列，行方向沿Y軸方向，列方向為X軸方向；每組通量引導器之間的行間距Ls遠小于Lg。