CN102297652A - 一种独立封装的磁电阻角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用
MTJ
或
GMR
元件的磁电阻角度传感器，磁电阻角度传感器的输出是与磁场角度成正弦或余弦关系的电压信号，磁场可以由一位于传感器正上方的小磁块提供，用于探测两个正交的磁场分量的角度传感器，由具有两个正交的敏感轴的一对全桥构成，该传感器可以是并排布置，也可布置成该正交传感器具有一个共同的中心，传感器的元件小方块通过封装引线邦定连接，同时可以封装成各种标准半导体封装形式或是封装成低成本的半导体封装形式。
Description
技术领域
本发明涉及一种角度传感器，特别的是一种由磁场传感器和永磁体组合而成的，能够提供非接触旋转角度测量的角度传感器。
背景技术
磁场传感器与旋转磁体的组合提供了一种非常具有吸引力的非接触旋转角度测量传感器，可以应用于汽车、工业和消费电子领域。在之前的技术中，已有很多种测量磁场方向的传感器。然而，它们都或多或少的受到了某些限制，比如，尺寸过大，灵敏度低和/或动态范围太窄，成本高，稳定性差或是其它因素。因此，发展一种更好的磁性传感器，尤其是能够方便的与标准的半导体器件和电路进行集成与制造的磁性传感器，仍然是一种非常现实的需求。
磁性隧道结（MTJ，Magnetic tunnel junction）传感器具有灵敏度高，尺寸小，成本低，功耗低的优点。虽然MTJ器件能够与标准的半导体制造工艺集成，但没有一种低成本量产制造高灵敏度，低成本的MTJ磁传感器的有效方法。尤其是，量产时MTJ工艺和后端的封装工艺之间所存在的困难，同时，在将MTJ元件组成全桥传感器时，匹配MTJ传感器的磁电阻响应被证明存在很大困难。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种独立封装的磁电阻角度传感器，可用于测量磁场的角度值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种独立封装的磁电阻角度传感器，其特征是：该传感器包括一个磁电阻传感器原片，所述磁电阻传感器原片包括两个磁电阻芯片，其中一个磁电阻芯片相对于另一个磁电阻芯片旋转180度排布，所述磁电阻传感器原片附着在标准的半导体封装的引线框上以构成一单轴推挽式全桥传感器；每个磁电阻芯片包括一个或多个GMR或MTJ传感器元件串联组成以构成一推挽式半桥传感器；传感器元件由自旋阀构成，所述自旋阀包括磁性自由层和磁性钉扎层，所述磁性钉扎层的方向与磁电阻芯片的磁性易轴的方向相同，所述自由层的固有饱和场小于钉扎层产生的钉扎磁场的1/10；磁性自由层在没有外界偏置磁场时，自由层磁矩方向沿垂直于钉扎层磁矩的方向上，磁性自由层的方向随外加磁场的大小成比例旋转；每个磁电阻传感器原片的固有饱和场减去传输曲线的偏置磁场为该磁电阻角度传感器测量的最大范围；磁电阻芯片的引线焊盘设置为使磁电阻传感器原片的每个引脚可以连接多条接合线；每个磁电阻芯片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线，因此磁电阻芯片的每一边磁电阻元件的引线可以交换相对位置，允许两个磁电阻芯片在没有外部交叉引线的情况下连接成推挽式全桥传感器；该磁电阻角度传感器还包括一偏置磁场以使磁电阻芯片的传输曲线的中心位于零磁场的位置；所述磁电阻传感器原片具有相似的高电阻RH和低电阻RL；该磁电阻角度传感器的输入与输出通过引线连接到引线框的引脚上。
