CN102298125B - 推挽桥式磁电阻传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用磁性隧道结的多芯片推挽桥式磁电阻传感器。该磁电阻传感器由放置在一半导体封装内的两个或两个以上磁性隧道结传感器芯片组成。沿平行于该半导体封装的引线框的每个传感轴，分别由两个传感器芯片相互反平行排列。该等传感器芯片使用引线键合法互相连接为一推挽式半桥或惠斯通电桥。该等芯片通过引线键合为各种标准半导体引线框中的任一种，并封装在低成本标准半导体封装中。

Description

推挽桥式磁电阻传感器
技术领域
本发明涉及一种磁电阻传感器，更特别涉及一种采用磁性隧道结的多芯片推挽桥式磁电阻传感器。
背景技术
磁性传感器广泛地应用于现代测量系统中，用以测量或检测物理参数，包括但不限于磁场强度、电流、位置、移动、方向。在现有技术中，已存在许多用于测量磁场和其他参数的不同类型的传感器。但是，在该技术中所熟知的是，这些技术都具有各自的局限性，例如，尺寸过大、灵敏度和/或动态范围不足、成本高、可靠性差和其他因素。因此，仍存在对改善型磁性传感器的需求，特别是能容易与半导体器件和集成电路及其生产方法集成为一体的传感器。
磁性隧道结（MTJ）传感器具有高灵敏度、小尺寸、低成本、低功耗的优点。虽然MTJ器件可以与标准半导体制造工艺兼容，但是还没有充分地开发出一种用于建立对低成本生产具有大批量的高灵敏度传感器的方法。尤其是，因MTJ传感器的磁电阻响应偏移导致的产量问题，以及当结合形成桥式传感器时，匹配MTJ元件的磁电阻响应已被证明存在很大困难。
发明内容
为克服现有技术中的上述问题，本发明提供了一种采用磁性隧道结的多芯片推挽桥式磁电阻传感器。
本发明采用的技术方案是：
 一种推挽式半桥磁电阻传感器，该传感器包括：  
 一或多对MTJ或GMR磁电阻传感器芯片，其中每对中有一个传感器芯片相对另一个旋转180度，且该等传感器芯片附于一标准半导体封装引线框；
每个传感器芯片包括互相连接为一单一磁电阻元件的一或多个MTJ或GMR传感器元件；
该MTJ或GMR元件具有在其磁电阻传输曲线上的某一段线性正比于外磁场的一电阻值；
磁电阻传感器芯片具有相似的R H 和R L 值；
传感器芯片的焊盘经设计以使得在磁电阻元件的各侧可以附着一个以上的接合线；
磁电阻芯片通过引线相互接合，并通过引线与引线框连接，以生产一推挽式半桥传感器。
进一步地，每个磁电阻传感器芯片的内在饱和场减去该传感器芯片传输曲线的偏置磁场大于该桥式传感器所要测量的最大磁场。
更进一步地，该等传感器芯片在组装前经过测试并分拣以更好地匹配其传输特性曲线。
优选地，两个半桥彼此相对90度定向以产生一双轴磁电阻传感器。
进一步地，该引线框和传感器芯片封装在塑料中以形成一标准半导体封装。
一种推挽式全桥磁电阻传感器，该传感器包括：  
一或多对相同的MTJ或GMR磁电阻传感器芯片，其中每对中有一个传感器芯片相对另一个芯片旋转180度，且该等传感器芯片附于一标准半导体封装引线框；
每个传感器芯片经配置为一对磁电阻元件，且该对中的每个磁电阻元件由一串一或多个GMR或MTJ元件组成；
该MTJ或GMR元件具有在其磁电阻传输曲线上的某一段线性正比于一外磁场的一电阻值；
该等磁电阻传感器具有相似的R H 和R L 值；
每个传感器的焊盘经设计使得在每一磁电阻元件的各侧可以附着一个以上接合线；
每个磁电阻传感器芯片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线，因此传感器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；
磁电阻传感器芯片构成的全桥的输入和输出连接引线键合至引线框上。
进一步地，每个磁电阻传感器芯片的内在饱和场减去传输曲线的偏置磁场大于该桥式传感器所要测的最大磁场。
更进一步地，该等传感器在组装前经过测试并分拣以更好地匹配其传输曲线特性。
优选地，该引线框和传感器芯片封装在塑料中以形成一个标准半导体封装。
再进一步地，两个全桥彼此相对90度定向以产生一个双轴磁电阻传感器。
进一步地，每个磁电阻传感器芯片的固有内部饱和场减去传感器芯片传输曲线的偏置磁场后大于该桥式传感器所要测量的最大磁场。
更进一步地，该等传感器芯片在组装前经过测试和分拣以更好地匹配其传输曲线特性。
优选地，其中该引线框和传感器芯片封装在塑料中以形成一标准半导体封装。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的推挽桥式磁电阻传感器采用标准的半导体封装，其包括至少一对MTJ传感器芯片，其中一个芯片相对另一个芯片旋转了180度。在这种布置中，假定每一个MTJ传感器芯片的磁电阻响应的偏置小于意欲测量的最大磁场，MTJ传感器芯片的所结合偏置消除，进而具有近乎理想的响应。
附图说明
图1为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曲线示意图。
图2为参考层磁化方向指向正H方向的自旋阀（GMR和MTJ）传感元件的磁电阻响应曲线示意图。
图3为由磁电阻传感器构成的半桥示意图。
图4为R + 连接到偏置电压V bias ，R - 连接到地的推挽式半桥的输出示意图。
图5为R - 连接到偏置电压V bias ，R + 连接到地的推挽式半桥的输出示意图。
图6为展示两个磁电阻传感器彼此相对指向，且互相连接成一半桥传感器的图。
图7为两个磁电阻芯片放置在一标准半导体封装内形成一个推挽式半桥的示意图。
图8为在一标准半导体封装内的一个完整的半桥传感器示意图。
图9为由磁电阻元件组成的全桥传感器示意图。
图10为推挽式全桥磁电阻传感器的磁场输出特性示意图。
图11为两个磁电阻芯片可彼此相对定位，且互相连接以形成一个推挽式全桥的示意图。
图12为两个磁电阻传感器芯片放置在一标准半导体封装中以形成一个推挽式全桥的示意图。
图13为在一标准半导体封装内的一个完整全桥传感器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清除明确的界定。
如图1、2所示，是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一般形式。传输曲线显示，传感器在饱和时分别显示出相对的低电阻值RL和高电阻值RH。在饱和前的原点区域，传输曲线显示的电阻随外磁场H线性变化。不理想情况下，传输曲线并不关于H=0的原点对称。饱和场 4、5、14、15通常相对于H0点有一定的偏置电压，因此低电阻时RL时的饱和场接近于H=0的点。H0值的通常的范围是1到25 Oe，其常称为“柑橘皮（Orange-peel）”或奈耳（Neel）耦合。这与GMR和MTJ结构内的铁磁薄膜的粗糙度有关，且取决于材料和制造工艺。
图1和图2中的传输曲线相互对称，他们通常代表外加磁场相对于传感元件的两个不同方向。这里，+/-代表钉扎层的磁化方向相对于测量方向相同或相反，每个感应桥臂的电阻可以写成：
   
