CN205620530U - 具有自检重置导线的磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有自检重置导线的磁场传感器，其包括：基板，其具有第一表面；第一电桥电路，其包括多个第一磁场传感单元；第二电桥电路，其包括多个第二磁场传感单元，各个第一磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面成第一预定角度，各个第二磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面成第二预定角度；自检重置导线，其包括位于第一磁场传感单元之上或之下且与第一磁场传感单元的磁敏轴平行的第一倾斜部、位于第二磁场传感单元之上或之下且与第二磁场传感单元磁敏轴平行的第二倾斜部。与现有技术相比，本实用新型基于同一自检重置导线就可产生沿垂直于芯片表面的Z轴方向的磁场用于自检，还可产生沿磁易轴方向的磁场用于重置/再重置。

Description

具有自检重置导线的磁场传感器

【技术领域】

本实用新型涉及磁场传感器，特别涉及一种能够实现对磁感应层重置和自检的磁场传感器。

【背景技术】

目前基于磁阻效应的磁场传感器已经应用非常普通，比如各向异性磁阻(AMR)磁场传感器、巨磁阻(GMR)磁场传感器及隧穿磁阻(TMR)磁场传感器。

一般来说，基于磁阻效应的磁场传感器在磁场方向和大小改变时，器件电阻会随之改变。磁场传感器的结构通常包括一层软磁材料，例如铁、钴，镍，钴铁硼合金或镍铁合金(permalloy)等。在磁场方向和大小改变时，软磁材料层的磁化方向随之改变，从而引起电阻的变化。

为了得到磁场的准确数值，在磁场传感器测量前所述软磁层需要被重置。通常的方法是在紧邻磁场传感器的基本传感单元的导线中通过大电流以产生强磁场，从而使得基本传感单元的所有的磁畴都被磁化且沿磁易轴方向排列，而磁易轴的方向由磁场传感器的基本传感单元的各向异性决定。通过控制所述导线上流过的电流的方向，磁畴的方向可以沿磁易轴平行的两个相反的方向排列。通常这个操作被称为重置(SET)和再重置(RESET)。除了可以对软磁层的磁化进行初始化，SET/RESET还可以帮助恢复软磁层的磁化。如果所处磁场传感器遭外界强磁场干扰，干扰磁场移除后所述软磁层的磁畴可能不能恢复至初始状态，从而引起测量误差。通过重置/再重置，磁畴的排列可以被恢复。

随着磁场传感器芯片的成本持续下降，生产测试成本在整个磁场传感器成本中的比重越来越高。尤其是磁场传感器的生产测试，除了需要用于测试常见电气性能的设备外，还需要能够产生测试磁场的设备，例如亥姆霍兹线圈(Helmholtz coil)，这样会显著增加成本。

如果相应的测试可以不需要借助外加磁场产生装置而能够在磁场传感器上完成，这样可以大幅降低成本。例如，使磁场传感器暴露于一个已知大小的磁场中，磁场传感器的读数可以与已知磁场大小比较以校准灵敏度、误差以及其 它参数。这个已知磁场可以通过紧邻磁场传感器的另一个导线产生。因为通常外加的测试磁场是沿灵敏轴方向且与磁易轴方向垂直，因此需要紧邻磁场传感器放置独立的两套导线以完成SET/RESET以及自检。这需要在生产工艺中加入两层金属，额外的金属沉积和光刻工艺会增加生产成本。

此外，对于单芯片集成的三轴传感器，如何对磁敏感轴垂直于芯片平面的Z轴传感单元进行芯片上自检成为更大的一个难题。

因此，有必要提供一种改进的技术方案来解决上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种改进的磁场传感器，其基于同一自检重置导线就可以产生沿垂直于芯片表面的Z轴方向的磁场用于自检，还可以产生沿磁场传感单元的磁易轴方向的磁场用于重置/再重置。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种磁场传感器，其包括：基板，其具有第一表面；第一电桥电路，其包括多个第一磁场传感单元；第二电桥电路，其包括多个第二磁场传感单元，其中所述磁场传感单元均具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个磁场传感单元的磁易轴互相平行，各个第一磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面成第一预定角度，各个第二磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面成第二预定角度；自检重置导线，其包括位于第一磁场传感单元之上或之下且与所述第一磁场传感单元的磁敏轴平行的第一倾斜部、位于第二磁场传感单元之上或之下且与所述第二磁场传感单元的磁敏轴平行的第二倾斜部、位于所述基板的第一表面之上并与所述基板的第一表面平行的平坦部，其中第一预定角度和第二预定角度均大于0度小于90度。

