CN102298124B - 一种独立封装的桥式磁场角度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种独立封装的桥式磁场角度传感器，该角度传感器由一对相互旋转 90 度放置的半桥 MTJ 传感元件组成，分别用于测量两个正交方向的磁场分量。该传感器也可以由一对 MTJ 全桥构成，每个 MTJ 全桥分别由一对 MTJ 传感器芯片组成。传感器芯片位于半导体封装的引线框内并通过引线连接。传感器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

一种独立封装的桥式磁场角度传感器
技术领域
本发明涉及一种采用MTJ或GMR元件的角度传感器，特别的是一种能够采用标准的半导体封装技术集成到单一芯片的角度传感器。 
背景技术
　　磁性传感器广泛的用于现代测量系统，用来检测多种物理量，包括但不限于磁场强度、电流、位置、位移、方向等各种物理量。之前已有多种传感器可以用来测量磁场及其它物理量。但是，这些技术都具有各自的局限性，比如，受到尺寸过大，灵敏度低，动态范围小，成本高，稳定性等各种因素的限制。因此，发展一种磁性传感器，尤其是能方便的与半导体器件和集成电路集成在一起，并易于制造的磁传感器仍然是一种非常迫切的需要。 
磁隧道结（MTJ）传感器具有灵敏度高，尺寸小，低成本，功耗低的特点。虽然MTJ器件可以很好的与标准的半导体制造工艺兼容，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桥式磁场角度传感器，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：一种独立封装的桥式磁场角度传感器，该传感器包括两个半桥传感器，每个半桥传感器包括一个传感器芯片，其中一个磁电阻芯片相对另一个磁电阻芯片旋转90度排列，传感器芯片被固定在标准的半导体封装的引线框上，每个传感器芯片包括一阻止固定的参考电阻和一响应于外磁场改变的感应电阻；每个参考电阻和感应电阻包括多个MTJ或GMR传感器元件，这些MTJ或GMR传感器元件作为单独的磁电阻元件以阵列的形式相互连接，每个参考电阻和感应电阻还包括条形永磁铁，在各列磁电阻元件中间为磁电阻元件提供偏置场；所述感应电阻的电阻值与外磁场在磁电阻传输曲线的一段范围内呈线性的关系；该传感器芯片的引线焊盘设置为使磁电阻元件的每个引脚用于连接多条接合线；磁电阻传感器芯片相互之间以及与引线框之间都通过引线接合连接，以构成一桥式传感器；引线框和传感器芯片密封在塑料之中，以形成一标准的半导体封装。 
　　一个独立封装的桥式磁场角度传感器，该传感器包括两个全桥传感器，每个全桥传感器包括一两个半桥传感器，每个半桥传感器包括一个MTJ或GMR磁电阻传感器芯片，该传感器芯片被固定在标准半导体封装的引线框上；每个传感器芯片包括一阻值固定的参考电阻和一响应于外磁场改变阻值的感应电阻；每个参考电阻和感应电阻包括多个MTJ或GMR传感器元件，这些MTJ或GMR传感器元件作为单独的磁电阻元件以阵列的形式相互连接，每个参考电阻和感应电阻还包括条形永磁铁，在各列磁电阻元件中间为磁电阻元件提供偏置场；感应电阻的电阻值与外磁场在磁电阻传输曲线的一段范围内呈线性的关系；传感器芯片的引线焊盘设置为使磁电阻元件的每个引脚可以连接多条接合线；磁电阻传感器芯片相互之间以及与引线框之间都通过引线接合连接，以构成一桥式传感器；引线框和传感器芯片密封在塑料之中，以形成一标准的半导体封装。 
　　优选地，第一个全桥传感器中的一个传感器芯片与该全桥传感器种的另外一个传感器芯片同向排布，第二个全桥传感器中的一个传感器芯片相对该全桥传感器中的另外一个传感器芯片旋转90度排布。 
　　优选地，第一个全桥传感器中的一个传感器芯片与该全桥传感器种的另外一个传感器芯片同向排布，第二个全桥传感器中的一个传感器芯片相对该全桥传感器种的另外一个传感器芯片旋转90度排布。 
　　优选地，所述磁电阻元件呈椭圆形。 
　　优选地，所述参考电阻的磁电阻元件与所述感应电阻的磁电阻元件具有不同的形状比例。 
　　优选地，所述参考电阻被一个或几个磁屏蔽层从外磁场中隔离开来。 
