CN113358137A - 一种磁电阻模块及磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁电阻模块及磁传感器，包括：第一焊盘区、第二焊盘区以及位于第一焊盘区和第二焊盘区中间的电阻区，其中，电阻区包括第一组磁隧道结阵列和第二组磁隧道结阵列，第一组磁隧道结阵列的磁隧道结数量与第二组磁隧结阵列的磁隧道结数量相等。本发明通过将包含有磁隧道结的电阻区设置在焊盘区中间，并且半桥的第一组磁隧道结阵列和第二组磁隧道结阵列的磁隧道结数量保持相等，位置集中在磁电阻模块的中间位置，从而保证磁电阻模块的磁电阻的一致性，提高了电桥的性能；同时，由于采用集中设置磁隧道结的方式，使得磁电阻模块整体上加工面积较小，充分减少空间的占用，缩小磁电阻模块的体积和尺寸。

Description

一种磁电阻模块及磁传感器
技术领域
本发明涉及电磁技术领域，具体涉及一种磁电阻模块及磁传感器。
背景技术
磁电阻的应用非常广泛，当应用于磁传感器中时，磁电阻一般以半桥或者全桥的方式应用。在实际应用中，用于磁传感器中的磁电阻模块一般以半桥或者全桥的形式使用，在半桥/全桥的设计中，每个桥臂包括串联和/或并联的多个磁隧道结(MTJ)元件。磁电阻模块在生产制造的过程中，通常需要考虑到电桥性能、制造成本以及加工难度等问题。
例如，现有技术中，由于受到电路布局以及制造工艺的影响，很难实现对应桥臂的电阻值相等，这将导致电桥中磁电阻的一致性降低，从而导致电桥的性能降低，甚至无法工作；另一方面，磁电阻模块在加工过程中，由于加工磁电阻的面积大，导致生产成本高，进而导致在晶圆制造流程中产能较低，从而提高了制造成本。
发明内容
因此，本发明要解决的现有技术中磁电阻模块的磁电阻一致性差导致电桥性能降低的问题，从而提供一种磁电阻模块，包括：第一焊盘区、第二焊盘区以及位于所述第一焊盘区和所述第二焊盘区中间的电阻区，其中，所述电阻区包括第一组磁隧道结阵列和第二组磁隧道结阵列，所述第一组磁隧道结阵列的磁隧道结数量与所述第二组磁隧结阵列的磁隧道结数量相等；所述第一焊盘区包括：第一焊盘，与所述第一磁隧道结阵列的一端电连接；第二焊盘，与所述第二磁隧道结阵列的一端电连接；所述第二焊盘区包括：第三焊盘，与所述第一组磁隧道结阵列的另一端电连接；第四焊盘，与所述第二组磁隧道结阵列的另一端电连接。
可选地，所述第一组磁隧道结阵列和所述第二组磁隧道结阵列均包含N个磁隧道结阵列，并且并列交错排布，N大于等于2。
可选地，所述第一组磁隧道结阵列中的任意一个磁隧道结阵列与所述第一组磁隧道结阵列中其它磁隧道结阵列中包含的磁隧道结数量相差小于等于1，与相邻的所述第二组磁隧道结阵列中的任意磁隧道结阵列的磁隧道结数量相差小于等于1。
可选地，所述第一组磁隧道结阵列包括靠近所述第一焊盘区的第一磁隧道结阵列和靠近所述第二焊盘区的第二磁隧道结阵列；
所述第二组磁隧道结阵列包括靠近所述第一焊盘区的第三磁隧道结阵列和靠近所述第二焊盘区的第四磁隧道结阵列；
其中，所述第三磁隧道结阵列与所述第一磁隧道结阵列相邻，并位于所述第一磁隧道结阵列远离所述第一焊盘区的一侧；所述第四磁隧道结阵列与所述第二磁隧道结阵列相邻，并位于所述第二磁隧道结阵列与所述第二焊盘区之间；所述第一磁隧道结阵列的磁隧道结数量比所述第三磁隧道结阵列的磁隧道结数量少1个，其他对应的磁隧道结位置相邻设置，所述第四磁隧道结阵列的磁隧道结数量比所述第二磁隧道结阵列的磁隧道结数量少1个，其他对应的磁隧道结位置相邻设置。