Figure 493647DEST_PATH_IMAGE001
                    （1）
    
Figure 692547DEST_PATH_IMAGE002
                   （2）
假定磁电阻元件23(R-)和24(R+)串联成如图3所示的一个半桥，并通过偏置电压Vbias 20进行偏置，则由与钉扎层反向的该两个感应桥臂组成的一个半桥的输出可由两个不同方式中的一种写出，取决于传感元件23、24中哪一个连接到地，哪一个连接到Vbias。对于图3，半桥响应可写为：
Figure 2011101349425100002DEST_PATH_IMAGE003
   （3）
在Vbias和地互换位置的情况下，输出可以写成：
Figure 236792DEST_PATH_IMAGE004
   （4）
差分半桥的传输曲线30和40如图4和图5所图示。注意到，在区间35和45，其中半桥传感器的响应与外磁场之间呈线性，并关于H=0，V=Vbias/2点36、46对称，虽然事实上个别传感元件并非关于H=0点对称。此外，注意到线性区间30和40的范围小于每个个别传感元件的传输曲线的线性区间R+3和R- 13。方程可以写成以磁电阻为变量的形式：
假定磁电阻表达为：MR = (R H -R L )/R L
则
Figure DEST_PATH_IMAGE005
                      （5）
                      （6）
以上方程仅在线性区间35、45成立。
注意到，响应电压与偏置电压的极性相关，分别如点36、46中相对原点偏差Vbias/2 。方程5和6预示着半桥输出的灵敏度随着MR的增加而增加，随着饱和场 Hs的减小而减小。
半桥中的外部的线性区间被从2Hs减小为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
                                        （7）                                              
在H0小于Hs的情况下，传感器用作一个线性传感器，但是线性磁场范围减小。如果R+和R-传感元件的偏置为相反方向，则这种行为对于所有推挽式全桥来说是普遍存在的。
为了保证半桥在所需要的线性区间范围内具有良好的线性，因此需要每个磁电阻元件的Hs大于传感器意欲测量的磁场区间的最大值，并具有如下关系：
   