进一步的，所述磁场传感器还包括：位于所述基板的第一表面上的多个凸块，每个凸块包括相对的第一倾斜表面和第二倾斜表面，第一倾斜表面相对于第一表面成第一预定角度，第二倾斜表面相对于第一表面成第二预定角度，所述凸块为纵长条形，其延伸方向均与所述磁易轴方向平行，第一磁场传感单元和第一倾斜部位于所述凸块的第一倾斜表面之上，第二磁场传感单元和第二倾斜部位于所述凸块的第二倾斜表面之上。

进一步的，所述凸块为梯形横截面，其具有顶面，所述自检重置导线还包括有位于所述多个凸块的顶面之上并与所述顶面平行的连接部，所述连接部位 于第一倾斜部和第二倾斜部的顶部之间，第一倾斜部和第二倾斜部的底部之间具有平坦部。

进一步的，每个凸块为三角形横截面，所述自检重置导线的第一倾斜部与第二倾斜部的顶部相连，第一倾斜部和第二倾斜部的底部之间具有平坦部。

进一步的，第一磁场传感单元位于第一倾斜表面和第一倾斜部之间，第二磁场传感单元位于第二倾斜表面和第二倾斜部之间，或者，第一倾斜部位于第一磁场传感单元和第一倾斜表面之间，第二倾斜部位于第二磁场传感单元位于第二倾斜表面之间。

进一步的，所述磁场传感器还包括：设置于第一磁场传感单元、第二磁场传感单元和所述自检重置导线之间的绝缘层。

进一步的，所述自检重置导线延伸形成螺旋形状，横跨多个第一磁场传感单元和多个第二磁场传感单元，其具有第一连接端和第二连接端。

进一步的，所述磁场传感器具有重置/再重置模式和自检模式，在重置/再重置模式时，使所述自检重置导线上流过第一电流，产生第一磁场，该第一磁场重置/再重置该第一磁场传感单元和第二磁场传感单元使得该第一磁场传感单元和第二磁场传感单元的磁畴方向回到所述磁易轴的方向；在自检模式时，使所述自检重置导线上流过预知的第二电流，产生预知的第二磁场，该第二磁场使得第一磁场传感单元和第二磁场传感单元的磁阻发生变化，从而实现Z轴磁场感应的自检，Z轴为垂直于第一表面的轴，该第二电流小于第一电流。

进一步的，所述磁场传感单元包括沿其磁易轴方向延伸纵长磁阻条和形成与所述磁阻条上的并与所述磁阻条成预定夹角的相互平行的若干个导电条，其中所述磁阻条由铁、钴、镍、钴铁硼合金或镍铁合金制成。

进一步的，所述磁场传感器还包括：第三电桥电路，其包括多个第三磁场传感单元，其中第三磁场传感单元具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个第三磁场传感单元的磁易轴互相平行且与第一磁场传感单元的磁易轴垂直，各个第三磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面平行。

进一步的，第一预定角度和第二预定角度均大于30度小于50度。

与现有技术相比，在本实用新型中设置与Y/Z轴的磁场传感单元紧密相邻的自检重置导线，其可以产生沿垂直于芯片表面的Z轴方向的磁场用于自检，还可以产生沿磁场传感单元的磁易轴方向的磁场用于重置/再重置。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1示出了本实用新型中的一种三轴磁场传感器的结构原理图；

图2示出了图1中的三轴磁场传感器中的Y/Z轴磁场传感器的沿剖面线A-A的剖视示意图；

图3示出了本实用新型中的三轴磁场传感器中的Y/Z轴磁场传感器在一个实施例中的结构原理示意图；

图4示出了图3中的三轴磁场传感器中的Y/Z轴磁场传感器的沿剖面线B-B的剖视示意图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连，间接电性相连是指经由另外一个器件或电路电性相连。

