CN102540113A - 磁场传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁场传感装置，它利用线圈对磁电阻传感器的输出曲线温度特性进行校准同时对磁电阻传感器的磁化进行复位以消除磁滞的方法。该线圈还可用于自检操作。单个线圈的设置可以减少芯片上焊盘的数量，增加芯片上磁电阻元件的密度，从而降低了芯片的体积。

Description

磁场传感装置
技术领域
本发明涉及一种磁场传感装置。 
背景技术
磁性传感器被广泛应用于现代系统以测量包括但不限于磁场强度、电流、位置、运动、方向等物理参数。之前有许多不同类型的传感器用于测量磁场，但是这些传感器都有其缺陷，例如尺寸大，灵敏度低，动态范围窄，成本高，稳定性低等。 
因此，持续地改进磁传感器，特别是改进易与半导体器件或集成电路整合的传感器及其制造方法是有必要的。 
隧道结磁电阻（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）传感器具有高灵敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等优点。尽管MTJ传感器与半导体标准制造工艺相兼容且其具有高磁电阻的性能，但是制备高性能的MTJ线性磁场传感器的方法还没有得到充分开发。特别是温度特性和磁滞的问题不容易得到有效的控制。 
磁场传感器由单个的磁电阻元件组成，在实际应用中一般将磁电阻元件连接成惠斯通电桥以消除偏移，增加灵敏度以及对温度特性做一定的补偿。尽管电桥构造能对温度特性做出一定的补偿，但是传感器磁电阻内禀的磁性能对温度的依赖不会得到完全抑制。对于高精度测量来说，在工作状态下校准灵敏度是可取的，且芯片级别的校准线圈沿传感器敏感方向产生一个磁场可以达到这个目的。 在磁电阻传感器处于工作状态时，校准线圈可以提供一个定期的低振幅的电流脉冲，与此同时，线圈周围产生脉冲磁场从而对磁力计的灵敏度进行校准。 
因为磁电阻传感器是由铁磁敏感元件构成，所以输出曲线主要是非线性的，磁滞的产生是因为传感元件以及其他部分（例如磁屏蔽层或聚磁层）的畴壁的生成和运动。为了克服以上问题，高性能的磁电阻传感器通常需要另一个线圈，该线圈相对于校准线圈正交，其中校准线圈是为传感元件提供定期的饱和场且消除磁畴。前者我们将之命名为预设/复位线圈。 
设置预设/复位和校准线圈增加了传感器制造的工序，同时传感器芯片需要增加更多的焊盘以及更大的封装体积以适应正交的预设/复位场和校准场，从而使传感器的尺寸变大，最终导致了传感器制造的复杂性。 
没有设置校准线圈的磁电阻传感器是可以实现的。这种方法的缺点是无法通过电子手段测量传感器的灵敏度。也就是说，如果磁电阻传感器没有设置校准线圈，就不能对其输出曲线的灵敏度进行监测和分析。此外，在传感器内实施标准的自检系统是非常繁琐的。因此在固态罗盘的应用中通常需要一个或两个线圈结构。设置线圈结构在增加尺寸的同时也增加了功耗。 
电流线产生的磁场强度与其距离成反比。能量优化标明：传感器和穿越电流方向的校准线圈的距离以及传感器和复位线圈的距离要足够小。理想的情况下，两个线圈应尽可能接近传感器，但在实际上是不可能的。 
发明内容
本发明提供了磁场传感装置，该磁场传感装置采用一种简单的线圈设计提供预设/复位和校准功能，同时可以缩小尺寸降低功耗。本发明所涉及的传感器使用MTJ元件或巨磁电阻（GMR）元件为敏感元件，同时在单一芯片上集成有预设/复位线圈和校准线圈。该磁力计采用一个低的单极或双极脉冲电流循环进行校准操作，采用一个高的双极脉冲进行预设/复位操作。 
本发明提供一种磁场传感装置，它包括磁电阻传感元件、位于磁电阻传感元件附近的线圈，所述磁电阻传感元件的矫顽力和偏移场的大小相同，所述线圈产生一平行于所述磁电阻传感元件的敏感轴的磁场，当所述线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当所述线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。 
优选地，第一电流大于第二电流。 
优选地，所述第一电流和第二电流大小的范围为1mA到10mA。 
优选地，所述线圈是单个的导电层。 
优选地，所述导电层呈曲折形状。 
优选地，所述导电层呈螺旋形状。 
优选地，该磁场传感装置可用作固态罗盘。 
另一种磁场传感装置，它包括磁电阻传感元件、位于磁电阻元件附近的线圈，所述磁电阻传感元件的矫顽力和偏移场的大小相同，所述线圈产生一磁场，该磁场具有平行于磁电阻传感元件敏感轴的第一磁场分量和垂直于磁电阻传感元件敏感轴的第二磁场分量，第一磁场分量大于第二磁场分量，所述第一磁场分量用于对所述磁电阻传感元件进行复位和校准操作，所述第二磁场分量用于使磁电阻传感元件的边缘磁畴方向对齐，当所述线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当所述线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。 
优选地，第一电流大于第二电流。 
优选地，所述第一电流和第二电流大小的范围为1mA到10mA。 
优选地，所述线圈的中轴和磁电阻传感元件的长轴之间的夹角小于或等于22.5°。 
优选地，所述的线圈是单个的导电层。 
优选地，所述导电层为曲折形状。 
优选地，所述导电层为螺旋形状。 
优选地，该磁场传感装置可用作固态罗盘。 
附图说明
图1是传感元件和线圈的设计概念图。 
