CN204462360U - 一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场x轴线性磁电阻传感器 - Google Patents
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Abstract
一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，包括高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器及校准线圈和/或重置线圈，所述校准线圈为平面线圈,所述重置线圈为平面或三维线圈，所述平面校准线圈和平面重置线圈可以位于衬底之上磁电阻传感单元之下、磁电阻传感单元和软磁通量引导器之间、软磁通量引导器之上或间隙处，所述三维重置线圈缠绕软磁通量引导器和磁电阻传感单元，所述校准线圈和重置线圈分别在磁电阻单元处产生平行于钉扎层方向的校准磁场和自由层方向的均匀重置磁场。本实用新型通过控制校准线圈/重置线圈电流可实现单芯片X轴线性磁电阻传感器校准及磁状态重置，具有高效、快速、操作方便优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器。
背景技术
硅磁传感器主要包括Hall磁传感器、AMR磁传感器、GMR磁传感器。Hall磁传感器通过在衬底上沉积半导体薄膜如碲化铟，通过外磁场对于载流子的路径的偏转来获得不同的阻值，其优点在于，Hall磁电阻传感器所能测量的磁场范围较宽，其缺点在于，磁场灵敏度较低，通常需要引入通量集中器来对外磁场进行放大。AMR磁传感器在衬底上沉积单层磁性薄膜，通过外磁场改变磁性薄膜的磁矩方向，从而改变其两端的电阻，其传感单元和电极均制备成斜条状，以使得电流方向和磁场方向成一定夹角，从而能够对磁场方向进行辨别，其优点在于，传感器单元简单，只有一层薄膜，其缺点在于，传感器磁场变化率较低，灵敏度差。GMR多层薄膜磁传感器是通过磁性薄膜和导电薄膜构成纳米多层薄膜结构形成的磁电阻传感器，通过改变磁性薄膜层的磁化方向，通过磁场对载流子在通过多层薄膜时对磁性载流子路径的改变来改变电阻，其磁电阻变化率相对于AMR传感器得到进一步的提高。
与以上技术相比，TMR磁性多层薄膜传感器，通过引入参考磁性层、钉扎层、非金属隔离层以及磁性自由层，通过外磁场来控制自由层的磁化方向，从而改变磁性自由层的两种自旋电子的相对比率，使得从参考自由层隧穿进入磁性自由层的电流变化，导致传感器的电阻发生变化，其磁电阻变化率可以达到200％，远远高于Hall，AMR以及GMR类型的磁电阻传感器。
目前，硅磁三轴线性磁电阻传感器在消费电子产品如手机、平板电脑等电子产品中得到广泛的应用，三轴线性磁电阻传感器包括X轴线性磁电阻传感器、Y轴线性磁电阻传感器、Z轴线性磁电阻传感器，但目前为止，这些传感 器主要以Hall、AMR或者GMR为主。
因此，为了拓展TMR磁电阻传感器的应用领域和范围，本实用新型提出了一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其具有优良的线性范围和磁场灵敏度，完全可以取代目前的Hall、AMR或者GMR类型的X轴线性磁电阻传感器。
实用新型内容
本实用新型提出了一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，在芯片上引入校准线圈/重置线圈，通过在校准线圈中通过适当电流，在敏感磁电阻单元串和参考磁电阻单元串所在位置分别沿X方向产生校准磁场，并且实现通过校准电流的调节实现校准磁场大小的精确调节，由于校准线圈位于所述X轴传感器芯片上，因此测量时只需要通过探针即可以施加电流的方式进行测量，从而提高了测量的效率，并且保证了测量的精度。
同样，当X轴磁电阻传感器受外磁场作用发生不可逆的磁化状态改变时，可以在重置线圈中通入电流，在所有磁电阻传感单元处产生沿自由层起始磁化方向的外磁场，从而对自由层磁化状态进行恢复，消除由于磁场作用历史对软磁薄膜磁化状态的影响。
本实用新型所提出的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，包括高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器、校准线圈和/或重置线圈；
所述高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器包括位于衬底之上交错排列的参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串，以及长条形软磁通量引导器，所述软磁通量引导器包括屏蔽器和衰减器，所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串分别位于所述屏蔽器和所述衰减器表面的Y轴中心线位置，所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串电连接成参考桥式结构，敏感方向为X轴方向，所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串均包括多个磁电阻单元；
