CN202421483U - 单一芯片推挽桥式磁场传感器 - Google Patents

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雷啸锋
詹姆斯·G·迪克
沈卫锋
王建国
薛松生
黎伟
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Abstract

本实用新型设计了一种磁场传感器，特别是在MTJ元件周围设置永磁体的单一芯片推挽桥式磁场传感器。一种单一芯片推挽桥式磁场传感器，它包括多个桥式连接的磁电阻元件，每个磁电阻元件包括具有敏感方向的敏感元件，敏感元件为MTJ元件、AMR元件或GMR元件，所述每个磁电阻元件的两侧设置有用于对所述磁电阻元件的磁化方向进行偏置的一对永磁体。通过设置永磁体的方向，两个自由层的磁化方向的夹角可以被预设，其相对于同一敏感方向有不同的响应。本实用新型设计的推挽桥式磁场传感器可以在单一基片上一次性成膜制备。同时我们可以设置通电线圈预设置自由层磁化方向或对其进行校准。

Description

单一芯片推挽桥式磁场传感器
技术领域
该实用新型涉及一种磁场探测用的传感器，尤其为一种单一芯片推挽桥式磁场传感器。 
背景技术
磁性传感器主要用于磁场的方向、强度和位置探测。以磁电阻为敏感元件的推挽桥式磁场传感器具有偏移低，灵敏度高以及温度稳定性良好的优点。磁性隧道结元件（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）是近年来开始工业应用的一种磁电阻元件，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（TMR, Tunnel Magnetoresistance），主要表现为磁电阻元件的阻值随外场的大小和方向的变化而发生变化。以MTJ元件为传感元件的磁场传感器比目前广泛应用的AMR（各向异性磁电阻效应）元件、霍尔效应材料以及GMR（巨磁电阻效应）元件制成的磁场传感器具有灵敏度高，功耗低，线性度好，动态范围宽，温度特性好，抗干扰能力强的优点，此外，MTJ元件还能方便地集成到现有的芯片微加工工艺中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。 
推挽桥式传感器具有比单电阻、参考桥式传感器更高的灵敏度，同时具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。传统的MTJ或GMR推挽式桥式传感器要求相邻两个桥臂电阻中的自旋阀元件的钉扎层磁化方向相反，而通常沉积在同一基片上的MTJ或GMR元件，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因此在同一个基片上的磁性元件的钉扎层磁化方向通常都相同，这使得制作推挽桥式传感器存在很大困难。目前制作推挽留桥式传感器的方法主要有： 
（1）两次成膜工艺：分两次分别沉积钉扎层磁化方向相反的MTJ或GMR元件。该方法制作工艺复杂，同时第二次工艺进行退火时会明显影响第一次沉积的薄膜。这使得前后两次成膜的一致性差，导致桥式传感器不同桥臂的电阻不相同，影响传感器的整体性能；
（2）多芯片封装技术：从同一晶圆或是不同晶圆取两个一致性好的磁电阻，这两个磁电阻的敏感方向相同（钉扎层磁化方向相同），然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转180°进行多芯片封装，构成推挽式半桥。该方法能够实现推挽式半桥的功能，即提高了检测灵敏度，具有温度补偿功能，但是另一方面多芯片封装，封装尺寸大，生产成本高；实际封装时不能严格的进行180°翻转，即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差180°，使得两个电阻随外场变化的输出特性不相同，出现灵敏度不同，存在比较大的偏置电压等不对称问题，这样在实际应用中就会带来新的问题；
（3）激光加热辅助磁畴局部翻转法：通常在基片上制备MTJ或GMR全桥时，采用将MTJ或GMR晶圆在同一强磁场中退火来使不同桥臂的钉扎层磁化方向相同。之后采用激光对晶圆进行局部加热辅助磁矩翻转，使得桥式传感器相邻桥臂的钉扎层磁化方向相反，从而实现单一芯片的桥式传感器。该方法需要专用设备，设备昂贵，增加了工艺复杂度，同时激光加热所制得的桥式传感器，其各桥臂的电阻一致性也无法得到保证。
从以上可以看出，现有的单一芯片桥式传感器都存在整体性能无法保证，生产成本高等缺点。 
发明内容
