CN115236568B - 基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器及其制备方法，该磁传感器包括基板、多个磁隧道结、多个磁通调节器、第一输出端口以及第二输出端口，利用磁通调节器改变磁隧道结处的磁感应强度，达到增强和衰减两种效果，使用磁感应强度增强位置处的磁隧道结构成的磁传感器，灵敏度提高，可以探测更加微弱的磁场；使用磁感应强度衰减位置处的磁隧道结构成的磁传感器，灵敏度降低，可以探测更大量程的磁场，两种效果的磁传感器结合，可以同时达到高灵敏度、宽量程的磁探测结果，扩展垂直敏感磁传感器的探测上限和下限。

Description

基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器及其制备方法

技术领域

本申请涉及传感器领域，特别是涉及一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器及其制备方法。

背景技术

磁传感器作为一种现代前沿技术，能够将磁场变化量转化为其他物理变化量，实现了磁场探测的功能；又因其尺寸小巧、价格低廉，可以和其他电路一同集成到芯片上，从而达到更高的工作性能，所以被广泛用于各种实际场景，如地质勘探、生物医学、汽车工业、电子产品等，大大提高了人们的工作效率，增加了生活的便利。

目前，随着磁场探测技术的发展，在现有技术中出现了许多不同类型的磁传感器用于测量磁场和其他参数，例如霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻AMR元件、巨磁电阻GMR元件、隧道磁电阻TMR元件、巨磁阻抗GMI元件等技术。霍尔元件是一种应用霍尔效应的半导体，以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场。

然而，随着磁传感器的需求越来越广，应用场景也越来越复杂，不同技术路线的磁传感器在量程、灵敏度等方面各有优势，对于不同磁场，往往需要不同的探测范围，实现全覆盖探测。但是，不同磁传感器的灵敏度和量程两个指标在实际应用需求中均存在问题，例如霍尔元件，灵敏度低是其主要问题；TMR元件在尺寸一定的情况下，存在灵敏度和量程互相制约的问题，因此，实现磁传感器在灵敏度和量程两个指标上同时扩展的问题亟待解决。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种宽量程、高灵敏度的磁传感器及其制备方法。

第一方面，本申请提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器。该磁传感器包括：基板、多个磁隧道结、多个磁通调节器、第一输出端口以及第二输出端口，其中，多个磁隧道结设置于基板上方，多个磁通调节器设置于多个磁隧道结上方，多个磁隧道结包括第一磁隧道结和第二磁隧道结，第一磁隧道结位于磁通调节器的下方，第二磁隧道结位于相邻的两个磁通调节器的间隙下方；第一输出端口与第一磁隧道结连接，第二输出端口与第二磁隧道结连接，第一输出端口和第二输出端口，均用于输出感测信号，感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，Z轴方向为与基板垂直的方向。

在其中一个实施例中，第一磁隧道结和第二磁隧道结在基板上分区设置；或者，第一磁隧道结和第二磁隧道结在基板上交替设置。

在其中一个实施例中，该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器还包括电压输入端口以及接地端口，电压输入端口以及接地端口与第一磁隧道结和第二磁隧道结均连接；第一输出端口包括第一正极输出端口和第一负极输出端口，第一正极输出端口、第一负极输出端口、电压输入端口、接地端口以及第一磁隧道结形成第一推挽式惠斯通全桥结构；第二输出端口包括第二正极输出端口和第二负极输出端口，第二正极输出端口、第二负极输出端口、电压输入端口、接地端口以及第二磁隧道结形成第二推挽式惠斯通全桥结构。

在其中一个实施例中，该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器包括多个第一磁隧道结，其中，第一磁隧道结形成第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路，第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路均包括至少一个第一磁隧道结；第一磁阻电路的第一端与第二磁阻电路的第一端连接，第二磁阻电路的第二端与第三磁阻电路的第一端连接，第三磁阻电路的第二端与第四磁阻电路的第一端连接，第四磁阻电路的第二端与第一磁阻电路的第二端连接；第一正极输出端口分别与第一磁阻电路的第一端的和第四磁阻电路的第二端连接；第一负极输出端口分别与第二磁阻电路的第二端的和第三磁阻电路的第一端连接；电压输入端口分别与第一磁阻电路的第二端的和第二磁阻电路的第一端连接；接地端口分别与第三磁阻电路的第二端的和第四磁阻电路的第一端连接。

