CN113257511A - 一种Set/Reset线圈及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的Set/Reset线圈及其设计方法，线圈采用并联的结构，无需设计通孔，线圈的两个端口便可以通过引线直接和芯片的引脚连接，制备工艺只涉及一层结构。而一般的Set/Reset线圈需要设计通孔，线圈的一个端口通过通孔连接到另一层的引线才能和芯片的引脚连接，制备工艺涉及两层结构。本发明的设计方法简单可行，有效减小了器件制备工艺的难度，降低了制备成本，提升了器件制备的可靠性。实际应用中，可以根据实际的需要，对并联的线圈的条数、宽度和长度进行修改。

Description

一种Set/Reset线圈及其设计方法
技术领域
本发明设计了一种Set/Reset线圈，涉及磁场和电流传感器领域，更具体地说是涉及利用导电螺线平面线圈向传感器施加电流感应场的磁场传感器。
背景技术
当导体受到与电流方向垂直的磁场作用时，电阻值会发生变化。将外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。利用磁阻效应制作的传感器称为磁阻(MR)传感器，磁阻传感器主要分为各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器。磁阻传感器的应用十分广泛，在国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域都发挥着重要作用。
磁阻传感器一般使用坡莫合金(一种包含镍和铁磁合金)作为磁阻材料，坡莫合金通常通过光刻以薄条的形状沉积在硅片上，我们将沉积的薄条称为磁阻条。当电流流过磁阻条时，磁阻条的磁化方向与电流流动方向形成一个角度，随着磁化方向的变化，磁阻条的有效电阻也会变化，电阻的变化导致磁阻条两端的电压降发生变化。通过测量该电压变化，以表征作用在磁阻条上的外部磁场大小和方向。
磁阻传感器在使用的过程中，传感器如果受到外来大磁场的干扰，磁阻条上的磁畴的分布会遭到破坏，不再沿易轴方向排列，而是随某些方向随机分布，导致传感器的灵敏度降低甚至失效。这就需要一个额外的磁场对磁阻传感器进行偏置，使得传感器中的磁畴的方向重新沿易轴方向。一开始人们使用外加永磁体的方法对传感器进行偏置，这种方法增加了传感器的尺寸，使用不方便。所以外加永磁体逐渐被永磁体薄膜代替，永磁体薄膜沉积在磁阻传感器的附近，永磁薄膜和磁阻薄膜之间沉积一层绝缘体薄膜。这种方法的缺点是不好控制永磁体薄膜的磁性的大小。目前常用的做法是，在磁阻传感器上沉积Set/Reset螺线平面线圈，根据安培定律，导电线圈产生的磁场与施加的电流成正比，通过控制导电线圈中的电流来控制产生偏置磁场的大小，从而使传感器保持较高的灵敏度，发挥出最佳的性能。这种螺线平面线圈的缺点是线圈的一端需要通过通孔走线和器件的外加电流的引脚连接，使得线圈在制备中涉及两层结构，增加了制备工艺的难度和制备成本，同时也会影响器件制备的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种新的Set/Reset线圈结构及设计方法，这种设计方法将沉积在传感器上的螺线平面线圈以并联的形式连接，制备时只需沉积一层，不需要设计通孔就能直接将线圈的两端连接到芯片的引脚处，从而降低了传感器的制备工艺的难度、减小了器件的成本，提升了器件的可靠性。
本发明包含以下几种技术方案：
一种Set/Reset线圈，线圈整体呈具有开口的环形，具有正极A和负极B，包含至少一个磁化模块，磁化模块内的导体均采用并联的结构，制备时只需沉积一层，不需要通孔即可将线圈的两个端口连接到芯片的引脚处。
优选的，Set/Reset线圈包含至少两个磁化模块，磁化模块之间采用串联的方式电连接，同一磁化模块内的导体平行设置。
优选的，Set/Reset线圈整体呈具有开口的“回”字形或近似“回”字形。
优选的，Set/Reset线圈的磁化模块内导体的数量至少两个。
优选的，Set/Reset线圈包含左磁化模块3、右磁化模块4、上磁化模块5、下磁化模块6，左磁化模块3、右磁化模块4、上磁化模块5、下磁化模块6的磁场方向各不相同。