请参考图1所示，其为本实用新型中的单芯片三轴磁场传感器100中的原理示意图。请参考图2所示，其示出了图1中的三轴磁场传感器中的Y/Z轴磁场传感器的沿剖面线A-A的剖视示意图。

结合图1和图2所示，所述三轴磁场传感器100包括：具有第一表面211的基板210、形成于所述基板210的第一表面211上的多个凸块111、第一惠斯通电桥电路、第二惠斯通电桥电路和第三惠斯通电桥电路120。

所述基板210可以为硅基板，其也可以被称为衬底。

每个凸块111包括相对的第一倾斜表面1111和第二倾斜表面1112。第一倾 斜表面1111相对于第一表面211成第一预定角度，第二倾斜表面1112相对于第一表面211成第二预定角度，所述凸块为纵长条形，它们的延伸方向相互平行。

第一惠斯通电桥电路包括形成于所述凸块111的第一倾斜表面1111上的多个第一磁场传感单元112，其中每个凸块111的第一倾斜表面1111上设置有一个第一磁场传感单元112。第一磁场传感单元112具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个第一磁场传感单元112的磁易轴互相平行且与所述凸块111的延伸方向平行，如图1所示的，第一磁场传感单元112的磁易轴与X轴平行。各个第一磁场传感单元112的磁敏轴相互平行且与第一表面211成第一预定角度。

第二惠斯通电桥电路包括形成于所述凸块111的第二倾斜表面1112上的多个第二磁场传感单元113。第二磁场传感单元113具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个第二磁场传感单元113的磁易轴互相平行且与所述凸块111的延伸方向平行，如图1所示的，第二磁场传感单元113的磁易轴与X轴平行。各个第二磁场传感单元113的磁敏轴相互平行且与第一表面211成第二预定角度。

第一预定角度和第二预定角度均大于0度小于90度。优选的，第一预定角度和第二预定角度均大于30度小于50度，比如30度、40度、50度。

第三惠斯通电桥电路120包括多个第三磁场传感单元121，其中第三磁场传感单元121具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个第三磁场传感单元121的磁易轴互相平行且与第一磁场传感单元112的磁易轴垂直，各个第三磁场传感单元121的磁敏轴相互平行且与第一表面211平行。如图1所示的，所述第三磁场传感单元121的磁易轴与Y轴平行，磁敏轴与X轴平行。

如图2所示的，所述三轴磁场传感器100还包括有形成于各个磁场传感单元112、113和121上的绝缘层220。

每个磁场传感单元(包括每个第一磁场传感单元112、每个第二磁场传感单元113和每个第三磁场传感单元121)包括沿其磁易轴方向延伸纵长磁阻条和形成与所述磁阻条上的并与所述磁阻条成预定夹角的相互平行的若干个导电条，其中所述磁阻条由铁、钴、镍、钴铁硼合金或镍铁合金制成。

如图1所示的，所述第一惠斯通电桥电路还包括有电源端U1、接地端GND、 第一输出端VO1+、第二输出端VO1-，各个第一磁场传感单元112连接在电源端U1、接地端GND、第一输出端VO1+、第二输出端VO1-之间。所述第二惠斯通电桥电路还包括有电源端U2、接地端GND、第一输出端VO2+、第二输出端VO2-，各个第二磁场传感单元113连接在电源端U2、接地端GND、第一输出端VO2+、第二输出端VO2-之间。所述第三惠斯通电桥电路还包括有电源端U3、接地端GND、第一输出端VOX+、第二输出端VOX-，各个第三磁场传感单元121连接在电源端U3、接地端GND、第一输出端VOX+、第二输出端VOX-之间。

第三惠斯通电桥电路120能够感应X轴方向的磁场，因此其也可以被称为X轴磁场传感器。假设其输出信号为Sx，有：

[Sx]＝[VOX+]–[VOX-]。

假设，所述第一惠斯通电桥电路的输出信号为S1，则有：

[S1]＝[VO1+]–[VO1-]。

假设，所述第二惠斯通电桥电路的输出信号为S2，则有：

[S2]＝[VO2+]-[VO2-]。

第一惠斯通电桥电路和第二惠斯通电桥电路能够共同感应Y轴方向的磁场和Z轴方向的磁场，Y轴和Z轴的磁场强度信号Sy和Sz可以通过S1和S2的计算得到，因此第一惠斯通电桥电路和第二惠斯通电桥电路可以被统称为Y/Z轴磁场传感器。这里提供一种计算方法的实施例：在U1和U2电源电压相同的条件下，且所述第一和第二惠斯通电桥电路的磁场传感单元灵敏度相同的条件下有:

[Sy]＝[S1]-[S2]；

[Sz]＝[S1]+[S2]。

在图1中，Y/Z轴磁场传感器和X轴磁场传感器被集成到同一个芯片中。

图3示出了本实用新型中的三轴磁场传感器中的Y/Z轴磁场传感器110’在一个实施例中的结构原理示意图；图4示出了图3中的三轴磁场传感器中的Y/Z轴传感器的沿剖面线B-B的剖视示意图。

图3中的三轴磁场传感器在结构上可以与图1中的三轴磁场传感器基本相 同，也包括有具有第一表面211的基板210、形成于所述基板210的第一表面211上的多个凸块111、第一惠斯通电桥电路、第二惠斯通电桥电路和第三惠斯通电桥电路(未示出)。第一惠斯通电桥电路也包括电源端U1、接地端GND、第一输出端VO1+、第二输出端VO1-以及连接在它们之间的多个第一磁场传感单元112，所述第二惠斯通电桥电路也包括有电源端U2、接地端GND、第一输出端VO2+、第二输出端VO2-以及连接在它们之间的多个第二磁场传感单元113。

图3中的三轴磁场传感器与图1中的三轴磁场传感器的不同之处在于：图3中的三轴磁场传感器还包括有跨越第一惠斯通电桥电路和第二惠斯通电桥电路的自检重置导线310。

所述自检重置导线310包括位于第一磁场传感单元112之上且与所述第一磁场传感单元112的磁敏轴平行的第一倾斜部311、位于第二磁场传感单元112之上且与所述第二磁场传感单元112的磁敏轴平行的第二倾斜部312、位于所述基板210的第一表面211之上并与所述基板210的第一表面211平行的平坦部313。其中绝缘层220设置于第一磁场传感单元112、第二磁场传感单元113和所述自检重置导线310之间。这样，第一磁场传感单元112和第一倾斜部311形成于所述凸块111的第一倾斜表面1111之上，第二磁场传感单元113和第二倾斜部312形成于所述凸块111的第二倾斜表面1111之上。

如图3所示的，所述凸块111为梯形横截面，其具有顶面。所述自检重置导线310还包括有位于所述多个凸块111的顶面之上并与所述顶面平行的连接部314，所述连接部314位于第一倾斜部311和第二倾斜部312的顶部之间，第一倾斜部311和第二倾斜部312的底部之间具有平坦部313。在另一个实施例中，所述凸块为三角形横截面，此时所述自检重置导线310的第一倾斜部311和第二倾斜部312的顶部直接相连，第一倾斜部311和第二倾斜部312的底部之间具有平坦部313。

所述自检重置导线310延伸形成螺旋形状，横跨多个第一磁场传感单元112和多个第二磁场传感单元113，其具有第一连接端UC+和第二连接端UC-。

所述三轴磁场传感器具有重置/再重置模式和自检模式。在重置/再重置模式时，使所述自检重置导线310上流过第一电流，此时产生第一磁场，该第一磁场的X轴分量重置/再重置该第一磁场传感单元112和第二磁场传感单元113使 得该第一磁场传感单元112和第二磁场传感单元113的磁畴方向回到所述磁易轴的方向。在自检模式时，使所述自检重置导线310上流过预知的第二电流，此时产生预知的第二磁场，该第二磁场的Z轴分量使得第一磁场传感单元和第二磁场传感单元的磁阻发生变化，从而实现Z轴的自检，该第二电流小于第一电流。

所述自检重置导线310可以位于绝缘层220之上，由半导体工艺例如薄膜沉积或电镀工艺形成。在另一个实施例中，也可以先在凸块110上形成所述自检重置导线310，之后在所述自检重置导线310上形成绝缘成220，之后再形成第一磁场传感器单元112和第二磁场传感器单元113。