一种独立封装的磁电阻角度传感器，该传感器包括两个磁电阻传感器原片构成，其中一个磁电阻传感器原片相对于另一个磁电阻传感器原片旋转90度相排布，所述磁电阻传感器原片附着在标准的半导体封装的引线框上以构成一双轴推挽式全桥传感器；每个磁电阻传感器原片包括两个磁电阻芯片，其中一个磁电阻芯片相对于另一个磁电阻芯片旋转180度排列，每个磁电阻芯片包括一个或多个GMR或MTJ传感器元件串联组成以构成一推挽式半桥传感器；传感器元件由自旋阀构成，所述自旋阀包括磁性自由层和磁性钉扎层，所述磁性钉扎层的方向与磁电阻芯片的磁性易轴的方向相同，所述自由层的固有饱和场小于钉扎层产生的钉扎磁场的1/10；磁性自由层在没有外界偏置磁场时，自由层磁矩方向沿垂直于钉扎层磁矩的方向上，磁性自由层的方向随外加磁场的大小成比例旋转；每个磁电阻传感器原片的固有饱和场减去传输曲线的偏置磁场为该磁电阻角度传感器测量的最大范围；磁电阻芯片的引线焊盘设置为使磁电阻传感器原片的每个引脚可以连接多条接合线；每个磁电阻传感器原片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线，因此磁电阻芯片的每一边磁电阻传感器原片的引线可以交换相对位置，允许两个芯片在没有外部交叉引线的情况下连接成推挽式全桥传感器；该磁电阻角度传感器还包括一偏置磁场以使磁电阻芯片的传输曲线的中心位于零磁场的位置；磁电阻传感器原片中的每对磁电阻芯片具有相似的高电阻RH和低电阻RL；磁电阻角度传感器的输入与输出通过引线连接到引线框的引脚上。
本发明采用意思结构具有成本更低，性能更好，尺寸更小的优点。
附图说明
图1是通常的适合用于磁场测量的GMR或MTJ传感器元件的传输特性曲线,其中参考层的磁矩方向指向-H方向。
图2是通常的角度传感器结构与工作原理示意图。
图3是不同磁场下角度传感器的响应曲线，随着磁体产生的外场与参考层磁场的比例不同，角度传感器的精度不同。
图4是采用一个推挽式全桥来检测旋转磁铁产生的磁场大小的角度传感器示意图。
图5 由推挽式全桥组成的磁电阻角度传感器检测与敏感轴共线时的输出特性。
图6由两个磁电阻传感器原片通过相互旋转180度布置并封装组成推挽式全桥的示意图。
图7是一种采用标准半导体引线框和引线连接的单轴推挽式传感器的可能的实施方式示意图。
图8是一种采用标准半导体引线框和引线连接的双轴推挽式传感器的可能的实施方式示意图，其中正交轴的全桥传感器的中心点不重合。
图9（A）是一个双轴推挽式传感器的输出折线图，如图8所示，其中的两个正交的全桥传感器的中心点相互间隔1mm，同时由旋转磁块产生的磁场具有一个很小的磁场梯度。图中两个正交轴分别代表旋转传感器在外场的作用下的输出的正弦和余弦输出曲线。
图9（B）是由双轴推挽式传感器随外磁场不同旋转角度的正弦和余弦输出曲线计算得到的角度曲线和相应的与真实角度的偏差。
图10（A）是一个双轴推挽式传感器的输出折线图，如图8所示，其中的两个正交的全桥传感器的中心点相互间隔1mm，同时由旋转磁块产生的磁场具有一个很大的磁场梯度。图中两个正交轴分别代表旋转传感器在外场的作用下的输出的正弦和余弦输出曲线。
图10（B）是由双轴推挽式传感器随外磁场不同旋转角度的正弦和余弦输出曲线计算得到的角度曲线和相应的与真实角度的偏差，其中旋转磁场具有一个很大的磁场梯度。
图11（A）是一个双轴旋转传感器的输出折线图，如图8所示，其中的两个正交的全桥传感器具有共同的中心，同时由旋转磁块产生的磁场具有一个很大的磁场梯度。
