[發明專利]一種單芯片具有校準線圈/重置線圈的高強度磁場X軸線性磁電阻傳感器

有效

• 申請號: 201510056576.4
• 申請日: 2015-02-04
• 公開（公告）號: CN104698409B
• 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: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本發明涉及磁性傳感器領域，特別涉及一種單芯片具有校準線圈/重置線圈的高強度磁場X軸線性磁電阻傳感器。

背景技術

硅磁傳感器主要包括Hall磁傳感器、AMR磁傳感器、GMR磁傳感器。Hall磁傳感器通過在襯底上沉積半導體薄膜如碲化銦，通過外磁場對于載流子的路徑的偏轉來獲得不同的阻值，其優點在于，Hall磁電阻傳感器所能測量的磁場范圍較寬，其缺點在于，磁場靈敏度較低，通常需要引入通量集中器來對外磁場進行放大。AMR磁傳感器在襯底上沉積單層磁性薄膜，通過外磁場改變磁性薄膜的磁矩方向，從而改變其兩端的電阻，其傳感單元和電極均制備成斜條狀，以使得電流方向和磁場方向成一定夾角，從而能夠對磁場方向進行辨別，其優點在于，傳感器單元簡單，只有一層薄膜，其缺點在于，傳感器磁場變化率較低，靈敏度差。GMR多層薄膜磁傳感器是通過磁性薄膜和導電薄膜構成納米多層薄膜結構形成的磁電阻傳感器，通過改變磁性薄膜層的磁化方向，通過磁場對載流子在通過多層薄膜時對磁性載流子路徑的改變來改變電阻，其磁電阻變化率相對于AMR傳感器得到進一步的提高。

與以上技術相比，TMR磁性多層薄膜傳感器，通過引入參考磁性層、釘扎層、非金屬隔離層以及磁性自由層，通過外磁場來控制自由層的磁化方向，從而改變磁性自由層的兩種自旋電子的相對比率，使得從參考自由層隧穿進入磁性自由層的電流變化，導致傳感器的電阻發生變化，其磁電阻變化率可以達到200％，遠遠高于Hall，AMR以及GMR類型的磁電阻傳感器。

目前，硅磁三軸線性磁電阻傳感器在消費電子產品如手機、平板電腦等電子產品中得到廣泛的應用，三軸線性磁電阻傳感器包括X軸線性磁電阻傳感器、Y軸線性磁電阻傳感器、Z軸線性磁電阻傳感器，但目前為止，這些傳感器主要以Hall、AMR或者GMR為主。

因此，為了拓展TMR磁電阻傳感器的應用領域和范圍，本發明提出了一種單芯片具有校準線圈/重置線圈的高強度磁場X軸線性磁電阻傳感器，其具有優良的線性范圍和磁場靈敏度，完全可以取代目前的Hall、AMR或者GMR類型的X軸線性磁電阻傳感器。

在中國專利201310719255.9中，公布了一種用于高強度磁場的單芯片參考橋式磁傳感器，如圖1和圖2所示，包括襯底1，位于襯底之上的參考磁電阻傳感單元串4、41，敏感磁電阻傳感單元串5、51，以及軟磁通量引導器；所述軟磁通量引導器包括分別對應于參考磁電阻傳感單元串4、41的屏蔽器2、21，分別對應于敏感磁電阻傳感單元串5、51的衰減器3、31；所述參考磁電阻傳感單元串和所述敏感磁電阻傳感單元串電連接成參考橋式結構，并通過導線6進行連接，其中端口包括電源端7、接地端9、以及信號輸出端8和10。其中，圖1和圖2的區別在于，參考磁電阻傳感單元串和敏感磁電阻傳感單元串排列順序的不同，其中圖1中，中間兩個敏感磁電阻傳感單元相鄰，而兩邊對應為兩個參考磁電阻傳感單元，圖2中，中間兩個參考磁電阻傳感單元串相鄰，而兩邊對應為兩個敏感磁電阻傳感單元串，其中所述參考磁電阻傳感單元串和敏感磁電阻傳感單元串位于所對應的屏蔽器以及衰減器的Y軸中心線上，并且所述磁電阻傳感單元串的磁場敏感方向為X軸方向。其原理在于，在X軸方向外磁場作用時，其在參考磁電阻傳感單元串處所產生的磁場分量衰減因子非常大，由于屏蔽器的寬度較大，其寬度幅度遠大于參考磁電阻傳感單元串的寬度，另一方面，在敏感磁電阻傳感單元串處所產生的磁場分量衰減幅度則較小，由于衰減器的寬度較小，寬度幅度接近敏感磁電阻傳感單元串的寬度。因此，雖然磁電阻傳感單元串可測量磁場值較低，但是由于衰減器能夠將遠大于可測量磁場值的外磁場衰減到可測量磁場范圍內，而屏蔽器則能將外磁場衰減到遠小于可測量磁場幅度的范圍，因此，構成一個參考橋式高磁場測量X軸磁場傳感器。

圖3為所述用于高強度磁場的單芯片參考橋式X軸磁傳感器的截面圖，從下到上依次為，襯底1，磁電阻單元包括參考磁電阻傳感單元串4和敏感磁電阻傳感單元串5，以及軟磁通量引導器即位于參考磁電阻傳感單元串4表面的屏蔽器2以及位于敏感磁電阻傳感單元串5表面的衰減器3，此外，還包括位于襯底1和磁電阻傳感單元之間用于隔離的絕緣材料層11，以及位于軟磁通量引導器和磁電阻傳感單元之間的絕緣材料層12，以及覆蓋表層的絕緣材料13，此外7表示所述的四個電極。

圖1和圖2所述用于高強度磁場的單芯片參考橋式磁傳感器中的磁電阻傳感單元串為TMR磁電阻傳感單元，包含自由層、釘扎層以及中間勢壘層，其自由層的起始磁化方向為Y方向，釘扎層磁化方向即磁場敏感方向為X方向。以上所述單芯片X軸磁電阻傳感器可以實現來自于X軸的外磁場分量的測量，但存在如下問題：