CN105259520B - 具有螺旋重置线圈的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁场传感器，其包括：至少一个磁场传感单元，其具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴；至少一个螺旋重置线圈，其螺旋式环绕对应的磁场传感单元，其包括有位于对应的磁场传感单元上方的第一导线部分、位于对应的磁场传感单元下方的第二导线部分以及连接第一导线部分以及第二导线部分的穿过对应的磁场传感单元所在平面的第三导线部分。在本发明中设置了螺旋式环绕对应的磁场传感单元的螺旋重置线圈，其可以面积利用率高，在相同电流的情况下，能够产生更强的重置/再重置磁场。

Description

具有螺旋重置线圈的磁场传感器

【技术领域】

本发明涉及磁场传感器，特别涉及一种具有螺旋重置线圈的磁场传感器。

【背景技术】

目前基于磁阻效应的磁场传感器已经应用非常普通，比如各向异性磁阻(AMR)磁场传感器、巨磁阻(GMR)磁场传感器及隧穿磁阻(TMR)磁场传感器。一般来说，基于磁阻效应的磁场传感器在磁场方向和大小改变时，器件电阻会随之改变。磁场传感器的结构通常包括一层软磁材料，例如铁、钴，镍，钴铁硼合金或镍铁合金(permalloy)等。在磁场方向和大小改变时，软磁材料层的磁化方向随之改变，从而引起电阻的变化。

为了得到磁场的准确数值，在磁场传感器测量前所述软磁层需要被重新磁化。通常的方法是在紧邻磁场传感器的基本传感单元的导线中通过大电流以产生强磁场，从而使得基本传感单元的所有的磁畴都沿磁易轴方向排列，而磁易轴的方向由磁场传感器的基本传感单元的各向异性决定。通过控制所述导线上流过的电流的方向，磁畴的方向可以沿磁易轴平行的两个相反的方向排列。通常这个操作被称为重置(SET)和再重置(RESET)。除了可以对软磁层的磁化进行初始化，SET/RESET还可以帮助恢复软磁层的磁化。如果所处磁场传感器遭外界强磁场干扰，干扰磁场移除后所述软磁层的磁畴可能不能恢复至初始状态，从而引起测量误差。通过重置/再重置，磁畴的排列可以被恢复。

图1示出了现有的磁场传感器100的结构示意图。所述磁场传感器100包括有第一电源端131、第二电源端132、第一输出端133、第二输出端134、第一磁场传感单元111、第二磁场传感单元112、第三磁场传感单元113、第四磁场传感单元114、位于各个磁场传感单元上方或下方的重置线圈120。

在重置/再重置模式时，在所述重置线圈120内流过一个强电流，该强电流通过该重置线圈120在各个磁场传感单元111、112、113、114所在的平面产生磁场，该磁场能够重置/再重置各个磁场传感单元111、112、113、114使得各个磁场传感单元111、112、113、114的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。

图1中的各个磁场传感单元组成了惠斯通电桥结构。图2示出了图1中的惠斯通电桥结构的电路示意图。其中，第一电源端131可以是电源电压端，第二电源端132可以是接地端。在应用时，如果在磁敏轴方向有磁场，该磁场会改变第一磁场传感单元111、第二磁场传感单元112、第三磁场传感单元113和第四磁场传感单元114的电阻，从而导致第一输出端133和第二输出端134之间的压差发生变化，进而实现磁场检测。

该重置线圈120位于同一个金属层中，其为了产生能够重置/再重置各个磁场传感单元所需的磁场，需要较大的电流或者需要占用较大的面积，其面积利用率低,相同电流下磁场小。

因此需要一种改进的磁场传感器以克服上述问题。

【发明内容】

本发明的目的之一在于提供一种改进的磁场传感器及其制造方法，其面积利用率高，在相同电流的情况下，能够产生更强的重置/再重置磁场。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种磁场传感器，其包括：至少一个磁场传感单元，其具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴；至少一个螺旋重置线圈，其螺旋式环绕对应的磁场传感单元，其包括有位于对应的磁场传感单元上方的第一导线部分、位于对应的磁场传感单元下方的第二导线部分以及连接第一导线部分以及第二导线部分的穿过对应的磁场传感单元所在平面的第三导线部分。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种磁场传感器的制造方法，其包括：在基底上淀积形成第一导电层；图形化所述第一导电层以得到第二导线部分；在图形化的第一导电层上淀积形成第一介质层；在第一介质层上形成多个磁场传感单元；在所述磁场传感单元上形成第二介质层；刻蚀第二介质层和第一介质层形成多个通孔；填充各个通孔以在各个通孔内形成第三导线部分，在第二介质层上淀积第二导电层；和图形化所述第二导电层以得到第二导线部分。其中，第一导线部分、第二导线部分和第三导线部分相连形成螺旋式环绕对应的磁场传感单元的多个螺旋重置线圈。