可选地，所述第一焊盘和所述第二焊盘均为矩形，所述第一焊盘比所述第二焊盘长，所述第一焊盘长出的部位与所述第一磁隧道结阵列的上端连接；所述第三焊盘位于所述第二焊盘区的上半区，所述第四焊盘位于所述第二焊盘区的下半区，所述第四焊盘与所述第四磁隧道结阵列的下端连接；所述第三磁隧道结阵列中多出的磁隧道结与所述第二焊盘连接，所述第二磁隧道结阵列多出的磁隧道结与所述第三焊盘连接。
可选地，用于连接所述第一组磁隧道结阵列的阵列间导线和焊盘导线以及用于连接所述第二组磁隧道结阵列的阵列间导线和焊盘导线，分别布设在所述电阻区的上端边界和下端边界处以及所述第一磁隧道结阵列和所述第四磁隧道结阵列少出的磁隧道结的空隙处。
可选地，所述第一组磁隧道结阵列包含的磁隧道结通过上导线层或下导线层串联，所述第二组磁隧道结阵列包含的磁隧道结通过上导线层或下导线层串联。
可选地，所述磁隧道结元件的形状为矩形或者椭圆形。
本发明还提供了一种磁传感器，包括上述的磁电阻模块。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.通过将包含有磁隧道结的电阻区设置在焊盘区中间，并且半桥的第一组磁隧道结阵列和第二组磁隧道结阵列的磁隧道结数量保持相等，位置集中在磁电阻模块的中间位置，从而保证磁电阻模块的磁电阻的一致性，提高了电桥的性能；同时，由于采用集中设置磁隧道结的方式，使得磁电阻模块整体上加工面积较小，充分减少空间的占用，缩小磁电阻模块的体积和尺寸，本实施例提供的磁电阻模块的体积更小，更能满足于现在与未来的需求。
2.通过将磁隧道结阵列并排交错设置，并且以阶梯式排布方式进行布置，从而预留出阵列与阵列之间的连接导线以及阵列与焊盘之间的连接导线的空间，相比与并排平齐的排列方式而言，无需在电阻区上下端流出两层导线空间，使得在充分保证磁电阻一致性的情况下，极大地缩小了空间占用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明磁电阻模块的结构示意图；
图2为图1中磁隧道结阵列的结构示意图；
图3为图1中去掉导线的结构示意图；
图4为图1中去掉磁隧道结元件和上导线层的结构示意图；
图5为图1中去掉磁隧道结元件和下导线层的结构示意图；
图6为本发明磁电阻模块中电流在下导线层、磁隧道结元件和上导线层的流向图；
图7为本发明磁电阻模块中磁隧道结元件与导线的连接放大图；
图8为本发明磁电阻模块应用于电桥模块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供了一种磁电阻模块，如图1所示，包括：第一焊盘区10、第二焊盘区30以及位于所述第一焊盘区10和所述第二焊盘区30中间的电阻区20，其中，所述电阻区20包括第一组磁隧道结阵列21和第二组磁隧道结阵列22，所述第一组磁隧道结阵列21的磁隧道结数量与所述第二组磁隧结阵列22的磁隧道结数量相等。
所述第一焊盘区10包括：第一焊盘11，与所述第一磁隧道结阵列21的一端电连接；第二焊盘12，与所述第二磁隧道结阵列22的一端电连接。
所述第二焊盘区30包括：第三焊盘31，与所述第一组磁隧道结阵列21的另一端电连接；第四焊盘32，与所述第二组磁隧道结阵列22的另一端电连接。
第一磁隧道结阵列21中各个磁隧道结串联，第二磁隧道结阵列22中各个磁隧道结串联。磁隧道结的截面可以为矩形、圆形或者多边形等。本发明实施例中焊盘的作用主要是提供对外的电连接引脚。
根据本发明实施例，通过将包含有磁隧道结的电阻区设置在焊盘区中间，并且半桥的第一组磁隧道结阵列和第二组磁隧道结阵列的磁隧道结数量保持相等，位置集中在磁电阻模块的中间位置，从而保证磁电阻模块的磁电阻的一致性，提高了电桥的性能；同时，由于采用集中设置磁隧道结的方式，使得磁电阻模块整体上加工面积较小，充分减少空间的占用，缩小磁电阻模块的体积和尺寸，本实施例提供的磁电阻模块的体积更小，更能满足于现在与未来的需求。