　　优选地，所述传感器芯片上设置有用于驱动其工作的偏置电压或偏置电流。 
　　优选地，所述传感器芯片在装配之前进行测试和分级，以使传输特性曲线更好地匹配。 
　　优选地，采用并排的方式设置桥式磁场角度传感器以用于检测低磁场梯度的角度。 
优选地，采用共同中心的方式设置桥式磁场角度传感器以用于检测高磁场梯度的角度。 
附图说明
　　图1是参考层磁化方向指向负H方向的自旋阀（GMR和MTJ）传感元件的磁电阻响应示意图。 
　　图2是具有固定的参考电阻和感应电阻的TMR半桥示意图。 
　　图3是磁电阻芯片的半桥的一种实施方式，其中参考电阻和感应电阻由多个MTJ元件组成，条形的片状永磁铁用来给MTJ元件提供一个偏置场。 
　　图4是本发明公开的采用两个半桥磁电阻的角度传感器的原理图。 
　　图5是角度传感器两个独立半桥的输出电压随磁场角度的输出特性曲线。 
　　图6是一由两个半桥磁电阻传感器芯片组成的角度传感器的实施例，其中两个半桥相互旋转90度，两个芯片放置成标准的半导体封装形式。 
　　图7是一由每一半桥具有参考电阻的两个全桥组成的角度传感器示意图。 
　　图8是一由两个全桥组成的角度传感器实施例，每个全桥由同一方向的两个磁电阻芯片组成，磁电阻芯片安置在标准的半导体封装内。 
　　图9是由在同一分支上具有两个相同的参考电阻的两个全桥组成的角度传感器示意图。 
图10是另一由两个全桥组成的角度传感器的实施例，每一全桥由两个磁电阻传感芯片相对旋转180度后安置组成，磁电阻芯片安置在标准的半导体封装内。 
具体实施例
　　传感元件由自旋阀构成，自由阀包括磁性固定层和磁性自由层。磁性固定层可以是一单一的磁性层或是合成的铁磁性结构，被一磁性固定层钉住。磁性自由层在自旋阀中能够响应外加磁场的方向而转动。自旋阀的电阻随着磁性自由层相对于磁性固定层（被钉扎住）的方向变化，其次随着磁性自由层上的磁场变化。在MTJ元件中，磁性自由层和磁性固定层由势垒分隔开来，电流流过势垒。在GMR元件中，磁性自由层和磁性固定层由非磁金属层分隔开来。电流可以在多层薄膜的面内流过或垂直于该面流向。 
　　如图1所示，是通常的适合于线性磁场测量的GMR和MTJ磁性传感元件的磁电阻传输特性曲线的示意图，图中的传输曲线显示饱和的低电阻1和高电阻2，电阻值分别为RL和RH。在两饱和点之间，传输曲线随外磁场H而线性变化。非理想情况下，传输曲线并不关于H=0的点对称。负向饱和场4和正向饱和场5由于磁性自由层和磁性固定层之间的层间耦合作用而不同，通常会存在一定的输出偏置。层间耦合的一个主要来源是称为柰尔（Neel）耦合或是“orange pee”耦合，这与GMR和MTJ结构中的铁磁薄膜的粗糙度有关，主要由材料和制造工艺决定。 
　　在位于负向饱和场4和正向饱和场5之间的工作区域，MTJ和GMR的理想响应是线性的。MTJ元件的灵敏度，即图1中传输曲线中的斜线3的斜率，则主要由自由层响应于外磁场的刚度决定。斜率可以通过改变MTJ元件的形状来调整。通常MTJ元件被成型为长条形状，包括但不限于椭圆、矩形、菱形，其相对于钉扎层正交定位。有时候，磁性自由层可以通过永磁体偏置或稳定到与钉扎层垂直的方向。有时候，在高灵敏度场合，磁通聚集器或磁通诱导能够集成到磁场传感器中，以使得在MTJ元件的自由层上的磁场被放大，从而实现更高的灵敏度。 
　　图2是半桥组态10的示意图，其中，偏置电压15施加于由具有固定电阻的一参考电阻13和一阻值响应于外磁场的感应电阻14构成的串联的一端，另一端11接地（GND），输出电压12即是感应电阻两端的电势差。 
　　图3显示了一种磁电阻芯片半桥20的设计。在这一设计中，参考电阻23和感应电阻24分别由多个MTJ元件231和241构成，分别被排成几列。MTJ元件串联在一起以构成参考电阻和感应电阻。在各列MTJ元件之间，有条状的永磁铁（PM）26，使MTJ自由层偏置到垂直于钉扎层的方向，在这种情况下，条状PM应参照磁性固定层的磁化方向。在芯片制备中，条状PM必须磁化到垂直于磁性固定层的方向，以为磁性自由层提供稳定的偏置场。条状PM并不需要制作在和MTJ相同的平面内。然而，条状PM需要靠近MTJ，以提供足够强度的有效偏置场。由于参考电阻对外磁场不敏感，所以参考MTJ元件231可以相对感应MTJ元件241具有不同的形状和/或不同比例系数以获得更大形状各向异性和在外磁场的作用下保持不变。可选地，可以在芯片中为参考MTJ元件集成一屏蔽外磁场/外磁通的磁屏蔽层27。通常，屏蔽层是位于参考MTJ元件顶上的一片状软磁层，并覆盖遮住所有元件，以将元件从外磁场屏蔽开来，使得边界外部的磁场不对MTJ元件产生影响。 
