CN108089139B - 一种可重置的双极型开关传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可重置的双极型开关传感器，包括：双极型磁滞开关传感器、重置线圈、ASIC开关电路及重置电源电路，双极型磁滞开关传感器包括：衬底，位于衬底上的磁电阻传感臂，磁电阻传感臂为一个或多个磁电阻传感单元串之间通过串联、并联或者串并联而成的两端口结构，TMR磁电阻传感单元自由层磁化方向仅由各向异性场Hk决定、且和磁场敏感方向和参考层磁化方向均可沿着N或者S方向，重置线圈位于衬底和磁电阻传感单元之间，或者位于衬底下方引线框上，重置磁场方向均同为N或者S方向之一，ASIC开关电路包括偏置功能模块，阅读功能模块和输出功能模块，重置电源电路连接重置线圈。本发明具有低功耗，小尺寸，可预先设置开关传感器起始状态的特点。
Description
技术领域
本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种可重置的双极型开关传感器。
背景技术
磁电阻开关传感器广泛应用于消费电子、白色家电、三表（电表、水表、气表）、汽车以及工业应用领域。目前主流的磁性开关传感器有霍尔传感器和各向异性（AMR）传感器。在消费电子和三表应用领域，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗可达微安，这是在牺牲其工作频率的情况下获得的，其工作频率为几十赫兹，其开关点为几十高斯，在汽车、工业应用等需要高工作频率的环境，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗为毫安级，其工作频率为千赫兹级别。
隧道磁电阻TMR元件为敏感元件的传感器具有低功耗的特点，可以工作在千赫兹甚至兆赫兹工作频率，功耗可以达到微安级别，开关工作点为十几高斯，具有高灵敏度和低功耗，响应频率高，体积小的特点。
通常开关传感器一般采用线性磁电阻传感器，在输出电压V和外磁场H的直线工作区域，设定操作点和回复点磁场以及对应的信号输出电压作为参考信号，采用比较器实现矩形高电平和低电平开关信号输出。
TMR线性磁电阻传感器的自由层各向异性场Hk和外磁场Hex为相互垂直关系，且参考层磁化方向垂直于自由层磁化方向，当自由层磁矩随外磁场Hex增加，发生旋转，自由层磁化方向从与参考层磁化方向夹角为90度位置旋转至夹角为0度位置，当反向外磁场-Hex时，则旋转至180度位置，且此时磁电阻R-外磁场H输出特征曲线为线性；另一方面，当自由层各向异性场Hk方向与外磁场Hex方向一致，且参考层磁化方向设置成与自由层磁化方向相互平行，增加外磁场Hex，自由层磁矩M不发生变化，而当外磁场反向-Hex时，在反向外磁场-Hex幅度小于Hk时，自由层磁矩M保持不变，此时，夹角为0度，而当反向外磁场-Hex幅度接近Hk时，自由层磁矩M突然发生反向即变成-M，此时夹角为180度，从而具有矩形的磁滞回线M-Hex特征，对应的磁电阻R-外磁场H曲线也为矩形磁滞回线特征，从而提供了一种新型的双极型磁滞磁电阻传感器开关。
磁滞双极型磁电阻传感器在0外磁场条件下自由层磁化方向M可以存在两种稳定的状态，即与参考层磁化方向夹角为0度和180度的状态，取决于撤去外磁磁场前所施加的外磁场Hex的方向。
因此，为了保证每次测量时能够确保自由层磁化方向M的方向的一致性，可以采用重置线圈产生重置磁场Hr，作用于N或者S方向，并可以选择在测量开始前或者选择在测量完成之后激发Hr，使得自由层磁化方向M已知。
对于TMR线性开关磁电阻传感器电桥，通常采用将一个具有单一磁场敏感方向如X轴的推磁电阻传感单元切片，翻转180度，以此来获得X轴的挽磁电阻传感器单元切片，而后通过绑定连接两个切片，其优点在于，制备方法简单，切片只需对应一个铁磁参考层结构，且缺点在于，需要操作2个切片在同一平面内进行精确定位，增加了由于操作失误导致传感器测量精度损失可能性。
