CN110865320A - 集成闭环式磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
集成闭环式磁场传感器，包括：衬底；设置于所述衬底上的磁阻传感层，所述磁阻传感层上设置有用于向外输出电压信号的输出端；设置于所述磁阻传感层上的绝缘层；设置于所述绝缘层上的磁电复合层，所述磁电复合层包括位于所述绝缘层上的铁磁层和位于所述铁磁层上的压电层，所述铁磁层上设置有用于接收反馈电压的电压加载端。本发明的闭环式磁场传感器，采用磁电薄膜作为传感器的磁场反馈部分，磁电薄膜将电压转化为内部磁场的变化，从而可以在芯片内部形成闭环结构，大幅降低了磁场传感器的重量和体积，同时配合作为磁场的探测部分的磁阻芯片，传感器可以获得高的灵敏度以及大的线性范围，且实现了低功耗。
Description
技术领域
本发明属于磁场探测技术领域，尤指涉及一种磁场传感器。
背景技术
随着智能电网、物联网等技术的发展，不管是人们的日常生活，还是工业生产，对磁场传感器的需求量都越来越高，比如汽车领域、电力传感领域都有大量的磁场传感器的需求。由于这些新兴的应用环境越来越复杂，高精度、可集成化、低功耗化已经成为磁场传感器的发展方向。目前精度最高的可集成的传感器技术为磁阻传感器技术，尤其是TMR技术。相较于传统的霍尔芯片，TMR技术可以提供两个以上量级的灵敏度提升，因此，最近二十年来，磁阻传感器得到了较大的发展，并且得到了越来越多的应用。
由于TMR技术中的磁性材料在大磁场下会发生饱和现象，因此难以在单一芯片中获得大探测范围和高灵敏度。目前的TMR技术应用时一般采用闭合反馈的方式，采用反馈线圈，将芯片一次输出的信号放大并转化为反向磁场后再加载回芯片两端，使芯片始终工作在零磁场附近，以此来同时获得较大的探测范围和探测精度。但是由于该项技术需要使用磁铁和线圈，因此反馈式闭环传感器往往存在体积大、重量重、功耗高的缺点，难以满足很多需要微型化器件领域的应用需求。虽然目前已经出现一些集成线圈式的解决方案，器件体积大的问题在一定程度上得到了改善，但是功耗高的问题仍没有得到有效的解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、重量轻、功耗低的集成闭环式磁场传感器。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
集成闭环式磁场传感器，包括：衬底；设置于所述衬底上的磁阻传感层，所述磁阻传感层上设置有用于向外输出电压信号的输出端；设置于所述磁阻传感层上的绝缘层；设置于所述绝缘层上的磁电复合层，所述磁电复合层包括位于所述绝缘层上的铁磁层和位于所述铁磁层上的压电层，所述铁磁层上设置有用于接收反馈电压的电压加载端。
进一步的，所述磁阻传感层为磁阻薄膜。
进一步的，所述磁阻传感层为AMR单元或GMR单元或TMR单元或GMI单元。
进一步的，所述磁阻传感层为桥式结构。
进一步的，所述磁电复合层由磁致伸缩系数≥50ppm且静态磁导率≥10000的铁磁材料和电致伸缩系数≥500ppm的铁电材料复合而成。
进一步的，所述铁磁材料为FeCoB或FeGaB或FeCoBSi或FeCoB。
进一步的，所述铁电材料为PZT或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO2。
进一步的，所述铁磁层与所述磁阻传感层之间的距离为15nm～100nm。
进一步的，所述输出端与外部的放大电路相连，将磁阻传感层的电压信号输出至放大电路，放大电路将电压信号放大后反馈至所述磁电复合层，反馈电压通过所述电压加载端加载在所述磁电复合层上。
进一步的，所述输出端包括第一接线点和第二接线点，所述电压加载端包括第三接线点和第四接线点，所述磁阻传感层上设置有供电端口。
由以上技术方案可知，本发明的闭环式磁场传感器，采用磁电薄膜作为传感器的磁场反馈部分，磁电薄膜将电压转化为内部磁场的变化，从而可以在芯片内部形成闭环结构，由于本发明在材料级别就可以实现闭环效果，极易集成，相对于传统的非集成式的闭合磁场传感器，不同再额外设置线圈和铁芯，大幅降低了磁场传感器的重量和体积，同时配合作为磁场的探测部分的磁阻芯片，传感器可以获得高的灵敏度以及大的线性范围。另外，由于采用磁电薄膜作为反馈磁场的生成端，磁电薄膜是用电压作为磁场的激励源，相比于现有的集成式闭合反馈磁场传感芯片，器件的整体功耗也大大降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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为本发明实施例的结构示意图；
图2a为无外加电压时铁磁层和磁阻传感层的磁场分布图；
图2b为无外加电压时铁磁层在x方向的磁场下的磁化曲线图；
图3a为在外加电压作用下铁磁层和磁阻传感层的磁场分布图；
图3b为在外加电压作用下铁磁层在x方向的磁场下的磁化曲线图；
图4为本发明实施例的工作电路示意图；