　　图4示出了本发明公开的角度传感器的原理图。传感器由两个分别响应X和Y磁场分量的独立的半桥组成，由传感器的方向决定。在一个与传感器夹角为90度的外磁场H作用下，输出电压37、38分别正比于HCosθ,HSinθ,从而可以确定外磁场H的大小和方向。两个独立的半桥可以具有相同的供电电压Bias和地Gnd引脚。在本发明中可以采用电压偏置或是电流偏置工作方式。图5示出了输出引脚37、38相对于磁场角度的输出电压曲线。 
　　根据在角度传感器应用中磁块的大小和形状，磁块在角度传感器位置产生的磁场梯度可能会很小或很大。可以区分为三种不同的情况： 
　　低磁场梯度，可以采用并排放置的方式，这一情况误差小，成本低。 
　　中等磁场梯度，如果误差允许可以采用并排放置的方式，或是直接采用共同中心的放置方式。 
　　高磁场梯度，在这种情况下，通常采用共同中心的布置方式以使误差能够足够小。 
　　角度传感器并排放置时，中心距离比较大，使得旋转磁体产生的磁场具有很大的梯度，并可能带来较明显的误差；相对于并排放置的方式，采用共同中心的布置方式，中心点距离越接近，传感器旋转磁体产生的磁场梯度具有更大的耐受性，并产生更小的计算角度的误差。 
　　图6所示是一由如图3所示的两个磁电阻41、42芯片组成的角度传感器。其中一个半桥相对另一半桥旋转90度。43、44分别是同一芯片41中的参考电阻和敏感电阻。45、46分别是中42中的参考电阻和敏感电阻。磁场的余弦分量和正弦分量分别由47和48输出。 
　　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。图7所示是一由两个独立的全桥组成的角度传感器示意图。每一全桥分别具有两支，每支分别一个参考电阻桥臂和一个敏感电阻桥臂。参考电阻分别位于相反的桥臂。输出电压是两个两个敏感电阻输出的差分，比如, Vout1(cos)+与Vout1(cos)是一个全桥的输出，Vout2(sin)+与Vout2(sin)是另一个全桥的输出。两个全桥分别用于检测X分量（余弦分量）和Y分量（正弦分量）的磁场。 
　　图8是一由两个全桥组成的角度传感器60的一实施例。每个全桥由两个如图3所示的磁电阻芯片组成。参照图7，磁电阻芯片61和64在同一个方向上形成一全桥。两个敏感电阻对外磁场的感应方向相同，比如，两个敏感电阻都随磁场X方向分量增加或减小。磁电阻芯片62、63也以同一个方向形成另一全桥。并且与另一全桥相对旋转90度以感应Y方向的磁场分量。之后通过引线联接将共同的供电电压Bias和公共地Gnd连接起来，之后的敏感电压通过Vout1(cos)+与Vout1(cos)，Vout2(sin)+与Vout2(sin)进行输出。 
　　全桥角度传感器可以被制成如图9所示的另一种方式。其中参考电阻处于全桥的同一分支。因此，敏感电阻必须感应相反方向的磁场，意味着一个敏感电阻随着磁场的增大增加，另一个敏感电阻随着磁场的增大减小。这可以通过原片的翻转来实现。如图10所示，磁电阻芯片82、84和芯片83在面内相对芯片81旋转90度，180度，270度。磁电阻芯片81、84组成一个全桥以感应X方向的磁场分量，磁电阻芯片82、83组成一个全桥以感应Y方向的磁场分量。之后通过引线联接将共同的供电电压Bias和公共地Gnd连接起来，之后的敏感电压通过Vout1(cos)+与Vout1(cos)，Vout2(sin)+与Vout2(sin)进行输出，如图10所示。 
　　以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和工艺进行很多修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。 