中国专利申请号为CN201610821610.7的专利公开了一种采用激光程控加热磁场退火的方法以实现对磁电阻传感单元进行扫描、快速加热反铁磁层到阻塞温度以上，同时在冷却过程中可以沿任意方向施加磁场，可以逐个扫描、甚至逐片扫描实现磁电阻传感单元沿任一方向的磁场敏感方向的定向，采用该方法可以实现在单一切片上的单轴磁电阻传感单元的两种具有相反取向的磁电阻传感单元及其阵列的制造，从而克服了翻转切片的精确定位的难题，并可实现单芯片磁电阻电桥批量制造。
此外，GMR自旋阀结构工作在CIP模式，即工作电流平行于磁多层薄膜平面，这使得自由层厚度的变化能够引起传感器电阻大的变化，因此其厚度变化受到限制，这使得Hc控制起来不容易，而TMR传感器工作在CPP模式，即电流垂直于磁多层薄膜平面，使得TMR单元很容易图形化得到小的椭圆形状，而且对于自由层厚度的控制不会导致TMR传感器性能的降低，而且容易控制Hc。此外，与GMR自旋阀相比，TMR具有更低功耗和更高磁场灵敏度，尺寸更小。
发明内容
因此，基于以上各种类型磁电阻传感器、开关工作原理、磁场退火方法的比较以及为了解决开关初始状态的问题，本发明提出了一种可重置的双极型开关传感器，包括：双极型磁滞开关传感器，所述双极型磁滞开关传感器包括：衬底，位于所述衬底上的一个或者多个磁电阻传感臂，所述磁电阻传感臂为一个或多个磁电阻传感单元串之间通过串联、并联或者串并联而成的两端口结构，所述磁电阻传感单元串包括一个或多个串联磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元为TMR传感单元，包括：钝化层、上电极层、自由层、中间绝缘层、参考层、反铁磁层和种子层，所述种子层和反铁磁层构成下电极层，所述自由层磁化方向、磁场敏感方向和所述参考层磁化方向均可沿着N或者S方向，所述自由层磁化方向仅由各向异性场Hk决定；重置线圈，所述重置线圈可以位于所述衬底和所述磁电阻传感单元之间，或者位于所述衬底下方的引线框上，其作用于所有所述磁电阻传感单元的重置磁场方向均同为N或者S方向之一；ASIC开关电路，所述ASIC开关电路包括偏置功能模块，阅读功能模块和输出功能模块，所述偏置功能模块连接所述磁滞开关传感器、所述阅读模块和所述功能模块的电源端，所述阅读功能模块连接所述磁滞开关传感器的信号输出端，所述输出功能模块连接所述阅读功能模块；以及重置电源电路，所述重置电源电路连接所述重置线圈。
所述磁电阻传感器单元为椭圆、菱形、或中间矩形两端锥形的双轴对称形状，其长轴L为N或S方向，短轴为W；所述中间绝缘层为Al2O3或者MgO材料；所述自由层为高各向异性场Hk材料；当采用激光编程工艺时，所述钝化层为对激光透明的材料，所述上电极层材料为至少150 nm厚度的Cu、Al、Au、Ti或Ta金属导电材料，以防止被激光损伤，且所述反铁磁层为高阻塞温度材料，当所述磁电阻传感单元之间通过长距离所述下电极层互联时，所述下电极层所在区域被所述上电极层所在区域覆盖，以保护所述下电极层免遭激光损伤；所述重置线圈材料为高电导率材料Cu，Ta，Au或者Al；所述位于衬底上的重置导线和所述磁电阻传感单元之间采用绝缘层电隔离。
所述任一磁电阻传感臂所包含的所述磁电阻传感单元的所述参考层磁化方向均同为N或者S方向之一，所述自由层各向异性场Hk方向也均同为N或者S方向之一，从而得到NrNf,NrSf,SrNf和SrSf 4种不同类型所述磁电阻传感臂。
所述双极型磁滞开关传感器为单切片结构，且由所述NrNf,NrSf,SrNf或SrSf 4种类型之一的所述磁电阻传感臂组成，在N或S方向之一相同取向的外磁场Hex作用下，NrNf和NrSf为开关电平-磁场特性相同的N双极型磁滞开关传感器，SrNf和SrSf为开关电平-磁场特性相同的S双极型磁滞开关传感器，且所述N、S双极型磁滞开关传感器具有相反开关相位特征；或者由NrNf推或者挽磁电阻传感臂和SrNf挽或者推磁电阻传感臂，或NrSf推或者挽磁电阻传感臂和SrSf挽或者推磁电阻传感臂所组成的推挽桥式结构，且所述推挽桥式结构可以为半桥、全桥或者准桥。