优选的，Set/Reset线圈中，“回”字形或近似“回”字形导体的开口尺寸相等，开口方向相同，开口处具有并联的结构。
此外，本发明还包含Set/Reset线圈设计方法，该方法包含以下步骤：第一步，根据磁阻传感器的尺寸和磁化方向的设计要求，对Set/Reset线圈中磁化模块的并联导线条数、宽度、长度和位置进行相应的设计，绘制光刻板；第二步，在磁阻传感器制备完成后，在其表面沉积一层绝缘的薄膜，通过光刻和镀膜技术在绝缘薄膜上制备Set/Reset平面线圈；第三步，对制备完成的磁阻传感器进行测试，测试Set/Reset平面线圈产生的磁场是否能实现传感器置位和复位的要求；第四步，若Set/Reset平面线圈产生的磁场能实现传感器置位和复位的要求，则任务结束，若Set/Reset平面线圈产生的磁场未能对传感器实现置位和复位的要求，则对并联的线圈的条数、宽度和长度进行修改，按照新修改后的数据加工制备出新的磁阻传感器，返回第三步验证。
说明书附图
图1为带有Set/Reset线圈的磁阻传感器的简化框图；
图2为磁阻薄膜中磁畴的三个取向示例图；
图3为常用的Set/Reset螺线平面线圈的结构图；
图4为本发明的Set/Reset线圈实施例一的示例图；
图5为本发明的Set/Reset线圈实施例二的示例图；
图6为本发明的Set/Reset线圈实施例三的示例图。
附图标记：通孔1、引线2、左磁化模块3、右磁化模块4、上磁化模块5、下磁化模块6。
具体实施方式
以下所描述的实施例，并非仅仅是针对某一个具体实施例的描述，而是对于具有某类技术特征的潜在的实施例的选择性描述，某些技术特征并非是必须存在的。具体到某一具体实施例，其是下面某些技术特征的组合，只要这种组合不是逻辑上的相互矛盾，或者无意义。本发明任意位置出现的“可以/可以是”(may，may be，表示选择，暗示可能还存在其它的替代方式；如果语境中表达“能力”的则除外)，是一种优选的实施例的描述方式，其可以是潜在的其它的替代方式。本发明任意位置出现的技术术语“大致”、“近似”“接近”等近似描述词语(如果存在)描述时，其所要表达的含义是并非要求在严格的实际参数测量后，得出的数据严格符合一般的数学定义，因为不存在完全符合数学定义的物理实体，并非含糊其辞、模棱两可从而导致不清楚。
参考图1，带有Set/Reset线圈的磁阻传感器的简化框图，Set/Reset线圈和磁阻传感器之间用一层绝缘薄膜隔开，线圈可以位于磁阻传感器的下方或者上方。
参考图2为磁阻薄膜中磁畴的三个取向，磁畴的排列沿薄膜的易轴方向，敏感轴与易轴方向垂直。当外部磁场在敏感轴上具有矢量分量时，该磁场将旋转磁矩，从而产生电阻变化。如果外部磁场在工作磁场范围内，则在去除磁场后，磁矩将返回到其设置或重置方向。如果传感器受到外来大磁场的干扰，磁畴的方向将不再沿易轴方向，如图2(a)所示，导致传感器的灵敏度降低甚至失效，这时需要Set/Reset线圈对磁畴进行磁化，使磁畴的方向沿易轴方向分布，“Set”和“Reset”场的方向相反。通常，“Set”或“Reset”场需要施加约40Gs或更高的磁场才能完全定向磁畴，暴露在20Gs以下的场中不会干扰磁畴的方向。
参考图3为常用的Set/Reset螺线平面线圈的结构图，磁阻传感器位于线圈的下方。当线圈中有电流通过时，由安培定律可知，平面线圈的下方将会产生磁场，磁场方向如图3所示。通过控制线圈中电流的大小和方向，可以获得我们想要的“Set”或“Reset”场。Set/Reset螺线平面线圈的制备涉及两层，需要设计通孔。线圈中的导体沉积在一层，A端口通过引线可以直接和芯片的引脚连接，而B端口需要先通过通孔1连接到另一层沉积的引线2，通过引线2和芯片的引脚C连接。这将增加制备工艺的复杂程度，提高器件的成本，同时也会对器件制备的可靠性产生一定的影响。
实施例一，参考图4为本发明的Set/Reset线圈的一种设计结构，线圈整体呈具有开口的环形，开口处具有正极端口A和负极端口B，包含左磁化模块3、右磁化模块4、上磁化模块5、下磁化模块6，四个磁化模块内的导体均采用并联的结构，同一磁化模块内的导体平行设置；从正极端口A依次串联右磁化模块4、下磁化模块6、左磁化模块3、上磁化模块5、负极端口B，只需制备一层，不需要通孔即可将线圈的两个端口连接到芯片的引脚处，本方法简单可行，有效减小了器件制备工艺的难度，降低了制备成本，提升了器件制备的可靠性。实际应用中，可以根据实际的需要，对并联的线圈的条数、开口方向、宽度和长度进行修改。