与现有技术相比，在本发明中设置了螺旋式环绕对应的磁场传感单元的螺旋重置线圈，其可以面积利用率高，在相同电流的情况下，能够产生更强的重置/再重置磁场。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1示出了现有技术中的磁场传感器的结构原理示意图；

图2为图1中的磁场传感器的惠斯通电桥电路原理示意图；

图3a为本发明中的磁场传感器在第一实施例中的结构原理示意图；

图3b为沿图3a中的a-a剖面线的剖视示意图；

图3c为沿图3a中的b-b剖面线的剖视示意图；

图4为本发明中的磁场传感器在第二实施例中的结构原理示意图；

图5为本发明中的磁场传感器的制造方法在一个实施例中的流程示意图。

图6a-6f为本发明中的磁场传感器在制造过程中的状态示意图。

图7为本发明中的磁场传感器在第三实施例中的结构原理示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连，间接电性相连是指经由另外一个器件或电路电性相连。

图3a为本发明中的磁场传感器在第一实施例200中的结构原理示意图；图3b为沿图3a中的a-a剖面线的剖视示意图；图3c为沿图3a中的b-b剖面线的剖视示意图。如图3a至3c所示的，所述磁场传感器200包括磁场传感单元210和螺旋重置线圈220。

所述磁场传感单元210具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴。为了介绍方便，定义x轴和与x轴垂直的y轴，所述磁场传感单元210的磁易轴与x轴平行，所述磁场传感单元210的磁敏轴与y轴平行。所述磁场传感单元210可以为各向异性磁阻(AMR)传感单元、巨磁阻(GMR)传感单元或隧穿磁阻(GMR)传感单元。

在一个实施例中，所述磁场传感单元210包括沿其磁易轴方向延伸的纵长磁阻条和形成于所述磁阻条上的并与所述磁阻条成预定角度的相互平行的若干个导电条。所述磁阻条可以由铁、钴、镍、钴铁硼合金或镍铁合金等软磁材料制成，所述磁阻条所在的层也被称为软磁层或磁阻层。所述导电条由导电材料，比如钛Ti和铜Cu，等制成。

结合参考图3a、图3b和图3c所示的，所述螺旋重置线圈220螺旋式环绕对应的磁场传感单元210。所述螺旋重置线圈220包括有位于对应的磁场传感单元210上方的第一导线部分221、位于对应的磁场传感单元210下方的第二导线部分222以及连接第一导线部分221以及第二导线部分222的穿过对应的磁场传感单元210所在平面的第三导线部分223。很显然，所述螺旋重置线圈220的第一导线部分221由位于所述磁场传感单元210上方的导电层图形化而形成，所述螺旋重置线圈220的第二导线部分222由位于所述磁场传感单元210下方的导电层图形化而形成。也就是说，所述螺旋重置线圈220至少由两层导电层形成。

所述磁场传感器200还包括：位于所述磁场传感单元210和所述螺旋重置线圈220的第二导线部分222之间第一介质层(未图示)和位于所述磁场传感单元210和所述螺旋重置线圈220的第一导线部分221之间的第二介质层(未图示)。

所述磁场传感器200具有重置/再重置模式。在重置/再重置模式时，在所述螺旋重置线圈220内流过电流，此时所述螺旋重置线圈220在所述磁场传感单元210所在的平面产生平行于所述磁易轴的磁场，该磁场能够重置/再重置该对应的磁场传感单元210使得该对应的磁场传感单元的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。在本发明中，由于采用了螺旋式的重置线圈，相对于图1中的重置线圈，其可以有效提高空间利用率，在相同电流的情况下，能够产生更强的磁场。

图4示出了本发明中的磁场传感器在第二个实施例400中的原理示意图。如图4所示的，所述磁场传感器400包括第一电源端431、第二电源端433、第一输出端433、第二输出端434、第一磁场传感单元411、第二磁场传感单元412、第三磁场传感单元413、第四磁场传感单元414、第一螺旋重置线圈421、第二螺旋重置线圈422、第三螺旋重置线圈423、第四螺旋重置线圈424。第一螺旋重置线圈421、第二螺旋重置线圈422、第三螺旋重置线圈423、第四螺旋重置线圈424是分别与第一磁场传感单元411、第二磁场传感单元412、第三磁场传感单元413和第四磁场传感单元414相对应的。