在其中一个实施例中，该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器包括多个第二磁隧道结，其中，多个第二磁隧道结形成第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路和第八磁阻电路，第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路和第八磁阻电路均包括至少一个第二磁隧道结；第五磁阻电路的第二端与第六磁阻电路的第一端连接，第六磁阻电路的第二端与第七磁阻电路的第一端连接，第七磁阻电路的第二端与第八磁阻电路的第一端连接，第八磁阻电路的第二端与第五磁阻电路的第一端连接；第二正极输出端口分别与第五磁阻电路的第一端的和第八磁阻电路的第二端连接；第二负极输出端口分别与第六磁阻电路的第二端的和第七磁阻电路的第一端连接；电压输入端口分别与第五磁阻电路的第二端的和第六磁阻电路的第一端连接；接地端口分别与第七磁阻电路的第二端的和第八磁阻电路的第一端连接。

在其中一个实施例中，第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向，第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向，第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向。

第二方面，本申请还提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器制备方法。该方法包括：

在基板上制备多个磁隧道结，多个磁隧道结包括第一磁隧道结和第二磁隧道结；在基板上制备连接线，连接线包括用于连接第一磁隧道结和第一输出端口的第一连接线，以及用于连接第二磁隧道结和第二输出端口的第二连接线，其中，第一输出端口和第二输出端口，均用于输出感测信号，感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，Z轴方向为与基板垂直的方向；根据第一磁隧道结和第二磁隧道结在基板上的位置制备在多个磁隧道结上方制备多个磁通调节器，使得第一磁隧道结位于磁通调节器的下方，第二磁隧道结位于相邻的两个磁通调节器的间隙下方。

在其中一个实施例中，在基板上制备多个磁隧道结，包括：

在基板上生成TMR多层膜结构；对TMR多层膜结构进行刻蚀处理，得到按行排布的多个磁隧道结单元，其中，各行磁隧道结单元组成磁隧道结；对多个磁隧道结单元进行退火处理，以得到第一磁隧道结和第二磁隧道结；其中，第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向，第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向，第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向。

在其中一个实施例中，连接线还包括第三连接线和第四连接线，第三连接线用于连接第一磁隧道结、电压输入端口以及接地端口，第四连接线用于连接第二磁隧道结、电压输入端口以及接地端口。

在其中一个实施例中，在基板上制备连接线，包括：

在第一磁隧道结和第二磁隧道结在基板上交替设置的情况下，在基板上制备一部分连接线；沉积一层绝缘材料，并在绝缘材料上沉积一层导电材料，对导电材料进行刻蚀以制备得到另一部分连接线。

上述基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器及其制备方法，提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，该磁传感器由基板、多个磁隧道结、多个磁通调节器、第一输出端口以及第二输出端口组成，利用多个磁通调节器改变多个磁隧道结处的磁感应强度，达到增强和衰减的两种效果，使用磁感应强度增强位置处的多个磁隧道结构成的磁传感器，灵敏度提高，可以探测更加微弱的磁场；使用磁感应强度衰减位置处的多个磁隧道结构成的磁传感器，灵敏度降低，可以探测更大量程的磁场，两种效果的磁传感器结合，可以同时达到高灵敏度、宽量程的磁探测结果，扩展垂直敏感磁传感器的探测上限和下限，解决了磁传感器在灵敏度和量程两个指标上无法同时扩展的问题。

附图说明

图1为一个实施例中基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的内部结构图；

图2为一个实施例中基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的另一种内部结构图；

图3为一个实施例中推挽式惠斯通全桥的电路结构图；

图4为一个实施例中基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的另一种芯片内部结构图；

图5为一个实施例中基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的侧视结构图；

图6为一个实施例中沿着基板方向各点处Z轴上的磁场分量图；

图7为一个实施例中磁阻与外界磁场的线性关系图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一磁隧道结称为第二磁隧道结，且类似地，可将第二磁隧道结称为第一磁隧道结。第一磁隧道结和第二磁隧道结两者都是磁隧道结，但其不是同一磁隧道结。

磁传感器作为一种现代前沿技术，能够将磁场变化量转化为其他物理变化量，实现了磁场探测的功能；又因其尺寸小巧、价格低廉，可以和其他电路一同集成到芯片上，从而达到更高的工作性能，所以被广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数，应用于各种实际场景，如地质勘探、生物医学、汽车工业、电子产品等，大大提高了人们的工作效率，增加了生活的便利。