所述双极型磁滞开关传感器为多切片结构，包括推磁电阻传感臂切片和挽磁电阻传感臂切片，所述推磁电阻传感臂切片和挽磁电阻传感臂切片分别对应所述NrNf,NrSf,SrNf或SrSf 4种类型之一的所述磁电阻传感臂切片及其翻转180度相位后的切片，并经过N或者S方向之一的重置磁场作用，使得所述推磁电阻传感臂和挽磁电阻传感臂的自由层磁化方向相同，从而由NrNf推或者挽磁电阻传感臂切片和SrNf挽或者推磁电阻传感臂切片，或者NrSf推或者挽磁电阻传感臂切片和SrSf挽或者推磁电阻传感臂切片通过绑定互联成推挽桥式结构，且所述推挽桥式结构可以为半桥、全桥或者准桥。
所述磁电阻传感单元反铁磁层磁化方向均相同时，可以采用激光编程工艺或退火炉磁退火工艺写入磁电阻传感单元反铁磁磁化方向；所述具有相同反铁磁层取向的磁电阻传感单元分别形成推臂区域和挽臂区域，所述推挽式桥式结构为全桥时，包含两个所述推臂区域和两个所述挽臂区域，且两个所述推臂区域以及两个所述挽臂区域相互近邻，或者所述两个所述推臂区域以及两个所述挽臂区域分别混合成一个组合推臂区域和一个组合挽臂区域，且所述推臂区域和所述挽臂区域之间，所述组合推臂区域和所述组合挽臂区域之间通过隔热层分开至少50 um，所述推挽桥式结构为半桥时，所述推臂区域和所述挽臂区域之间通过隔热层分开至少50 um，采用激光编程工艺写入推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的反铁磁层磁化方向。
所述推磁电阻传感臂切片或所述挽磁电阻传感臂切片可以采用激光编程工艺或退火炉磁退火工艺写入磁电阻传感单元反铁磁磁化方向。
所述重置线圈位于所述衬底和所述磁电阻传感单元之间时，所述重置线圈包含平行排列的重置导线，所述重置导线位于所述磁电阻传感单元正下方，且垂直于NS方向，所述位于重置导线中的重置电流大小和方向相同。
所述重置线圈为位于所述衬底下方引线框上时，所述重置线圈为螺旋形，包括至少一个平行排列的直线段区域，所述直线段区域中的重置电流具有相同方向和幅度，且垂直于N-S方向，所述磁电阻传感单元均位于所述直线段区域正上方。
所述ASIC偏置功能模块为具有温度补偿功能的电流源，当采用推挽式半桥或者全桥结构时，所述ASIC偏置功能模块为具有温度补偿功能的电压源。
所述ASIC阅读功能模块包含一个比较器，所述磁滞开关传感器为半桥结构时，输出信号直接连接到所述信号比较器一端，另一端为参考信号，为全桥结构时，输出信号直接连接到所述信号比较器两端。
所述ASIC阅读功能模块还包括与所述磁滞开关传感器信号输出端相连接的滤波器、放大器，以及与所述比较器相连的锁存器，缓冲器。
所述ASIC输出功能模块为电流开关、电压开关、电阻开关或者另一个开关之一。
所述磁滞开关传感器直接沉积在所述ASIC开关电路的顶层，或者所述磁滞开关传感器和所述ASIC开关电路之间通过绑定连接，所述重置电路中的重置电流为直流电流或者为脉冲电流，且可以为ASIC重置电路或者PCB重置电路，且所述ASIC开关电路和所述ASIC重置电路可以集成形成一个ASIC开关重置电路。
所述磁滞开关传感器的操作磁场为开关上升电压幅值的60~80%，回复磁场为开关下降电压幅值的60~80%。
本发明采用上述方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明具有低功耗，小尺寸，可预先设置开关传感器起始状态的特点。
附图说明
图1 可重置双极型开关传感器工组原理图；
图2a、2b分别为一种单切片可重置双极型开关传感器结构的平面图和截面图；
图3为 TMR磁电阻传感单元多层薄膜结构图；
图4a1、4a2、4a3、4a4分别为单臂双极型磁滞开关传感器的NrNf，NrSf，SrNf和SrSf磁取向图；
图4b1、4b2、4b3、4b4分别为单臂双极型磁滞开关传感器的对应NrNf，NrSf，SrNf和SrSf磁取向的开关电平-磁场特征曲线图；
图5 为推挽式双极型磁滞开关传感器磁取向及开关电平特征图；
图6 为另一种单切片可重置双极型开关传感器的结构图；
图7 为又一种单切片可重置双极型开关传感器的结构图；
图8为多切片可重置双极型开关传感器的结构图；
图9为ASIC开关电路的结构图；
