CN103901363B - 一种单芯片z轴线性磁电阻传感器 - Google Patents

一种单芯片z轴线性磁电阻传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单芯片Z轴线性磁阻传感器，该传感器包括基片、磁电阻传感元件以及通量引导件，磁电阻传感元件相互电连接形成电桥的推臂和挽臂，推臂和挽臂相间隔排列，并且推、挽臂上的磁电阻传感元件分别位于通量引导件下方的两侧，各磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，均沿X轴方向。Z轴方向的外加磁场通过通量引导件转变为X轴方向的磁场分量，位于通量引导件下方的磁电阻传感元件便能检测到此分量。该传感器具有以下优点：体积小、制作简单、便于封装、灵敏度高、线性度好、工作范围宽、低偏移、温度补偿功能好以及适用于高强度磁场等。

Description

一种单芯片Z轴线性磁电阻传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种单芯片Z轴线性磁电阻传感器。
背景技术
随着磁传感器技术的发展，其应用越来越广泛。目前，磁传感器被大量应用于手机和其他用作电子罗盘的移动设备当中，而此类产品的市场对成本十分敏感，而且还要求较小的封装尺寸。对于XY平面内的二维磁场，可以通过将两个传感器正交来实现平面内磁场X、Y分量的测量，但对于Z轴方向磁场的测量，目前主要存在以下解决方案：
(1)将一个分立单轴平面磁电阻传感器相对于二轴平面传感器垂直安装，但这种方式存在以下不足之处：
①X、Y二轴磁电阻传感器和Z轴磁电阻传感器在安装之前为各自为分立元件，无法实现三轴磁电阻传感器的集成制造，从而增加了制造工艺的复杂程度；
②相对于集成制造系统，采用组装方法制造的三轴磁电阻传感器系统内各元件的位置精度降低，影响传感器的测量精度；
③由于Z轴磁电阻传感器敏感轴垂直于X，Y二轴磁电阻传感器，因此三轴磁电阻传感器Z向尺寸增加，从而增加了器件尺寸和封装难度。
(2)采用通量集中器将Z轴方向磁场转变为X、Y轴方向的磁场分量，例如申请号为201110098286.8的中国专利申请公开了一种单芯片三轴AMR传感器，该传感器通过在水平传感器上方放置一个通量集中器来实现Z轴方向磁场的测量。但通量集中器并未完全覆盖住所有水平传感器，这使得Z轴方向的磁场并未完全转化为X、Y轴方向上的分量。此外，该申请公开的传感器设计不能密集封装水平传感器来减小噪声，其温度补偿和偏移量也不容易控制。另外，中国专利申请201310202801.1公开了一种三轴数字指南针，该指南针利用通量集中器对磁场的扭曲作用，将垂直于平面的Z轴磁场分量转变成XY平面内磁场分量，然后通过采用一定的算法将X、Y、Z轴磁场分量从混合信号中分离出来，并将其转变成数字信号输出。此设计需要通过特定的算法计算才能得到Z轴方向磁场的数字信号，这使得传感器设计更加复杂化，并且其采用的是参考桥式结构，这种结构的传感器输出不对称，从而造成传感器输出产生了偏移量。
(3)基片微机械化来形成一倾斜面，在此倾斜面上沉积有可部分感应Z轴方向磁场的传感器。这一过程很复杂，空间利用率低，在传感器的沉积和布局中还会造成一些遮蔽效应，这降低了传感器性能。
(4)通过利用磁性材料的垂直磁各向异性来测量Z轴方向磁场，例如美国专利申请US20130168787A1公开了一种磁传感器，该传感器通过利用垂直磁各向异性来测量外磁场的Z轴分量，但垂直磁各向异性材料的矫顽力很高，这种方法还会降低磁阻。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种体积小、成本低、灵敏度高、线性度好、制作简单、适用于高强度磁场的单芯片Z轴线性磁电阻传感器。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种单芯片Z轴线性磁电阻传感器，该传感器包括：
沉积有电桥的基片；
所述电桥由相交错排列的推臂与挽臂电连接构成；
所述推臂和挽臂各自均包含有至少一个相互电连接的磁电阻传感元件,以检测磁场在X轴方向上的分量；
至少一个通量引导件，所有所述通量引导件的集合覆盖住整个所述电桥；
所述通量引导件的长轴与Y轴平行，所述通量引导件的短轴与X轴平行。
优选的，所述磁电阻传感元件为GMR或者TMR传感元件，所述GMR或者TMR传感元件的钉扎层的磁化方向相同。
优选的，所述磁电阻传感元件的长度与宽度之间的比值大于1。
优选的，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件的磁性自由层的磁化方向与Y轴平行，钉扎层的磁化方向与X轴平行。
优选的，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者所述永磁偏置、双交换作用和形状各向异性中至少两个的结合使磁性自由层的磁化方向与Y轴平行。
