CN102538659A - Xmr角度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及XMR角度传感器。实施例涉及XMR传感器、传感器元件和结构、以及方法。在一个实施例中，传感器元件包括非细长XMR结构；以及在XMR结构上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在XMR结构中感应非均匀电流方向和电流密度分布。

Description

XMR角度传感器
技术领域
本发明总体涉及集成电路（IC）传感器，并且更具体涉及磁阻IC角度传感器。
背景技术
磁阻传感器可以包括各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）、隧道磁阻（TMR）和其他技术，这些技术统称为xMR技术。XMR传感器可以用于多种应用，尤其包括磁场和电流传感器、速度传感器、旋转传感器和角度传感器。
AMR角度传感器的准确度受到磁性各向异性和磁滞效应限制。关键影响因素是结构边缘附近的磁域，这是由于由消磁磁场引起的形状各向异性在边缘附近最强。此外，与蚀刻工艺相关的边缘处的缺陷可以充当锁住中心（pinning center），这些锁住中心潜在地导致负责磁滞效应的域产生。尽管可以使用更宽的AMR条带来减小形状各向异性，但是这需要更大的芯片大小以及更大的信号场磁体。
然而，在GMR和TMR角度传感器中，AMR效应是寄生的且不期望的。典型地，TMR结构需要顶部接触和底部接触以感应与传感器平面垂直的电流。如果使用TMR电流在平面内（CIP-TMR）概念，则可以使用与对于GMR传感器相同的结构，从而获得更高的传感器信号。完全补偿后剩余的角误差的主要原因是磁各向异性效应以及如前所述的AMR效应（其被认为是寄生的）。可以使用具有正交条带长度轴的成形弯曲来抑制AMR效应。为了减小任何剩余各向异性效应，可以使条带宽度变得更宽，从而增大芯片大小，这是不期望的并且增加成本。
因此，仍需要一种改进的xMR传感器。
发明内容
实施例涉及xMR传感器、传感器元件和结构、以及方法。在一个实施例中，一种传感器元件，包括：非细长（non-elongated）xMR结构；以及在xMR结构上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在xMR结构中感应非均匀电流方向和电流密度分布。
在一个实施例中，一种传感器，包括：第一非细长xMR元件，具有在该第一xMR元件上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在该第一xMR元件中感应局部非均匀电流方向和电流密度分布，并且该第一xMR元件中的净电流方向定义了第一轴；以及第二非细长xMR元件，具有在该第二xMR元件上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在该第二xMR元件中感应局部非均匀电流方向和电流密度分布，并且该第二xMR元件中的净电流方向定义了第二轴，所述第二轴基本上相对于所述第一轴正交。
在一个实施例中，一种传感器元件，包括：非细长xMR元件；第一接触区，形成在xMR元件上并耦合至第一端子；第二接触区，形成在xMR元件上，并且耦合至第二端子并沿第一接触轴与所述第一接触区间隔开；以及第三接触区，形成在xMR元件上，并且耦合至所述第二端子并沿相对于所述第一接触轴旋转九十度的第二接触轴与所述第一接触区间隔开。
在一个实施例中，一种方法，包括：形成xMR传感器元件；在所述xMR传感器元件上多个接触区，所述多个接触区彼此间隔且紧接于（proximate）所述xMR传感器元件的边缘；以及使电流在所述xMR传感器元件中以局部非均匀电流方向和电流密度分布流动。
附图说明
结合附图考虑本发明的各个实施例的以下详细说明，可以更彻底地理解本发明，在附图中：
图1是根据一个实施例的xMR结构的框图。
图2是根据一个实施例的xMR结构的图。
图3是根据图2的实施例的仿真电流方向分布的图。