图10为双极型磁滞开关传感器电源及信号输出图；
图11为双极型磁滞开关传感器的电路图；
图12为双极型磁滞开关传感器的阙值图；
图13为重置电源信号图；
图14为可重置双极型开关传感器拓扑图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
图1为可重置的双极型开关传感器的工作原理图，1为双极型磁滞开关传感器，2为重置线圈，3为ASIC开关电路，4为重置电路，5为外磁场，在本例中为一方形硬磁铁，其具有N磁极和S磁极，为了方便起见，规定外磁场Hex为N方向和S方向。此外，对于双极型磁滞开关传感器的磁场敏感方向，磁层的磁化方向均以N或者S方向为参考，外磁场5作用于磁电阻传感器1，并经ASIC开关电路3转变成双极型开关电平-磁场信号6，根据外磁场N和S方向不同，可以具有VH和VL两种电平，为了保证在开始使用之前开关在0磁场状态的确定性，如保持在使用前输出电平为7中的VL状态，在每次使用之前或者停止使用之后，可以通过重置电源4给重置线圈2供电并产生作用于双极型磁滞开关传感器1的重置磁场，使得双极型磁滞开关传感器1处于7状态。
图2a、2b示出了双极型磁滞开关传感器的单磁电阻传感臂两端口和单切片结构。其中，图2a为平面图，8为衬底，9为位于衬底8上的磁电阻传感单元臂，磁电阻传感单元臂9为一个或多个磁电阻传感单元串11之间通过串联、并联或者串并联而成的两端口结构，所述磁电阻传感单元串包括一个或多个串联磁电阻传感单元13，磁电阻传感单元13的可以为椭圆、菱形、或中间矩形两端锥形的双轴对称形状，其长轴L为N或S方向，短轴为W。图3为TMR传感单元多层薄膜110结构图，包括：钝化层190、上电极层180、自由层170、中间绝缘层160、参考层150、反铁磁层140和种子层130，所述种子层140和反铁磁层130构成下电极层120，中间绝缘层160为Al2O3或者MgO材料，反铁磁层140为高阻塞温度材料，自由层170为高各向异性场Hk，10为位于衬底8和磁电阻传感单元串9之间的重置线圈10，重置线圈10包括多个平行排列的重置导线12。图2b为截面图，可以看出，重置导线12位于磁电阻传感单元串11和衬底8之间，且位于磁电阻传感单元串11的正下方，且重置电流方向Ir垂直于磁电阻传感单元13的L方向，且对于任一磁电阻传感单元串所对应的重置导线具有相同的电流方向和幅度，图2a、2b中重置导线之间通过串联连接的形式以确保电流大小一致，并通过曲折结构以保证电流方向一致。
以图1中外磁场源5的 N和S两种相反方向作为参考方向来定义其他方向时，如图2a中磁电阻传感单元13所示，长轴L为N或S方向，图3中磁多层结构的自由层170磁化方向Hf、磁场敏感方向Hex和参考层150磁化方向Hr均沿着N方向或者S方向，自由层170磁化强度Hf仅由各向异性场Hk决定时，形成双极型磁滞开关传感器。
为了方便对各种类型双极型磁滞开关传感器的磁电阻传感单元结构进行描述，定义如下类型标志符：
NrSf
N，S表示取向，N代表方向与外磁场源N极取向一致，S代表与外磁场源S极取向一致。
下标r代表参考层，f代表自由层。
NrSf表示参考层取向为N，自由层取向为S。
另一方面，由于所有不同取向的磁电阻传感单元位于同一衬底之上，因此其受同一外磁场作用，因此在以下的分析中，外磁场方向取同一个方向不变。
双极型磁滞开关传感器所包含的磁电阻传感臂根据自由层磁化方向和参考层磁化方向的不同，可以分为4种类型，其类型标志符如表1所示，共有四种，分别为NrNf,NrSf,SrNf和SrSf，其所对应的磁电阻传感单元取向图和开关电平-磁场特征曲线如图4所示。由图可以看出，其中图4a1中的NrNf取向图和图4a2中的NrSf取向图具有相反的自由层取向Hf，参考层取向Hr相同，但是图4b1中的开关电平-磁场特征曲线和图4b2中的开关电平-磁场特征曲线相同，实际上图4a1和图4a2所示的取向图分别为同一开关电平-磁场特征曲线在两个开关电平时的所对应的两种取向图，因此NrNf,NrSf可以看成一种N双极型磁滞开关传感器，同样的，图4a3和图4a4所示的取向图对应为同一开关电平-磁场特征曲线图4b3和图4b4，因此SrNf和SrSf可以看成一种S双极型磁滞开关传感器，还可以看出，S双极型磁滞开关传感器和N双极型磁滞开关传感器具有相反相位的开关电平-磁场特征，即高低电平所对应的外磁场取向相反。