优选的，通过形状各向异性来实现磁性自由层的磁化方向与Y轴平行，并且钉扎层的磁化方向与X轴平行时，所述磁电阻传感元件的长度与宽度之间的比值大于3。
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，并且所述磁电阻传感元件的长轴与Y轴平行。
优选的，所述电桥为半桥、全桥或者准桥。
优选的，所述通量引导件为长条形阵列，其长度Ly大于宽度Lx，也大于厚度Lz，相邻两个通量引导件之间的间距S不小于宽度Lx，所述通量引导件的材料为软铁磁合金，其含有Ni、Fe、Co和Al中的一种或几种元素。
优选的，相邻两个通量引导件之间的间距S取值范围为2Lx～3Lx。
优选的，所述电桥用引线连接于半导体封装引线框，封装在塑料中以形成一标准半导体封装。
优选的，所述半导体封装的方法包括焊盘引线键合、倒装芯片、球栅阵列封装(BGA)、晶圆级封装(WLP)以及板上芯片封装(COB)。
优选的，所述基片包含有一集成电路，所述集成电路与所述电桥相电连接。
优选的，所述磁电阻传感元件，位于所述通量引导件的下方边缘至所述通量引导件的中心处之间的任意位置。
优选的，所述磁电阻传感元件位于相对于所述通量引导件的边缘的下方的以外的两侧。
优选的，所述磁电阻传感元件位于从所述通量引导件的边缘到其中心线的距离的1/3处至2/3处之间的任意位置并包括所述1/3和2/3处。
优选的，移动所述磁电阻传感元件靠近所述通量引导件的下方边缘，或者增大所述通量引导件的厚度Lz，或者减小所述通量引导件的宽度Lx处均，以增加所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的灵敏度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)采用多个细长条形通量引导件，能使传感器具有低磁滞、良好的线性度和高灵敏度，也使得传感器的输出不容易达到饱和状态，从而增大了传感器工作的动态范围；
(2)所有的磁电阻传感元件均位于通量引导件的下方，这有利于屏蔽面内的磁场分量，直接检测到的便是所需测的Z轴方向磁场，无需通过算法计算；
(3)本发明中的单芯片Z轴线性磁电阻传感器的工作磁场能达到200高斯以上；
(4)本发明中的单芯片Z轴线性磁电阻传感器无需刻槽，也无需倾斜封装，其制作简单，便于封装，还能实现完全集成制造。
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，下面将对实施例技术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为本发明中的单芯片Z轴线性磁电阻传感器的结构示意图。
图2为Z轴方向磁场在通量引导件周围分布的剖面图。
图3为本发明中的单芯片Z轴线性磁电阻传感器的电路原理示意图。
图4为X轴方向磁场在通量引导件周围分布的剖面图。
图5为Y轴方向磁场在通量引导件周围分布的剖面图。
图6为传感器的输出电压与X、Y和Z轴方向磁场的关系曲线。
图7为相邻两个通量引导件之间的间距为5微米时，所检测到的X、Z轴方向的磁场分量与磁电阻传感元件所在位置的关系曲线。
图8为相邻两个通量引导件之间的间距为15微米时，所检测到的X、Z轴方向的磁场分量与磁电阻传感元件所在位置的关系曲线。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例
图1为本发明中的单芯片Z轴线性磁电阻传感器的结构示意图。从图1中可以看出，该传感器包括基片1，多个磁电阻传感元件2和3，多个通量引导件4，电连接导体5以及焊盘6-9。焊盘6-9分别作为电源供应端VBias，接地端GND，电压输出端V+，V-。磁电阻传感元件2和3分别位于通量引导件4下方的长轴两侧，通量引导件4能将所有磁电阻传感元件完全覆盖。当然，磁电阻传感元件2和3也可以分别位于通量引导件4下方的长轴两侧边缘的外侧。在本实施例中，虽然左右两侧最外围以及中间的三个通量引导件下方没有放置磁电阻传感元件，但如有需要，所有通量引导件下方都可以放置磁电阻传感元件。所有磁电阻传感元件2相互电连接构成了电桥的推臂，所有磁电阻传感元件3相互电连接构成了电桥的挽臂，推臂与挽臂相间隔排列，推臂、挽臂以及焊盘6-9之间通过电连接导体5连接形成电桥。一种可能的实施例是，当磁电阻传感元件沿通量引导件的短轴方向即X轴方向，位于通量引导件的下方边缘至通量引导件的中心处之间的任意位置时，包括其中心处，均能增加单芯片Z轴线性磁电阻传感器的线性工作范围。