目前，随着磁场探测技术的发展，在现有技术中出现了许多不同类型的磁传感器用于测量磁场和其他参数，例如霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻AMR元件、巨磁电阻GMR元件、隧道磁电阻TMR元件、巨磁阻抗GMI元件等技术。霍尔元件是一种应用霍尔效应的半导体，以霍尔元件为敏感元件的磁传感器通常使用聚磁环结构来放大磁场。

然而，随着磁传感器的需求越来越广，应用场景也越来越复杂，不同技术路线的磁传感器在量程、灵敏度等方面各有优势，对于不同磁场，往往需要不同的探测范围，实现全覆盖探测。但是，不同磁传感器的灵敏度和量程两个指标在实际应用需求中均存在问题，例如霍尔元件，灵敏度低是其主要问题；TMR元件在尺寸一定的情况下，存在灵敏度和量程互相制约的问题，因此，实现磁传感器在灵敏度和量程两个指标上同时扩展的问题亟待解决。

本申请实施例提供的一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，在性能上可以同时达到高灵敏度和宽量程，解决了灵敏度和量程相互制约的问题，使得灵敏度和量程两个指标可以同时扩展。

在一个实施例中，提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，如图1所示，该磁传感器包括基板101、多个磁隧道结102、多个磁通调节器103、第一输出端口104以及第二输出端口105，其中，多个磁隧道结102设置于基板101上方，多个磁通调节器103设置于多个磁隧道结102上方，多个磁隧道结102包括第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022，第一磁隧道结1021位于磁通调节器103的下方，第二磁隧道结1022位于相邻的两个磁通调节器103的间隙下方；第一输出端口104与第一磁隧道结1021连接，第二输出端口105与第二磁隧道结1022连接，第一输出端口104和第二输出端口105均用于输出感测信号，该感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，该Z轴方向为与基板101垂直的方向。

需要特别指出的是，尽管图1中仅示出了部分磁隧道结102和磁通调节器103，但是读者应该理解该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的结构不仅限于以上数量的磁隧道结102和磁通调节器103。

除此之外，在本申请实施例示出的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器中，虽然图1并未示具体的连接关系，但读者应该理解的是，其可选的可以使用连接线连接，第一磁隧道结1021、第二磁隧道结1022、第一输出端口104和第二输出端口105均通过连接线连接。

在一种可能实现的方式中，第一磁隧道结1021位于磁通调节器103的下方，本申请实施例中的下方仅代表的是一种位置关系，可选的，该下方的位置可以是磁通调节器103的正下方，左下方或者右下方，但需要特别说明的是，该磁通调节器103应该将该第一磁隧道结1021完全覆盖，即该第一磁隧道结1021的边缘不能超过该磁通调节器103的边缘，这样做的目的是为了保证磁通调节器103边缘外的环境不干扰其对第一磁隧道结1021磁感应强度的影响。

同理，第二磁隧道结1022位于相邻的两个磁通调节器103的间隙下方，本申请实施例中的间隙下方仅代表的是一种位置关系，可选的，该间隙下方可以是两个磁通调节器103的间隙正下方，也可以靠近某一侧的磁通调节器103的间隙下方，但需要特别说明的是，该第二磁隧道结1022的边缘不应与任意一侧的该磁通调节器103的边缘相接触，这样做的目的是为了保证磁通调节器103边缘内的环境不干扰其对第二磁隧道结1022磁感应强度的影响。

其中，该磁隧道结102为TMR元件的磁场敏感基础单元，是一种绝缘体或半导体的磁性多层膜，该磁隧道结102在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向，当磁性自由层在外场的作用下，其磁化强度方向改变，而钉扎层的磁化方向不变，此时两个磁性层的磁化强度相对取向发生改变，则可在横跨绝缘层的的磁性隧道结上观测到大的电阻变化，也就是说该TMR元件是利用磁场的变化来引起磁电阻变化，另一方面，可以通过观测TMR元件的电阻变化来测量外磁场的变化，换而言之，可以认为TMR元件类似于一个电阻，外加磁场变化时其阻值发生改变。

其中，该磁通调节器103是一种可以改变磁场分布的器件，可选的，该磁通调节器103可以由铁磁合金构成，该铁磁合金包含Ni、Fe、Co、Si、B、Zr和Al中的一种或几种元素，其形状可以呈长条状。采用该磁通调节器103可以改变上述磁隧道结102处的磁感应强度，达到磁感应强度增强和减弱两种效果。