图4是根据图2的实施例的仿真电流密度分布的图。
图5是图2的实施例的0至90度象限的相对于垂直轴的电流角度的分布直方图。
图6A是根据一个实施例的xMR结构的图。
图6B是根据一个实施例的xMR结构的图。
图6C是根据一个实施例的xMR结构的图。
图7是根据图6的实施例的仿真电流方向分布的图。
图8是根据图6的实施例的仿真电流密度分布的图。
图9是图6的实施例的0至90度象限的相对于垂直轴的电流角度的分布直方图。
图10是根据一个实施例的xMR结构的图。
图11是根据图10的实施例的仿真电流方向分布的图。
图12是根据图10的实施例的仿真电流密度分布的图。
图13是图10的实施例的0至90度象限的相对于垂直轴的电流角度的分布直方图。
图14是根据一个实施例的xMR结构的图。
图15是根据一个实施例的仿真电流密度分布的图。
图16是根据一个实施例的xMR结构的图。
图17是根据一个实施例的xMR结构的图。
图18是根据图17的实施例的仿真电流方向分布的图。
图19是根据图17的实施例的仿真电流密度分布的图。
图20是根据一个实施例的xMR结构的图。
本发明可做各种修改并具有替换形式，而已经在附图种作为示例示出了本发明的细节并将详细描述这些细节。然而，应当理解，并不意在将本发明限于所描述的具体实施例。相反，意在覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同替换和备选方案。
具体实施方式
实施例涉及具有含有非常低的形状各向异性效应的xMR结构的xMR传感器。xMR结构可以包括各向异性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）或隧道磁阻（TMR）技术。在实施例中，xMR结构可以被成形为使得其呈现正交净电流方向，例如圆形。在其他实施例中，xMR结构可以是正方形、椭圆形、细长矩形（slightly rectangular）、八边形、六边形或者具有某种其他多边配置。一般地，xMR结构是非细长的，其宽度或第一横向尺寸不显著大于或小于与第一横向尺寸成近似90度的长度或第二横向尺寸，或者其中，在实施例中，第一尺寸与第二尺寸之比小于大约1.5。实施例还包括点电流接触、条带电流接触或其他接触以及被配置为获得相对于净电流的正和负角度的分布的接触区结构。
从而，实施例使谐波滤波效应能够得以利用。此外，在实施例中，电流密度是非均匀的并且在磁性不利的边缘区中减小。此外，由于实施例中的接触设计，可以修改电流分布，以实现电流方向的角度分布的变化，从而改变和调整谐波滤波效应。此外，与在整个结构宽度上具有均匀电流分布的结构相比，方块电阻是显著增强的，从而在相同传感器大小下降低功耗。
不同的接触设计可以影响电流角度和电流密度的分布。当考虑调整接触设计时，可以考虑AMR结构的单片集成的概念，例如在其全部内容合并于此以供参考的共同所有的DE 10 2005 047482 A1中所公开的。参照图1，xMR部分（这里被示作GMR）与布线金属之间的接触是通过AMR结构之下的导电通孔实现的。由于通孔大小在实施例中可以小至0.4微米（μm）乘0.4 μm或者其大小可以更大（例如长通孔或条带接触部），因此多种不同的接触设计是可能的。此外，导电通孔还可以用于形成高度导电（与AMR材料相比）区从而影响电流分布。在以下更详细讨论的实施例中，接触区包括金属和/或至少部分是金属。
因此，参照图2，结合点接触区204示出了圆形xMR元件或结构202的实施例，例如图2的实施例中的AMR。点接触区204可以紧接于xMR结构202的边缘但与xMR结构202的边缘间隔开。在实施例中，点接触区204可以包括用于将xMR结构202耦合至基础（underlying）布线金属或其他结构的通孔。
在一个实施例中，xMR结构202的直径是大约14 μm，并且接触区204的直径是大约1 μm或更小，但是在其他实施例中，这些和其他尺寸可以变化。例如，在实施例中， xMR结构202的直径可以从大约1 μm变化至大约100 μm或更大，例如在实施例中大约5 μm至大约20 μm。尽管在图2的实施例中xMR结构202基本上是圆形的，但是形状可以在其他实施例中变化并且可以是例如长方形或多边的，例如六边形、八边形、正方形或某种其他形状。