图11（B）是由双轴旋转传感器随外磁场不同旋转角度的正弦和余弦输出曲线计算得到的角度曲线和相应的与真实角度的偏差，其中旋转磁场具有一个很大的磁场梯度。
图12是一种两个正交全桥传感器具有共同的几何中心的双轴传感器说明图，其中的四个传感器原片布置在一个ASIC芯片的周围。
图13是另一种两个正交全桥传感器具有共同的几何中心的双轴传感器说明图，其中的四个传感器分别中心对称，并位于一个ASIC芯片的正上方。
具体实施方式
本发明所公开的角度传感器由自旋阀构成，包括一个磁性层，其磁矩固定在一个确定的方向上，通常也作为一个参考层；另一个铁磁层，其磁矩能够响应外磁场并随外磁场自由转动，通常称为磁性自由层。钉扎层可以是一个单一的铁磁层，也可以是由几个磁性层组成的一种磁性结构，被钉扎层钉扎到一个确定的方向上。在一个MTJ器件中，自由层和钉扎层由绝缘势垒层分隔开来，电流垂直流过势垒层。在GMR元件中，自由层和钉扎层由非磁金属层分隔开来。电流可以同时在多层膜的面内和垂直膜面流过。
通常的适合用于磁场测量的GMR或MTJ传感器元件的传输特性曲线如图1所示。如图1所述，传输曲线在饱和时分别具有低电阻RL 3和高电阻RH 2，对应的饱和场分别是-Hs 4和Hs 5。在低电阻RL 3状态，自由层8的磁矩和参考层7的磁矩方向相反，在高电阻RH状态，参考层9和自由层10的磁矩方向相反。在处于-Hs4和Hs5之间的饱和区间内，传输特性曲线理想情况下中心点处于零磁点。此处，自由层的磁矩相对于参考层移动。
非理想情况，传输曲线并不关于H=0的点对称。饱和场-Hs 4和Hs 5由自由层和钉扎层之间的层间藕合和磁场偏置决定。层间藕合的一种主要贡献，也就是所谓的奈耳藕合或“orange-peel”藕合，与GMR和MTJ铁磁薄膜的结构有关，这决定于材料的制造工艺。此外，在同一个值的外磁场Hpin 6 下,参考层的磁矩不再固定，因此器件回到的低电阻的RL饱和状态，由于参考层和自由层的磁矩在大的外场下都出现饱和并转到外场方向。在角度传感器中，奈耳耦合和低的Hpin磁场值，如果得不到正确的控制的话，将会导致非常明显的不精确性（测量误差）。
正如其命名所暗示的，磁性角度传感器相对磁场的幅值，更多的是用来检测一个外磁场的角度。如图2所示。此处，角度传感器20用来检测绕转轴22转动的角度，通过检测由附加在转轴22上的磁块21产生的磁场23的方向来实现。在这一类转动检测系统中，角度传感器测量的精度受磁场强度，一致性，磁块相对角度传感器中心位置的偏移的影响。增加磁块的尺寸和提高磁块与角度传感器中心的对齐精度能提高测量的精度，但同时会造成尺寸和成本的增加。一种理想的角度传感器设计可能需要适应外加磁场的不一致性。有很多种传感元件的布置方式能用来优化角度传感器的设计，以降低成本，优化性能，减小尺寸，而本发明的目的正是获得成本更低，性能更好，尺寸更小的角度传感器。
除了磁场的不一致外，磁场的强度也影响角度传感器的精度。通常，角度传感器工作在一个大于饱和场Hs（5），但小于Hpin（6）。而传输曲线R（H）在–Hs<H<Hs之间的具体形状并不重要。图3显示了不同的磁场强度对角度传感器的输出特性曲线形状的影响。不同的磁场比值Hpin/Happ下的传输特性曲线如图所示。注意到，随着Hpin/Happ比值的增加，相应的传输特性曲线更加接近于理想余弦曲线30，如图3所示。原因是参考层的磁矩方向随外磁场Happ的影响很小，而提高Hpin磁场的大小，降低了参考层磁矩由原来固定方向转向其它方向的大小。对于最优的性能，通常要求Hpin/Happ>10.