磁电阻传感元件2和3可以为GMR或者TMR传感元件，在本实施例中采用的是TMR传感元件。磁电阻传感元件2和3的形状可以为方形、菱形或者椭圆形，但不限于以上形状，其长、宽比值大于1，在本实例中，长度为15微米，宽度为1.5微米。磁电阻传感元件2和3的个数相同并且其长轴方向与Y轴平行，这些磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，均为110。在没有外加磁场时，磁电阻传感元件2和3通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向111与Y轴平行，钉扎层的磁化方向110与X轴平行，磁化方向110与111相互垂直，用于检测Z轴方向的外加磁场在X轴方向上分量的差值。当选择通过形状各向异性来实现磁性自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向垂直时，磁电阻传感元件2、3的长度与宽度之间的比值均大于3。
通量引导件4为长条形阵列，但不限于以上形状，其长度Ly大于宽度Lx，也大于厚度Lz，相邻两个通量引导件之间的间距S不小于宽度Lx，优选地，间距S的取值为2Lx～3Lx。它们的组成材料为选自Ni、Fe、Co和Al中的一种或几种元素组成的软铁磁合金，但不限于以上材料。优选地，其宽度Lx为1～20微米，长度Ly为10～1000微米，厚度Lz为1～20微米，相邻两个通量引导件之间的间距S为1～60微米。
本实施例中是采用焊盘来进行输入输出连接以及传感器芯片与封装引出端之间的电连接，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。此外，基片1上也还可以包含一集成电路，该集成电路与电桥相互电连接。
图2为Z轴方向的外加磁场100在通量引导件4周围分布的剖面图。从图中磁力线的分布情况可以看出，外加磁场在通量引导件4附近产生扭曲，从而产生了X轴方向的磁场分量，位于通量引导件4下方的磁电阻传感元件2和3正好能检测到此分量，但二者所检测到的磁场分量的方向相反，分别为101和102。通过所检测到的X轴磁场分量，便能得知所施加的外加磁场的大小。由于通过通量引导件4的外加磁场，其磁场强度的幅度会大幅衰减，所以即使施加高强度的外加磁场(例如200高斯)，只要在该传感器工作磁场的范围内，该传感器都能正常工作。
磁电阻传感元件的理想位置取决于预期的应用。明确来说，本发明中提供的传感器的灵敏度主要取决于以下几个因素：通量引导件4的宽度Lx、厚度Lz、长度Ly以及磁电阻传感元件2、3距离通量引导件4下方边缘的距离Ledge。当磁电阻传感元件2、3远离通量引导件4的边缘或者接近通量引导件4的中心时，传感器的灵敏度就会降低，但是该传感器的饱和磁场却会增大，例如，此时传感器能在500高斯以上的磁场中正常工作。磁电阻传感元件2、3越靠近通量引导件4下方的边缘处，或者增大通量引导件4的厚度Lz或者减小宽度Lx，均能提高传感器的灵敏度。本发明提供的传感器无需修改整个光刻掩膜组，就能很容易应用于各种应用中。
图3为对应图2的电路原理示意图。若干个磁电阻传感元件2电连接构成等效磁电阻R2和R2’，若干个磁电阻传感元件3电连接构成两个等效磁电阻R3和R3’，这四个磁电阻连接构成全桥。当施加Z轴方向的外磁场时，磁电阻R2、R2’和R3、R3’的阻值变化情况会相反，从而构成推挽输出。一般来说，R2’＝R2,R3’＝R3。从图3中可以得到，该电路的输出电压：
图4为X轴方向的外加磁场104在通量引导件4周围分布的剖面图。从图中可以看出，磁电阻传感元件2和3所检测到的磁场相同，这样就会导致磁电阻R2、R2’和R3、R3’的阻值变化情况相同，从而不能形成推挽输出，这样传感器就不会产生响应。从传感器本身结构上解释来说，推臂和挽臂相间隔排列，这使得电桥起到了一个十分良好的平衡梯度仪的作用，从而使得传感器对X轴方向的交叉磁场不会产生响应。
图5为Y轴方向的外加磁场103在通量引导件4周围分布的剖面图。从图中可以看出，通量引导件4将Y轴方向的外加磁场完全屏蔽，并且磁电阻传感元件对Y轴方向的磁场不敏感，所以磁电阻传感元件没有检测到任何磁场分量，从而传感器也不会产生任何响应。
图6为传感器的输出电压与X、Y和Z轴方向磁场的关系曲线。图中曲线上的数据为实测数据。从图6中可以看出，当施加X、Y轴方向的磁场时，传感器的输出电压均为0，这与从图4、图5中所得到的结论一致。当施加Z轴方向的磁场时，在-200～200高斯的磁场范围内，传感器所产生的输出电压与外加磁场的大小近似成线性关系，可见该传感器的线性度十分良好。
图7为相邻两个通量引导件之间的间距为5微米时，所检测到的X、Z轴方向的磁场分量与磁电阻传感元件所在位置的关系曲线。所施加的外磁场大小均为10高斯，曲线16为Z轴方向的外加磁场与磁电阻传感元件所在位置的关系曲线，从曲线16可以看出，进入通量引导件的外磁场会很大幅度衰减，位于通量引导件下方的磁电阻元件2和3所检测到的磁场分别为BX+＝2.5G，BX-＝-2.5G，则增益系数Axz＝Bx/Bz＝(BX+-BX-)/Bz＝0.5，曲线17对应于X轴方向的外加磁场，通过曲线17可以得到增益系数Axx＝(BX+-BX-)/Bx＝(-6+6)/10＝0。
图8为相邻两个通量引导件之间的间距为15微米时，所检测到的Z、X轴方向的磁场分量与磁电阻传感元件所在位置的关系曲线18、19。所施加的外磁场仍为10高斯。从曲线18、19上可以得到增益系数Axz＝(BX+-BX-)/Bz＝(4+4)/10＝0.8，Axx＝(BX+-BX-)/Bx＝(-2.5+2.5)/10＝0。
