CN103630855A - 一种高灵敏度推挽桥式磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度推挽桥式磁传感器，该传感器包括两个基片、磁电阻传感元件、推臂通量集中器以及挽臂通量集中器。同一基片上磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，但与相邻基片上的磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相反，其中一个基片上的磁电阻传感元件相互电连接构成电桥的推臂，另一个基片上的磁电阻传感元件相互电连接构成电桥的挽臂。推、挽臂上磁电阻传感元件分别成列排布于相邻两个推臂通量集中器和相邻两个挽臂通量集中器之间的间隙处。此传感器可在准桥、半桥、全桥这三种电桥结构上得到实现。该传感器具有以下优点：偏移小、灵敏度高、线性度好、噪声小等。

Description

一种高灵敏度推挽桥式磁传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种高灵敏度的推挽桥式磁传感器。
背景技术
磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场及其他参数，例如霍尔（Hall）元件，各向异性磁电阻（Anisotropic Magnetoresistance, AMR）元件或巨磁电阻（Giant Magnetoresistance, GMR）元件为敏感元件的磁传感器。
霍尔磁传感器虽然适用于高强度的磁场中，但其灵敏度很低、功耗大、线性度差。AMR磁感器虽然灵敏度比霍尔传感器高，但其制造工艺复杂，功耗高。GMR磁传感器相比霍尔磁传感器有更高的灵敏度，但其线性范围偏低。
TMR（Tunnel MagnetoResistance）磁传感器是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，其相对于霍尔磁传感器、AMR磁传感器以及GMR磁传感器具有更高的灵敏度、更低的功耗、更好的线性度以及更宽的工作范围。
相比单电阻、参考桥式磁传感器，推挽桥式磁传感器具有更高的灵敏度、偏移低，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。
但现有的推挽桥式磁传感器的灵敏度不够高、噪声也不是很小。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的以上问题，提供一种高灵敏度的推挽桥式磁传感器。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明提供了一种推挽桥式磁传感器，其特征在于：该传感器包括
推臂基片和挽臂基片；
至少一个由一个或多个磁电阻传感元件电连接构成的推臂和至少一个由一个或多个磁电阻传感元件电连接构成的挽臂；
至少两个推臂通量集中器和至少两个挽臂通量集中器；
所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的长轴方向均为Y轴方向，短轴方向均为X轴方向；
所述推臂上的磁电阻传感元件位于两个相邻推臂通量集中器之间的间隙处，所述挽臂上的磁电阻传感元件位于两个相邻挽臂通量集中器之间的间隙处；
所述推臂和所述推臂通量集中器沉积在所述推臂基片上，所述挽臂和所述挽臂通量集中器沉积在所述挽臂基片上；
所述推臂和所述挽臂相互电连接以形成电桥；
在同一基片上的磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相同，所述推臂基片与所述挽臂基片上的磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相反；；
所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的敏感方向均为X轴方向。
优选的，每两个相邻所述推臂通量集中器之间的间隙处和每两个相邻所述挽臂通量集中器之间的间隙处各自分别最多对应一列所述磁电阻传感元件。
优选的，所述磁电阻传感元件为GMR或者TMR传感元件。
优选的，对于所述推臂基片和所述挽臂基片，其中一个基片上的所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向为X轴正方向，另一个基片上的所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向为X轴负方向。
优选的，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件可以通过片上永磁体、片上线圈、双交换作用、形状各向异性或者至少两种的结合来偏置磁性自由层的磁化方向，所述片上永磁体和所述片上线圈所产生的交叉偏置场的方向为Y轴方向。
优选的，所述电桥为半桥、全桥或者准桥。
优选的，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同并且相互平行。
优选的，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的数量相同并且相互平行。
优选的，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均为细长条形阵列，组成材料均为软铁磁合金，所述软铁磁合金含有Ni、Fe和Co中的一种或多种元素。
优选的，所述推臂和所述挽臂上磁电阻传感元件处的磁场的增益系数Asns>1。
优选的，所述推臂基片和所述挽臂基片包括了集成电路，或与包括了集成电路的其它基片相连接。
优选的，所述集成电路是CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者SOI，所述推臂直接沉积在所述推臂基片上的集成电路上面，所述挽臂直接沉积在所述挽臂基片上的集成电路上面。
优选的，所述基片为ASIC芯片，其含有偏移电路、增益电路、 校准电路、温度补偿电路和逻辑电路中的任一种或多种应用电路。
