CN1829913A - 集成的设置/复位驱动器和磁阻传感器 - Google Patents

集成的设置/复位驱动器和磁阻传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁感测设备以及制造和使用其的方法。该感测设备可以具有一个或多个磁阻感测元件、用于调节该至少一个磁阻感测元件的一个或多个重取向元件、以及具有驱动器电路用于控制该至少一个重取向元件的半导体电路。该磁阻感测元件、重取向元件以及半导体电路可以设置在单个封装中，和/或单片集成地形成在单个芯片上。可替换地，某些半导体电路可以与该磁阻感测元件单片集成地形成在第一芯片上，而第二部分的半导体电路可以形成在第二芯片上。该第一和第二芯片可以靠近放置并电气地连接在一起。可替换地，这些芯片可以不具有有意的电相互作用。可以实施的示范半导体装置包括电容器、电感器、运算放大器、用于MR传感器、加速计、压力传感器的设置/复位电路、位置感测电路、罗盘电路等，但并不限于此。

Description

集成的设置/复位驱动器和磁阻传感器
相关申请
本申请要求下列美国临时申请的权益：(1)2003年6月2日提交的第60/475175号，其Honeywell案卷号为H0004956，发明名称为“On-Die Set/Reset Driver for a Magneto-Resistive Sensor(用于磁阻传感器的管芯上的设置/复位驱动器)”，发明人为Mark D.Amundson和William F.Witcraft；(2)2003年6月2日提交的第60/475191号，其Honeywell案卷号为H0004602，发明名称为“Semiconductor Device Integration with a Magneto-ResistiveSensor(与磁阻传感器集成的半导体器件))”，发明人为Lonny L.Berg和William F.Witcraft；和(3)2003年4月15日提交的第60/462872号，其Honeywell案卷号为H0004948，发明名称为“Integrated GPSReceiver and Magneto-Resistive Sensor Device(集成的GPS接收机和磁阻传感器器件)”，发明人为William F.Witcraft、Hong Wan、Cheisan J.Yue和Tamara K.Bratland。这里，这些临时申请各自的全部内容也在本申请中引入作为参考。
本申请还与以下的美国非临时申请相关并将其引入作为参考：(1)同时提交的＿＿，其Honeywell案卷号为H0004602US，发明名称为“Semiconductor Device Integration with a Magneto-ResistiveSensor”，发明人为Lonny L.Berg和William F.Witcraft；和(2)同时提交的＿＿，其Honeywell案卷号为H0004948US，发明名称为“Integrated GPS Receiver and Magneto-Resistive SensorDevice”，发明人为William F.Witcraft、Hong Wan、Cheisan J.Yue和Tamara K.Bratland。
背景技术
技术领域
本发明通常涉及磁场和电流传感器，并且更具体地涉及用于磁阻传感器的信号处理，但不限于此。
相关技术
磁场传感器应用于磁罗盘、黑色金属检测和电流感测。它们可以检测机器组件、地球磁场、地下矿、或电气装置和线中的磁场变化。
在磁传感器中，特别是在各向异性磁阻(AMR)桥传感器中，硅基片上安放有磁阻材料的薄膜，以精确感测本地磁场的强度和/或方向。由于在硅基片上沉积薄膜可以利用用于制造的半导体代工(semiconductorfoundry)工艺，所以可以加入创建相邻半导体电路元件的另外的步骤。这些半导体电路元件通常并不是与磁阻传感器共同位于相同的基片上，因为传感器薄膜与传统的半导体制造工艺并不兼容。
典型地，磁阻传感器使用坡莫合金(Permalloy)作为磁阻材料，其是一种包含镍和铁的铁磁合金。通常，该坡莫合金设置在坡莫合金膜的薄条中。当电流通过单个条时，该条的磁化方向可以与电流流动的方向形成一个角。当磁化方向改变时，该条的有效电阻改变。特别地，平行于电流方向的磁化方向导致通过该条的电阻最大，并且垂直于电流方向的磁化方向导致通过该条的电阻最小。当电流通过该条时，这种改变的电阻可以使得跨该条两端的压降改变。可以测量这种电压的改变，作为作用于该条上的外部磁场的磁化方向改变的指示。
为了形成磁阻传感器的磁场感测结构，可以将几个坡莫合金条电气地连接在一起。这些坡莫合金条可以置于该磁阻传感器的基片上，作为“人字”型的连续电阻器或作为磁阻材料的线状条，使跨该条的导体与该条的长轴成45度角。后一种配置就是熟知的“巴柏杆偏置(barberpolebiasing)”。因为这些导体的配置，而可以迫使条中的电流与该条的长轴成45度角流动。在1989年7月11日授予Bharat B.Pant并且转让给本申请的受让人的美国专利第4847584号中详细描述了这些感测结构设计。由此美国专利第4847584号的全部内容被引入作为参考。下面结合图2的说明对描述了磁传感器技术的其它专利和专利申请进行阐述。