图2是磁传感器的性能指标的定义图。 
图3是复位工作示意图。 
图4是校准工作的示意图。 
图5是倾斜的磁电阻元件的边缘磁畴示意图。 
图6是非倾斜的磁电阻元件的边缘磁畴示意图。 
图7是曲折的线圈的几何形状示意图，该线圈的设置可以减小磁电阻芯片的尺寸。 
图8是螺旋型线圈的几何形状示意图。 
具体实施方式
本发明涉及一种具有高精度，低成本，低功耗的磁电阻传感器。该低功耗的传感器特别地应用于手机、手表、手提电脑以及触摸平板设备等便携电子设备。特别是该磁电阻传感器可用于制造导航用的固态罗盘以提供地球磁场的参考方向。 
图1是传感元件和线圈的设计概念图。如图所示，磁电阻传感元件10位于导体11的上方或者下方，电流12流经导体。电流12产生的磁场B（I）13垂直于电流方向。传感元件10和导体11可以选择设置一个角度14，因此磁场13和传感器的敏感方向15不是垂直的。 
图2描绘了磁电阻传感器的输出曲线20，输出曲线20定义了矫顽力（Hc）21以及偏移场（Hoffset）22等参数。输出曲线20是传感器输出电压23关于外场24的函数。理想情况下，传感器的输出曲线20是从点25出发。饱和场对应的点26以上的区域传感器的输出曲线是接近线性的。但是这是一个过于简化的模型，传感器的输出会随着温度的升高而发生偏移，且其磁滞会随着磁畴的改变而增大。 
传感器能够在低磁滞和低偏移的模式下工作遵守： 
Hc = Hoffset,                                                      （1）
传感器在沿敏感方向15的方向上被定期饱和，因此驱使传感器的磁化状态至输出曲线的点27的位置。
如图3所示的一个简单的初始化过程可以说明这种效果。复位场Hreset（30）被用来使传感器进入饱和状态且大于输出曲线点27的区域。复位场Hreset（30）消除后，传感器输出曲线通过路径31-32返回到工作点25上。这种简单的单极脉冲复位过程可能是最有效的去除矫顽力的方式，如果采用双极脉冲或者采用一个多拍的单极脉冲可能效果会更好，在连续脉冲的最后一次脉冲提供一个磁场使磁电阻传感器位于磁场30或30以上的区域并达到饱和。 
在初始化之后，磁场传感装置可以按照图4所示的方式进行校准或自检工作。通过电流导体产生一个小的校准脉冲产生一个和敏感方向共线的小的磁场Hcal（40）。该磁场会在磁电阻传感器里产生一个变化的电压V41以回应前述的外场H（42）导致的变化，因此灵敏度就可以确定下来： 
Sensitivity = ΔH/ΔV.                                                                     (2)
校准过程是通过利用某些特定频率或形状的脉冲串完成的，因此可以和背景信号相区别。应定期或持续进行校准以消除磁电阻传感元件10的温度特性。脉冲可以是单极或双极，可以是一个单脉冲，也可以是一个连续的方波或正弦波。
通常将磁电阻传感元件10旋转一定的角度α（14）是比较有利的，该角度α（14）相对于线圈11如图1所示。这样做的原因参见图5和图6。 
图5展示了磁电阻传感元件10相对于线圈11转动角度α（14）的情况。在该设置中，Hreset（30）有一个平行于磁电阻传感元件10的边缘的分量Hedge（51）。由于Hedge（51）足够大，边缘磁畴51指向同一个方向，为磁电阻磁电阻传感元件10的磁矩提供一个良好的被定义的初始状态。当线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。第一电流大于第二电流，并且第一电流和第二电流的范围都在1mA到10mA。 
图6展示了磁电阻传感元件10和线圈11平行排列时边缘磁畴的可能排布，这样的设置不能产生平行于传感器边缘的复位场分量Hedge。在这种情况下，没有外力使磁畴指向边缘磁畴51的方向，而且在边缘可能产生方向相对的边缘磁畴61。这是一个随机过程，使传感器的行为不可预知，磁矩相对的磁畴运动在复位操作时会产生磁滞。当线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。第一电流大于第二电流，并且第一电流和第二电流的范围都在1mA到10mA。 
校准场可以由如下所示的相对角度来表示： 
Htrue ≈ HcalCos(α)                                                                    (3)
当角度为22.5°时可以提供高达90%的精度。如果需要的话可以调整为更大的角度，但是由于Hedge分量增加的原因灵敏度会因此降低。另外，如果传感器使用芯片上集成的永磁体或元件上沉积永磁层的方式偏置，Hedge分量在校准过程中不会对校准行为产生重大影响。
图8为设置线圈的传统布局方法。图7为设置线圈的另外一种布局图如。如图所示，线圈71是曲折的形状结构，在磁电阻传感元件10之间运行。这种布局允许磁电阻传感元件比传统的螺旋状布局（如图8所示）更加紧密地封装。曲折型线圈的一个潜在的问题是高电阻。曲折型线圈的电阻为： 
Figure DEST_PATH_806561DEST_PATH_IMAGE001
                      (4)
若
                                                                  (5)
则有：
             