优选的，所述逻辑电路为数字开关电路或者旋转角度计算电路。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：偏移小、线性度好、灵敏度高、噪声小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中常用的推挽桥式磁传感器的结构示意图。
图2为现有技术中另一种推挽桥式磁传感器的结构示意图。
图3为本发明中的推挽桥式磁传感器的结构示意图。
图4为磁电阻传感元件周围的磁场分布图。
图5为磁电阻传感元件所在位置与相对应的增益系数之间的关系曲线。
图6为本发明中推挽桥式磁传感器有无通量集中器的转换特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。
图1为现有技术中常用的推挽桥式磁传感器的结构示意图。该传感器的结构为GMR元件构成的惠斯通全桥，相邻桥臂中GMR元件的钉扎层的磁化方向相反，相对桥臂中GMR元件的钉扎层的磁化方向相同，如图中的103、104所示。该传感器包括基片50、GMR元件电连接构成的电阻R1、R1’、R2、R2’，用于输入输出的焊盘51-54。该传感器采用两次成膜工艺，即分两次分别沉积钉扎层方向相反的GMR元件，这使得其制作工艺复杂，并且第二次工艺退火时会影响第一次沉积的薄膜，这使得前后两次成膜的一致性差，从而影响传感器的整体性能。
图2为现有技术中专利申请201310325337.5所公开的单芯片推挽桥式磁传感器的结构示意图。该传感器包括基片1，用于输入输出的焊盘6-9，多个倾斜设置在基片1上面的推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13，以及分别位于相邻两个推臂通量集中器之间的间隙14和相邻两个挽臂通量集中器之间的间隙15处的磁电阻传感元件10和11。磁电阻传感元件10和11的钉扎层的磁化方向相同。该传感器容易饱和，并且灵敏度也不足够高。
实施例
图3为本发明中的推挽桥式磁传感器的结构示意图。该传感器包括推臂基片20，挽臂基片21，多个磁电阻传感元件22,42，多个推臂通量集中器23、挽臂通量集中器41，焊盘24-39。其中，磁电阻传感元件22、推臂通量集中器23、焊盘24-31沉积于推臂基片20上，磁电阻传感元件42、挽臂通量集中器41、焊盘32-39沉积于挽臂基片21上，推臂基片20和挽臂基片21除了方向不同之外，其它都相同。焊盘24,25,36,37分别作为电源供应端VBias，接地端GND，电压输出端V+，V-，焊盘26-29分别与焊盘34,35,38,39电连接。磁电阻传感元件22,42分别相互电连接形成推臂和挽臂，并分别成列排布于相邻两个推臂通量集中器23之间的间隙处和相邻两个挽臂通量集中器41之间的间隙处。每两个相邻的推臂通量集中器23之间的间隙处和每两个相邻的挽臂通量集中器41之间的间隙处各自分别至多排布有一列磁电阻传感元件，每一列磁电阻传感元件可以含有一个或至少两个磁电阻传感元件，图3中每一列含有6个磁电阻传感元件。推臂基片20和挽臂基片21的外围上下两侧各自分别有两个推臂通量集中器23和挽臂通量集中器41，它们分别与相邻的推臂通量集中器23和相邻的挽臂通量集中器41之间的间隙处并没有排布磁电阻传感元件22,42，这是为了使磁电阻传感元件22,42处的磁场分布更加均匀。当然根据需要，可以设置更多的推臂通量集中器和/或挽臂通量集中器的间隙处不排布磁电阻传感元件。优选的，这些间隙处不排布磁电阻传感元件的推臂通量集中器和/或挽臂通量集中器分别位于推臂基片20和挽臂基片21的外侧以及最中间。如果有需要，这些通量集中器的间隙处也可以排布磁电阻传感元件。电桥的每一桥臂上的推臂通量集中器或挽臂通量集中器的个数与同一桥臂上的磁电阻传感元件的列数之间的关系如下：NC>=NS+1，其中NC为推臂通量集中器或挽臂通量集中器的个数，NS为磁电阻传感元件的列数，在本实施例中NC为7，NS为4。若推臂通量集中器23和挽臂通量集中器41成行排布，那么磁电阻传感元件22和42也就分别成行排布于相邻两个推臂通量集中器23之间的间隙处和相邻两个挽臂通量集中器41之间的间隙处。
同一基片上的各磁电阻传感元件22的钉扎层的磁化方向相同以及各磁电阻传感元件42的钉扎层的磁化方向也相同，但磁电阻传感元件22与磁电阻传感元件42的钉扎层的磁化方向相反，分别为100,101。磁电阻传感元件22,42可以为GMR或者TMR传感元件，其敏感方向均为X轴方向，磁电阻传感元件22,42的数量相同并且相互平行。此外，在没有外加磁场时，磁电阻传感元件22,42可以通过片上永磁体、片上线圈、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来偏置磁性自由层的磁化方向，使其与钉扎层的磁化方向垂直，片上永磁体和片上线圈所产生的交叉偏置场的方向为Y轴方向，磁电阻传感元件22与磁电阻传感元件42上的交叉偏置场的方向可以相反，即一个沿Y轴正向，另一个沿Y轴负向，也可以相同，即均沿Y轴正向或Y轴负向。
推臂通量集中器23和挽臂通量集中器41的数量相同并且相互平行，各自至少为2个，在图3中每一桥臂上均为7个。它们的长轴方向均为Y轴方向，短轴方向均为X轴方向，并且它们均为细长条形阵列，但不限于该形状，其组成材料为选自Ni、Fe和Co中的一种或几种元素组成的软铁磁合金。在推臂基片20和挽臂基片21上也还可以印制有集成电路，或与印制有集成电路的其它基片相连接，优选地，所印制的集成电路可以为CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者SOI，当推臂基片20和挽臂基片21上印制有集成电路时，推臂与挽臂便可直接沉积在对应基片的集成电路上面。。此外，推臂基片20和挽臂基片可为ASIC基片，其可含有偏移、增益、 校准、温度补偿和逻辑中的任一种或几种应用电路，其中逻辑电路还可以为数字开关电路或者旋转角度计算电路，但并不限于以上电路。
本实施例中是采用焊盘引线键合来进行输入输出连接，也可以采用倒装芯片、球栅阵列封装、晶圆级封装以及板上芯片封装等半导体封装方法。
图4为磁电阻传感元件22周围的磁场分布图。图中，外加磁场的方向为102。从图中可以看出，在相邻两个推臂通量集中器23之间的间隙处的磁场强度增强。磁电阻传感元件42周围的磁场分布与图3中相同，在此就不再赘叙。