表1
由此双极型磁滞开关传感器可以包含单个磁电阻传感臂，所述磁电阻传感臂由单一取向的磁电阻传感单元组成，所述磁电阻传感单元为NrNf,NrSf,SrNf和SrSf中的一种，其结构图如图2a、2b。
图5为双极型磁滞开关传感器的推挽式结构图，将两种具有相反相位的磁电阻传感臂分别作为推臂和挽臂，形成推挽式结构，从而得到增强的信号输出。如图5a1中NrSf和SrSf磁电阻传感臂分别作为推挽半桥结构的R02和R01臂，图5b1和图6c1分别为NrSf和SrSf的磁电阻传感单元取向图，可以看出，自由层磁场Hf方向相同，而参考层磁化方向Hr则有不同取向，以后在下面的分析中，在包含多磁电阻传感臂的磁滞开关传感器结构中，将自由层磁场Hf取向定义相同，其目的在于：同一晶圆上自由层Hk取向均为同一制造工艺得到，因此具有一致性，而其对部分磁电阻传感单元的自由层反方向取向的操控比较费劲，图5d1和图5e1分别为NrSf和SrSf的开关电平-磁场特征曲线，其相位相反，因此图5f1所示的推挽式双极型磁滞开关传感器的开关电平-磁场特征曲线将2倍于图5d1和图5e1所对应的开关电平-磁场特征曲线开关电平幅度。
同样图5a2中SrNf和NrNf磁电阻传感臂分别作为推挽半桥结构的R01和R02臂，图5b2和图5c2分别为的SrNf和NrNf磁电阻传感单元取向图，同样可以看出，自由层磁场Hf方向相同，而参考层磁化方向Hr则有不同取向，且图5f2所示的推挽式双极型磁滞开关传感器的开关电平-磁场特征曲线将2倍于图5d2和图5e2所对应的开关电平-磁场特征曲线开关电平幅度，所述双极型推挽式磁滞开关传感器除了半桥之外，还可以具有全桥或者准桥结构。
图6为包含推挽磁电阻传感臂的可重置推挽式双极型磁滞开关传感器的结构图，包含两个磁电阻传感臂14和15，且两个磁电阻传感臂所对应的参考层磁化方向17和18具有相反的方向，自由层磁化方向则相同，且两个磁电阻传感臂组成推挽式电桥结构，16为重置线圈，与图2a、2b所示的单磁电阻传感臂所对应的可重置线圈10结构相似，所有推磁电阻传感单元串所对应的重置电流19和所有挽磁电阻传感单元串所对应的重置电流20方向相同，电流幅度也相同。
图7为包含四个磁电阻传感臂21，22，23和24的可重置推挽式全桥双极型磁滞开关传感器的简图，其中推磁电阻传感臂21，23和挽磁电阻传感臂22、24具有相反的参考层方向，同样推磁电阻传感臂21、23和磁电阻传感臂22、24所对应的重置线圈25、26、27、28相对于推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串具有相同的重置电流Ir方向和电流幅度。
图6和图7需要采用激光编程工艺实现对推磁电阻传感单元臂和挽磁电阻传感单元臂的相反的反铁磁层磁化方向的写入操作，从而实现单切片的结构。
图8为翻转切片方法制备的可重置的双极型磁滞推挽式磁电阻传感器结构，29为重置线圈，为螺旋形结构，激发区域30包含平行排列的重置导线，具有相同的电流方向和间距，两个具有互为翻转180度相位的包含单个磁电阻传感单元臂的切片31和32，在起始Ir=0状态图8a所示，其参考层磁化方向Hr相反，自由层磁化方向Hr相反，且垂直于重置导线方向，经过图8b所示的激发状态Ir=I，从而使得两个切片自由层磁化方向具有相同的方向，在图8c所示拆除电流Ir=0之后，两个切片的自由层磁化方向保持一致，从而得到一种包含重置线圈的翻转切片式双极型磁滞推挽式磁电阻开关传感器。
同样，还可以将图2、图6和图7所示的单切片双极型磁滞推挽式磁电阻开关传感器放置于图8所示线圈29的30区域，并置换掉位于衬底和磁电阻传感单元之间的重置线圈，同样可以实现一种可重置的单切片双极型磁滞推挽式磁电阻开关传感器。