本发明实施例中，第一组磁隧道结阵列可以包括多个磁隧道结阵列，每个磁隧道结阵列包括多个磁隧道结(MTJ)串联组成，第二组隧道结阵列同理，具体地，所述第一组磁隧道结阵列和所述第二组磁隧道结阵列均包含N个磁隧道结阵列，并且并列交错排布，N大于等于2。图1所示的磁电阻模块为N等于2的一种可选实施例，并没有对本申请造成不当限定。
作为一种可选实施方式，本发明实施例中，所述第一组磁隧道结阵列中的任意一个磁隧道结阵列与所述第一组磁隧道结阵列中其它磁隧道结阵列中包含的磁隧道结数量相差小于等于1，与相邻的所述第二组磁隧道结阵列中的任意磁隧道结阵列的磁隧道结数量相差小于等于1。
本发明实施例的图3-5示出了一种磁电阻模块，该磁电阻模块的大小为480微米*330微米，其中，包括60微米的切割槽(即磁电阻模块外围非电路区域)，其中图3的外圈模块包括10微米的间距。第一焊盘的大小为65微米*270微米。椭圆形的MTJ的长短轴直径为12到15微米和4到5微米。下导电层呈“I”字型的尺寸为20微米*23微米，上导电层的则为16微米*23微米。
如图2和图3所示，该示例中，一共由74个MTJ元件及四个焊盘组成；分为并列交错排布的两组相互独立的电阻，每组电阻由37个MTJ元件串联在一起及两个焊盘组成。其中，相邻的两个磁隧道结阵列之间的磁隧道结数量相等或者相差为1。但是，每组磁隧道结阵列的总体磁隧道结数量相等，这样，虽然相应的两个磁隧道结阵列的磁隧道结数量不同，但是由于磁隧道结均集中在磁电阻模块的中间位置，当每组磁隧道结阵列的总体磁隧道结数量相等时，每组磁电阻的组织保持高度的一致性，在此基础上，少掉的磁隧道结的位置用于放置连接导线，从而实现磁电阻模块的小型化，减少磁电阻模块整体的体积。上述中相应的两个磁隧道结阵列是指，第一组磁隧道结阵列与第二组磁隧道结阵列中的阵列一一对应，对应的磁隧道结阵列的位置相邻。
本发明实施例中，如图2所示，所述第一组磁隧道结阵列21包括靠近所述第一焊盘区10的第一磁隧道结阵列211和靠近所述第二焊盘区30的第二磁隧道结阵列212；所述第二组磁隧道结阵列22包括靠近所述第一焊盘区10的第三磁隧道结阵列221和靠近所述第二焊盘区30的第四磁隧道结阵列222。其中，所述第三磁隧道结阵列221与所述第一磁隧道结阵列211相邻，并位于所述第一磁隧道结阵列211远离所述第一焊盘区10的一侧；所述第四磁隧道结阵列222与所述第二磁隧道结阵列212相邻，并位于所述第二磁隧道结阵列212与所述第二焊盘区30之间；所述第一磁隧道结阵列211的磁隧道结数量比所述第三磁隧道结阵列221的磁隧道结数量少1个，其他对应的磁隧道结位置相邻设置，所述第四磁隧道结阵列222的磁隧道结数量比所述第二磁隧道结阵列212的磁隧道结数量少1个，其他对应的磁隧道结位置相邻设置。
需要说明的是，本发明实施例中，图2仅仅示出了本发明实施例中每组磁隧道结阵列数量为2的一种实施例方式，可以预知的是，本发明实施例中第一磁隧道结阵列与第二磁隧道结阵列之间可以串联一个或多个磁隧道结阵列，同理第三磁隧道结阵列与第四磁隧道结阵列之间也可以串联一个或多个磁隧道结阵列。
本发明实施例中所述的其他对应的磁隧道结是指例如第三磁隧道结阵列221与所述第一磁隧道结阵列211中处于同一横排并且位置相邻的两个磁隧道结。由于位置相邻，因此使得该相邻的磁隧道结的电阻值一致性较好。第三磁隧道结阵列221比第一磁隧道结阵列211多一个磁隧道结B，第二磁隧道结阵列212比第四磁隧道结阵列222多一个磁隧道结A。多出的磁隧道结A和B主要用于通过导线与焊盘电连接。