Claims (10)

1.一种独立封装的桥式磁场角度传感器，其特征是：该传感器包括两个半桥传感器，每个半桥传感器包括一个磁电阻传感器芯片，其中一个磁电阻传感器芯片相对另一个磁电阻传感器芯片旋转90度排列，磁电阻传感器芯片被固定在标准的半导体封装的引线框上，每个磁电阻传感器芯片包括一阻值固定的参考电阻和一响应于外磁场改变的感应电阻；每个参考电阻和感应电阻包括多个MTJ或GMR传感器元件，这些MTJ或GMR传感器元件作为单独的磁电阻元件以阵列的形式相互连接，每个参考电阻和感应电阻还包括条形永磁铁，条形永磁体应参照磁性固定层的磁化方向，在芯片制备中，条形永磁体必须磁化到垂直于磁性固定层的方向，以为磁性自由层提供稳定的偏置场；所述感应电阻的电阻值与外磁场在磁电阻传输曲线的一段范围内呈线性的关系；该磁电阻传感器芯片的引线焊盘设置为使磁电阻元件的每个引脚用于连接多条接合线；磁电阻传感器芯片相互之间以及与引线框之间都通过引线接合连接，以构成一桥式传感器；引线框和磁电阻传感器芯片密封在塑料之中，以形成一标准的半导体封装。
2. 一个独立封装的桥式磁场角度传感器，其特征是：该传感器包括两个全桥传感器，每个全桥传感器包括一两个半桥传感器，每个半桥传感器包括一个MTJ或GMR磁电阻传感器芯片，该磁电阻传感器芯片被固定在标准半导体封装的引线框上；每个所述磁电阻传感器芯片包括一阻值固定的参考电阻和一响应于外磁场改变阻值的感应电阻；每个参考电阻和感应电阻包括多个MTJ或GMR传感器元件，这些MTJ或GMR传感器元件作为单独的磁电阻元件以阵列的形式相互连接，每个参考电阻和感应电阻还包括条形永磁铁，条形永磁体应参照磁性固定层的磁化方向，在芯片制备中，条形永磁体必须磁化到垂直于磁性固定层的方向，以为磁性自由层提供稳定的偏置场；感应电阻的电阻值与外磁场在磁电阻传输曲线的一段范围内呈线性的关系；所述磁电阻传感器芯片的引线焊盘设置为使磁电阻元件的每个引脚连接多条接合线；所述磁电阻传感器芯片相互之间以及与引线框之间都通过引线接合连接，以构成一桥式传感器；引线框和所述磁电阻传感器芯片密封在塑料之中，以形成一标准的半导体封装。
3. 如权利要求 2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：第一个全桥传感器中的一个所述磁电阻传感器芯片与该全桥传感器中的另外一个所述磁电阻传感器芯片同向排布，第二个全桥传感器中的一个所述磁电阻传感器芯片相对该全桥传感器中的另外一个所述磁电阻传感器芯片旋转90度排布。
4. 如权利要求1或2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：所述磁电阻元件呈椭圆形。
5. 如权利要求1或2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：所述参考电阻的磁电阻元件与所述感应电阻的磁电阻元件具有不同的形状比例。
6. 如权利要求1所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：所述参考电阻被一个或几个磁屏蔽层从外磁场中隔离开来。
7. 如权利要求1或2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：所述磁电阻传感器芯片上设置有用于驱动其工作的偏置电压或偏置电流。
8. 如权利要求1或2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：所述磁电阻传感器芯片在装配之前进行测试和分级，以使传输特性曲线更好地匹配。
9. 如权利要求1或2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：采用并排的方式设置桥式磁场角度传感器以用于检测低磁场梯度的角度。
10. 如权利要求1或2所述的桥式磁场角度传感器，其特征是：采用共同中心的方式设置桥式磁场角度传感器以用于检测高磁场梯度的角度。
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