磁传感器通常包括电流可以通过的多个重取向元件或“带”，用于控制和调节这些感测特征。例如，磁传感器设计经常包括设置/复位和/或偏移重取向元件或“带”(此后称之为“设置/复位带”和“偏移带”)。
偏移带用于取消或修正外部磁场。设置/复位带帮助对该磁阻薄膜纹理结构进行重取向，以得到最佳测量精度。这个重取向磁阻膜的过程使用了该设置/复位带金属化，以应用短的(brief)强磁场强度，迫使任意取向的薄膜纹理基本到一个方向上。这种短场(brief field)的应用将该薄膜“设置”在一个取向上。强度相似但取向相反的第二个短场应用“复位”了薄膜的纹理取向。使用重复设置和/或复位的磁场，以确保薄膜颗粒保持未受扰动并且是在相对已知的磁取向上。
虽然设置/复位带本身典型地位于芯片上，但是用于这些带的驱动器电路典型地并不在芯片上，就使得空间效率较低。这种不在芯片上的解决方案典型地使通过该磁阻传感器桥上的一个或多个带(典型的是金属)的电流脉动，但是使用外部板级电路来切换和产生该电流脉冲。
类似地，典型地在与该磁阻传感器分离的芯片上实施其它组件，诸如运算放大器、晶体管、电容器等。例如，信号调节和静电放电电路典型地不在芯片上。虽然这对于某些应用可能比较好，但是对于物理空间非常珍贵的其他一些应用，将期望使这些半导体组件中的一个或多个作为与该磁阻传感器相同芯片的一部分。因此，将期望是单芯片设计，并且特别是具有位于芯片上的设置/复位驱动器电路的设计。
发明概述
公开了一种磁感测设备以及制造和使用其的方法。该感测设备可以包括一个或多个用于检测或测量磁场的磁阻感测元件，一个或多个用于调节该磁阻感测元件的重取向元件，以及具有用于控制或驱动该重取向元件的驱动器电路的半导体电路。该磁阻感测元件、重取向元件、以及该半导体电路可以都布置在单个封装中，和/或单片集成地形成在单个芯片上。
附图说明
现在结合下面的附图描述本发明的优选实施例，其中相同的附图标记在各个附图中表示相同的元件，并且其中：
图1的简化方框图描述了根据示范实施例，一个或多个半导体装置组件与磁阻传感器的集成；
图2的框图描述了根据示范实施例，具有集成设置/复位驱动器电路的磁阻传感器；
图3的示意图描述了根据示范实施例，可以在管芯上(on-die)实施的、具有磁阻传感器的设置/复位电路；
图4为根据示范实施例，具有半导体组件的磁阻传感器的平面图；
图5的第一简化电路图描述了根据示范实施例，集成有磁阻传感器的第一罗盘电路；和
图6的第二简化电路图描述了根据示范实施例，集成有磁阻传感器的第二罗盘电路。
发明详述
考虑到本发明的原理可以应用的各种广泛实施例，应该理解的是所描述的实施例仅仅只是示范性的，并且不应该将其当作是对本发明范围的限制。
示范结构
图1的简化方框图描述了根据实施例，一个或多个半导体装置组件与磁阻传感器的集成。通常，词语集成或集成的可以表示将一个或多个子系统包括在更大的系统中。另一方面，集成可以指该子系统、其结构和功能与更大系统的其它部件结合在一起。除了在有说明的地方，在整个该说明书中，词语集成和集成的可以互换地用来描述根据任何一个定义或二者的组合组件。
装置100包括第一和第二部分102、104。第一部分102可以包括磁阻感测元件(此后统称为“MR传感器”)和布线，诸如薄膜迹线。第二部分104可以包括一个或多个半导体装置组件，诸如设置/复位驱动器电路。在优选的实施例中，第二部分104也包括信号调节电路以及用于对第一部分102中的MR传感器进行ESD(静电放电)保护的电路。如下所述，第二部分104特别可由按标准半导体制造技术，诸如用于CMOS(互补金属氧化物半导体)的那些技术处理。
该第一和第二部分102、104可以设置在相同的芯片上，使得该装置100成为一个分离的单芯片或单片集成的设计。将半导体器件与MR传感器集成起来的现有尝试典型地包括至少两个管芯，其分开地放置在印刷电路板上，这样很可能导致终端用户装置(例如蜂窝电话、便携装置、手表、汽车传感器等)的尺寸较大，并且增加了复杂性。装置100的单芯片设计提供了减小的尺寸和增加的功能性。
例如，可以使用标准的RF/微波处理，诸如使用CMOS、Bipolar(双极)、BiCMOS、GaAs(砷化镓)以及InP(磷化铟)来制造第一和第二部分102、104。虽然诸如GaAs的技术可以具有运算速度方面的优点，但是通过使用其它技术，诸如那些包括SOI(绝缘体上硅)或MOI(绝缘体上微波)、SOI变体的技术，可以最好地实现减少的功耗。在一个实施例中使用SOI 0.35μ处理。
在优选实施例中，使用标准的光刻、金属化和蚀刻处理，诸如下面参考中所引述的专利列表中所述的处理，来制造第一部分102。然而也可以使用用于制造MR传感器的其它技术。优选地使用SOI 0.35μ处理、或另一个RF/微波法，诸如GaAs处理来制造第二部分104。