所述校准线圈为平面线圈，包括平行且串联连接的分别对应于所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串的参考直导线和敏感直导线，所述参 考直导线和所述敏感直导线分别在所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串位置处沿磁电阻传感单元敏感方向产生参考校准磁场和敏感校准磁场；
所述重置线圈包括多个垂直于所述敏感磁电阻传感单元串和参考磁电阻传感单元串的重置直导线，并在所有磁电阻传感单元串处沿垂直于敏感方向产生相同重置磁场；
校准时，所述校准线圈中通过校准电流，在所述敏感磁电阻传感单元串和参考磁电阻传感单元串处分别产生X向敏感校准磁场和参考校准磁场，通过测量所述X轴磁电阻传感器的输出信号，从而实现校准功能；重置时，在所述重置线圈中通过重置电流，在所述每个磁电阻传感单元处沿Y向产生重置磁场，从而实现磁电阻传感单元的磁状态恢复。
所述校准线圈的敏感直导线为长条形，宽度为Lx1，其相对于所述衰减器的Y轴中心线对称；所述校准线圈的每一段参考直导线包括两个并联连接的子直导线，所述子直导线为长条形，宽度为Lx2，所述两个子直导线对称分布于所述参考磁电阻传感单元串的两侧，且Lx2小于Lx1，所述参考直导线和所述敏感直导线串联连接。
优选地，所述校准线圈的敏感直导线为长条形，宽度为Lx1，其相对于所述衰减器的Y轴中心线对称；所述校准线圈的参考直导线为长条形，宽度为Lx2，其相对于所述屏蔽器的Y轴中心线对称，且Lx1小于Lx2，所述参考直导线和所述敏感直导线串联连接。
优选地，所述校准线圈的参考直导线和敏感直导线都位于相邻所述屏蔽器和衰减器之间的间隙处，其中，所述参考直导线位于靠近所述屏蔽器的一侧，所述敏感直导线位于靠近所述衰减器的一侧，所述敏感直导线和所述参考直导线均为长条形，宽度分别为Lx1和Lx2，其中Lx1小于Lx2，所述参考直导线和所述敏感直导线串联连接。
所述校准线圈在所述敏感磁电阻传感单元串和所述参考磁电阻传感单元串处沿敏感方向产生的磁场比率接近或超过所述X外磁场在所述敏感磁电阻传感单元串和所述参考磁电阻传感单元串处的沿敏感方向的磁场比率。
所述校准线圈位于所述衬底之上、磁电阻传感单元之下，或者位于所述磁电阻传感单元和所述软磁通量引导器之间，或者位于所述软磁通量引导器之 上。
优选地，所述校准线圈位于所述衬底之上、所述磁电阻传感单元之下，或者位于所述磁电阻传感单元和所述软磁通量引导器之间，或者位于所述磁电阻传感单元之上且处于所述软磁通量引导器的屏蔽器和衰减器之间的间隙处。
所述重置线圈为平面重置线圈，所述重置直导线位于所述磁电阻传感单元阵列的沿X方向排列的磁电阻传感单元串的正上方或者正下方。
所述重置线圈为三维重置线圈，包含垂直于所述Y轴中心线的顶层直导线和底层直导线，所述顶层直导线和底层直导线串联形成三维线圈，所述三维线圈缠绕所述软磁通量引导器以及所述磁电阻传感单元，所述顶层直导线和底层直导线分别位于所述软磁通量引导器和磁电阻传感单元的表面，所述顶层直导线和底层直导线在所述表面上各自具有相同排列间隔。
所述平面重置线圈可以位于所述衬底之上、磁电阻传感单元之下，或者位于磁电阻传感单元和软磁通量引导器之间，或者位于软磁通量引导器之上。
所述重置线圈和校准线圈为高导电率材料，如Cu、Au或Ag。
所述重置线圈和/或校准线圈与所述高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器之间采用绝缘材料隔离，所述绝缘材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、聚酰亚胺或光刻胶。
所述校准线圈包含一个正的端口和一个负的端口，所述两个端口通过电流时，其所产生校准磁场幅度范围在所述磁电阻传感单元的线性工作区域内。
所述校准电流可以设定为一个电流值，或者多个电流值。
所述重置线圈包含两个端口，当两端口通过电流时，其所产生的重置磁场大小为高于所述磁电阻传感单元的饱和磁场值。
所述重置电流可以为脉冲电流或直流电流。
附图说明
图1为高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器结构图一。
图2为高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器结构图二。
图3为高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器截面结构图。
图4为包含类型一平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器结构 图。