当向接触区204施加电压时，电流方向局部变化。图3针对xMR结构202的实施例示出了相对于由电压梯度定义的垂直轴而得到的电流方向的仿真局部分布。图3示意了可以如何通过以与更改xMR结构自身的几何结构的传统尝试不同的方式调整接触区204来改变结构202中的电流方向分布。
AMR效应与sin(α)2成比例，其中，α是磁化与电流方向之间的角度。因此，相对于垂直轴的正和负角度是等效的，上和下半空间也是等效的。因此，仅考虑0与90度之间的角度。在所示的示例仿真中，主要电流方向沿着垂直0度轴，另一部分分布在0度与45度之间。在接触部204附近的一些区中，可以看到角度大于45度的更多水平方向（参照例如图5）。在图3中，不利用局部电流密度加权的平均电流方向被计算为相对于垂直定向大约+/-22度。
图4示出了xMR结构202的仿真电流密度分布。由于接触区204的大小有限，使得电流密度在xMR结构202上是非均匀的。如图4中可见，xMR结构202的左和右边缘展现出与中心区相比更低的电流密度。因此，对于磁性能来说关键的边缘区不完全贡献于电传感器信号，从而减小了角误差。可以通过利用局部电流密度对sin(α)2进行加权来计算电流方向的分布对AMR输出信号的影响。根据teh数值仿真，AMR信号预计与均匀电流分布的情况相比低大约47%。另一方面，在一个实施例中电阻增大92%。通过比较，在具有均匀电流分布的条带结构实施例中，这仅可以通过以下操作来实现：将条带宽度近似二等分，这将进而与角误差的显著增大有关。在图4中，电阻是约1.9平方（squares）。图5中示出了对应的分布直方图。
图6A中示出了xMR结构或元件602的另一实施例。XMR结构602包括2个长的条带状通孔接触部604。如图7中可见，图6A的实施例中的仿真电流方向沿垂直轴更加对齐（aligned），这还可见于图8中的窄得多的电流方向分布，从而得到相对于垂直轴大约+/-11度的平均电流角度。图9中示出了对应的分布直方图。
在图6A的实施例中，AMR信号预计与均匀电流分布的情况相比低大约14%。另一方面，在一个实施例中电阻大约高出20%。
图6B和6C中示出了其他实施例，其中，xMR结构602与图6A的实施例至少有点类似。在图6B中，xMR结构602包括2个条带状接触部604，其中每一个包括多个间隔开的单个通孔605。对于冗余（例如，为了在特定通孔605由于例如分层而失去其接触部的情况下确保传感器功能），可以如图6C所示将通孔605置于第二条线或阵列中。只要至少一条线中的通孔605展现出xMR结构602的合适接触部604，通孔605一般就不影响xMR结构602中的电流分布。在其他实施例中，接触部604和通孔605的数目、安置和配置可以变化，例如通过相对于如图6所示包括更多或更少通孔605或者在相对于彼此的其他布置以及xMR结构602中。此外，本文其他位置处示出和讨论的其他实施例还可以包括具有多个通孔的接触部。
图2和6的xMR结构202和602分别示范了不同接触设计可以如何影响电流分布从而影响对谐波滤波效应以及比电阻的效果。未具体示出的其他实施例包括：与改变点、条带和其他接触部和接触区配置相结合，改变圆形或多边xMR结构配置。改变配置和/或组合的能力使得实施例中具有多个优势。例如，本文公开的圆形或多边AMR结构的优势可以包括具有较低角误差和较低磁滞的低形状各向异性；当与变化的接触设计相结合时，优势还可以包括可调整的电流方向分布和可调整的谐波滤波效应以及可调整的电流密度分布、进一步减小的形状各向异性效应、进一步减小的磁滞效应和增大的比电阻。