图5为磁电阻传感元件22,42所在位置与相对应的增益系数之间的关系曲线。从图中曲线55可以看出，磁电阻传感元件22,42所在位置处磁场的增益系数Asns>1，由此可见，磁电阻传感元件22,42所检测到的磁场信号得到增强，这使得输出信号增强，从而提高了该传感器的灵敏度。
图6为磁电阻传感元件为TMR传感元件时，本发明中的推挽桥式磁传感器有无通量集中器时的转换特性曲线。曲线43对应的是没有通量集中器的情形，曲线44对应的是有通量集中器的情形。图中横轴为外加磁场的大小，纵轴为传感器输出电压与电源电压之间的比值。对比两曲线可以看出，使用了通量集中器之后，传感器的线性度更好、灵敏度更高，并且曲线原点上下对称性更好，也就是说偏移量会更小。另外，本发明中的传感器使用了两个基片，相对于使用单基片的传感器，其面积增大，从而噪声减小。
以上讨论的是电桥为全桥的情形，由于半桥和准桥的工作原理与全桥相同，在此就不再赘述，上述所得到的结论也同样适用于半桥和准桥结构的推挽桥式磁传感器。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种推挽桥式磁传感器，其特征在于：该传感器包括
位于XY平面内的推臂基片和挽臂基片；
至少一个由一个或多个磁电阻传感元件电连接构成的推臂和至少一个由一个或多个磁电阻传感元件电连接构成的挽臂；
至少两个推臂通量集中器和至少两个挽臂通量集中器；
所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的长轴方向均为Y轴方向，短轴方向均为X轴方向；
所述推臂上的磁电阻传感元件位于两个相邻推臂通量集中器之间的间隙处，所述挽臂上的磁电阻传感元件位于两个相邻挽臂通量集中器之间的间隙处；
所述推臂和所述推臂通量集中器沉积在所述推臂基片上，所述挽臂和所述挽臂通量集中器沉积在所述挽臂基片上；
所述推臂和所述挽臂相互电连接以形成电桥；
所述推臂基片上的磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相同，所述挽臂基片上的磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相同；所述推臂基片与所述挽臂基片上的磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相反；
所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的敏感方向均为X轴方向。
2.根据权利要求1所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，每两个相邻所述推臂通量集中器之间的间隙处和每两个相邻所述挽臂通量集中器之间的间隙处各自分别最多排布有一列所述磁电阻传感元件。
3.根据权利要求1所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件为GMR或者TMR传感元件。
4.根据权利要求1或3所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，对于所述推臂基片和所述挽臂基片，其中一个基片上的所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向为X轴正方向，另一个基片上的所述磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向为X轴负方向。
5.根据权利要求4所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件可以通过片上永磁体、片上线圈、双交换作用、形状各向异性或者至少两种的结合来偏置磁性自由层的磁化方向，所述片上永磁体和所述片上线圈所产生的交叉偏置场的方向为Y轴方向。
6.根据权利要求1或3所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，所述电桥为半桥、全桥或者准桥。
7.根据权利要求1所述的推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同并且相互平行。
8.根据权利要求1所述的推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的数量相同并且相互平行。
9.根据权利要求1或8所述的推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均为细长条形阵列，组成材料均为软铁磁合金，所述软铁磁合金含有Ni、Fe和Co中的一种或多种元素。
10.根据权利要求1所述的推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上磁电阻传感元件处的磁场的增益系数Asns>1。
11.根据权利要求1所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，所述推臂基片和所述挽臂基片包括了集成电路，或与包括了集成电路的其它基片相连接。
12.根据权利要求11所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，所述集成电路为CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者SOI，所述推臂直接沉积在所述推臂基片上的集成电路上面，所述挽臂直接沉积在所述挽臂基片上的集成电路上面。
13.根据权利要求1所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，所述基片为ASIC芯片，其含有偏移电路、增益电路、 校准电路、温度补偿电路和逻辑电路中的任一种或多种应用电路。
14.根据权利要求13所述的推挽桥式磁传感器，其特征在于，所述逻辑电路为数字开关电路或者旋转角度计算电路。
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