进一步可选地，如图2所示，所述第一焊盘11和所述第二焊盘12均为矩形，所述第一焊盘11比所述第二焊盘12长，第一焊盘11与第二焊盘12并排设置，所述第一焊盘11长出的部位与所述第一磁隧道结阵列211的上端连接；所述第三焊盘31位于所述第二焊盘区30的上半区，所述第四焊盘32位于所述第二焊盘区30的下半区，所述第四焊盘32与所述第四磁隧道结阵列222的下端连接；所述第三磁隧道结阵列221中多出的磁隧道结B与所述第二焊盘12连接，所述第二磁隧道结阵列212中多出的磁隧道结A与所述第三焊盘31连接。
进一步地可选地，用于连接所述第一组磁隧道结阵列的阵列间导线和焊盘导线以及用于连接所述第二组磁隧道结阵列的阵列间导线和焊盘导线，分别布设在所述电阻区的上端边界和下端边界处以及所述第一磁隧道结阵列和所述第四磁隧道结阵列少出的磁隧道结的空隙处。
本发明实施例中，通过将磁隧道结阵列并排交错设置，并且以阶梯式排布方式进行布置，从而预留出阵列与阵列之间的连接导线以及阵列与焊盘之间的连接导线的空间，相比与并排平齐的排列方式而言，无需在电阻区上下端流出两层导线空间，使得在充分保证磁电阻一致性的情况下，极大地缩小了空间占用。
作为本发明实施例的一种可选实施方式，所述第一组磁隧道结阵列包含的磁隧道结通过上导线层或下导线层串联，所述第二组磁隧道结阵列包含的磁隧道结通过上导线层或下导线层串联。
本发明实施例的磁电阻电模块具有多层膜结构，包括设于基片(图中未示出)上的形成多个下导电层，下导电层上设有多层膜组成的MTJ层，下导电层上设有形成的四个焊盘金属层，MTJ之上设有多层金属层形成的上导电层；下导电层呈“I”字形，如图4所示。上导电层呈“U”字形或呈“I”字形，如图5所示。磁电阻模块的两组电阻中的MTJ元件组的位置相邻，每组磁电阻中每两个串联的MTJ元件组被呈“I”字形的下导电层底层连接，并经过MTJ的表层，被呈现“U”型或者“I”型的上导线与相邻的另外一个MTJ上表层连接；依次交替相连。电流通过上导电层流过MTJ抵达下导电层或者由下导电层流经MTJ抵达上导电层，如图6所示。
本发明实施例的所述磁隧道结的形状为矩形或者椭圆形。一种椭圆形的磁隧道结示例如图7所示。
本实施例提供的磁电阻模块为双独立电阻并排设计，具有体积小、使用灵活的优势，可以用于搭建半桥或全桥，且适用于多种封装形式。使用本实施例提供的磁电阻模块所搭建的电桥模块，更加容易使对应桥臂的电阻值相等，从而提高磁传感器性能。
实施例2
本实施例还提供了一种磁传感器，该磁传感器包括实施例1提供的磁电阻模块。实施例1提供的磁电阻模块通过电桥的形式应用在磁传感器中，电桥模块如图8所示，该电桥模块具有两个实施例1提供的磁电阻模块，其一磁电阻模块中的第一磁电阻和第二磁电阻为第一桥臂305和第二桥臂306，另一磁电阻模块中的第一磁电阻和第二磁电阻为第三桥臂307和第四桥臂308。在本实施例中，实施例1提供的磁电阻模块形成的是全桥的形式，在一些实施例中，实施例1提供的磁电阻模块也可以通过半桥的形式应用在磁传感器中。
由于实施例1提供的磁电阻模块其第一磁电阻的电阻值和第二磁电阻的电阻值非常接近，甚至相等，因此实施例1提供的磁电阻模块所形成的电桥能够保证对应电桥臂的电阻值相等，从而提高电桥模块的性能来达到其使用价值，保证传感器的性能不被降低。