本实用新型提供了一种可以大规模制造，可根据应用需求设计的一种单一芯片推挽桥式磁场传感器，它包括多个桥式连接的磁电阻元件，每个磁电阻元件包括具有敏感方向的敏感元件，敏感元件为MTJ元件、AMR元件或GMR元件，所述每个磁电阻元件的两侧设置有用于对所述磁电阻元件的磁化方向进行偏置的一对永磁体。 
优选地，每个永磁体的长度大于该对永磁体之间的宽度以减小每对永磁体之间产生的边缘化效应。 
优选地，每个永磁体具有最靠近相对应磁电阻元件的边界边，该边界边与所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器的敏感方向呈一夹角，该夹角为锐角或钝角。 
优选地，位于磁电阻元件两侧的永磁体产生一永磁偏置场，该永磁偏置场具有一永磁偏置方向。 
优选地，通过设置永磁体的厚度以改变永磁偏置场的强度。 
优选地，每个永磁体具有最靠近相对应磁电阻元件的边界边，通过设置永磁体的充磁方向和所述永磁体的边界边所成的夹角以改变永磁偏置场的强度。 
优选地，所述该对永磁体具有产生均匀磁偏置场的形状。 
优选地，所述磁电阻元件之间相互平行排布。 
优选地，所述磁电阻元件的周围设置有用于预设和校准输出偏移的通电线圈，所述磁电阻元件和通电线圈之间相绝缘。 
附图说明
图1是一个隧道结磁电阻（MTJ）元件的示意图。 
图2是MTJ元件的理想输出曲线图。 
图3是MTJ元件串联而形成一个等效MTJ磁电阻的示意图。 
图4a是磁性自由层和磁性钉扎层的相对磁化方向的示意图。 
图4b是图4a中磁化方向为实线箭头的电阻输出图。 
图4c是图4a中磁化方向为虚线箭头的电阻输出图。 
图5是采用两块条形永磁体偏置自由层磁化方向的设计示意图。 
图6a是采用永磁体和形状各向异性能偏置自由层磁化方向的第一实施例的结构示意图。 
图6b是采用永磁体和形状各向异性能偏置自由层磁化方向的第二实施例的结构示意图。 
图7是一种推挽半桥磁场传感器的设计意图。 
图8是一种推挽全桥磁场传感器的设计意图。 
图9是一种推挽全桥磁场传感器的布局示意图。 
图10a是敏感方向垂直于易轴方向的推挽桥结构示意图。 
图10b是图10a中饱和场50 Oe的处于相邻位置的磁电阻的输出曲线。 
图10c是图10a中饱和场100 Oe的处于相邻位置的磁电阻的输出曲线。 
图10d是图10a中饱和场50 Oe的全桥输出曲线。 
图10e是图10a中饱和场100 Oe的全桥输出曲线。 
图11a是敏感方向平行于易轴方向的推挽桥结构示意图。 
图11b图11a中饱和场50 Oe的处于相邻位置的磁电阻的输出曲线。 
图11c图10a中饱和场100 Oe的处于相邻位置的磁电阻的输出曲线。 
图11d是图11a中饱和场50 Oe的全桥输出曲线。 
图11e是图11a中饱和场100 Oe的全桥输出曲线。 
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围作出更为清楚明确的界定。 
图1是一个隧道结磁电阻（MTJ）元件的示意图。一个标准的MTJ元件1包括磁性自由层6，磁性钉扎层2以及两个磁性层之间的隧道势垒层5。磁性自由层6由铁磁材料构成，磁性自由层的磁化方向7随外部磁场的改变而变化。磁性钉扎层2是一个磁化方向固定的磁性层，磁性钉扎层的磁化方向8被钉扎在一个方向，在一般条件不会发生改变。磁性钉扎层通常是在反铁磁层3的上方或下方沉积铁磁层4构成。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层16的上方，同时MTJ结构的上方为上电极层17，MTJ元件种子层16和上电极层17之间的测量电阻值18代表磁性自由层6和磁性钉扎层2之间的相对磁化方向。 
图2是MTJ元件的理想输出曲线图，输出曲线在低阻态20和高阻态21时饱和， RL和RH分别代表低阻态20和高阻态21的阻值。当磁性自由层的磁化方向7与磁性钉扎层的磁化方向8平行时，整个元件的测量电阻值18在低阻态20；当磁性自由层的磁化方向7与磁性钉扎层的磁化方向8反平行时，整个元件的测量电阻值18在高阻态21。通过已知的技术，MTJ元件1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化，饱和场-Hs和Hs之间的磁场范围就是MTJ元件的测量范围。 
图3是MTJ元件串联而形成一个等效MTJ磁电阻的示意图。串联起来的MTJ元件串能降低噪声，提高传感器的稳定性。在MTJ磁电阻中，每个MTJ元件1的偏置电压随磁隧道结数量的增加而降低。电流的降低需要产生一个大的电压输出，从而降低了散粒噪声，随着磁隧道结的增多同时也增强了传感器的ESD稳定性。此外，随着MTJ元件1数量的增多MTJ磁电阻的噪声相应地降低，这是因为每一个独立的MTJ元件的互不相关的随机行为被平均掉。 