可以通过至少两种方法之一来将该MR传感器与一个或多个半导体装置组件集成起来。在第一实施例中，可以在与该半导体装置组件相同的管芯上制造该MR传感器，并且可以包括其它电路，诸如信号调节和ESD保护电路。在第二实施例中，在第一管芯上制造MR传感器，而在第二管芯上至少制造某些半导体装置组件。
该第一和第二管芯然后可以彼此相互靠近地放置，并且可以封装在单个集成电路芯片内。不管在哪一种情况下，根据特定的应用，在该半导体装置组件与该MR传感器之间有利地可以包括一个或多个连接。例如，这种连接可以提供反馈。可替换地，该半导体装置组件和MR传感器可以彼此简单地在物理上靠近，而没有有意的电相互作用。
由于可以使用常规半导体处理技术，所以在这里并不公开特定的半导体装置电路，因为其比较灵活。于是，可以在CMOS/Bipolar/BiCMOS中实施的常规半导体设计可以根据当前所公开的实施例进行利用。可实施的范例半导体装置包括(但并不限于)电容器、电感器、运算放大器、用于MR传感器、加速计、压力传感器的设置/复位电路、位置感测电路、罗盘电路等。
某些半导体装置组件可以产生明显得足以影响该MR传感器的操作的电磁场。于是，可能需要将该集成装置100的MR传感器部分102的感测部件与该半导体装置部分104的部件物理地分开，以提供最佳的感测操作。例如可以使用理论或经验的方式确定分开的量。作为在该集成装置100的潜在干扰部件之间引入物理隔离的替换形式，可以提供屏蔽层，如美国临时专利申请第60/475191号中所述。
示范制造技术
图2描述了装置200的范例横截面，其中可以与MR传感器一起实施一个或多个半导体组件，诸如用于与设置/复位驱动器电路一起使用的那些组件。为了此示例的目的，假定使用CMOS/Bipolar半导体技术。可以大量地在CMOS/Bipolar底层中制造半导体装置组件(包括用于与MR传感器部分相关联的设置和/或偏移带的任何信号调节电路和驱动器)，而该MR传感器可以在该接触玻璃层208上面的层202-206中制造。在图2中也示出了各种接触V1-V3和金属化M1-M3，以及NiFe坡莫合金结构(参见第一介电层206)。除了底层210、接触玻璃层208以及第一介电层206之外，也示出来的有第二介电层204和钝化层202。
在一个实施例中，使用标准的光刻、金属化、和蚀刻处理形成层202-206，而使用SOI 0.35μ工艺、或使用其它RF/微波法，诸如使用GaAs工艺形成层208-210。该MR传感器的其它组件(诸如设置、复位和偏移带；信号调节电路，以及ESD保护电路)可以包括在层206-210中的各个位置，并且其在图2中没有完全示出。
示范磁阻设计
有关于MR传感器设计的进一步信息，可以参照Honeywell下面的专利和/或专利申请，其全部在此引作参考。
(1)Bohinger等人的美国专利第6529114号，“Magnetic FieldSensing Device(磁场感测设备)”
该装置包括用于测量磁场的二轴集成装置，包括由具有晶体各向异性场方向的MR材料形成的两个传感器单元。两个传感器单元中第一个的元件在第一方向上具有全各向异性场。两个传感器单元中第二个传感器的元件在垂直于第一方向的第二方向上具有全各向异性场。提供用于设置该第一和第二传感器单元的元件中的磁化方向的手段。第一传感器单元的输出表示垂直于第一方向的磁场组件，并且第二传感器的输出表示垂直于第二方向的磁场组件。
(2)Pant等人的美国专利第6232776号，“Magnetic Field Sensorfor Isotropically Sensing an Incident Magnetic Field in a SensorPlane”(“Pant等人”)
Pant等人提供了一种各向异性地感测入射磁场的磁场传感器。这可以优选地通过提供一种磁场传感器装置完成，其具有一个或多个用于感测该入射磁场的环形MR传感器元件。所使用的该MR材料优选地是各向异性的，并且可以是庞磁阻(CMR)材料或者某种形式的巨磁阻(GMR)材料。因为该传感器元件的形状是环形的，所以形状各向异性被最小化。于是，所得到的该磁场传感器装置提供的输出在该传感器平面上相对独立于入射磁场的方向。
在Pant等人专利的一个实施例中，该磁场传感器包括第一脚和第二脚。该第一脚连接在输出网与第一供电电源端子之间。第二脚连接在输出网与第二供电电源端子之间。为了各向异性地感测入射磁场，至少在第一和第二脚其中之一中包括由MR材料形成的至少一个环形传感器元件。优选地，在第一或第二脚中包括两个或多个环形MR传感器元件，并且另一个脚由非磁阻材料形成。该两个或多个环形传感器元件优选地通过多个非磁阻连接器连接成串连结构来形成对应的脚。
为了使得该磁传感器装置的灵敏度最高，该环形传感器元件优选地由CMR材料形成。然而，也可以考虑使用GMR材料。示例性的CMR材料是那些一般通过公式(LnA)MnO3表示的材料，其中Ln＝La、Nd或Pr，并且A＝Ca、Sr、Ba或Pb。优选地，该庞MR材料为LaCaMnO，其中La的浓度为26-32之间的原子百分比，Ca的浓度为9-20之间的原子百分比，并且Mn的浓度为47-64之间的原子百分比。