通过对比图7和图8所得到的结果可知，增益系数Axz与相邻两个通量引导件之间的间距有关，间距越大，Axz的值越大，所以设计中，间距一般要大于通量引导件4宽度的两倍。
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单芯片Z轴线性磁电阻传感器。
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 (15)

1.一种单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，该磁电阻传感器包括：
沉积有电桥的基片；
所述电桥由相交错排列的推臂与挽臂电连接构成；
所述推臂和挽臂各自均包含有至少一个相互电连接的磁电阻传感元件, 以检测磁场在X轴方向上的分量；
至少一个通量引导件，所有所述通量引导件的集合覆盖住整个所述电桥；
所有所述通量引导件的长轴与Y轴平行，所有所述通量引导件的短轴与X轴平行；
所述磁电阻传感元件为GMR或者TMR传感元件，所述GMR或者TMR传感元件的钉扎层的磁化方向相同；
所述电桥为半桥、全桥或者准桥。
2.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件的长度与宽度之间的比值大于1。
3.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件的磁性自由层的磁化方向与Y轴平行，钉扎层的磁化方向与X轴平行。
4.根据权利要求3 所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者所述永磁偏置、双交换作用和形状各向异性中至少两个的结合使磁性自由层的磁化方向与Y轴平行。
5.根据权利要求4 所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，通过形状各向异性来实现磁性自由层的磁化方向与Y轴平行，并且钉扎层的磁化方向与X轴平行时，所述磁电阻传感元件的长度与宽度之间的比值大于3。
6.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，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，并且所述磁电阻传感元件的长轴与Y轴平行。
7.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述通量引导件为长条形阵列，其长度Ly大于宽度Lx，也大于厚度Lz，相邻两个通量引导件之间的间距S不小于宽度Lx，所述通量引导件的材料为软铁磁合金， 其含有Ni、Fe、Co和 Al中的一种或几种元素。
8.根据权利要求7所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，相邻两个通量引导件之间的间距S取值范围为2Lx~3Lx。
9.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述电桥用引线连接于半导体封装引线框，封装在塑料中以形成一标准半导体封装。
10.根据权利要求9所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述半导体封装的方法包括焊盘引线键合、倒装芯片、球栅阵列封装（BGA）、晶圆级封装（WLP）以及板上芯片封装（COB）。
11.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述基片包含有一集成电路，所述集成电路与所述电桥相电连接。
12.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件，位于所述通量引导件的下方边缘至所述通量引导件的中心处之间的任意位置。
13.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件位于相对于所述通量引导件的边缘的下方的以外的两侧。
14.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件位于从所述通量引导件的边缘到其中心线的距离的1/3处至2/3处之间的任意位置并包括所述1/3和2/3处。
15.根据权利要求1所述的单芯片Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，移动所述磁电阻传感元件靠近所述通量引导件的下方边缘，或者增大所述通量引导件的厚度Lz，或者减小所述通量引导件的宽度Lx，以增加所述单芯片Z轴线性磁阻传感器的灵敏度。
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