图4a是磁性自由层和磁性钉扎层的相对磁化方向的示意图。磁性自由层的磁化方向7和磁性钉扎层的磁化方向8呈一夹角α，从图中可以看出，在同一敏感方向9的外场作用下，不同角度α的MTJ元件可以具有不同的响应方向。通过设置不同的永磁体偏置场10的方向，使一组MTJ元件的磁性钉扎层的磁化方向8和夹角α相同，磁性自由层的磁化方向7不同，当对磁电阻元件施加一外场时，外场沿敏感方向9的分量使这组磁电阻元件的磁性自由层的磁化方向7转向相反的方向——一个磁性自由层的磁化方向7（如图4b实线箭头所示）更倾向于磁性钉扎层的磁化方向8，此时元件的阻值降低；同时另一个磁性自由层的磁化方向7（如图4c虚线箭头所示）远离磁性钉扎层的磁化方向8，此时元件的阻值升高。因此，该设计可以使磁电阻元件产生相反的响应方向。 
图5是采用两块条形永磁体偏置自由层磁化方向的设计示意图，其中每块永磁体相对于磁体间隙13具有适当的长度12以避免磁体边界的边缘效应，在沿同一方向充磁之后磁偏置场10的方向垂直于永磁体的表面。 
图6a和图6b是采用永磁体和形状各向异性能偏置自由层磁化方向的设计示意图，实际上磁性自由层的磁化方向7依赖于形状各向异性能和磁偏置场10作用的结合。磁电阻元件的形状通常可以是矩形、菱形或椭圆形，形状各向异性能使自由层磁化方向趋向于磁电阻元件的长轴方向，通过设置元件的形状，即长轴和短轴的比值可以预设形状各向异性能的强度，磁电阻元件的磁性自由层的磁化方向7是形状各向异性能和磁偏置场10的竞争结果。磁偏置场10的强度依赖于磁体表面磁荷的密度，充磁方向11和垂直于界面14的方向越靠近，表面磁荷堆积的密度就越大。表面磁荷的密度和sinθ成正比，其中角度θ是永磁体界面14和充磁方向11的夹角。通过调整磁偏置场10和形状各向异性能可以预设磁电阻元件的夹角α，在该设计中，敏感方向9和磁性钉扎层的磁化方向8垂直。 
图7是一种推挽半桥磁场传感器的设计意图。如图所示，磁电阻R11和R12构成一半桥，两个磁电阻的夹角α大小相同，磁性钉扎层的磁化方向8相同，磁性自由层的磁化方向7指向不同，磁性自由层的磁化方向7依赖于形状各向异性能和磁偏置场10作用的结合。当对推挽半桥传感器施加一沿敏感方向9正向的外场时，磁电阻R11的磁性自由层的磁化方向7趋近于磁性钉扎层的磁化方向8，其阻值相应地降低；同时R12的磁性自由层的磁化方向7远离磁性钉扎层的磁化方向8，其阻值相应地增加，在恒压VBIAS的作用下，输出端电压VOUT发生相应的变化，即构成推挽半桥。 
推挽半桥磁场传感器的偏置方法为：如图7所示，沿充磁方向11对推挽半桥施加一强磁场，撤去外磁场后，永磁体15之间的间隙13处的磁场10由边界14处的虚拟磁荷产生，垂直于边界14，其具体偏置方向如图7的箭头10所示。 
图8是一种推挽全桥磁场传感器的设计意图。如图所示，磁电阻R21、R22、R23、R24全桥连接，每个磁电阻的夹角α大小相同，磁性钉扎层的磁化方向8相同，相对位置的磁电阻（R21和R23，R22和R24）的磁性自由层的磁化方向7相同，相邻位置的磁电阻（R21和R22，R22和R23，R23和R24，R24和R21）磁性自由层的磁化方向7不同。当对推挽半桥传感器施加一沿敏感方向9正向的外场时，磁电阻R21、R23的磁性自由层的磁化方向7趋近于磁性钉扎层的磁化方向8，其阻值相应地降低；同时R22、R24的磁性自由层的磁化方向7远离磁性钉扎层的磁化方向8，其阻值相应地增加，在恒压VBIAS的作用下，输出端V1和V2间的电压发生相应的变化，即构成推挽全桥。在理想情况下，若电阻R21和R23的阻值由R1变为（R1+ΔR），则相应的R22和R24的阻值由R2变为（R2-ΔR），则输出为： 
Figure DEST_PATH_542950DEST_PATH_IMAGE001
                                                                  （1）
理想情况下，R1=R2＞ΔR，则化简后可得：
Figure DEST_PATH_647041DEST_PATH_IMAGE002
                                                                  （2）
即实现推挽全桥的输出。
推挽全桥磁场传感器的偏置方法为：如图8所示，沿充磁方向11对推挽全桥施加一强磁场，撤去外磁场后，永磁体15之间的间隙13处的磁场10由边界14处的虚拟磁荷产生，垂直于边界14，其具体偏置方向如图8的箭头10所示。 
图7和图8所示的推挽桥传感器的磁性钉扎层的磁化方向8相同，可以在同一芯片上通过一次工艺直接形成推挽全桥传感器，不需要采用多芯片封装工艺，也不需要进行激光加热局部辅助热退火。 