在Pant等人专利的另一个实施例中，磁场传感器包括第一脚、第二脚、第三脚和第四脚。该第一和第二脚优选地分别连接在第一输出网络和第二输出网络与第一供电电源端子之间。该第三和第四脚优选地分别连接在第三输出网络和第四输出网络与第一供电电源之间。为了各向异性地感测入射磁场，至少在第一、第二、第三和第四脚其中之一中包括由MR材料形成的至少一个环形传感器元件。优选地，该第一和第四脚各自由两个或多个环形MR传感器元件形成，该第二和第三脚由非磁阻材料形成。对于该第一和第四脚中的每一个，对应的两个或多个环形传感器元件优选地通过多个非磁阻连接器连接成串连构造来形成对应的脚。该环形MR传感器元件优选地由与上述相同的CMR材料形成。
(3)Wan的美国专利第5952825号，“Magnetic Field SensingDevice Having Integral Coils for Producing Magnetic Fields”(“Wan”)
Wan通过使用独特的线圈结构提供了设置/复位特征和在磁感测元件处产生已知磁场的独立特征。磁场传感器中存在这两个特征增加了比这两个特征的单独功能之和更多的传感器功能。
为了对其进行简化，Wan使用了极其小的低功率器件，其包括用于对排列成电桥网络中的MR传感器中的磁畴进行设置和复位的装置，以及用于对相对桥元件中的磁化方向进行设置的电流带。根据特定的设计，该相对桥元件中的磁化方向可以设置成相同或相反方向。该电流带在该磁场感测元件处产生已知磁场。该已知磁场用于诸如测试、设置、补偿和校准以及反馈应用中的功能。
(4)Witcraft等人的美国专利第5820924号，“Method ofFabricating a Magnetoresistive Sensor”
Witcraft等人提供了一种方法，其包括：(i)制造磁场传感器，包括提供硅基片的步骤；(ii)在产生第一磁场的基片上形成绝缘层作为新线；(iii)在存在MR材料的所述第一磁场的情况下在该绝缘层上形成一个层；(iv)确定各向异性场的第一值；和(v)在选择用来提供所想要的各向异性场的温度下进行退火。
(5)Pant等人的美国专利第5247278号，“Magnetic Field SensingDevice”(“Pant等人II”)
Pant等人II提供了设置/复位特征和在磁感测元件处产生已知磁场的独立特征。磁场传感器中存在这两个特征增加了比这两个特征的单独功能之和更多的传感器功能。
一方面，Pant等人II包括用于对排列成电桥网络中的MR感测元件中的磁畴进行设置和复位的装置。提供有电流带，根据特定的设计，用于将相对桥元件中的磁化方向设置成相同的方向或相反的方向。在本发明的另一方面，第二电流带在该磁场感测元件处产生已知磁场。该已知磁场用于诸如测试、设置和校准的功能。
(6)Witcraft等人的美国专利申请第09/947733号，“Method andSystem for Improving the Efficiency of the Set and Offset Strapson a Magnetic Sensor”(“Witcraft等人II”)
Witcraft等人II提供一种用于制造磁场传感器的方法，其包括制造近似于磁场感测结构的保持器材料的步骤。该传感器包括基片、电流带和该磁场感测结构。
Witcraft等人II也提供一种设置-复位带或偏移带作为电流带。该实施例也可以在相同的传感器中包括设置-复位带和偏移带。在另一个实施例中，该磁场感测结构也包括坡莫合金条，它们彼此互相连接并且与产生磁场指示的输出端子连接。
(7)Wan等人的美国专利申请第10/002454号，其标题为“360-Degree Rotary Position Sensor”(“Wan等人II”)
在Wan等人II的美国专利申请中，该360度旋转位置传感器包括霍耳(Hall)传感器和MR传感器。在旋转轴上安装磁体或该360度旋转位置传感器。该360度旋转位置传感器的位置基本上靠近该磁体，从而该360度旋转位置传感器能够检测该磁体所产生的磁场。该霍耳传感器检测该磁场的极性。该MR传感器检测高至180度的磁场的角位。该霍耳传感器的输出与该MR传感器的输出的组合能够提供高至360度的磁场的角位感测。
(8)授予Dettmann等人的美国专利第5521501号，其标题为“Magnetic Field Sensor Constructed from a Remagnetization Lineand One Magnetoresistive Resistor or a Plurality ofMagnetoresistive Resistors”(“Dettmann等人”)