具体的，在本申请实施例中利用多个磁通调节器103改变多个磁隧道结102处的磁感应强度，达到增强和衰减的两种效果，使用磁感应强度增强位置处的多个磁隧道结102构成的磁传感器，灵敏度提高，可以探测更加微弱的磁场；使用磁感应强度衰减位置处的多个磁隧道结102构成的磁传感器，灵敏度降低，可以探测更大量程的磁场，两种效果的磁传感器结合，可以同时达到高灵敏度、宽量程的磁探测结果，扩展垂直敏感磁传感器的探测上限和下限，解决了磁传感器在灵敏度和量程两个指标上无法同时扩展的问题。

在本申请一种可选的实施例中，第一磁隧道结1021的磁敏感方向为Z轴正方向，第二磁隧道结1022的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，第一磁隧道结1021的磁敏感方向为Z轴负方向，第二磁隧道结1022的磁敏感方向为Z轴正方向。这样设置的目的是因为在传统的磁传感器中，多数采用的是平行于传感器的磁敏感方向，使得材料电阻增大，影响探测结果的精度，而本申请实施例采用垂直磁敏感方向，能更好的提高探测精度。

为了更好的理解本申请实施例提供的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，请继续参考图2，其在图1的基础上示出了该磁传感器的一种示例性的内部结构图，其中，该磁传感器的结构除了包括前述基板101、多个磁隧道结102、多个磁通调节器103、第一输出端口104以及第二输出端口105，还包括电压输入端口106以及接地端口107，电压输入端口106以及接地端口107与第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022均连接；第一输出端口104包括第一正极输出端口1041和第一负极输出端口1042，第一正极输出端口1041、第一负极输出端口1042、电压输入端口106、接地端口107以及第一磁隧道结1021形成第一推挽式惠斯通全桥结构；第二输出端口105包括第二正极输出端口1051和第二负极输出端口1052，第二正极输出端口1051、第二负极输出端口1052、电压输入端口106、接地端口107以及第二磁隧道结1022形成第二推挽式惠斯通全桥结构。

其中，各输出端口以及各部件均通过连接线连接，以下提供一种可选的实施例说明该连接关系。

在其中一个实施例中，该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器包括多个第一磁隧道结1021，其中，第一磁隧道结1021形成第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路，第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路均包括至少一个第一磁隧道结1021；第一磁阻电路的第一端与第二磁阻电路的第一端连接，第二磁阻电路的第二端与第三磁阻电路的第一端连接，第三磁阻电路的第二端与第四磁阻电路的第一端连接，第四磁阻电路的第二端与第一磁阻电路的第二端连接；电压正极输出端口分别与第一磁阻电路的第一端的和第四磁阻电路的第二端连接；电压负极输出端口分别与第二磁阻电路的第二端的和第三磁阻电路的第一端连接；电压输入端口106分别与第一磁阻电路的第二端的和第二磁阻电路的第一端连接；接地端口107分别与第三磁阻电路的第二端的和第四磁阻电路的第一端连接。

在其中一个实施例中，该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器包括多个第二磁隧道结1022，其中，多个第二磁隧道结1022形成第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路，第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路均包括至少一个第二磁隧道结1022；第一磁阻电路的第一端与第二磁阻电路的第一端连接，第二磁阻电路的第二端与第三磁阻电路的第一端连接，第三磁阻电路的第二端与第四磁阻电路的第一端连接，第四磁阻电路的第二端与第一磁阻电路的第二端连接；电压正极输出端口分别与第一磁阻电路的第一端的和第四磁阻电路的第二端连接；电压负极输出端口分别与第二磁阻电路的第二端的和第三磁阻电路的第一端连接；电压输入端口106分别与第一磁阻电路的第二端的和第二磁阻电路的第一端连接；接地端口107分别与第三磁阻电路的第二端的和第四磁阻电路的第一端连接。

其中，该磁阻电路可以理解为前述磁隧道结102，同时该磁阻电路作为一种磁阻在工作。由于磁阻指的是磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，在实际应用中并没有一种标准统一的物件，因此根据前述TMR元件的属性，在本申请实施例中磁阻电路可以作为磁阻，多个磁隧道结102形成多个磁阻电路，多个磁阻电路与各端口连接形成推挽式惠斯通全桥结构。