图10中示出了另一实施例，其中，xMR结构或元件1002包括另一接触设计。每个接触区1004包括点接触部1006和2个相邻的导电和电绝缘条带结构1008。条带结构1008一般是高度导电的，其电导率取决于几何大小并且在实施例中与AMR/GMR薄膜电阻相比是其大约5倍至大约50倍高。在一个实施例中，条带结构1008并不直接耦合至电压。由于与xMR结构1002的AMR材料相比条带结构1008的电导率较高，因此电场分布变化，从而产生与图6所示的条带接触部实施例类似的电流方向分布。在图10的实施例中，并且还参照图11，平均电流方向是大约+/-17度，从而导致与均匀电流分布的情况相比，AMR信号预计为低大约32%并且比电阻高大约62%。图12示出了xMR结构1002的仿真电流密度分布，而图13是相对于垂直轴的电流角度分布的直方图。
在一个实施例中，多个xMR结构或元件串行耦合，例如图14所示。这种配置可以在期望或需要电流方向分布的扩展的情况下实施。在图14的实施例中，多个xMR结构1402的串行耦合可以提供垂直轴的变化的倾角或者电压梯度，从而可以获得期望轴。对于有效的谐波滤波，倾角以均等的正和负值成对出现。换言之，在结构1402b的电压梯度轴与期望轴之间形成第一角度-Φ，并且在结构1402c的电压梯度轴与期望轴之间形成第二角度+Φ，第一和第二角度相等但具有相反的符号。在一个实施例中，相邻xMR结构1402的接触部1404通过金属连接器1406耦合，但是在实施例中，连接器1406的大小、形状、配置和定向可以与如图14的实施例中所示不同。
如前所述，AMR实施例中期望的AMR效应在GMR和TMR实施例中是寄生的。因此，在这些实施例以及可能的其他实施例中，期望抑制AMR效应。在实施例中，这可以至少部分地通过与正交电流馈电相结合地实施圆形或多边GMR和TMR结构（例如本文以上部分所讨论）而实现。这提供了具有最小形状各向异性的结构（例如圆形），从而提供了最小角误差。由于传感器层通常包括NiFe合金，因此，GMR和TMR器件中的AMR效应造成其余的角误差。展现正交电流方向的GMR/TMR元件的组合将导致对AMR感应的电阻改变的消除，从而在实施例中抑制AMR效应对角度准确度的影响。
GMR或TMR器件的实施例与图2的器件非常相似或相同，区别在于xMR结构202包括GMR或TMR结构或元件。根据实施例的仿真，接触部204的点接触设计产生了非均匀电流分布：大部分载流子在GMR/TMR结构202的中间区中流动，这对于低各向异性误差的输出信号来说是有利的，这是由于边缘区展现出不利的磁特性。实施例中的点接触部204的配置的显著优势在于增强的比电阻，例如在一个实施例中几乎加倍，这实现了在特定总电阻下的有源GMR/TMR区域的减小。图15中示出了仿真电流密度。
为了抑制在GMR/TMR实施例中由于AMR效应引起的电阻调制，相对于彼此以及相对于电压梯度轴正交定向的相等数目的元件、多个GMR/TMR结构可以串行耦合，例如图16所示。图16示出了多个GMR/TMR结构1602，每一个包括通过连接器1606耦合的点接触部1604。在一个实施例中，连接器1606包括金属连接器。
图17中示出了另一实施例。在图17中，GMR/TMR结构或元件1702包括多个点接触部1704。3个接触部1704被布置为使得一个接触部一般置于GMR/TMR结构1702的中心处，耦合至第一端子，并且两个接触部位于边缘附近，限定了90度角并耦合至第二端子。因此，元件1700展现出彼此正交的2条平行电流通路，例如可见于图18的仿真结果中。图19中示出了仿真电流密度。尽管比电阻减小，但是在一个实施例中，其仍为大约0.7平方，处于合理范围内。图17的实施例的优势在于在单个元件中抑制了基于AMR效应的电阻调制。
图20中示出了另一多元件实施例。这里，GMR/TMR结构2002保持通过GMR/TMR桥2006与基础通孔2010耦合。在实施例中，桥2006的宽度处于大约0.1 μm至大约10 μm的范围内，例如大约0.5 μm至大约2 μm的范围内，并且其长度处于大约0.1 μm至大约10 μm的范围内，例如大约0.5 μm至大约2 μm的范围内。在其他实施例中，更多或更少GMR/TMR结构2002可以耦合，并且结构2002可以以可替换配置耦合，记住，相对于彼此以及相对于电压梯度轴正交定向的相等数目的元件是期望的。在另一实施例中，可替换接触配置用于缩短GMR/TMR桥2006配置，例如与如图14所示的布线金属相结合的单通孔接触部。