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE003
       (6)
在元件上方或下方运行的曲折型线圈产生的磁场为：
         
Figure DEST_PATH_64290DEST_PATH_IMAGE004
      (7)
公式中“W”指的是导体的宽度，“t”指的是导体的厚度，“y”指的是距离导体表面的高度，“x”指的是敏感轴距离导体中心的位置。
同时要注意： 
Ireset < Vmax/R（L,W1,W2,W3,t,ρ）                                                         (8)
图7定义了相关的几何参数。其中，“ρ”是线圈材料的电阻率，“Vmax”是磁力计系统能够提供的最大电压。
设计必须权衡到保证有足够的Hreset可以使磁力计系统使用最大电压Vmax。尽管可以在芯片上设计开关电容实现到相对高的电压，但是电压最好是保持在5V或更小的范围内。电压和线圈电阻限制了磁电阻磁电阻传感元件10和磁力计的设计，他们提供了一个上限可实现Hreset同时使复位线圈的尺寸达到最小。 
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 (15)

1.一种磁场传感装置，其特征在于：它包括磁电阻传感元件、位于磁电阻传感元件附近的线圈，所述磁电阻传感元件的矫顽力和偏移场的大小相同，所述线圈产生一平行于所述磁电阻传感元件的敏感轴的磁场，当所述线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当所述线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。
2.根据权利要求1所述的磁场传感装置，其特征在于：所述第一电流大于第二电流。
3.根据权利要求1所述的磁场传感装置，其特征在于：所述第一电流和第二电流大小的范围为1mA到10mA。
4.根据权利要求1-3所述的磁场传感装置，其特征在于：所述线圈是单个的导电层。
5.根据权利要求4所述的磁场传感装置，其特征在于：所述导电层呈曲折形状。
6.根据权利要求4所述的磁场传感装置，其特征在于：所述导电层呈螺旋形状。
7.根据权利要求1所述的磁场传感装置，其特征在于：该磁场传感装置可用作固态罗盘。
8.另一种磁场传感装置，其特征在于：它包括磁电阻传感元件、位于磁电阻元件附近的线圈，所述磁电阻传感元件的矫顽力和偏移场的大小相同，所述线圈产生一磁场，该磁场具有平行于磁电阻传感元件敏感轴的第一磁场分量和垂直于磁电阻传感元件敏感轴的第二磁场分量，第一磁场分量大于第二磁场分量，所述第一磁场分量用于对所述磁电阻传感元件进行复位和校准操作，所述第二磁场分量用于使磁电阻传感元件的边缘磁畴方向对齐，当所述线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当所述线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。
9.根据权利要求8所述的磁场传感装置，其特征在于：所述第一电流大于第二电流。
10.根据权利要求8所述的磁场传感装置，其特征在于：所述第一电流和第二电流大小的范围为1mA到10mA。
11.根据权利要求8所述的磁场传感装置，其特征在于：所述线圈的中轴和磁电阻传感元件的长轴之间的夹角小于或等于22.5°。
12.根据权利要求8-11所述的磁场传感装置，其特征在于：所述的线圈是单个的导电层。
13.根据权利要求12所述的磁场传感装置，其特征在于：所述导电层为曲折形状。
14.根据权利要求12所述的磁场传感装置，其特征在于：所述导电层为螺旋形状。
15.根据权利要求8所述的磁场传感装置，其特征在于：该磁场传感装置可用作固态罗盘。
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