上述实施例说明了各个端口的连接关系，以下，对各个端口的功能作用作以说明：第一输出端口104用于输出第一磁隧道结1021组成的磁阻电路的电压；第二输出端口105用于输出第二磁隧道结1022组成的磁阻电路的电压；电压输入端口106用于输入给定电压激励电路；接地端口107用于保护电路。由第一输出端口104和第二输出端口105得到多个磁隧道结102不同位置处的电压输出变化情况，可以反映出本申请的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器对于磁场探测的影响。

根据前文所述，第一正极输出端口1041、第一负极输出端口1042、电压输入端口106、接地端口107以及第一磁隧道结1021形成第一推挽式惠斯通全桥结构；第二正极输出端口1051、第二负极输出端口1052、电压输入端口106、接地端口107以及第二磁隧道结1022形成第二推挽式惠斯通全桥结构，该推挽式惠斯通全桥结构如图3所示，其中，该推挽式惠斯通全桥结构包括四个端口输入端口输入电压Vbias，接地端口GND，正极输出端口输出正极输出电压V+，负极输出端口输出负极输出电压V-，且包括四个电阻两个R1和两个R2组成的电桥电路，其中这四个电阻分别叫做电桥的桥臂，惠斯通全桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，采集可变电阻两端的电压然后处理，就可以计算出相应的物理量的变化，是一种精度很高的测量方式。

在一种可能的实现方式中，该推挽式惠斯通全桥结构将多个磁隧道结102作为磁阻，分别采集第一输出端口104以及第二输出端口105的输出电压V，所述输出电压V均满足下面关系式：

式中，V+是正极输出电压，V-是负极输出电压，Vbias是输入电压，由前述的第一输出端口104和第二输出端口105的设置情况，可知R1和R2相应的包括两种磁隧道结组成的磁阻情况：第一种是存在第一磁隧道结1021的情况，多个第一磁隧道结1021形成惠斯通全桥结构中两个R1，其余多个第一磁隧道结1021形成惠斯通全桥结构中两个R2；第二种是存在第二磁隧道结1022的情况，多个第二磁隧道结1022形成惠斯通全桥结构中两个R1，其余多个第二磁隧道结1022形成惠斯通全桥结构中两个R2。

通过计算可以得到输出电压的变化情况，从而反映出本申请的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器对于磁场探测的影响。

在本申请一个可选的实施例中，除了前述第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022在基板101上分区设置的排列方法，如图4所示，也可以将第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022在基板101上交替设置，该交替设置目的是为了更好地利用芯片面积，减小芯片体积。

基于前述内容，在一个实施例中对本申请提供的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器具体的工作原理作以下说明：

第一步，向该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器中施加Z轴方向的磁场。

请参考图5，图5为一个可选实施例中基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的结构侧视图，向其中施加Z轴方向的磁场，图5中展示了基板101、第一磁隧道结1021、第二磁隧道结1022、磁通调节器103的截面图，各部件均沿图中Y轴放置，虽然图中并未标注出具体的Y轴方向，但读者可以依据标注出的X轴和Z轴方向自行推理出Y轴方向。

基于仿真，磁通调节器103对磁感应强度的影响如图6所示，图6为沿着基板101方向，即X轴方向上各点处Z轴的磁场分量图，图中横轴为磁通调节器103的位置坐标，竖轴为磁感应强度。假设当外界施加磁感应强度为1Gs，位于磁通调节器103下方的第一磁隧道结1021在Z轴上的磁场磁感应强度增强，增强范围约在1.1~1.4Gs，磁场效果增强了约30%；位于两个磁通调节器103间隙下方的第二磁隧道结1022在Z轴上的磁场磁感应强度减弱，减弱范围约在0.85~0.92Gs，磁场效果减弱了约10%。

第二步，根据前述推挽式惠斯通全桥电桥得到输出端口的输出电压V。

该输出电压V满足下面的关系式：

式中，V+是正极输出电压，V-是负极输出电压，Vbias是输入电压，由前述的第一输出端口104和第二输出端口105的存在情况，可知R1和R2相应地包括存在两种磁隧道结102的情况：第一种是存在第一磁隧道结1021的情况，多个第一磁隧道结1021形成惠斯通全桥结构中两个R1，多个第一磁隧道结1021形成惠斯通全桥结构中两个R2；第二种是存在第二磁隧道结1022的情况，多个第二磁隧道结1022形成惠斯通全桥结构中两个R1，多个第二磁隧道结1022形成惠斯通全桥结构中两个R2。

第三步，分别计算得到第一输出端口104以及第二输出端口105的输出电压，验证该基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器的探测效果。