Dettmann等人提供了一单个磁场相关的电阻器，其在以绝缘方式与该磁场相关的电阻器的纵向方向垂直设置的高导性薄膜导体条上包括一个或多个MR膜条。该高导性薄膜导体条被提供以弯曲结构。为了在电流流动的情况下产生电阻，尽管有彼此相互相邻设置的磁场方向交变的弯曲条，其电阻在所有子区域中在待测量场的影响下等方向地改变，该MR膜条被分成具有巴柏杆(Barber pole)结构的区域，带有与该条的纵方向相对的倾斜角。
有利地，该高导性薄膜导体条的弯曲导致这样的情况：磁化方向的逆转只需要较小的电流。而且，因为彼此相邻设置的该弯曲条的磁场由于它们的方向相反而大量地彼此抵消，所以存在于该传感器芯片外部的杂散磁场非常低。于是，该磁场传感器可以彼此非常靠近地工作。由于该相同的原因，该交变磁化导体也具有非常低的感应系数，从而就不会再出现由于感应系数而导致的对测量频率的限制。
当该磁场传感器与MR电阻器一起工作时，常数电流馈送到MR电阻器。所测得的MR电阻器的电压作为输出信号。当某个方向的电流脉冲通过该高导性薄膜导体条时，通过某种方式设置该MR电阻器的区域中的自磁化。在该状态中，待测的磁场使得该MR电阻器的电阻值增加。这就意味着该输出信号比在没有磁场的情况下大。如果现在与前一脉冲相反方向的电流脉冲馈送入该高导性薄膜导体条中，该自磁化的方向逆转。于是，待测的该磁场使得电阻减小，并且该输出电压比在没有磁场的情况下小。随着脉冲方向的不断改变，于是在输出处给出幅度与待测磁场成比例的AC电压。任何影响，诸如引起该MR膜条的电阻值产生小漂移的温度，并不影响该AC输出电压。但是，由于该输出AC电压幅度中温度的增加，可以觉察到MR效应的降低。
因此，在另一个实施例中，在每一个MR膜条下设置有另一个高导性薄膜条。通过该传感器输出电压来控制流过这些高导性薄膜条的电流，使得所应用的待测磁场正好被该电流抵消。在这种情况下，该MR磁场传感器用作零检测器。该安排的输出量为补偿电流的量，其与该安排的温度无关。同样地，非线性在该传感器特征曲线中不再起作用，因为该传感器没有被调制。
在Dettmann等人的美国专利的进一步实施例中，在该薄层交变磁化导体和该高导性补偿导体上面设置有分别包括多个区域的四个并行MR电阻器。这些区域设置有从该MR膜条的纵方向的交变正和负角的巴柏杆结构，使得它们分别以正和负巴柏杆结构角的交变区域开始。这四个电阻器连接在一起，形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)。如果该交变磁化导体再次以交替相反方向的脉冲工作，那么就在该桥的输出处出现AC电压信号。在该信号上只叠加有一个直流电压信号，其是由于该桥的四个电阻值可能不同而产生的。然而该直流电压组件比使用允许简单评估的单个电阻器时的要小的多。当然，这里也可以使用待测磁场的补偿。
该桥设计可以包括由偶数个区域形成的四个电阻器。只有巴柏杆结构的角顺序从一个电阻器到另一个电阻器发生改变。通过流经该交变磁化导体的第一个强电流脉冲在该区域中设置交变磁化方向。该传感器桥于是可以感测磁场，并且不需要交变磁化就可以以常规方式使用。因为该桥的所有四个电阻器包括相同区域，所以当该传感器设计的温度变化时，所有电阻器中将会出现相同的变化。这也适用于由于可变的层电压以及随后由于交变磁化而产生的改变组件。该传感器桥因此相比于已知的传感器桥设计具有降低的零点，并且因此也适合于以常规操作测量更小的场。通过该交变磁化导体的恒定电流可以用于产生一定的稳定磁场，通过其可以设置一定的传感器灵敏度。因此，可以有利地在用于磁场测量的不同评估方法的应用中使用Dettmann等人的安排。
示范金属-绝缘体-金属电容器集成
为了提供该设置/复位驱动器电路的功能，图2的装置200可以包括多个半导体装置组件。另外，可以包括一个或多个特定的电容器，诸如在第一介电层206中所示的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器305。如图所示，该MIM电容器305位于接触V1与覆盖在低阻性金属化M1上面的氮化物层之间。虽然所示的该MIM电容器305位于第一介电层206中，但是可替换地，其可以位于其它位置中，诸如位于该钝化层202、第二介电层204中，或者位于该CMOS/Bipolar底层210中。该集成MIM电容器是对与现有MR传感器一起使用的线性电容器的改进，因为其减小的尺寸，可能会使得整体封装变得更小。
该装置200是用于MR传感器的优选构造，并且也可以使用具有不同坡莫合金布置和结构的其它构造替代。在还有另一个实施例中，该MIM电容器305可以包括在该装置200中，并且可以省略该CMOS/Bipolar底层210或者可以使用其它基层或基底材料代替。
集成的或集成设置/复位电路
图3的示意图描述了可以在管芯上(on-die)实施的或者单片集成的、具有根据示范实施例的MR传感器的设置/复位电路360、362。图3中所示的电路设计只是许多可能设计中的一对，并且没有任何限制性的意思。