图9为ASIC电路结构图，包括偏置功能模块，阅读功能模块和输出功能模块，所述偏置功能模块连接所述磁滞开关传感器、所述阅读模块和所述功能模块的电源端，所述阅读功能模块连接所述磁滞开关传感器的信号输出端，所述输出功能模块连接所述阅读功能模块。
图10为偏置功能模块与磁滞开关传感器的连接图，对于包含单个磁电阻传感臂的单极型磁滞开关传感器以及双极型磁滞开关传感器，ASIC偏置功能模块可以为电流源35，对于推挽式磁滞开关传感器，ASIC偏置功能模块可以为电压源37，且电压源和电流源都带温度补偿功能，阅读功能模块包含一个比较器36，所述推挽式磁滞开关传感器为半桥结构时，输出信号直接连接到所述信号比较器一端，另一端为参考信号如图10b，所述推挽式磁滞开关传感器为全桥结构时，输出信号直接连接到所述信号比较器两端如图10c。ASIC阅读功能模块还包括与所述磁滞开关传感器信号输出端相连接的滤波器、放大器，以及与所述比较器相连的锁存器，缓冲器。
图11为一个典型的推挽全桥磁滞开关传感器，600为推挽式传感器全桥，601为一个比较器，602位输出功能模块，可以为电流开关、电压开关、电阻开关或者另一个开关之一。
图12为双极型磁滞开关传感器的操作磁场阙值图，其中开关操作Hop为电压幅值阙值（操作阈值）38的60~80%，回复磁场Hrp为开关下降电压幅值（回复阈值）39的60~80%。
图13为重置电流的波形图，具有两种形式，图13a所示的直流电流，以及图13b所示的脉冲电流形式，幅度为Im，持续时间为tm。
图14为磁滞开关传感器、ASIC开关电路以及重置电路连接图，图14a中双极型磁滞开关传感器40可以直接沉积在ASIC开关电路50和ASIC重置电路的顶层，或者图14b中磁滞开关传感器40和ASIC开关电路和ASIC重置电路50之间通过绑定60连接，其中ASIC开关电路和重置电路都为ASIC电路，图14c中双极型磁滞开关传感器40直接沉积在ASIC开关电路50顶层，重置电路为PCB电路，图14d中磁滞开关传感器40和ASIC开关电路通过绑定60连接，重置电路为PCB电路。
在本发明中，当单切片结构时，磁电阻传感单元反铁磁层磁化方向均相同时，可以采用激光编程工艺或退火炉磁退火工艺写入磁电阻传感单元反铁磁磁化方向；所述具有相同反铁磁层取向的磁电阻传感单元分别形成推臂区域和挽臂区域，所述推挽式桥式结构为全桥时，包含两个所述推臂区域和两个所述挽臂区域，且两个所述推臂区域以及两个所述挽臂区域相互近邻，或者所述两个所述推臂区域以及两个所述挽臂区域分别混合成一个组合推臂区域和一个组合挽臂区域，且所述推臂区域和所述挽臂区域之间，所述组合推臂区域和所述组合挽臂区域之间通过隔热层分开至少50 um，所述推挽桥式结构为半桥时，所述推臂区域和所述挽臂区域之间通过隔热层分开至少50 um，采用激光编程工艺写入推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的反铁磁层磁化方向，当采用翻转切片结构时，所述推磁电阻传感臂切片或所述挽磁电阻传感臂切片可以采用激光编程工艺或退火炉磁退火工艺写入磁电阻传感单元反铁磁磁化方向。
当采用激光编程工艺时，所述钝化层为对激光透明的材料，所述上电极层材料为至少150 nm厚度的Cu、Al、Au、Ti或Ta金属导电材料，以防止被激光损伤，且所述反铁磁层为高阻塞温度材料，当所述磁电阻传感单元之间通过长距离所述下电极层互联时，所述下电极层所在区域被所述上电极层所在区域覆盖，以保护所述下电极层免遭激光损伤；所述重置线圈材料为高电导率材料Cu，Ta，Au或者Al；所述位于衬底上的重置导线和所述磁电阻传感单元之间采用绝缘层电隔离。
Claims (15)
1.一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，包括：
双极型磁滞开关传感器，所述双极型磁滞开关传感器包括：衬底及位于所述衬底上的一个或者多个磁电阻传感臂，所述磁电阻传感臂为一个或多个磁电阻传感单元串之间通过串联、并联或者串并联而成的两端口结构，所述磁电阻传感单元串包括一个或多个串联磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元为TMR传感单元，包括：钝化层、上电极层、自由层、中间绝缘层、参考层、反铁磁层和种子层，所述种子层和反铁磁层构成下电极层，所述自由层磁化方向、所述磁电阻传感单元的磁场敏感方向和所述参考层磁化方向均沿着N或者S方向，所述自由层磁化方向仅由所述自由层的各向异性场Hk决定，所述双极型磁滞开关传感器的开关电平-磁场特征曲线为矩形；