实施例二，参考图5为本发明的Set/Reset线圈的另一种设计结构，线圈整体呈具有开口的“回”字形，“回”字形导体的长宽尺寸由内至外依次等比例增大，所有“回”字形导体的开口尺寸相等，开口方向相同，开口处具有并联的结构，分别得到与各个“回”字形导体并联的正负极端口，不需要通孔即可将线圈的两个正负极端口连接到芯片的引脚处，本方法简单可行，有效减小了器件制备工艺的难度，降低了制备成本，提升了器件制备的可靠性。实际应用中，可以根据实际的需要，对并联的线圈的条数、整体开口方向、宽度和长度进行修改。
实施例三，参考图6为本发明的Set/Reset线圈的另一种设计结构，线圈整体呈具有开口的近似“回”字形，近似“回”字形导体的长宽尺寸由内至外依次等比例增大，所有近似“回”字形导体的开口尺寸相等，开口方向相同，开口处具有并联的结构，分别得到与各个近似“回”字形导体并联的正负极端口，不需要通孔即可将线圈的两个正负极端口连接到芯片的引脚处，本方法简单可行，有效减小了器件制备工艺的难度，降低了制备成本，提升了器件制备的可靠性。实际应用中，可以根据实际的需要，对并联的线圈的条数、整体开口方向、宽度和长度进行修改。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明并非旨在对发明内容所涉及的Set/Reset线圈任意细节的详尽描述，一些未描述的内容，均可以通过本领域技术人员基于本领域的技术知识而根据实际需要设计。然而，即便该部分设计具有创造性或/和进步性，只要利用了本发明权利要求所覆盖的技术特征，那么该技术方案同样应落入本发明的保护范围之内。
以上实施例均是对本发明的优选设计描述，根据专利法及其相关的规定，实际保护范围以权利要求所确定的保护范围为准，而说明书的内容则可以用于解释权利要求的具体/更进一步的含义。在不脱离本发明的设计要点/精神的基础上，任何对本发明的润色或修饰，均应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种Set/Reset线圈，其特征在于：线圈整体呈具有开口的环形，具有正极A和负极B，包含至少一个磁化模块，磁化模块内的导体均采用并联的结构，只需制备一层结构，不需要通孔即可将线圈的两个端口连接到芯片的引脚处。
2.根据权利要求1所述的Set/Reset线圈，其特征在于：包含至少两个磁化模块，磁化模块之间采用串联的方式电连接，同一磁化模块内的导体平行设置。
3.根据权利要求1所述的Set/Reset线圈，其特征在于：线圈整体呈具有开口的“回”字形或近似“回”字形。
4.根据权利要求1所述的Set/Reset线圈，其特征在于：磁化模块内导体的数量至少两个。
5.根据权利要求2所述的Set/Reset线圈，其特征在于：包含左磁化模块(3)、右磁化模块(4)、上磁化模块(5)、下磁化模块(6)，左磁化模块(3)、右磁化模块(4)、上磁化模块(5)、下磁化模块(6)的磁场方向各不相同。
6.根据权利要求3所述的Set/Reset线圈，其特征在于：“回”字形或近似“回”字形导体的开口尺寸相等，开口方向相同，开口处具有并联的结构。
7.根据权利要求1所述的Set/Reset线圈设计方法，包含以下步骤：第一步，根据磁阻传感器的尺寸和磁化方向的设计要求，对Set/Reset线圈中磁化模块的并联导线条数、宽度、长度和位置进行相应的设计，绘制光刻板；第二步，在磁阻传感器制备完成后，在其表面沉积一层绝缘的薄膜，通过光刻和镀膜技术在绝缘薄膜上制备Set/Reset平面线圈；第三步，对制备完成的磁阻传感器进行测试，测试Set/Reset平面线圈产生的磁场是否能实现传感器置位和复位的要求；第四步，若Set/Reset平面线圈产生的磁场能实现传感器置位和复位的要求，则任务结束，若Set/Reset平面线圈产生的磁场未能对传感器实现置位和复位的要求，则对并联的线圈的条数、宽度和长度进行修改，按照修改后的数据加工制备出新的磁阻传感器，返回第三步验证。
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