示范电路360是放大电路，以增加该MR传感器的信号增益。当跨该磁阻桥的脚进行感测时，具有负反馈环的两个运算放大器提供了表示本地磁场变化的差动电压信号。所示的该电阻器值特别适合于优选的实施例，并且其它电阻器值和配置可能更加适合于其它MR传感器设计。类似地，虽然所示用于电路360的是两个运算放大器，但是其它设计可以使用更多或更少的运算放大器，并且可以包括更多或更少偏置电阻器。
示范电路362是切换电路，产生通过该设置/复位带的设置/复位电流脉冲，以在适当的方向上适当地取向该桥电路的薄膜磁畴。电路362包括一对互补的场效应晶体管，其通过ESDR继电器切换，以提供设置/复位脉冲。类似于电路360，用于特定磁阻传感器的设计选择可以要求对切换电路进行改变。所示的该电阻器值专用于优选实施例。
电路364是完全可选的，并且可以用于测试目的。其显示了这种灵活性：不脱离本发明的范围，该设置/复位驱动器电路中可以包括许多特定应用特征。对于图3中所示的所有电路，可以进行各种修改。例如可以包括热或温度补偿电路，以防止热漂移。
示范性的半导体电路集成
图4为装置300的一个实施例的平面图，其中设置/复位驱动器电路集成在芯片上，或者与MR传感器单片集成在一起。该装置300的范例部件包括磁阻桥301、设置/复位带302、偏移带304、设置/复位电路306-308、激光微调点310(用于匹配该桥301的脚的阻抗)、ESD保护二极管312、MIM电容器314、运算放大器316、接触318、以及测试点320。进一步的信息可以参照上面所包括的专利和专利申请。
图5-6的简化电路图500-600描述了可以与MR传感器集成的半导体电路的范例类型。这些示范图并不是可以与MR传感器集成或集成到MR传感器的穷举的或固定不变的电路列表，而是说明可以如此组合的电路的广度。
图5的简化电路图500描述了可以与该MR传感器集成的罗盘电路502。在这一个实施例中，该MR传感器可以由第一和第二磁阻感测元件504、506形成。该第一和第二磁阻感测元件504、506可以感测正交的磁场并响应性地提供第一和第二输出。在三维坐标系统中，例如该第一磁阻感测元件504可以感测“X”方向上的磁场，而该第二磁阻感测元件506可以感测“Y”方向上的磁场。该X-Y平面当然可以通过该坐标系统旋转。
可以在第一和第二磁阻感测元件504、506上形成或与之一起集成一个或多个设置/复位和/或偏移带(未示出)形式的重取向元件。如上所述，这些重取向元件可以用来控制和调节该第一和第二磁阻感测元件504、506的感测特征。
该罗盘电路502可以包括：(i)偏移带驱动器电路508，用于完成第一和/或第二磁阻感测元件504、506的偏移调整；(ii)设置/复位带驱动器电路510，用于完成第一和/或第二磁阻感测元件504、506的设置/复位顺序；以及(iii)第一和第二差动放大器512、514，分别用于功能性地调节第一和第二磁阻感测元件504、506的输出。可以在与第一和第二磁阻感测元件504、506相同的封装中布置带驱动器电路508、设置/复位带驱动器电路510以及第一和第二差动放大器512、514。可替换地，该电路可以单片集成地形成在与第一和第二磁阻感测元件504、506相同的管芯上。
该罗盘电路502可以包括温度补偿电路，以抵抗该MR传感器的不利温度影响。该温度补偿的形式例如可以是热敏电阻、坡莫合金元件、和/或有源调节(active-regulation)电路。该有源调节电路可以感测由于温度效应而产生的变化，即电压或电流的增加或减少，然后响应，提供电压和/或电流形式的补偿。
该罗盘电路502也可以包括其它元件。关于该罗盘电路502的组件的进一步的详细情况可以参照本说明书以及上面所包括的专利和专利申请。
图6的简化电路图600描述了集成有该MR传感器的第二罗盘电路602。在这一个实施例中，该MR传感器可以由第一、第二和第三磁阻感测元件604-608形成，其可以感测三个正交的磁场。该第一和第二磁阻感测元件604和606可以在第一管芯上制造，而第三磁阻感测元件608可以在第二管芯上制造。虽然该第二管芯可以与该第一和第二磁阻感测元件604、606一起封装，但是在本实施例中，该第二管芯并没有这样封装。
在三维坐标系统中，该第一磁阻感测元件604可以感测“X”方向上的磁场，而该第二磁阻感测元件606可以感测“Y”方向上的磁场。该第三磁阻感测元件608可以感测“Z”方向上的磁场。
类似于罗盘电路502，可以在第一、第二和第三磁阻感测元件604-608上形成或与之集成一个或多个设置/复位和/或偏移带(未示出)形式的重取向元件。该罗盘电路602也可以布置有设置/复位带驱动器电路610以及第一、第二和第三差动放大器612-616。该设置/复位带驱动器电路610可以完成第一、第二和/或第三磁阻感测元件604-608的设置/复位顺序。该第一、第二和第三差动放大器612-616可以分别用来功能性地调节第一、第二和第三磁阻感测元件604-608的输出。