另一实施例包括根据图16、图17或图20的AMR元件。在一些应用中，可能有必要提供具有电阻的特定温度系数的AMR电阻器，而在施加外部磁场时不表现出磁阻效应。例如，可以利用这种元件来实现惠斯通半桥。
这里已经讨论了xMR传感器结构的各个实施例，包括AMR、GMR和/或TMR。在实施例中，这些结构可以具有各种配置（包括圆形或多边）并与具有各种布置和配置的接触部和接触区（包括点、条带、多部分等）进行组合。本领域技术人员应当理解，实施例不限于这些具体示出或讨论的实施例，可以将配置和布置形成为各种其他组合。如所讨论的，与更改xMR结构自身的几何结构的传统方案相比，具有变化和各种的接触部和接触区配置的实施例实现了对基础xMR结构中的电流方向分布的更改。
这里已经描述了系统、器件和方法的各个实施例。这些实施例仅作为示例而给出，并不意在限制本发明的范围。此外，应当认识到，已描述的实施例以及权利要求的各个特征可以以各种方式组合以生成许多另外的实施例。此外，尽管已经描述了各种材料、尺寸、形状、植入位置等以供所公开的实施例使用，但是在不超出本发明的范围的前提下可以利用除所公开的实施例以外的其他实施例。
相关领域的技术人员将意识到，本发明可以包括比上述任何个体实施例更少的特征。这里描述的实施例并不意在详尽地呈现本发明的各个特征可进行组合的方式。相应地，这些实施例不是特征的互斥组合；相反，本领域技术人员应当理解，本发明可以包括从不同个体实施例和/或不同权利要求中选择的不同个体特征的组合。
参考上述文档的任何合并被限制为使得并未合并与这里的显式公开相反的主题。参考上述文档的任何合并被进一步限制为使得并未将文档中包括的权利要求合并于此以供参考。参考上述文档的任何合并还被进一步限制为使得并未将文档中提供的任何限定合并于此以供参考，除非这里明确包括这种限定。
为了解释本发明的权利要求，预期明确地不援引35 U.S.C的第112节第6段的规定，除非权利要求中记载了特定术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。

Claims (28)

1.一种传感器元件，包括：
非细长xMR结构；以及
在xMR结构上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在xMR结构中感应非均匀电流方向和电流密度分布。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述多个接触区中的每一个紧接于所述xMR结构的边缘。
3.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，在所述xMR结构的最大横向尺寸的方向上定义第一轴，并且，与所述第一轴基本上垂直地定义第二轴，其中，所述xMR结构沿所述第一轴和所述第二轴的尺寸之比小于大约1.5。
4.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述xMR结构具有相等的横向尺寸。
5.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述xMR结构是旋转对称的。
6.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述xMR结构是多边的，并且其中多边xMR结构的相邻边之间的交点遵循旋转对称。
7.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述xMR结构是多边的，并且其中多边xMR结构的相邻边之间的交点基本上是在圆上均匀分布的。
8.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述xMR结构具有半径。
9.根据权利要求8所述的传感器元件，其中，所述xMR结构基本上是圆形的。
10.根据权利要求1所述的传感器元件，还包括与所述多个接触区中的至少一个相邻布置的至少一个高度导电区。
11.根据权利要求1所述的传感器元件，包括串行耦合的多个xMR结构。