在一种可能的实现方式中，该磁传感器的输出电压与TMR元件磁阻间成线性关系，换而言之，该磁传感器的输出电压与磁隧道结102形成的磁阻电路成线性关系，输出电压变化反映该磁阻电路的变化。

进一步的，如图7所示，该磁隧道结102在一定的量程范围内，磁阻与外界磁场呈线性关系，图7中横轴B为外界磁场磁感应强度大小，竖轴R为磁阻的大小。其中，TMR元件的尺寸一旦确定，磁阻变化范围随之固定，即Rmax和Rmin确定。

假设第一输出端口104随着磁场变化时，电压变化提升30%；第二输出端口105随着磁场变化时，电压变化降低10%。

若使用第一磁阻电路构成的推挽式惠斯通全桥结构，由于磁通调节器103的存在，各隧道结磁阻随磁场变化时感应到的磁场变化提升30%，得到灵敏度提升2曲线，此时较小的磁场会引起更大的输出，使得磁场传感器的探测下限提高30%，探测灵敏度提高。

若使用第二磁阻电路构成的推挽式惠斯通全桥结构，由于磁通调节器103的存在，各隧道结磁阻随磁场变化时感应到的磁场变化降低10%，得到灵敏度降低3曲线，此时不再感知磁场的微弱变化，从而可以稳定探测到更广的输出范围，使得磁场传感器的探测上限提升约10%，探测量程增加。

在一个实施例中，本申请提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，该磁传感器包括基板101、多个磁隧道结102、多个磁通调节器103、第一输出端口104、第二输出端口105、电压输入端口106以及接地端口107。其中，多个磁隧道结102设置于基板101上方，磁隧道结102包括第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022，第一磁隧道结1021位于磁通调节器103的下方，第二磁隧道结1022位于相邻的两个磁通调节器103的间隙下方，可选的，该磁隧道结102可以分区设置，也可以交替设置。第一输出端口104与第一磁隧道结1021连接，第二输出端口105与第二磁隧道结1022连接，第一输出端口104和第二输出端口105，均用于作为输出端口输出感测信号，感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，Z轴方向为与基板垂直的方向，该输出端口包括正极输出端口和负极输出端口，各端口及各部件均通过连接线连接，其中，正极输出端口、负极输出端口、电压输入端口106、接地端口107以及磁隧道结102连接形成推挽式惠斯通全桥结构。进一步的，利用磁通调节器103改变磁隧道结102处的磁感应强度，实现增强和衰减两种效果，使用磁感应强度增强位置处的磁隧道结102构成的磁传感器，灵敏度提高，可以探测更加微弱的磁场；使用磁感应强度衰减位置处的磁隧道结102构成的磁传感器，灵敏度降低，可以探测更大量程的磁场，两种效果的磁传感器结合，可以同时达到高灵敏度、宽量程的磁探测结果，扩展垂直敏感磁传感器的探测上限和下限。

在一个实施例中，本申请提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器制备方法，步骤如下：

在基板101上制备多个磁隧道结102，多个磁隧道结102包括第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022；在基板101上制备连接线，连接线包括用于连接第一磁隧道结1021和第一输出端口104的第一连接线，以及用于连接第二磁隧道结1022和第二输出端口105的第二连接线，其中，第一输出端口104和第二输出端口105，均用于输出感测信号，感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，Z轴方向为与基板101垂直的方向；根据第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022在基板101上的位置制备在多个磁隧道结102上方制备多个磁通调节器103，使得第一磁隧道结1021位于磁通调节器103的下方，第二磁隧道结1022位于相邻的两个磁通调节器103的间隙下方。

在其中一个实施例中，在基板101上制备多个磁隧道结102，包括：

在基板101上生成TMR多层膜结构；对TMR多层膜结构进行刻蚀处理，得到按行排布的多个磁隧道结单元，其中，各行磁隧道结单元组成磁隧道结102；对多个磁隧道结单元进行退火处理，以得到第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022；其中，第一磁隧道结1021的磁敏感方向为Z轴正方向，第二磁隧道结1022的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，第一磁隧道结1021的磁敏感方向为Z轴负方向，第二磁隧道结1022的磁敏感方向为Z轴正方向。

其中，该退火处理是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷，准确的说，退火处理是一种对材料的热处理工艺，包括金属材料、非金属材料。

在其中一个实施例中，连接线还包括第三连接线和第四连接线，第三连接线用于连接第一磁隧道结1021、电压输入端口106以及接地端口107，第四连接线用于连接第二磁隧道结1022、电压输入端口106以及接地端口107。