第一电源端431与第一磁场传感单元411的第一端和第二磁场传感单元412的第一端相连；第二电源端432与第三磁场传感单元423的第二端和第四磁场传感单元424的第二端相连；第一输出端433与第一磁场传感单元421的第二端和第三磁场传感单元423的第一端相连；第二输出端434与第二磁场传感单元422的第二端和第四磁场传感单元424的第一端相连。

每个磁场传感单元均具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴。同样的，定义x轴和与x轴垂直的y轴，各个磁场传感单元的磁易轴与x轴平行，各个磁场传感单元的磁敏轴与y轴平行。图4中的每个磁场传感单元的类型、结构、原理及制造工艺都可以参考图3中的磁场传感器单元，这里不再重复描述了。

同样的，所述磁场传感器400具有重置/再重置(SET/RESET)模式。

在重置/再重置模式时，在各个螺旋重置线圈内流过电流，每个螺旋重置线圈产生的磁场都能够重置/再重置对应的磁场传感单元411、412、413、414使得各个磁场传感单元411、412、413、414的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。优选的，各个螺旋重置线圈421、422、423、424可以收尾连接在一起，这样各个螺旋重置线圈只需要两个连接端就可以了。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供了如图3a和图4所示的磁场传感器的制造方法。如图5所示的，所述磁场传感器的制造方法500包括如下步骤。

步骤510，在基底610上淀积形成第一导电层620，其结果如图6a所示的。

步骤520，图形化所述第一导电层620以得到第二导线部分。

步骤530，在图形化的第一导电层620上淀积形成第一介质层630，其结果如图6b所示。

步骤540，在第一介质层630上形成多个磁场传感单元640，其结果如图6c所示。

步骤550，在所述磁场传感单元640上形成第二介质层650，其结果如图6d所示。

步骤560，刻蚀第二介质层650和第一介质层630形成多个通孔660，其结果如图6e所示。

步骤570，在形成通孔后的第二介质层650上淀积第二导电层670，此时第二导电层670的部分导体材料填充所述通孔形成第三导线部分680，其结果如图6f所示。

在另一个实施例中，也可以利用单独一道导体填充过孔工艺来填充所述通孔形成第三导线部分680。

步骤580，图形化所述第二导电层670以得到第一导线部分。

其中第一导线部分、第二导线部分和第三导线部分相连形成螺旋式环绕对应的磁场传感单元640的多个螺旋重置线圈。

在一个改进的实施例中，所述螺旋重置线圈的位于对应的磁场传感单元上方的第一导线部分分别由多层的导电层形成，所述螺旋重置线圈的位于对应的磁场传感单元下方的第二导线部分分别由多层的导电层形成。这样，由于在相同的面积的情况下，线圈的匝数变得更多，可以使得所述螺旋重置线圈在有限的面积和体积上产生更强的重置/再重置磁场。

图7为本发明中的磁场传感器在第三实施例中的结构原理示意图。图7中的磁场传感器700与图3a中的磁场传感器200在结构上基本相同，其也包括磁场传感单元710和螺旋重置线圈720。所述螺旋重置线圈720也螺旋式环绕对应的磁场传感单元710，其也包括：有位于对应的磁场传感单元710上方的第一导线部分721、位于对应的磁场传感单元710下方的第二导线部分722以及连接第一导线部分721以及第二导线部分722的穿过对应的磁场传感单元710所在平面的第三导线部分。

图7中的磁场传感器700与图3a中的磁场传感器200在结构上的不同之处在于：图7中的螺旋重置线圈720的第一导线部分721和第二导线部分722的延伸方向与对应的磁场传感单元710的磁敏轴成预定夹角a，该预定夹角a大于等于0度且小于45度。优选的，该预定夹角大于4度小于15度。这样，所述螺旋重置线圈720在通过一定的电流时，其产生的磁场具有x轴分量，也具有y轴分量。需要知道的是，如果所述预定夹角a为0度，那么其与图3a所示的磁场传感器200将是相同的。

所述磁场传感器700具有重置/再重置模式和自检模式。在重置/再重置模式下，使所述螺旋重置线圈720上流过第一电流，所述螺旋重置线圈720产生的磁场的x轴分量可以被用来重置/再重置对应的磁场传感单元710。在自检模式下，使所述螺旋重置线圈720上流过第二电流，所述螺旋重置线圈720产生已知大小的磁场，该磁场的y轴分量也为已知，此时通过检查所述磁场传感器720的读数可以与该已知大小的y轴分量比较以校准所述磁场传感器700的灵敏度、误差以及其它参数。该第二电流小于第一电流。