重置线圈，所述重置线圈位于所述衬底和所述磁电阻传感单元之间，或者位于所述衬底下方的引线框上，其作用于所有所述磁电阻传感单元的重置磁场方向均同为N或者S方向之一；
ASIC开关电路，所述ASIC开关电路包括偏置功能模块，阅读功能模块和输出功能模块，所述偏置功能模块分别连接所述磁滞开关传感器、所述阅读功能模块和所述输出功能模块的电源端，所述阅读功能模块连接所述磁滞开关传感器的信号输出端，所述输出功能模块连接所述阅读功能模块；以及重置电源电路，所述重置电源电路连接所述重置线圈。
2.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述磁电阻传感单元为椭圆、菱形、或中间矩形两端锥形的双轴对称形状，其长轴L为N或S方向；所述中间绝缘层为Al2O3或者MgO材料；所述自由层为高各向异性场Hk材料；当采用激光编程工艺时，所述钝化层为对激光透明的材料，所述上电极层材料为至少150 nm厚度的Cu、Al、Au、Ti或Ta金属导电材料，以防止被激光损伤，且所述反铁磁层为高阻塞温度材料，当所述磁电阻传感单元之间通过长距离所述下电极层互联时，所述下电极层所在区域被所述上电极层所在区域覆盖，以保护所述下电极层免遭激光损伤；所述重置线圈材料为高电导率材料Cu，Ta，Au或者Al；所述位于衬底上的重置线圈和所述磁电阻传感单元之间采用绝缘层电隔离。
3.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，任一所述磁电阻传感臂所包含的所述磁电阻传感单元的所述参考层磁化方向均同为N或者S方向之一，所述自由层各向异性场Hk方向也均同为N或者S方向之一，从而得到NrNf,NrSf,SrNf和SrSf 4种不同类型所述磁电阻传感臂，其中，下标r代表参考层，下标f代表自由层，N表示磁化方向取向与外磁场源N极取向一致，S表示磁化方向取向与外磁场源S极取向一致，NrNf表示磁电阻传感单元的参考层和自由层的磁化方向取向均为N，NrSf表示磁电阻传感单元的参考层的磁化方向取向为N且自由层的磁化方向取向为S，SrNf表示磁电阻传感单元的参考层的磁化方向取向为S且自由层的磁化方向取向为N，SrSf表示磁电阻传感单元的自由层和参考层的磁化方向取向均为S。
4.根据权利要求3所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述双极型磁滞开关传感器为单切片结构，且由所述NrNf,NrSf,SrNf或SrSf 4种类型之一的所述磁电阻传感臂组成，在N或S方向之一相同取向的外磁场Hex作用下，NrNf和NrSf为开关电平-磁场特性相同的N双极型磁滞开关传感器，SrNf和SrSf为开关电平-磁场特性相同的S双极型磁滞开关传感器，且所述N、S双极型磁滞开关传感器具有相反开关相位特征；或者由NrNf推或者挽磁电阻传感臂和SrNf挽或者推磁电阻传感臂，或NrSf推或者挽磁电阻传感臂和SrSf挽或者推磁电阻传感臂所组成的推挽桥式结构，且所述推挽桥式结构为半桥、全桥或者准桥。
5.根据权利要求3所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述双极型磁滞开关传感器为多切片结构，包括推磁电阻传感臂切片和挽磁电阻传感臂切片，所述推磁电阻传感臂切片和挽磁电阻传感臂切片分别对应所述NrNf,NrSf,SrNf或SrSf 4种类型之一的所述磁电阻传感臂切片及其翻转180度相位后的切片，并经过N或者S方向之一的重置磁场作用，使得所述推磁电阻传感臂和挽磁电阻传感臂的自由层磁化方向相同，从而由NrNf推或者挽磁电阻传感臂切片和SrNf挽或者推磁电阻传感臂切片，或者NrSf推或者挽磁电阻传感臂切片和SrSf挽或者推磁电阻传感臂切片通过绑定互联成推挽桥式结构，且所述推挽桥式结构为半桥、全桥或者准桥。