Figure 859852DEST_PATH_IMAGE008
                                      （8）                                           
此处，Hmax是桥传感器意欲测量的最大磁场。
图6展示用于半桥磁场传感器的磁电阻传感器芯片的一种可能的布置和设计，该半桥磁场传感器沿轴50对磁场敏感。此处，两个传感器芯片51和52相对旋转180度放置，因此它们的参考层指向相反的方向，如图6中箭头方向所示。右边半桥的三个终端55、56、57用于分别与Vbias、VA/VB、GND进行电气连接。传感器芯片可包含用夹层中导线串联起来的一个阵列的MTJ或GMR元件以增加整个芯片的电阻。传感器芯片通过引线53互相连接。接合焊盘经设计使得磁电阻元件54的一侧可具有一个以上焊盘。
图7是推挽式磁电阻传感器的标准半导体封装的一种可能的引线图，相反方向的传感器51、52固定在引线框上的引脚67，并引线键合至引线框端子65、66、67。然后，如图8所示封装在塑料中，且引线框端子65、66、67形成塑料封装68的连接销。图7、图8仅仅表示多种可能封装配置中的一种。
一全桥推挽式传感器的原理图如9所示，该传感器实质上由两个半桥组成，两个半桥VA（H）、VB（H）并联在偏置电压Vbias 70 和GND 71之间。因此该传感器由四个磁电阻元件组成，两个R-电阻75、77，两个R+电阻74、76.
因此，全桥的输出为：
   
Figure 596864DEST_PATH_IMAGE009
                                   （9）
响应80如图10所示。在H=0两边的80和82之间的一个有限磁场范围，输出为线性的且与磁场之间关系如下：
Figure 52072DEST_PATH_IMAGE010
    （10）
与半桥的输出响应30和40 不同，全桥输出响应V（H）80的电压响应是双极性的，并且对磁场H的响应的灵敏度是其两倍。根据磁电阻其可表达如下：
Figure 481917DEST_PATH_IMAGE011
      （11）
与半桥传感器相同，全桥的灵敏度随着MR的增加而提高，且该灵敏度随HS增加而降低。对于MR值远大于(Hs+Ho)/(2Hs)的情况，响应灵敏度增加变得不明显。该点对应的MR值现在为>500%。
图11展示了由两个传感器芯片91、92相互旋转180度构成一全桥的布置图。每个传感器芯片由一对磁电阻94构成。每一个磁电阻由一串一或多个MTJ或GMR传感单元构成。每个磁电阻传感器芯片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线结构95传感器芯片的每一边磁电阻元件的引线可以通过交叉导线结构95交换相对位置，允许两个芯片在没有外部引线93在不交叉的情况下连接成推挽式全桥传感器。该全桥磁电阻传感器主要用来检测沿与参考层方向共线的轴90方向的磁场。
图12展示了两个传感器芯片91、92固定在封装引线框100上的一种可能的布置方式。两个传感器芯片通过引线103键合到引脚V A  101、V B  102、V Bias  104和GND 105。
图13所示是将引线框和传感器芯片封装在塑料103中以形成一个标准半导体封装110。如果需要，传感器芯片可以在封装之前进行测试和分拣以更好的匹配和获得更好的性能。这可以通过传感器芯片的硅片级（Wafer Level）测试和对不同分区中的原片进行分类来实现。因此如图6中封装在一起的原片能够很好的匹配。
以上对本发明的特定实施例进行了说明，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 (13)