全桥传感器可以被用来制造磁场角度传感器，全桥传感器能提供比半桥传感器更大的输出电压，因此具有更大的磁场灵敏度，由偏置场产生的误差能够通过将两个半桥传感器布置成一个全桥来消除，其中相邻边磁电阻的参考层的磁矩方向相互反平行。在这种情况下，每一桥臂的电阻能表示成：
（2）。
这里，H0是传输曲线的磁场偏置，H||是沿着敏感轴方向的磁场分量。一个由四个磁电阻传感元件组成的全桥布置如图4所示。这里，两个自旋阀42、43的参考层磁矩方向被固定到向左，另两个自旋阀40、41的参考层的磁矩方向被固定成向右。电桥可以是电流偏置或电压偏置工作型，通常情况下是电压偏置工作，在一个相对于地44（GND）的偏置电压Vbias 45作用下，两个差分输出端46（VA）和47（VB），理论上的输出如图5 中50所示。输出电压可以表示成磁电阻的表达式。假定磁电阻变化率MR表示成MR = (RH-RL)/RL,，则
注意到偏置磁场H0不再产生传输曲线的不对称性，同时全桥传感器输出VA-VB是双极性的电压响应。灵敏度随着MR值的增加而增加，但对于MR >> (Hs+Ho)/(2Hs)的情况，输出响应的增加不明显。这一分界点，大约是MR>500% 。角度传感器电桥的更小的外部工作区52、53为±(Hs-Ho)。
图6是由两个传感器原片61、62通过相互旋转180度封装组成的全桥示意图。每个传感器原片都由一对磁电阻元件64组成，每一个元件都由一个或更多个MTJ或GMR传感元件串联组成。每一个传感器原片具有一交叉结构65能够使两个相对的磁电阻元件64的焊盘能够交叉。这允许原片的连接线63可以有用交叉。该全桥传感器主要用来检测沿轴60方向的磁场，该轴60与每一传感芯片的参考方向共线。
图7显示了封装在一个标准的半导体封装引线框架内的单轴角度传感器中两个传感器原片61和原片62在板子70上的一种可能布置。这两个原片61、62通过引线73连接到引脚VA 71 ，VB 72，Vbias 74，Gnd 75。引线框架被封装在塑料内以形成一个标准的半导体封装。如有需要，可以在封装前进行分选，以更好的匹配并获得更好的性能表现。这可能是在晶圆级对每一个区的传感器进行测试，并根据测试后各区传感器的传输曲线进行分拣。因此如图6所示的传感器的原片将获得良好匹配，以生产更低失调电压的传感器。
图8显示了一个低成本的双轴旋转传感器的实施方式，该传感器可以同时检测X轴（82）和Y轴（83）的磁场分量。在这里，X轴和Y轴的磁场分量是通过两个分立的推挽式全桥传感器来检测，这两个全桥传感器分别由两对原片84/85和86/87相互旋转到其敏感轴X 82和Y 83相互正交。之后原片被放置在标准的芯片封装或是引线框88内并通过引线连接到输出引脚。
不像如图7所示的单轴旋转传感器，并不能区分角度θ和θ+π，图8中的双轴传感器能够准确的计算磁铁所附加的阀门旋转的角度。磁块的旋转角度和双轴磁场传感器检测到的X和Y磁场分量的关系如下：
这里Vx是X轴全桥的输出，Vy是y轴全桥的输出，offset 是全桥传感器响应的偏置电压，Vpeak电压每一个正弦波形的峰值电压。
如图8所示的双轴传感器的一个特点是X、Y轴的两个传感器没有一个共同的中心。两个全桥的中心80和81的距离可能比较大，使得旋转磁铁产生的磁场具有很大的梯度，并可能会带来明显的误差。