6.根据权利要求4所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述磁电阻传感单元反铁磁层磁化方向均相同，采用激光编程工艺或退火炉磁退火工艺写入磁电阻传感单元反铁磁磁化方向；
所述具有相同反铁磁层取向的磁电阻传感单元分别形成推臂区域和挽臂区域，
所述推挽桥式结构为全桥，包含两个所述推臂区域和两个所述挽臂区域，且两个所述推臂区域以及两个所述挽臂区域相互近邻，或者所述两个所述推臂区域以及两个所述挽臂区域分别混合成一个组合推臂区域和一个组合挽臂区域，且所述推臂区域和所述挽臂区域之间，所述组合推臂区域和所述组合挽臂区域之间通过隔热层分开至少50 um；
或，所述推挽桥式结构为半桥，所述推臂区域和所述挽臂区域之间通过隔热层分开至少50 um，采用激光编程工艺写入推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元的反铁磁层磁化方向。
7.根据权利要求4所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述推磁电阻传感臂的切片或所述挽磁电阻传感臂的切片采用激光编程工艺或退火炉磁退火工艺写入磁电阻传感单元反铁磁磁化方向。
8.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述重置线圈位于所述衬底和所述磁电阻传感单元之间，所述重置线圈包含平行排列的重置导线，所述重置导线位于所述磁电阻传感单元正下方，且垂直于N-S方向，位于所述重置导线中的重置电流大小和方向相同。
9.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述重置线圈位于所述衬底下方引线框上，所述重置线圈为螺旋形，包括至少一个平行排列的直线段区域，所述直线段区域中的重置电流具有相同方向和幅度，且垂直于N-S方向，所述磁电阻传感单元均位于所述直线段区域正上方。
10.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述偏置功能模块为具有温度补偿功能的电流源，当采用推挽式半桥或者全桥结构时，所述偏置功能模块为具有温度补偿功能的电压源。
11.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述阅读功能模块包含一个信号比较器；所述磁滞开关传感器为半桥结构，输出信号直接连接到所述信号比较器的一端，所述信号比较器的另一端为参考信号；或，所述磁滞开关传感器为全桥结构，输出信号直接连接到所述信号比较器的两端。
12.根据权利要求11所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述阅读功能模块还包括与所述磁滞开关传感器信号输出端相连接的滤波器或放大器以及与所述信号比较器相连的锁存器或缓冲器。
13.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述输出功能模块为电流开关、电压开关、电阻开关之一。
14.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述磁滞开关传感器直接沉积在所述ASIC开关电路的顶层，或者所述磁滞开关传感器和所述ASIC开关电路之间通过绑定连接，所述重置电源电路中的重置电流为直流电流或者为脉冲电流，且为ASIC重置电路或者PCB重置电路，且所述ASIC开关电路和所述重置电源电路集成形成一个ASIC开关重置电路。
15.根据权利要求1所述的一种可重置的双极型开关传感器，其特征在于，所述磁滞开关传感器的操作磁场为开关上升电压幅值的60~80%，回复磁场为开关下降电压幅值的60~80%。
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