这样，通过一个螺旋重置线圈720就可以同时实现重置/再重置和自检两种功能，降低了成本。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (12)

1.一种磁场传感器，其特征在于，其包括：

至少一个磁场传感单元，其具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴；

至少一个螺旋重置线圈，其螺旋式环绕对应的磁场传感单元，其包括有位于对应的磁场传感单元上方的第一导线部分、位于对应的磁场传感单元下方的第二导线部分以及连接第一导线部分以及第二导线部分的穿过对应的磁场传感单元所在平面的第三导线部分，

所述螺旋重置线圈的第一导线部分和/或第二导线部分的延伸方向与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角，该预定夹角a大于等于0度且小于45度。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其具有重置/再重置模式，在重置/再重置模式下，使得所述螺旋重置线圈内流过电流，所述螺旋重置线圈在所述磁场传感单元所在的平面产生平行于所述磁易轴的磁场，该磁场能够重置/再重置该对应的磁场传感单元使得该对应的磁场传感单元的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。

3.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元为多个，各个磁场传感单元的磁易轴相互平行，所述螺旋重置线圈为多个，每个螺旋重置线圈对应一个磁场传感单元。

4.根据权利要求3所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括有第一电源端、第二电源端、第一输出端和第二输出端，

所述磁场传感单元为四个，分别记为第一磁场传感单元、第二磁场传感单元、第三磁场传感单元和第四磁场传感单元，

所述螺旋重置线圈为四个，分别记为第一螺旋重置线圈、第二螺旋重置线圈、第三螺旋重置线圈和第四螺旋重置线圈，它们分别对应于第一磁场传感单元、第二磁场传感单元、第三磁场传感单元和第四磁场传感单元；

其中，第一电源端与第一磁场传感单元的第一端和第二磁场传感单元的第一端相连；第二电源端与第三磁场传感单元的第二端和第四磁场传感单元的第二端相连；第一输出端与第一磁场传感单元的第二端和第三磁场传感单元的第一端相连；第二输出端与第二磁场传感单元的第二端和第四磁场传感单元的第一端相连。

5.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元为各向异性磁阻传感单元、巨磁阻传感单元或隧穿磁阻传感单元。

6.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括：

第一介质层，其位于所述磁场传感单元和所述螺旋重置线圈的第二导线部分之间；和

第二介质层，其位于所述磁场传感单元和所述螺旋重置线圈的第一导线部分之间。

7.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元包括沿其磁易轴方向延伸的纵长磁阻条和形成于所述磁阻条上的并与所述磁阻条成预定角度的相互平行的若干个导电条。

8.根据权利要求7所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁阻条由铁、钴、镍、钴铁硼合金或镍铁合金制成。

9.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述螺旋重置线圈的位于对应的磁场传感单元上方的第一导线部分分别由多层的导电层形成，所述螺旋重置线圈的位于对应的磁场传感单元下方的第二导线部分分别由多层的导电层形成。

10.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，该预定夹角大于4度小于15度。

11.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器具有重置/再重置模式和自检模式，在重置/再重置模式下，使所述螺旋重置线圈上流过第一电流，所述螺旋重置线圈产生的磁场的x轴分量被用来重置/再重置对应的磁场传感单元，在自检模式下，使所述螺旋重置线圈上流过第二电流，所述螺旋重置线圈产生已知大小的磁场，该磁场的y轴分量也为已知，此时通过检查所述磁场传感器的读数与该已知大小的y轴分量实现自检，第二电流小于第一电流。

12.一种磁场传感器的制造方法，其特征在于，其包括：

在基底上淀积形成第一导电层；

图形化所述第一导电层以得到第二导线部分；

在图形化的第一导电层上淀积形成第一介质层；

在第一介质层上形成多个磁场传感单元；

在所述磁场传感单元上形成第二介质层；

刻蚀第二介质层和第一介质层形成多个通孔；

填充各个通孔以在各个通孔内形成第三导线部分，在第二介质层上淀积第二导电层；和

图形化所述第二导电层以得到第一导线部分；

其中，第一导线部分、第二导线部分和第三导线部分相连形成螺旋式环绕对应的磁场传感单元的多个螺旋重置线圈，

所述螺旋重置线圈的第一导线部分和/或第二导线部分的延伸方向与对应的磁场传感单元的磁敏轴成预定夹角，该预定夹角a大于等于0度且小于45度。