在其中一个实施例中，在基板101上制备连接线，包括：

在第一磁隧道结1021和第二磁隧道结1022在基板101上交替设置的情况下，在基板101上制备一部分连接线；沉积一层绝缘材料，并在绝缘材料上沉积一层导电材料，对导电材料进行刻蚀以制备得到另一部分连接线。

上述基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器及其制备方法，提供了一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，该磁传感器由基板、多个磁隧道结、多个磁通调节器、第一输出端口以及第二输出端口组成，利用多个磁通调节器改变多个磁隧道结处的磁感应强度，达到增强和衰减的两种效果，使用磁感应强度增强位置处的多个磁隧道结构成的磁传感器，灵敏度提高，可以探测更加微弱的磁场；使用磁感应强度衰减位置处的多个磁隧道结构成的磁传感器，灵敏度降低，可以探测更大量程的磁场，两种效果的磁传感器结合，可以同时达到高灵敏度、宽量程的磁探测结果，扩展垂直敏感磁传感器的探测上限和下限，解决了磁传感器在灵敏度和量程两个指标上无法同时扩展的问题。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括基板、多个磁隧道结、多个磁通调节器、第一输出端口以及第二输出端口，其中，所述多个磁隧道结设置于所述基板上方，所述多个磁通调节器设置于所述多个磁隧道结上方，所述多个磁隧道结包括第一磁隧道结和第二磁隧道结，所述第一磁隧道结位于所述磁通调节器的下方，所述第二磁隧道结位于相邻的两个所述磁通调节器的间隙下方，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结在所述基板上分区设置；

所述第一输出端口与所述第一磁隧道结连接，所述第二输出端口与所述第二磁隧道结连接，所述第一输出端口和所述第二输出端口，均用于输出感测信号，所述感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，所述Z轴方向为与所述基板垂直的方向，其中，所述第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向，所述第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，所述第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向，所述第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向；

所述磁传感器包括电压输入端口以及接地端口；

所述第一输出端口包括第一正极输出端口和第一负极输出端口，所述第一输出端口用于输出所述第一磁隧道结的电压；所述第一磁隧道结的电压与所述第一磁隧道结的磁阻呈线性关系，所述第一磁隧道结的磁阻与外界磁场呈线性关系；所述第一正极输出端口、所述第一负极输出端口、所述电压输入端口、所述接地端口以及所述第一磁隧道结形成第一推挽式惠斯通全桥结构；

所述第二输出端口包括第二正极输出端口和第二负极输出端口，所述第二输出端口用于输出所述第二磁隧道结的电压；所述第二磁隧道结的电压与所述第二磁隧道结的磁阻呈线性关系，所述第二磁隧道结的磁阻与外界磁场呈线性关系；所述第二正极输出端口、所述第二负极输出端口、所述电压输入端口、所述接地端口以及所述第二磁隧道结形成第二推挽式惠斯通全桥结构。

2.根据权利要求1所述的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，其特征在于，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结还可以在所述基板上交替设置。

3.根据权利要求1或2所述的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，其特征在于，所述电压输入端口、所述接地端口、所述第一输出端口、所述第二输出端口、所述第一磁隧道结以及所述第二磁隧道结均通过连接线连接。

4.根据权利要求3所述的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括多个所述第一磁隧道结，其中，多个所述第一磁隧道结形成第一磁阻电路、第二磁阻电路、第三磁阻电路和第四磁阻电路，所述第一磁阻电路、所述第二磁阻电路、所述第三磁阻电路和所述第四磁阻电路均包括至少一个所述第一磁隧道结；

所述第一磁阻电路的第一端与所述第二磁阻电路的第一端连接，所述第二磁阻电路的第二端与所述第三磁阻电路的第一端连接，所述第三磁阻电路的第二端与所述第四磁阻电路的第一端连接，所述第四磁阻电路的第二端与所述第一磁阻电路的第二端连接；

所述第一正极输出端口分别与所述第一磁阻电路的第一端的和所述第四磁阻电路的第二端连接；

所述第一负极输出端口分别与所述第二磁阻电路的第二端的和所述第三磁阻电路的第一端连接；

所述电压输入端口分别与所述第一磁阻电路的第二端的和所述第二磁阻电路的第一端连接；

所述接地端口分别与所述第三磁阻电路的第二端的和所述第四磁阻电路的第一端连接。

5.根据权利要求3所述的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，其特征在于，所述磁传感器包括多个所述第二磁隧道结，其中，多个所述第二磁隧道结形成第五磁阻电路、第六磁阻电路、第七磁阻电路和第八磁阻电路，所述第五磁阻电路、所述第六磁阻电路、所述第七磁阻电路和所述第八磁阻电路均包括至少一个所述第二磁隧道结；