在本实施例中，该设置/复位带驱动器电路610和该第一、第二和第三差动放大器612-616都可以形成在第一管芯上。然而，假定可以在第二管芯上形成第三磁阻感测元件608和该设置/复位带，那么该设置/复位带驱动器电路610和第三差动放大器616可以与第二管芯互连。于是，在结点618应用于罗盘电路602的设置/复位脉冲可以通过第一管芯，输出到设置/复位接口620，并传送到第二管芯，以执行该第三磁阻感测元件608的设置/复位顺序。类似地，目的地为第三差动放大器616的该第三磁阻感测元件608的输出信号可以通过传感器接口622传送到第一管芯。
在替换形式的实施例中，可以在第一管芯上形成该设置/复位带驱动器电路610以及第一、第二和第三差动放大器612-616中的某些。其它部分，例如设置/复位带驱动器电路610和第三差动放大器616可以在第二管芯上形成，并且与第一管芯互连。如本领域的熟练技术人员会认识到的是，也可能使用该罗盘电路602的组件的其它组合。
类似于罗盘电路502，每一差动放大器612-616可以布置有可选的可调节的偏移和增益，以有利地补偿和/或排除该磁阻元件604-608中不想要的改变。该罗盘电路602也可以包括温度补偿电路，如上所述，以抵抗该MR传感器的不利温度影响。
用于将半导体组件与MR传感器集成的示范性处理
下面的表1示出了用于将一个或多个半导体装置组件，诸如用于将设置/复位电路与MR传感器集成的简化示范性处理。相信这种处理是独特的，因为在以前半导体代工不遗余力地防止它们的处理过程对在制造磁传感器中典型使用的材料的污染。另外，磁工业中的公司(例如盘驱动头制造商等)已经从电子公司分离出来，并且他们的专门的制造技术一直被保持为相互间很大地分离开。
表格1：样品制造处理过程
 清洁晶片
 氧化物和氮化物扩散、光刻、蚀刻、清洁(装置所特定的构建)
 硼/磷注入(如果有)，清洁
 (结束前端处理；开始后端处理)
 沉积接触玻璃(如果有)，回流
 溅射、蚀刻、NiFe掩膜、光刻(装置所特定的构建)
 干刻金属化、沉积并构建电介质(例如TEOS)、平面化(装置所特定的构建)
 检查和评估
在优选实施例中，该半导体装置处理在前端完成，而与制造该MR传感器相关的光刻和蚀刻步骤在后端完成。表格1打算是通常可应用于许多MR传感器制造处理过程，于是其并不包括关于如何获得特定构造的详情。图2中所示的构造包括后端步骤的几次迭代，以得到多个电介质层和金属化层。当然，适当地也可以实施另外的清洁和其它步骤。
现在已经描述了具有与MR传感器装置集成的设置/复位驱动器电路的装置以及示范性的处理选项。因为这种集成装置可以作为单个芯片制造，所以用户可以实现的优点尤其包括减小尺寸和增加功能性。
结论
在前面的详细描述中，陈述了许多具体的详情，以提供对此处示范实施例的完整理解。然而应该理解的是，没有这些具体详情也可以实施这些实施例。在其它例子中，并没有详细描述熟知的方法、程序、组件和电路，从而不至于让下面的描述变得模糊。
而且所公开的实施例只是示范性的，并且也可以采用其它实施例来代替所公开的实施例或与其组合。而且，除了上述技术之外，可以考虑使用砷化硅/镓(Si/GaAs)、硅/锗(SiGe)、和/或碳化硅(SiC)制造技术制造上述设备和组件。这些技术中包括异质结双极性晶体管(HBT)制造工艺，和/或金属半导体场效应晶体管(MBSFET)制造工艺。
这里所描述的示范性实施例可以布置在各种设备和其它装置中，其可以包括任何适当的电压源或可以与其一起使用，诸如电池、交流发电机等，从而提供任何适当的电压，诸如大约0.4、5、10、12、24和48伏特的DC，以及大约24和120伏特的AC等。
已经描述和说明了示范性实施例。进一步，权利要求书不应该认为是受所述顺序或元件的限制，除非是为那个目的而说明。另外，任何权利要求中的词语“装置(means)”的使用旨在调用35U.S.C.$112，6，并且没有该词语“装置”的权利要求则无此意图。

Claims (43)

1.一种感测设备，包括：
至少一个磁阻感测元件；
至少一个重取向元件，用于调节该至少一个磁阻感测元件；和
半导体电路，具有驱动器电路，用于控制该至少一个重取向元件，其中该至少一个磁阻感测元件、该至少一个重取向元件、以及该半导体电路布置在单个封装中。
2.根据权利要求1的感测设备，其中该半导体电路和该至少一个磁阻感测元件单片集成地形成在单个芯片上。
3.根据权利要求1的感测设备，其中该半导体电路、该至少一个重取向元件和该至少一个磁阻感测元件单片集成地形成在单个芯片上。
4.根据权利要求1的感测设备，其中至少一部分该半导体电路与该至少一个磁阻感测元件以及该至少一个重取向元件单片集成地形成在第一芯片上。
5.根据权利要求4的感测设备，其中至少一部分该半导体电路形成在第二芯片上。
6.根据权利要求5的感测设备，其中该第一和第二芯片电气地连接在一起。
7.根据权利要求5的感测设备，其中该第一芯片与该第二芯片正交地放置。
8.根据权利要求5的感测设备，其中该第二芯片与该第一芯片靠近地放置。
9.根据权利要求7的感测设备，其中该第一和第二芯片电气地连接在一起。
10.根据权利要求7的感测设备，其中该第一和第二芯片不具有有意的电相互作用。
11.根据权利要求2的感测设备，进一步包括设置在该半导体电路与该至少一个磁阻感测元件之间的电介质。