图9是一种推挽全桥磁场传感器的布局示意图。如图所示，若干个MTJ元件1串联起来作为一个等效的磁电阻，充磁之后，MTJ元件1两侧的永磁体15为元件的自由层提供磁偏置场10对自由层磁化方向7进行偏置，其敏感方向9垂直于钉扎层磁化方向8。传感器的焊盘23可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。 
图10a至图10e是敏感方向垂直于易轴方向的推挽桥设计及其输出的模拟结果。图10b和图10c的两个输出图为饱和场50 Oe和100 Oe的相邻位置的磁电阻的输出曲线，图10d和图10e的两个输出图为饱和场50 Oe和100 Oe的全桥输出曲线。 
图11a至图11e是敏感方向平行于易轴方向的推挽桥设计及其输出的模拟结果。图11b和图11c的两个输出图为饱和场50 Oe和100 Oe的相邻位置的磁电阻的输出曲线，图11d和图11e的两个输出图为饱和场50 Oe和100 Oe的全桥输出曲线。 
通常在实际测量中，MTJ的输出曲线并非是如图2所示的理想曲线，存在一定的偏移，在实际操作中需要对其施加外场使其饱和，从而进行校准测量其偏移值。在磁电阻元件的上方设置通电线圈22，利用通电线圈22产生的磁场对自由层施加一外场，该设计可以在芯片制备封装之后实现对输出偏移的预设和校准，具有很大的操控性，可按照实际使用的需求进行后台操作。如图所示，产生校准场的导线的线宽为5μm，与校准电流逆向的导线线宽为3μm，导线间的间隙宽度为2.5μm。传感器的焊盘23可以通过引线连接到ASIC集成电路或引线框的封装引脚上。焊盘24为通电线圈的输入和输出端。 
每个永磁体具有一定的厚度，通过设置永磁体的厚度以改变永磁偏置场的强度。 
以上对本实用新型的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本实用新型的范围和精神的基础上，可以对现有技术和工艺进行很多修改。在本实用新型的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本实用新型的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。 

Claims (9)

1.一种单一芯片推挽桥式磁场传感器，它包括多个桥式连接的磁电阻元件，每个磁电阻元件包括具有敏感方向的敏感元件，敏感元件为MTJ元件、AMR元件或GMR元件，其特征在于：所述每个磁电阻元件的两侧设置有用于对所述磁电阻元件的磁化方向进行偏置的一对永磁体。
2.根据权利要求1所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：每个永磁体的长度大于该对永磁体之间的宽度以减小每对永磁体之间产生的边缘化效应。
3.根据权利要求1所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：每个永磁体具有最靠近相对应磁电阻元件的边界边，该边界边与所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器的敏感方向呈一夹角，该夹角为锐角或钝角。
4.根据权利要求1所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：位于磁电阻元件两侧的永磁体产生一永磁偏置场，该永磁偏置场具有一永磁偏置方向。
5.根据权利要求4所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：所述的每个永磁体具有一定的厚度，通过设置永磁体的厚度以改变永磁偏置场的强度。
6.根据权利要求4所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：每个永磁体具有最靠近相对应磁电阻元件的边界边，通过设置永磁体的充磁方向和所述永磁体的边界边所成的夹角以改变永磁偏置场的强度。
7.根据权利要求1所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：所述的每个永磁体具有产生均匀磁偏置场的形状。
8.根据权利要求1所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：所述磁电阻元件之间相互平行排布。
9.根据权利要求1所述的单一芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于：所述磁电阻元件的周围设置有用于预设和校准输出偏移的通电线圈，所述磁电阻元件和通电线圈之间相绝缘。
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