图5a至图5k为本发明实施例的制备过程示意图。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。
如图1所示，本实施例的磁场传感器包括衬底1、设置于衬底1上的磁阻传感层2、设置于磁阻传感层2上的绝缘层3、设置于绝缘层3上的磁电复合层。衬底1优选采用电阻较大的材料制成，例如电阻率大于105Ω·cm的材料，更具体的，衬底1可为玻璃或单晶硅片。磁阻传感层2采用磁阻薄膜，可为AMR、GMR、TMR或GMI单元，优选使用TMR单元。磁阻薄膜可由Ni、Fe、Co或者其合金制成。进一步的，磁阻传感层2可以是桥式结构。当外部磁场发生变化时，磁阻传感层2会输出相应的电压。磁阻传感层2上设置有第一接线点a和第二接线点d，第一接线点a和第二接线点d为磁阻传感层2的输出端。绝缘层3覆盖于磁阻传感层2上，优选的，绝缘层3完全覆盖磁阻传感层2，只露出第一接线点a和第二接线点d。绝缘层3可采用SiO2或者Al2O3或者其他绝缘材料制成。
磁电复合层由磁致伸缩系数≥50ppm且静态磁导率≥10000的铁磁材料和电致伸缩系数≥500ppm的铁电材料复合而成，磁电复合层可采用物理溅射方法，如磁控溅射法等，在真空腔中一次沉积在基片上制成。由铁电材料和铁磁材料复合而成的磁电复合层包括铁磁层4和压电层5，沉积时，可先用铁电材料生长压电层5，再用铁磁材料生长铁磁层4，沉积完成后，压电层5和铁磁层4形成磁电薄膜结构。更具体的，铁磁材料可采用FeCoB或FeGaB或FeCoBSi或FeCoB等铁磁性材料，铁电材料可采用PZT或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO2等压电材料。磁阻传感层2和磁电复合层中的铁磁层4在空间上位于临近位置，即铁磁层4位于绝缘层3之上，压电层5位于铁磁层4之上。磁阻传感层2和铁磁层4应尽量靠近，更具体的，铁磁层4的下表面与磁阻传感层2的上表面间的距离为15nm～100nm。铁磁层4为磁电复合层的电极层，铁磁层4上设置有第三接线点b和第四接线点c(电压加载端)，当电压通过铁磁层4(接线点b、c)加载在压电层5上时，基于压电材料的特性，压电层5会在电压的作用下发生形变，该形变会进一步传递至铁磁层4，使得铁磁层4的磁导率因形变而发生变化，从而对外部磁场的分布产生影响。
在电压的作用下，铁磁层4的磁导率会发生变化，在大电压作用下，铁磁层4的磁导率会变大。材料的磁导率表示磁场在材料中的传导能力，磁导率μ＝1+x，x为材料的磁化率，
磁化率亦即磁化曲线的斜率。如图2a所示，在没有电压作用时，磁电复合层中的压电层5和铁磁层4没有发生形变，铁磁层4的磁易轴方向沿图2a中的y方向，其在x方向的磁场下的磁化曲线如图2b所示，曲线的斜率对应于此时材料的磁导率。如图2a所示，此时铁磁层4沿x方向的磁导率较低，铁磁层4对磁阻传感层2的磁场干扰较小，磁场在铁磁层4和磁阻传感层2的分布比较平均。
当电压通过铁磁层4加载后，压电层5在电压的作用下发生形变，压电层5形变传递到铁磁层4，铁磁层4的磁导率变大，其沿x方向的磁化曲线向图3b中所示的曲线发生变化。由于铁磁层4的磁导率增大，磁场更容易从铁磁层4中流过，从而会对磁阻传感层2的磁场造成干扰。对于磁阻传感层2来说，由于大部分磁场从铁磁层4穿过，流过磁阻传感层2的磁场变少了，即磁阻传感层2的磁场变小(图3a)，磁阻传感层1发生“磁短路”，并最终表现为磁阻传感层始终工作在零磁场通量附近，从而实现磁场传感器具有较高的灵敏度和线性度。
图4为本实施例的工作电路图，图4中的7表示磁场传感器，磁场传感器(磁阻传感层2)通过第一接线点a和第二接线点d与外部的放大电路相连，第一接线点a和第二接线点d为磁阻传感层2的一级输出端，输出的电压信号经放大电路放大后沿第四接线点c加载于磁电复合层上。图4中的接点E为磁阻传感层2的供电端口。
工作状态下，当磁场传感器处于外部磁场中时，磁阻传感层2检测到外磁场后，产生的电压信号经过放大电路放大后，反馈至磁电复合层，并加载在磁电复合层的电极上。在电压的作用下，铁磁层4的磁导率急剧增大，使得大部分外磁场从其内部通过，磁阻传感层2处的磁场分布会随之减小，发生“磁短路”，磁阻传感层2工作在零场附近，因此形成了磁闭环结构，可以显著提高磁场传感器的线性度。由于外磁场和内建磁场之间始终处于平衡状态，且呈线性比例关系，保证了磁阻传感层始终工作在零点附近，采集反馈电压信号既可以测得到外磁场的大小。
下面结合图5a至图5k对本发明一具体实施例的制备过程作进一步的说明：
如图5a所示，提供一衬底1，衬底1的表面平坦，具有良好的绝缘性能，将衬底1进行清洗，移除表面的污渍；
如图5b所示，在衬底1上沉积磁阻传感层2，本实施例的磁阻传感层2为TMR单元，在衬底1上通过磁控溅射或电子束溅射或真空蒸镀的方法从下至上依次形成下电极层、钉扎层和绝缘层，得到的磁阻传感层2对外部磁场呈线性响应；
如图5c所示，采用半导体光刻或刻蚀工艺在磁阻传感层2上形成第一沟槽2-1，第一沟槽2-1向下贯穿至衬底1的表面；第一沟槽2-1用于将形成于衬底1上的磁阻传感层2分隔为多个相互分离的小岛阵列；