所述第五磁阻电路的第二端与所述第六磁阻电路的第一端连接，所述第六磁阻电路的第二端与所述第七磁阻电路的第一端连接，所述第七磁阻电路的第二端与所述第八磁阻电路的第一端连接，所述第八磁阻电路的第二端与所述第五磁阻电路的第一端连接；

所述第二正极输出端口分别与所述第五磁阻电路的第一端的和所述第八磁阻电路的第二端连接；

所述第二负极输出端口分别与所述第六磁阻电路的第二端的和所述第七磁阻电路的第一端连接；

所述电压输入端口分别与所述第五磁阻电路的第二端的和所述第六磁阻电路的第一端连接；

所述接地端口分别与所述第七磁阻电路的第二端的和所述第八磁阻电路的第一端连接。

6.根据权利要求1所述的基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器，其特征在于，所述磁隧道结包括绝缘体和/或半导体的磁性多层膜。

7.一种基于磁通调节器的宽量程垂直敏感磁传感器制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在基板上制备多个磁隧道结，所述多个磁隧道结包括第一磁隧道结和第二磁隧道结；

在所述基板上制备连接线，所述连接线包括用于连接所述第一磁隧道结和第一输出端口的第一连接线，以及用于连接所述第二磁隧道结和第二输出端口的第二连接线，其中，所述第一输出端口和所述第二输出端口，均用于输出感测信号，所述感测信号用于表征Z轴方向的磁场的磁感应强度，所述Z轴方向为与所述基板垂直的方向，其中，所述第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向，所述第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，所述第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向，所述第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向；

所述磁传感器包括电压输入端口以及接地端口；

所述第一输出端口包括第一正极输出端口和第一负极输出端口，所述第一输出端口用于输出所述第一磁隧道结的电压；所述第一正极输出端口、所述第一负极输出端口、所述电压输入端口、所述接地端口以及所述第一磁隧道结形成第一推挽式惠斯通全桥结构；所述第一输出端口得到所述第一磁隧道结的第一输出电压，所述第一输出电压与所述第一磁隧道结的磁阻呈线性关系，所述第一磁隧道结的磁阻与外界磁场呈线性关系；

所述第二输出端口包括第二正极输出端口和第二负极输出端口，所述第二输出端口用于输出所述第二磁隧道结组成的电压；所述第二正极输出端口、所述第二负极输出端口、所述电压输入端口、所述接地端口以及所述第二磁隧道结形成第二推挽式惠斯通全桥结构；所述第二输出端口得到所述第二磁隧道结的第二输出电压，所述第二输出电压与所述第二磁隧道结的磁阻呈线性关系，所述第二磁隧道结的磁阻与外界磁场呈线性关系；

根据所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结在所述基板上的位置制备在所述多个磁隧道结上方制备多个磁通调节器，使得所述第一磁隧道结位于所述磁通调节器的下方，所述第二磁隧道结位于相邻的两个所述磁通调节器的间隙下方，所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结在所述基板上分区设置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在基板上制备多个磁隧道结，包括：

在所述基板上生成TMR多层膜结构；

对所述TMR多层膜结构进行刻蚀处理，得到按行排布的多个磁隧道结单元，其中，各行所述磁隧道结单元组成所述磁隧道结；

对所述多个磁隧道结单元进行退火处理，以得到所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结；

其中，所述第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向，所述第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向；或者，

所述第一磁隧道结的磁敏感方向为Z轴负方向，所述第二磁隧道结的磁敏感方向为Z轴正方向。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述连接线还包括第三连接线和第四连接线，所述第三连接线用于连接所述第一磁隧道结、电压输入端口以及接地端口，所述第四连接线用于连接所述第二磁隧道结、所述电压输入端口以及所述接地端口。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述在所述基板上制备连接线，包括：

在所述第一磁隧道结和所述第二磁隧道结在所述基板上交替设置的情况下，在所述基板上制备一部分所述连接线；

沉积一层绝缘材料，并在所述绝缘材料上沉积一层导电材料，对所述导电材料进行刻蚀以制备得到另一部分所述连接线。

Images