图5为包含类型一平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图一。
图6为包含类型一平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图二。
图7为包含类型一平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图三。
图8为类型一平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图一。
图9为类型一平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处X向磁场分布图一。
图10为类型一平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图二。
图11为类型一平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处X向磁场分布图二。
图12为类型一平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图三。
图13为类型一平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处X向磁场分布图三。
图14为包含类型二平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器结构图。
图15为包含类型二平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图。
图16为类型二平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图。
图17为类型二平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图二。
图18为类型二平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处X向磁场分布图。
图19为包含类型三平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器结构图。
图20为包含类型三平面校准线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图。
图21为类型三平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图。
图22为类型三平面校准线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处X向磁场分布图。
图23为包含平面重置线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器结构图。
图24为包含平面重置线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图。
图25为平面重置线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图。
图26为平面重置线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处Y向磁场分布图。
图27为包含三维重置线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器结构图。
图28为包含三维重置线圈高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图。
图29为三维重置线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感上磁场分布图。
图30为平面重置线圈在高强度磁场X轴线性磁电阻传感在磁电阻传感单元位置处Y向磁场分布图。
图31为包含平面校准线圈和重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器截面图。
具体实施方式
在中国专利201310719255.9中，公布了一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器，如图1和图2所示，包括衬底1，位于衬底之上的参考磁电阻传感单元串4、41，敏感磁电阻传感单元串5、51，以及软磁通量引导器；所 述软磁通量引导器包括分别对应于参考磁电阻传感单元串4、41的屏蔽器2、21，分别对应于敏感磁电阻传感单元串5、51的衰减器3、31；所述参考磁电阻传感单元串和所述敏感磁电阻传感单元串电连接成参考桥式结构，并通过导线6进行连接，其中端口包括电源端7、接地端9、以及信号输出端8和10。其中，图1和图2的区别在于，参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串排列顺序的不同，其中图1中，中间两个敏感磁电阻传感单元相邻，而两边对应为两个参考磁电阻传感单元，图2中，中间两个参考磁电阻传感单元串相邻，而两边对应为两个敏感磁电阻传感单元串，其中所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串位于所对应的屏蔽器以及衰减器的Y轴中心线上，并且所述磁电阻传感单元串的磁场敏感方向为X轴方向。其原理在于，在X轴方向外磁场作用时，其在参考磁电阻传感单元串处所产生的磁场分量衰减因子非常大，由于屏蔽器的宽度较大，其宽度幅度远大于参考磁电阻传感单元串的宽度，另一方面，在敏感磁电阻传感单元串处所产生的磁场分量衰减幅度则较小，由于衰减器的宽度较小，宽度幅度接近敏感磁电阻传感单元串的宽度。因此，虽然磁电阻传感单元串可测量磁场值较低，但是由于衰减器能够将远大于可测量磁场值的外磁场衰减到可测量磁场范围内，而屏蔽器则能将外磁场衰减到远小于可测量磁场幅度的范围，因此，构成一个参考桥式高磁场测量X轴磁场传感器。
图3为所述用于高强度磁场的单芯片参考桥式X轴磁传感器的截面图，从下到上依次为，衬底1，磁电阻单元包括参考磁电阻传感单元串4和敏感磁电阻传感单元串5，以及软磁通量引导器即位于参考磁电阻传感单元串4表面的屏蔽器2以及位于敏感磁电阻传感单元串5表面的衰减器3，此外，还包括位于衬底1和磁电阻传感单元之间用于隔离的绝缘材料层11，以及位于软磁通量引导器和磁电阻传感单元之间的绝缘材料层12，以及覆盖表层的绝缘材料13，此外7表示所述的四个电极。
图1和图2所述用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器中的磁电阻传感单元串为TMR磁电阻传感单元，包含自由层、钉扎层以及中间势垒层，其自由层的起始磁化方向为Y方向，钉扎层磁化方向即磁场敏感方向为X方向。 以上所述单芯片X轴磁电阻传感器可以实现来自于X轴的外磁场分量的测量，但存在如下问题：
1)晶圆测试阶段，需要设计复杂的X向外磁场产生系统，包括电磁线圈和电磁线圈电源，而且电磁线圈系统需要随着探针平台一起移动，从而增加了测量的成本，影响了测量的效率；
2)电磁线圈系统磁场的施加和定位存在着不精确的问题，从而影响测量的精度；
3)由于自由层软磁薄膜中存在磁畴，在外磁场作用时，存在着畴壁移动的不可逆性，导致在外磁场移除之后，自由层磁性薄膜无法回复起始状态，并且导致磁滞的出现，使得传感器测量可重复性难以保障。
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。
为了方便起见，下面以图2中的高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器为例来对校准线圈和重置线圈在芯片上的排布种类及其特征进行说明，其结果同样适用于图1所示的高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器。
实施例一
图4为类型一校准线圈70的结构及分布图，所述校准线圈70为平面线圈，包括串联连接的长条形敏感直导线101和参考直导线104，所述敏感直导线101，其宽度为Lx1，其Y轴中心线沿着敏感磁电阻单元串51排列，所述每一段参考直导线104包括两个子直导线102和103，所述子直导线102和103并联连接，并且沿Y方向对称分布于参考磁电阻传感单元串41的两侧，所述子直导线102和103宽度均为Lx2。
图5-7分别为图4所示为包含类型一校准线圈70的X轴磁电阻传感器的截面图，其中，图5中，平面校准线圈位于衬底1之上、磁电阻传感单元之下，其中敏感直导线101位于敏感磁电阻传感单元串51之下，参考直导线104包含两个并联的子直导线102和103，并且102和103对称的分布于参考磁电阻传感单元串41的两侧。
图6中，所述类型一校准线圈70位于磁电阻传感单元41、51和软磁通量引导器21和31之间，图7中，所述类型一校准线圈70则位于软磁通量引导 器21和31之上。此外，为了保证类型一校准线圈70和X轴磁电阻传感器其它部分的电绝缘，引入了绝缘材料层14、15和16。
图8为类型一校准线圈位于所述磁电阻传感单元41和51之下、衬底之上时，校准线圈所包含的对应于衰减器31的直导线101和对应于屏蔽器21的直导线104所产生的磁场分布图，其中104包含两个并联的子直导线102和103，m1-m9分别对应于磁电阻传感器位置。
图9为对应于图8所示的连接m1-m9的磁电阻传感器的直线上的X轴向磁场分量分布图，可以看出，对应于衰减器的m1、m3、m5、m7和m9具有相同的磁场值，对应于屏蔽器的m2、m4、m6和m8同样具有相同的磁场值，前者远大于后者，Bs/Bf＝8.28，其中Bs为敏感磁场幅度值，Bf为参考磁场幅度值。