如图5d所示，在小岛阵列(磁阻传感层2)上通过光刻或刻蚀工艺进一步形成第二沟槽2-2，第二沟槽2-2向下贯穿至磁阻传感层2中的下电极层的表面之上，在第二沟槽2-2两侧的磁阻传感层的功能层通过下电极层串联；
如图5e所示，在磁阻传感层2上填充绝缘材料6，绝缘材料6使得各小岛阵列以及由第二沟槽2-2隔开的功能层之间无法形成电连接；
如图5f所示，在磁阻传感层2上通过磁控溅射或者真空蒸镀方式生长第一连接电极层7，第一连接电极层7用于实现各小岛阵列间的电连接，第一连接电极层7采用剥离的工艺形成相应的图形；
如图5f所示，在第一连接电极层7上生长绝缘层3；
如图5h所示，在绝缘层3上沉积铁磁层4，所用的铁磁金属的初始磁导率μr＞5000，磁致伸缩系数λ＞50ppm，进一步优选的，铁磁金属的初始磁导率μr＞10000，铁磁金属可为FeGaB、FeCoB、CoFeB、FeCoBSi等磁性合金；更具体的，铁磁层4与磁阻传感层2之间的距离为15nm～100nm；
如图5i所示，在铁磁层4上沉积压电层5，并采用剥离工艺，在压电层5上形成用于连接铁磁层4的引脚(铁磁层4可作为压电层5的下电极层)，铁磁层4和压电层5组成磁电复合层；形成压电层5的材料的电致伸缩系数＞500ppm，进一步优选的，形成压电层的材料的电致伸缩系数＞1000ppm，更具体的，所述材料可为PZT、PZN、PMN或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO2；
如图5j所示，在压电层5上沉积第二连接电极层8，第二连接电极层8为压电层5的上电极层；
如图5k所示，在第一连接电极层7上设置磁阻传感层2的输入端a和输出端d，输入端a连接外部电流源，输出端连接外部的放大电路，在第二连接电极层8以及连接铁磁层4的引脚处设置压电层5的电压加载端b、c，电压加载端连接外部放大电路的输出端，磁阻传感层2输出的电压经过放大后反馈回压电层5的两端(b、c端)，能减小磁阻传感层2的输出，具有反馈的效果。
本发明的磁场传感器主要由磁阻传感层和磁电复合层两大部分组成，在磁电薄膜和磁阻传感薄膜组成的堆层结构中形成了闭环磁场传感的模式，无需再另外设置反馈线圈，大大降低了闭环式磁场传感器的体积和功耗，同时还增加了传感器的线性度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。
Claims (10)
1.集成闭环式磁场传感器，其特征在于，包括：
衬底；
设置于所述衬底上的磁阻传感层，所述磁阻传感层上设置有用于向外输出电压信号的输出端；
设置于所述磁阻传感层上的绝缘层；
设置于所述绝缘层上的磁电复合层，所述磁电复合层包括位于所述绝缘层上的铁磁层和位于所述铁磁层上的压电层，所述铁磁层上设置有用于接收反馈电压的电压加载端。
2.如权利要求1所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述磁阻传感层为磁阻薄膜。
3.如权利要求1或2所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述磁阻传感层为AMR单元或GMR单元或TMR单元或GMI单元。
4.如权利要求1所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述磁阻传感层为桥式结构。
5.如权利要求1所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述磁电复合层由磁致伸缩系数≥50ppm且静态磁导率≥10000的铁磁材料和电致伸缩系数≥500ppm的铁电材料复合而成。
6.如权利要求5所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述铁磁材料为FeCoB或FeGaB或FeCoBSi或FeCoB。
7.如权利要求5所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述铁电材料为PZT或PZN-PT或PMN-PT或AlN或HfO2。
8.如权利要求1所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述铁磁层与所述磁阻传感层之间的距离为15nm～100nm。
9.如权利要求1所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述输出端与外部的放大电路相连，将磁阻传感层的电压信号输出至放大电路，放大电路将电压信号放大后反馈至所述磁电复合层，反馈电压通过所述电压加载端加载在所述磁电复合层上。
10.如权利要求1或9所述的集成闭环式磁场传感器，其特征在于：所述输出端包括第一接线点和第二接线点，所述电压加载端包括第三接线点和第四接线点，所述磁阻传感层上设置有供电端口。
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