12.根据权利要求11的感测设备，其中该电介质包括接触玻璃。
13.根据权利要求12的感测设备，其中该接触玻璃包括从氮化硅(Si3N4)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、以及二氧化硅(SiO2)构成的组中选择的材料。
14.根据权利要求2的感测设备，其中该驱动器电路包括功能调整、信号调节、以及静电放电保护电路中的任何项。
15.根据权利要求1的感测设备，其中该驱动器电路包括由互补金属氧化物半导体(CMOS)、双极、砷化镓、锗、双极CMOS(BiCMOS)、磷化铟(InP)、以及绝缘体上硅(SOI)技术形成的功能调整、信号调节、以及静电放电保护电路的任何项。
16.根据权利要求2的感测设备，其中该至少一个磁阻感测元件包括从各向异性磁传感器、巨磁传感器、以及庞磁传感器构成的组中选择的传感器。
17.根据权利要求2的感测设备，进一步包括设置在该半导体电路与该磁阻感测元件之间的屏蔽。
18.根据权利要求17的感测设备，其中该屏蔽包括从金属、金属性的、磁的、以及其它隔离材料构成的组中选择的材料。
19.根据权利要求11的感测设备，进一步包括设置在该电介质中的屏蔽。
20.根据权利要求19的感测设备，其中该屏蔽防止该半导体电路不期望地影响该至少一个磁阻感测元件的操作。
21.根据权利要求19的感测设备，其中该屏蔽防止该至少一个磁阻感测元件不期望地影响该半导体电路的操作。
22.根据权利要求11的感测设备，其中该半导体电路进一步包括位置感测电路。
23.根据权利要求22的感测设备，其中该至少一个磁阻感测元件中提供与所感测的磁场成比例的输出信号，并且其中该位置感测电路包括与该输出信号耦合的至少一个放大器。
24.根据权利要求23的感测设备，其中该至少一个放大器具有可调节的偏移。
25.根据权利要求24的感测设备，其中由外部电路控制该可调节的偏移。
26.根据权利要求23的感测设备，其中该至少一个放大器具有可调节的增益。
27.根据权利要求26的感测设备，其中由外部电路控制该可调节的增益。
28.根据权利要求23的感测设备，其中该半导体电路进一步包括温度补偿电路。
29.根据权利要求11的感测设备，其中该至少一个磁阻感测元件包括第一和第二磁阻感测元件，其中该至少一个重取向元件包括分别用于调节该第一和第二磁阻感测元件的第一和第二重取向元件，并且其中该驱动器电路包括用于控制该第一和第二重取向元件的驱动器电路。
30.根据权利要求29的感测设备，其中该第一和第二磁阻感测元件检测正交平面中的磁场，并提供与所检测到的磁场成比例的各自的第一和第二输出信号，并且其中该半导体电路包括与该第一和第二输出信号耦合的罗盘电路，以提供响应于该第一和第二输出信号的罗盘输出。
31.根据权利要求30的感测设备，其中该罗盘电路包括至少两个放大器，其中该至少两个放大器中的一个与该第一输出信号耦合，并且该至少两个放大器中的另一个与该第二输出信号耦合。
32.根据权利要求31的感测设备，其中通过外部电路来控制用于控制该第一和第二重取向元件的驱动器电路。
33.根据权利要求31的感测设备，其中该罗盘电路进一步包括用于调节第一和第二磁阻感测元件的各自偏移的第一和第二偏移驱动器电路。
34.根据权利要求29的感测设备，进一步包括第三磁阻感测元件，其中该至少一个重取向元件包括用于调节该第三磁阻感测元件的第三重取向元件，并且其中该驱动器电路包括用于控制该第三重取向元件的驱动器电路。
35.根据权利要求34的感测设备，其中在第二芯片上形成该第三磁阻感测元件和该第三重取向元件。
36.根据权利要求34的感测设备，其中该第一、第二和第三磁阻感测元件检测彼此正交的平面中的磁场，并提供与所检测到的磁场成比例的各自的第一、第二和第三输出信号，并且其中该半导体电路包括与该第一、第二和第三输出信号耦合的罗盘电路，以提供响应于该第一、第二和第三输出信号的罗盘输出。
37.根据权利要求36的感测设备，其中在第二芯片上形成该第三磁阻感测元件和该第三重取向元件。
38.根据权利要求37的感测设备，其中在单个芯片上形成用于控制该第三重取向元件的驱动器电路。
39.根据权利要求37的感测设备，其中该半导体电路进一步包括温度补偿电路。
40.根据权利要求36的感测设备，其中该罗盘电路包括至少三个放大器，其中该至少三个放大器中的一个与第一输出信号耦合，该至少三个放大器中的第二个与第二输出信号耦合，并且该至少三个放大器中的第三个与第三输出信号耦合。
41.根据权利要求40的感测设备，其中通过外部电路来控制用于控制该第一、第二和第三重取向元件的驱动器电路。
42.根据权利要求40的感测设备，其中该罗盘电路进一步包括用于调节该第一、第二和第三磁阻感测元件的各自偏移的第一、第二和第三偏移驱动器电路。
43.根据权利要求1的感测设备，其中该至少一个磁阻感测元件包括配置用于在罗盘应用中使用的至少两个磁阻感测元件。
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