图9（A）显示的是两个中心相距1mm的正交的全桥传感器检测到的正弦曲线91和余弦曲线90的波形图，其中由旋转磁块产生的磁场具有5mm/Oe 的梯度。图9（b）显示了在第一象限角和第四象限的计算角度92，和计算角度与实际角度的偏差93。注意，在这种情况下，磁场梯度比较小，这样它不会产生在两个全桥中心80和81之间产生明显的磁场偏差，因此两个中心不重合给传感器引入的误差化不是很大。随着磁场梯度的增加，两个全桥传感器所感受到的峰值磁场和磁场分布的不同在个不同的正弦曲线101和余弦曲线100的波形图中会变得非常明显，则在计算角度102中所引入的偏差103会变得非常明显，一个磁场梯度为30Oe/mm的例子，如图10所示。
当X轴和Y轴全桥传感器的中心一致时，双轴旋转传感器能允许的旋转磁场的梯度变得更大。在这里的正弦波形111和余弦波形110在真由30Oe/mm的磁场梯度下并不出现明显失真，如图11所示。
实际上，在角度传感器的封装中有很多种原片布置方式能使两个正交的全桥传感器的中心一致，但一般来说两个中心点越接近，传感器对旋转磁铁产生的磁场梯度具有更大的耐受性，并将产生更小的计算角度误差。
图12显示了一种由四个传感器原片120，121，123，125封装成一个双轴角度传感器的可能布置方式，用来检测旋转磁场的两个正交方向的磁场分量。这四个传感器原片放置在一个中央的ASIC 124 的四周并具有共同的中心，并按标准打线相互联接起来。这四个传感器原片的排列，使得两个正交全桥有一个共同的中心126。中央的ASIC可能包含静电放电ESD保护电路，也可能包含被用于处理来自传感器的两路输出信号的电路，以提供数字格式的角度输出。
图13显示了另一种由四个传感器原片130，131，132，133封装成一个双轴角度传感器的可能布置方式，用来检测旋转磁场的两个正交方向的磁场分量。这四个传感器原片布置成中心对称的形式并位于ASIC 135 的上方。和图12的布置不同，由于四个传感器原片是非轴对称的因此相互之间更加靠近几何中心。这四个传感器原片的排列，使得两个正交全桥有一个共同的中心136。中央的ASIC 135可能包含静电放电ESD保护电路，也可能包含被用于处理来自传感器的两路输出信号的电路，以提供数字格式的角度输出。
以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，但本发明的保护内容不仅仅限定于以上实施例，在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在其技术要旨范围内，进行多种多样的变更。
Claims (11)
1.一种独立封装的磁电阻角度传感器，其特征是：该传感器包括一个磁电阻传感器原片，所述磁电阻传感器原片包括两个磁电阻芯片，其中一个磁电阻芯片相对于另一个磁电阻芯片旋转180度排布，所述磁电阻传感器原片附着在标准的半导体封装的引线框上以构成一单轴推挽式全桥传感器；每个磁电阻芯片包括一个或多个GMR或MTJ传感器元件串联组成以构成一推挽式半桥传感器；传感器元件由自旋阀构成，所述自旋阀包括磁性自由层和磁性钉扎层，所述磁性钉扎层的方向与磁电阻芯片的磁性易轴的方向相同，所述自由层的固有饱和场小于钉扎层产生的钉扎磁场的1/10；磁性自由层在没有外界偏置磁场时，自由层磁矩方向沿垂直于钉扎层磁矩的方向上，磁性自由层的方向随外加磁场的大小成比例旋转；每个磁电阻传感器原片的固有饱和场减去传输曲线的偏置磁场为该磁电阻角度传感器测量的最大范围；磁电阻芯片的引线焊盘设置为使磁电阻传感器原片的每个引脚可以连接多条接合线；每个磁电阻芯片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线，因此磁电阻芯片的每一边磁电阻元件的引线可以交换相对位置，允许两个磁电阻芯片在没有外部交叉引线的情况下连接成推挽式全桥传感器；该磁电阻角度传感器还包括一偏置磁场以使磁电阻芯片的传输曲线的中心位于零磁场的位置；所述磁电阻传感器原片具有相似的高电阻RH和低电阻RL；该磁电阻角度传感器的输入与输出通过引线连接到引线框的引脚上。