12.根据权利要求11所述的传感器元件，其中，所述传感器元件的净电流方向定义了期望轴，其中，所述多个xMR结构中的第一个在其轴与期望轴之间具有第一角度，并且其中所述多个xMR结构中的第二个在其轴与期望轴之间具有第二角度，所述第一角度和所述第二角度相等但具有相反的符号。
13.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述多个接触区包括通孔。
14.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述多个接触区包括条带。
15.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述多个接触区被配置为提供所述xMR结构的与同均匀电流密度分布相关联的电阻相比增大的电阻。
16.根据权利要求1所述的传感器元件，其中，所述xMR结构的直径处于大约1微米（μm）至大约100 μm的范围内。
17.根据权利要求16所述的传感器元件，其中，所述xMR结构的直径处于大约5 μm至大约20 μm的范围内。
18.一种传感器，包括：
第一非细长xMR元件，具有在该第一xMR元件上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在第一xMR元件中感应局部非均匀电流方向和电流密度分布，并且第一xMR元件中的净电流方向定义了第一轴；以及
第二非细长xMR元件，具有在该第二xMR元件上形成的多个接触区，所述多个接触区彼此间隔开使得当在所述多个接触区之间施加电压时，在第二xMR元件中感应局部非均匀电流方向和电流密度分布，并且第二xMR元件中的净电流方向定义了第二轴，所述第二轴基本上相对于所述第一轴正交。
19.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述多个接触区中的每一个紧接于相应xMR结构的边缘。
20.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述第一xMR元件或所述第二xMR元件中的至少一个包括巨磁阻（GMR）元件或隧道磁阻（TMR）元件之一。
21.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述第一xMR元件或所述第二xMR元件中的至少一个包括各向异性磁阻（AMR）元件，并且其中所述AMR元件对外部磁场不敏感。
22.根据权利要求18所述的传感器，其中，所述第二xMR元件通过xMR部分而耦合至所述第一xMR元件。
23.根据权利要求22所述的传感器，其中，所述xMR部分的宽度处于大约0.1微米（μm）至大约10 μm的范围内，并且所述xMR部分的长度处于大约0.1 μm至大约10 μm的范围内。
24.根据权利要求22所述的角度传感器，还包括紧接于所述xMR部分布置的导电区。
25.根据权利要求18所述的角度传感器，其中，所述第一xMR元件和所述第二xMR元件耦合以形成惠斯通全桥配置或惠斯通半桥配置之一。
26.一种传感器元件，包括：
非细长xMR元件；
第一接触区，形成在xMR元件上并耦合至第一端子；
第二接触区，形成在xMR元件上，并且耦合至第二端子并沿第一接触轴与所述第一接触区间隔开；以及
第三接触区，形成在xMR元件上，并且耦合至第二端子并沿相对于所述第一接触轴旋转九十度的第二接触轴与所述第一接触区间隔开。
27.根据权利要求26所述的传感器元件，其中，所述第一接触区被布置在所述xMR元件的近似中心处，并且，所述第二接触区和所述第三接触区被布置为紧接于所述xMR元件的边缘，所述第二接触区和所述第三接触区彼此间隔开。
28.一种方法，包括：
形成xMR传感器元件；
在所述xMR传感器元件上形成多个接触区，所述多个接触区彼此间隔且紧接于所述xMR传感器元件的边缘；以及
使电流在所述xMR传感器元件中以局部非均匀电流方向和电流密度分布流动。
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