1.一种推挽式半桥磁电阻传感器，其特征在于该传感器包括：  
 MTJ或GMR磁电阻传感器芯片，所述MTJ或GMR磁电阻传感器芯片为一对或多对，其中每对中有一个磁电阻传感器芯片相对另一个旋转180度，且所述磁电阻传感器芯片附于一标准半导体封装引线框； 
每个磁电阻传感器芯片包括互相连接为一单一磁电阻元件的MTJ或GMR传感器元件，所述MTJ或GMR传感器元件为一或多个；
所述MTJ或GMR传感器元件具有在其磁电阻传输曲线上的某一段线性正比于外磁场的一电阻值；
所述磁电阻传感器芯片具有相似的RH值和RL值；
所述磁电阻传感器芯片的焊盘经设计以使得在所述单一磁电阻元件的各侧附着一个以上焊盘；
所述磁电阻传感器芯片通过引线相互接合，并通过引线与引线框连接，以形成一推挽式半桥磁电阻传感器。
2.如权利要求1所述的推挽式半桥磁电阻传感器，其中每个磁电阻传感器芯片的内在饱和场减去该磁电阻传感器芯片传输曲线的偏置磁场大于该推挽式半桥磁电阻传感器所要测量的最大磁场。
3.如权利要求2所述的推挽式半桥磁电阻传感器，其中所述磁电阻传感器芯片在组装前经过测试并分拣以更好地匹配其传输曲线特性。
4.如权利要求3所述的推挽式半桥磁电阻传感器，其中两个半桥彼此相对90度定向以产生一双轴磁电阻传感器。
5.如权利要求1所述的推挽式半桥磁电阻传感器，其中该引线框和磁电阻传感器芯片封装在塑料中以形成一标准半导体封装。
6.一种推挽式全桥磁电阻传感器，其特征在于所述传感器包括：  
相同的MTJ或GMR磁电阻传感器芯片，所述MTJ或GMR磁电阻传感器芯片为一或多对，其中每对中有一个磁电阻传感器芯片相对另一个芯片旋转180度，且所述磁电阻传感器芯片附于一标准半导体封装引线框； 
每个磁电阻传感器芯片经配置为一对磁电阻元件，且该对中的每个磁电阻元件由一串GMR或MTJ元件组成，所述GMR或MTJ元件为一或多个；
所述MTJ或GMR元件具有在其磁电阻传输曲线上的某一段线性正比于一外磁场的一电阻值；
所述磁电阻传感器芯片具有相似的RH和RL值；
所述磁电阻传感器芯片的焊盘经设计使得在每个磁电阻元件的各侧附着一个以上焊盘；
每个磁电阻传感器芯片具有一分别位于顶层和底层的交叉导线，以使得所述磁电阻传感器芯片的每一边磁电阻元件的引线可以交换相对位置，允许两个芯片在没有外部交叉引线的情况下连接成推挽式全桥磁电阻传感器； 
所述磁电阻传感器芯片构成的全桥的输入和输出连接引线键合至引线框上。
7.如权利要求6所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中每个磁电阻传感器芯片的内在饱和场减去传输曲线的偏置磁场大于该推挽式全桥磁电阻传感器所要测的最大磁场。
8.如权利要求7所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中所述磁电阻传感器芯片在组装前经过测试并分拣以更好地匹配其传输曲线特性。
9.如权利要求8所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中该引线框和磁电阻传感器芯片封装在塑料中以形成一个标准半导体封装。
10.如权利要求6所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中两个全桥彼此相对90度定向以产生一个双轴磁电阻传感器。
11.如权利要求10所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中每个磁电阻传感器芯片的固有内部饱和场减去磁电阻传感器芯片传输曲线的偏置磁场后大于该推挽式全桥磁电阻传感器所要测量的最大磁场。
12.如权利要求11所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中所述磁电阻传感器芯片在组装前经过测试和分拣以更好地匹配其传输曲线特性。
13.如权利要求12所述的推挽式全桥磁电阻传感器，其中该引线框和磁电阻传感器芯片封装在塑料中以形成一标准半导体封装。
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