图10为类型一校准线圈位于所述磁电阻传感单元41和51之上、软磁通量引导器21和31之下时，校准线圈所包含的对应于衰减器31的直导线101和对应于屏蔽器21的直导线104所产生的磁场分布图，其中104包含两个并联的子直导线102和103，m11-m19分别对应于磁电阻传感器位置。
图11为对应于图10所示的连接m11-m19的磁电阻传感器的直线上的X轴向磁场分量分布图，可以看出，对应于衰减器的m11、m13、m15、m17和m19具有相同的磁场值，对应于屏蔽器的m12、m14、m16和m18同样具有相同的磁场值，前者远大于后者，Bs/Bf＝8.86。
图12为类型一校准线圈位于所述软磁通量引导器21和31之上时，校准线圈所包含的对应于衰减器31的直导线101和对应于屏蔽器21的直导线104所产生的磁场分布图，其中104包含两个并联的子直导线102和103，m21-m29分别对应于磁电阻传感器位置。
图13为对应于图12所示的连接m21-m29的磁电阻传感器的直线上的X轴向磁场分量分布图，可以看出，对应于衰减器的m21、m23、m25、m27和m29具有相同的磁场值，对应于屏蔽器的m22、m24、m26和m28同样具有相同的磁场值，前者远大于后者，不过可以看出，由于软磁通量引导器对于外磁 场的屏蔽的作用，对于衰减器和屏蔽器都产生相当大的衰减，尤其是衰减器磁场，相对于图10和图8，其磁场幅度都大幅减小，Bs/Bf＝9.36。
实施例二
图14为类型二平面校准线圈80在高强度磁场的单芯片X轴线性磁电阻传感器上的结构图，类型二平面校准线圈80包含两个直导线即参考直导线105和敏感直导线106，分别位于屏蔽器21和衰减器31之间的间隙处，且所述参考直导线105宽度较宽，位于靠近屏蔽器21的一侧，敏感直导线106宽度较窄，位于靠近衰减器31的一侧，且所述敏感直导线106和参考直导线105之间相互串联连接。
图15为类型二平面校准线圈80在高强度磁场的单芯片X轴线性磁电阻传感器上的截面图。其中，参考直导线105和敏感直导线106位于衰减器31和屏蔽器21之间的间隙处，且位于磁电阻传感单元41和51之上。
图16为类型二平面校准线圈80工作时的磁场分布图，可以看出，m31-m42共12个磁电阻传感单元在参考直导线和敏感直导线的相对位置关系以及磁场分布，图17为图16中在参考磁电阻传感单元和敏感磁电阻传感单元处的磁场分布图，在敏感磁电阻传感单元处51的磁场强度明显强于在参考磁电阻传感单元41处的磁场强度，其X方向磁场分量分布图如图18所示，其中参考磁电阻传感单元处X方向磁场接近于0，而敏感磁电阻传感单元X方向磁场有一个突起，其中Bs/Bf＝128.96。
本方案为了说明方便，只给出了类型二平面校准线圈80位于磁电阻传感单元41和51之上、相邻衰减器21和屏蔽器31之间的情况，实际上类型二平面校准线圈80还可以位于衬底之上、磁电阻传感单元之下，或者位于磁电阻传感单元之上、软磁通量引导器之下。
实施例三
图19为类型三平面校准线圈81在高强度磁场单芯片X轴磁电阻传感器上 的分布图，所述类型三平面校准线圈81包括敏感直导线107和参考直导线108，两者串联连接，其中参考直导线108对应于所述屏蔽器21，所述敏感直导线107对应于所述衰减器31，所述参考直导线108和所述敏感直导线107都为长条形，其分别于所述衰减器31和屏蔽器21的Y轴中心线重合，所述敏感直导线107宽度要小于参考直导线108的宽度。
图20为类型三平面校准线圈81在高强度磁场单芯片X轴磁电阻传感器上的截面图，参考直导线108和敏感直导线107分别位于参考磁电阻传感单元串41和敏感磁电阻传感单元串51之下。需要指出的是，本例为了方便说明，只给出了一种情况，实际上，类型三平面校准线圈81还可以位于磁电阻传感单元和软磁通量引导器之间，或者位于软磁通量引导器之上。此外，为了保证类型三平面校准线圈81与磁电阻传感单元41和51之间的电绝缘，引入了绝缘层141。
图21为类型三平面校准线圈81所产生的磁场在高强度磁场单芯片X轴磁电阻传感器上的分布图，其中m51-m59分别表示参考磁电阻传感单元和敏感磁电阻传感单元处X轴向磁场的分布图，其X磁场分布数值如图22所示，可以看出，在参考磁电阻传感单元处的X向磁场分量非常小，而在敏感磁电阻传感单元处的X向磁场分量则明显增加，其中Bs/Bf＝5.68。
实施例四
图23为平面重置线圈82在单芯片高强度磁场X轴磁电阻传感器上的分布图，包括串联连接的两种直导线109和110，所述直导线垂直于所述Y轴中心线，其中直导线109位于所述磁电阻传感单元阵列沿X方向的磁电阻传感单元行正上方或者正下方，而直导线110位于所述相邻两个磁电阻传感单元行的间隙或者磁电阻传感单元行的两个外侧位置处。
图24为平面重置线圈82在单芯片高强度磁场X轴磁电阻传感器上的截面图，所述平面重置线圈位于衬底之上、磁电阻传感单元之下，为了方便说明，本例只给出了一种情况，实际实施时，平面重置线圈82还可以位于磁电阻传 感单元和软磁通量引导器之间，或者位于所述软磁通量引导器之上。此外，为了保证平面重置线圈82与磁电阻传感单元41和51之间的电绝缘，引入了绝缘材料143。