2.一种独立封装的磁电阻角度传感器，其特征是：该传感器包括两个磁电阻传感器原片构成，其中一个磁电阻传感器原片相对于另一个磁电阻传感器原片旋转90度相排布，所述磁电阻传感器原片附着在标准的半导体封装的引线框上以构成一双轴推挽式全桥传感器；每个磁电阻传感器原片包括两个磁电阻芯片，其中一个磁电阻芯片相对于另一个磁电阻芯片旋转180度排列，每个磁电阻芯片包括一个或多个GMR或MTJ传感器元件串联组成以构成一推挽式半桥传感器；传感器元件由自旋阀构成，所述自旋阀包括磁性自由层和磁性钉扎层，所述磁性钉扎层的方向与磁电阻芯片的磁性易轴的方向相同，所述自由层的固有饱和场小于钉扎层产生的钉扎磁场的1/10；磁性自由层在没有外界偏置磁场时，自由层磁矩方向沿垂直于钉扎层磁矩的方向上，磁性自由层的方向随外加磁场的大小成比例旋转；每个磁电阻传感器原片的固有饱和场减去传输曲线的偏置磁场为该磁电阻角度传感器测量的最大范围；磁电阻芯片的引线焊盘设置为使磁电阻传感器原片的每个引脚可以连接多条接合线；每个磁电阻传感器原片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线，因此磁电阻芯片的每一边磁电阻传感器原片的引线可以交换相对位置，允许两个芯片在没有外部交叉引线的情况下连接成推挽式全桥传感器；该磁电阻角度传感器还包括一偏置磁场以使磁电阻芯片的传输曲线的中心位于零磁场的位置；磁电阻传感器原片中的每对磁电阻芯片具有相似的高电阻RH和低电阻RL；磁电阻角度传感器的输入与输出通过引线连接到引线框的引脚上。
3.如权利要求1或2所述的磁电阻角度传感器，其特征是：所述磁电阻传感器原片在装配前进行测试并分级使其传输曲线更加匹配。
4.如权利要求1或2所述磁电阻角度传感器，其特征是：引线框和磁电阻芯片被密封在塑料中以形成标准的半导体封装。
5.如权利要求1或2所述的磁电阻角度传感器，其特征是：它还包括一用于提供偏置磁场的条形磁铁。
6.如权利要求2所述的磁电阻角度传感器，其特征是：磁电阻传感器原片设置在ASIC专用集成电路的周围，以使两个全桥具有共同的几何中心，所述磁电阻传感器原片的引脚之间相紧邻。
7.如权利要求6所述的磁电阻角度传感器，其特征是：所述ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路。
8.如权利要求6所述的磁电阻角度传感器，其特征是：所述ASIC专用集成电路包括ESD保护电路和用于对两个正交轴全桥传感器的输出进行计算的处理电路以使以数字形式输出角度值。
9.如权利要求2所述的磁电阻角度传感器，其特征是：所述四个磁电阻传感器原片位于ASIC专用集成电路的正上方，所述四个磁电阻传感器原片相互之间旋转90度的排列，所述磁电阻传感器原片的短边与其相邻的磁电阻传感器的长边相邻排列。
10.如权利要求9所述的磁电阻角度传感器，其特征是其中的ASIC专用集成电路包括ESD防静电保护电路。
11.如权利要求9所述的磁电阻角度传感器，其特征是：所述ASIC专用集成电路包括ESD保护电路和用于对两个正交轴全桥传感器的输出进行计算的处理电路使以数字形式输出角度值。
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