在晶圆(wafer)的制造流程中，统一方向磁化，即两个磁电阻模块的磁化方向相同。如图7所示，在搭建全桥封装时，通过旋转芯片(磁电阻模块)的角度来实现两两对应桥臂反向的磁化方向，即第一桥臂305和第二桥臂306的磁化方向为第一磁化方向309，第三桥臂307和第四桥臂308的磁化方向为第二磁化方向310，而磁电阻模块中的焊盘形成全桥模块中的接地端301、供电端302，第一输出端303以及第二输出端304。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种磁电阻模块，其特征在于，包括：第一焊盘区、第二焊盘区以及位于所述第一焊盘区和所述第二焊盘区中间的电阻区，其中，
所述电阻区包括第一组磁隧道结阵列和第二组磁隧道结阵列，所述第一组磁隧道结阵列的磁隧道结数量与所述第二组磁隧结阵列的磁隧道结数量相等；
所述第一焊盘区包括：第一焊盘，与所述第一组磁隧道结阵列的一端电连接；第二焊盘，与所述第二组磁隧道结阵列的一端电连接；
所述第二焊盘区包括：第三焊盘，与所述第一组磁隧道结阵列的另一端电连接；第四焊盘，与所述第二组磁隧道结阵列的另一端电连接。
2.如权利要求1所述的磁电阻模块，其特征在于，所述第一组磁隧道结阵列和所述第二组磁隧道结阵列均包含N个磁隧道结阵列，并且并列交错排布，N大于等于2。
3.如权利要求2所述的磁电阻模块，其特征在于，所述第一组磁隧道结阵列中的任意一个磁隧道结阵列与所述第一组磁隧道结阵列中其它磁隧道结阵列中包含的磁隧道结数量相差小于等于1，与相邻的所述第二组磁隧道结阵列中的任意磁隧道结阵列的磁隧道结数量相差小于等于1。
4.如权利要求3所述的磁电阻模块，其特征在于，
所述第一组磁隧道结阵列包括靠近所述第一焊盘区的第一磁隧道结阵列和靠近所述第二焊盘区的第二磁隧道结阵列；
所述第二组磁隧道结阵列包括靠近所述第一焊盘区的第三磁隧道结阵列和靠近所述第二焊盘区的第四磁隧道结阵列；
其中，所述第三磁隧道结阵列与所述第一磁隧道结阵列相邻，并位于所述第一磁隧道结阵列远离所述第一焊盘区的一侧；所述第四磁隧道结阵列与所述第二磁隧道结阵列相邻，并位于所述第二磁隧道结阵列与所述第二焊盘区之间；所述第一磁隧道结阵列的磁隧道结数量比所述第三磁隧道结阵列的磁隧道结数量少1个，其他对应的磁隧道结位置相邻设置，所述第四磁隧道结阵列的磁隧道结数量比所述第二磁隧道结阵列的磁隧道结数量少1个，其他对应的磁隧道结位置相邻设置。
5.如权利要求4所述的磁电阻模块，其特征在于，所述第一焊盘和所述第二焊盘均为矩形，所述第一焊盘比所述第二焊盘长，所述第一焊盘长出的部位与所述第一磁隧道结阵列的上端连接；所述第三焊盘位于所述第二焊盘区的上半区，所述第四焊盘位于所述第二焊盘区的下半区，所述第四焊盘与所述第四磁隧道结阵列的下端连接；所述第三磁隧道结阵列中多出的磁隧道结与所述第二焊盘连接，所述第二磁隧道结阵列多出的磁隧道结与所述第三焊盘连接。
6.如权利要求4所述的磁电阻模块，其特征在于，用于连接所述第一组磁隧道结阵列的阵列间导线和焊盘导线以及用于连接所述第二组磁隧道结阵列的阵列间导线和焊盘导线，分别布设在所述电阻区的上端边界和下端边界处以及所述第一磁隧道结阵列和所述第四磁隧道结阵列少出的磁隧道结的空隙处。
7.如权利要求1所述的磁电阻模块，其特征在于，所述第一组磁隧道结阵列包含的磁隧道结通过上导线层或下导线层串联，所述第二组磁隧道结阵列包含的磁隧道结通过上导线层或下导线层串联。
8.如权利要求1所述的磁电阻模块，其特征在于，所述磁隧道结的形状为矩形或者椭圆形。
9.一种磁传感器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的磁电阻模块。
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