图25为平面重置线圈82在单芯片高强度磁场X轴磁电阻传感器上的磁场分布图，其中，磁电阻传感单元m61-m65为位于衰减器21或者屏蔽器31表面上，其X向磁场分布曲线如图26所示，从图24看可以看出，所述磁电阻传感单元m61-m65位置具有相同的Y向磁场分量。
实施例五
图27为三维重置线圈83在单芯片高磁场强度磁场X轴磁电阻传感器上的分布图，包含垂直于所述Y轴中心线的直导线，包括顶层直导线111以及底层直导线112，所述顶层直导线111和所述底层直导线112形成三维螺线圈结构，并以软磁通量引导器和磁电阻传感单元为磁芯，所述三维螺线圈结构轴心方向为Y方向，所述顶层直导线111之间以及底层直导线112之间具有相同的间距。
图28为三维重置线圈83在单芯片高强度磁场X轴磁电阻传感器上的截面图，所述三维重置线圈的顶层直导线112位于所述软磁通量引导器21和31之上，所述底层直导线112位于衬底之上，磁电阻传感单元41和51之下。为了保证三维重置线圈83和其他部分之间的电绝缘，引入了绝缘材料层131和144。
图29为三维重置线圈83在单芯片高强度磁场X轴磁电阻传感器上的磁场分布图，其中m71-m75分别为磁电阻传感单元41或51分别在衰减器21或者屏蔽器31上的分布，对应的Y向磁场分量如图30所示，可以看出，Y向磁场分量具有周期性分布的特点，只要三维重置线圈83的顶层直导线111和底层直导线112具有均匀的间距，并且磁电阻传感单元41或51分别在衰减器21或者屏蔽器31上沿Y方向具有等距离的周期分布，即可以保证磁电阻传感单元的Y向磁场的均匀分布特征。
实施例六
以上为包含单个校准线圈或者包含单个重置线圈的单芯片高磁场强度X轴磁电阻传感器，图31为同时包含校准线圈和重置线圈的单芯片高磁场强度X轴磁电阻传感器，其中重置线圈为平面重置线圈，其包含的重置直导线109和110，校准线圈为平面线圈，其包含的参考直导线101和敏感直导线104，所述101和104位于磁传感单元之上、软磁通量引导器之下，敏感直导线包含两个子直导线102和103。此外，为了保证校准线圈和重置线圈与其它部分之间的电绝缘，引入了绝缘材料层111、122和152。
为了说明方便，本例只给出了一种包含校准线圈和重置线圈的单芯片高磁场强度X轴磁电阻传感器，实际上，校准线圈可以为类型一、类型二、类型三其中的任一种，重置线圈可以为平面重置线圈或者三维重置线圈，从其位置来看，校准线圈和平面重置线圈可以位于衬底之上、磁电阻传感单元之下，或者磁电阻传感单元和软磁通量引导器之间，或者软磁通量引导器之上的任一位置，两者互相独立；而对于校准线圈和三维重置线圈，则校准线圈可以位于位于上述几处位置，但三维重置线圈只有一种情况，即以软磁通量引导器和磁电阻传感单元为中心进行环绕。
所述重置线圈和/或校准线圈与所述高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器之间采用绝缘材料隔离，所述绝缘材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、聚酰亚胺或光刻胶。所述重置线圈和校准线圈为高导电率材料，如Cu、Au或Ag。
Claims (16)
1.一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，包括高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器、校准线圈和/或重置线圈；
所述高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器包括位于衬底之上交错排列的参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串，以及长条形软磁通量引导器，所述软磁通量引导器包括屏蔽器和衰减器，所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串分别位于所述屏蔽器和所述衰减器表面的Y轴中心线位置，所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串电连接成参考桥式结构，敏感方向为X轴方向，所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串均包括多个磁电阻单元；
所述校准线圈为平面线圈，包括平行且串联连接的分别对应于所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串的参考直导线和敏感直导线，所述参考直导线和所述敏感直导线分别在所述参考磁电阻传感单元串和敏感磁电阻传感单元串位置处沿磁电阻传感单元敏感方向产生参考校准磁场和敏感校准磁场；
所述重置线圈包括多个垂直于所述敏感磁电阻传感单元串和参考磁电阻传感单元串的重置直导线，并在所有磁电阻传感单元串处沿垂直于敏感方向产生相同重置磁场。