这样，通过设置一层自检重置导线310，既可以实现第一磁场传感单元112和第二磁场传感单元113的重置/再重置，又可以实现Y/Z轴磁场传感器的Z轴自检，简化了设计，降低了成本。

需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims (11)

1.一种磁场传感器，其特征在于，其包括：

基板，其具有第一表面；

第一电桥电路，其包括多个第一磁场传感单元；

第二电桥电路，其包括多个第二磁场传感单元，其中所述磁场传感单元均具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个磁场传感单元的磁易轴互相平行，各个第一磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面成第一预定角度，各个第二磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面成第二预定角度；

自检重置导线，其包括位于第一磁场传感单元之上或之下且与所述第一磁场传感单元的磁敏轴平行的第一倾斜部、位于第二磁场传感单元之上或之下且与所述第二磁场传感单元的磁敏轴平行的第二倾斜部、位于所述基板的第一表面之上并与所述基板的第一表面平行的平坦部，

其中第一预定角度和第二预定角度均大于0度小于90度。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括：位于所述基板的第一表面上的多个凸块，

每个凸块包括相对的第一倾斜表面和第二倾斜表面，第一倾斜表面相对于第一表面成第一预定角度，第二倾斜表面相对于第一表面成第二预定角度，所述凸块为纵长条形，其延伸方向均与所述磁易轴方向平行，

第一磁场传感单元和第一倾斜部位于所述凸块的第一倾斜表面之上，

第二磁场传感单元和第二倾斜部位于所述凸块的第二倾斜表面之上。

3.根据权利要求2所述的磁场传感器，其特征在于，

所述凸块为梯形横截面，其具有顶面，

所述自检重置导线还包括有位于所述多个凸块的顶面之上并与所述顶面平行的连接部，所述连接部位于第一倾斜部和第二倾斜部的顶部之间，

第一倾斜部和第二倾斜部的底部之间具有平坦部。

4.根据权利要求2所述的磁场传感器，其特征在于，

每个凸块为三角形横截面，

所述自检重置导线的第一倾斜部与第二倾斜部的顶部相连，

第一倾斜部和第二倾斜部的底部之间具有平坦部。

5.根据权利要求2所述的磁场传感器，其特征在于，

第一磁场传感单元位于第一倾斜表面和第一倾斜部之间，第二磁场传感单元位于第二倾斜表面和第二倾斜部之间，或者，

第一倾斜部位于第一磁场传感单元和第一倾斜表面之间，第二倾斜部位于第二磁场传感单元位于第二倾斜表面之间。

6.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括：

设置于第一磁场传感单元、第二磁场传感单元和所述自检重置导线之间的绝缘层。

7.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述自检重置导线延伸形成螺旋形状，横跨多个第一磁场传感单元和多个第二磁场传感单元，其具有第一连接端和第二连接端。

8.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其具有重置/再重置模式和自检模式，

在重置/再重置模式时，使所述自检重置导线上流过第一电流，产生第一磁场，该第一磁场重置/再重置该第一磁场传感单元和第二磁场传感单元使得该第一磁场传感单元和第二磁场传感单元的磁畴方向回到所述磁易轴的方向；

在自检模式时，使所述自检重置导线上流过预知的第二电流，产生预知的第二磁场，该第二磁场使得第一磁场传感单元和第二磁场传感单元的磁阻发生变化，从而实现Z轴磁场感应的自检，Z轴为垂直于第一表面的轴，

该第二电流小于第一电流。

9.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感单元包括沿其磁易轴方向延伸纵长磁阻条和形成与所述磁阻条上的并与所述磁阻条成预定夹角的相互平行的若干个导电条，其中所述磁阻条由铁、钴、镍、钴铁硼 合金或镍铁合金制成。

10.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，其还包括：

第三电桥电路，其包括多个第三磁场传感单元，其中第三磁场传感单元具有磁易轴和与所述磁易轴垂直的磁敏轴，各个第三磁场传感单元的磁易轴互相平行且与第一磁场传感单元的磁易轴垂直，各个第三磁场传感单元的磁敏轴相互平行且与第一表面平行。

11.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，第一预定角度和第二预定角度均大于30度小于50度。