2.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈的敏感直导线为长条形，宽度为Lx1，其相对于所述衰减器的Y轴中心线对称；所述校准线圈的每一段参考直导线包括两个并联连接的子直导线，所述子直导线为长条形，宽度为Lx2，所述两个子直导线对称分布于所述参考磁电阻传感单元串的两侧，且Lx2小于Lx1，所述参考直导线和所述敏感直导线串联连接。
3.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈的敏感直导线为长条形，宽度为Lx1，其相对于所述衰减器的Y轴中心线对称；所述参考直导线为长条形，宽度为Lx2，其相对于所述屏蔽器的Y轴中心线对称，且Lx1小于Lx2，所述参考直导线和所述敏感直导线串联连接。
4.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈的参考直导线和敏感直导线都位于相邻所述屏蔽器和衰减器之间的间隙处，其中，所述参考直导线位于靠近所述屏蔽器的一侧，所述敏感直导线位于靠近所述衰减器的一侧，所述敏感直导线和所述参考直导线均为长条形，宽度分别为Lx1和Lx2，其中Lx1小于Lx2，所述参考直导线和所述敏感直导线串联连接。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述敏感校准磁场和参考校准磁场比率大于等于X轴外加磁场在所述敏感磁电阻传感单元串和参考磁电阻传感单元串处的沿敏感方向的磁场比率。
6.根据权利要求2或3所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈位于所述衬底之上、所述磁电阻传感单元之下，或者位于所述磁电阻传感单元和所述软磁通量引导器之间，或者位于所述软磁通量引导器之上。
7.根据权利要求4所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈位于所述衬底之上、所述磁电阻传感单元之下，或者位于所述磁电阻传感单元和所述软磁通量引导器之间，或者位于所述磁电阻传感单元之上且处于所述软磁通量引导器的屏蔽器和衰减器之间的间隙处。
8.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈为平面重置线圈，所述重置直导线位于所述磁电阻传感单元阵列的沿所述X轴方向排列的磁电阻传感单元行的正上方或者正下方。
9.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈为三维重置线圈，包含垂直于所述Y轴中心线的顶层直导线和底层直导线，所述顶层直导线和底层直导线串联形成三维线圈，所述三维线圈缠绕所述软磁通量引导器以及所述磁电阻传感单元，所述顶层直导线之间以及底层直导线之间分别以相同间隔排列在所述软磁通量引导器和磁电阻传感单元的表面。
10.根据权利要求8所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述平面重置线圈位于所述衬底之上、磁电阻传感单元之下，或者位于磁电阻传感单元和软磁通量引导器之间，或者位于软磁通量引导器之上。
11.根据权利要求1、2、3、4、7、8、9或10所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈和校准线圈为高导电率材料，所述高导电率材料为Cu、Au或Ag。
12.根据权利要求11所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈和/或校准线圈与所述高强度磁场单芯片参考桥式X轴磁电阻传感器之间采用绝缘材料隔离，所述绝缘材料为SiO2、Al2O3、Si3N4、聚酰亚胺或光刻胶。
13.根据权利要求1、2、3、4或7所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈包含一个正的端口和一个负的端口，所述两个端口通过校准电流时，其所产生的校准磁场幅度范围在所述磁电阻传感单元的线性工作区域内。
14.根据权利要求13所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准电流为设定的一个电流值或者多个电流值。
15.根据权利要求1、8、9或10所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈包含两个端口，当两端口通过重置电流时，其所产生的重置磁场大小为高于所述磁电阻传感单元的饱和磁场值。
16.根据权利要求15所述的一种单芯片具有校准线圈/重置线圈的高强度磁场X轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置电流为脉冲电流或直流电流。
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