CN212008887U - 一种单一芯片全桥tmr磁场传感器 - Google Patents

Abstract

一种单一芯片全桥TMR磁场传感器，包括：磁电阻元件及偏置电流支路，所述磁电阻元件桥式连接形成全桥结构；所述磁电阻元件包括自由层、钉扎层及偏置电流层，所述偏置电流层与所述偏置电流支路相连，所述偏置电流支路向所述偏置电流层输入偏置电流；位于相邻桥臂上的磁电阻元件中偏置电流层内电流的方向相反，位于相对桥臂上磁电阻元件中偏置电流层内电流的方向相同。本实用新型在磁电阻元件中设置偏置电流层，利用偏置电流层改变磁电阻元件中自由层的磁化方向，实现对外部磁场的敏感相应，本实用新型的磁场传感器可以一次性在单一芯片上形成全桥结构，大大降低了单一芯片全桥磁传感器制备工艺的难度和生产成本。

Description

一种单一芯片全桥TMR磁场传感器

技术领域

本实用新型属于磁场探测技术领域，尤其涉及一种推挽式全桥TMR磁场传感器。

背景技术

TMR(Tunnel Magneto Resistance)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应， TMR元件和已得到广泛应用的AMR元件、GMR元件、霍尔元件相比，具有更大的电阻变化率、更好的温度稳定性、更高的灵敏度及更宽的线性范围，而且相对于AMR元件，TMR元件不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR元件，TMR元件具有更低的功耗；相对于霍尔元件，TMR元件不需要额外的聚磁环结构。

TMR元件也称为磁隧道结元件(Magnetic Tunnel Junction，以下简称 MTJ元件)，将MTJ元件连接成推挽式全桥可以改变磁场传感器的信号，使其输出电压便于被放大，以改变信号的噪声、取消共模信号、减小温漂或是克服其他不足，有利于磁场传感器的应用。将MTJ元件连接成推挽电桥，要求相邻桥臂上的MTJ元件钉扎层的磁化方向相反，但由于磁矩反转所需的磁场强度大小相同，因此在同一基片上的MTJ元件的钉扎层磁化方向通常都相同，这给制作推挽式电桥TMR磁场传感器带来了很大的困难。目前制造推挽式全桥TMR磁场传感器主要由以下几种方式：

基于两次成膜工艺的推挽全桥磁场传感器，该工艺分两次沉积得到钉扎层磁化方向相反的MTJ元件，但在对第二次沉积形成的薄膜进行退火时会影响第一次沉积的薄膜，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同，会影响传感器的性能。

基于多芯片封装的推挽全桥磁场传感器，使用钉扎层磁化方向一致的MTJ 元件连接成全桥，再将全桥中一组相对桥臂上的MTJ元件屏蔽并且制作成晶圆，将其中一个晶圆相对另一个晶圆翻转180°连接成推挽全桥，然后进行多芯片封装。利用多芯片封装技术制作成的推挽全桥磁场传感器，由于是多芯片封装而成，存在尺寸较大、生产成本高等问题；而且将晶圆翻转后，需要使2 个晶圆在同一水平面内进行精确定位，增加了由于MTJ元件不对称导致传感器测量损失的可能性。

基于激光局部退火的推挽全桥磁场传感器，先在基片上制备MTJ全桥，再将MTJ元件在同一磁场中退火，此时不同桥臂上MTJ元件钉扎层的磁化方向相同；然后采用激光对MTJ元件进行局部加热辅助磁矩反转，使得相邻桥臂上 MTJ元件钉扎层的磁化方向相反，实现推挽全桥磁场传感器。但激光加热辅助磁畴局部翻转需要专用设备，不仅增加了传感器制作工艺的复杂程度，也提高了成本，而且使用激光加热所制作的推挽全桥传感器，其各个桥臂电阻的一致性也无法得到保证。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以降低制备工艺难度和生产成本的单一芯片全桥TMR磁场传感器。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种单一芯片全桥TMR磁场传感器，包括：磁电阻元件及偏置电流支路，所述磁电阻元件桥式连接形成全桥结构；所述磁电阻元件包括自由层、钉扎层及偏置电流层，所述偏置电流层与所述偏置电流支路相连，所述偏置电流支路向所述偏置电流层输入偏置电流；位于相邻桥臂上的磁电阻元件的偏置电流层内电流的方向相反，位于相对桥臂上磁电阻元件的偏置电流层内电流的方向相同。

进一步的，所述磁电阻元件包括依次设置的下电极层、钉扎层、第一绝缘层、自由层、上电极层、第二绝缘层以及偏置电流层。

进一步的，所述偏置电流支路包括第一偏置电流支路和第二偏置电流支路，所述第一偏置电流支路与全桥结构中位于两个相邻桥臂上的磁电阻元件相连，所述第二偏置电流支路与全桥结构中位于另外两个相邻桥臂上的磁电阻元件相连。

更进一步的，所述偏置电流支路与偏置电流源相连，电流从电流输入端输入后，经第一偏置电流支路依次流过位于两个相邻桥臂上的磁电阻元件和磁电阻元件，以及经第二偏置电流支路依次流过位于另外两个相邻桥臂上的磁电阻元件和磁电阻元件，然后从电流输出端流出。

进一步的，所述磁电阻元件采用成膜工艺一次形成。

进一步的，所述偏置电流层内无电流通过时，磁电阻元件的自由层的磁化方向和钉扎层的磁化方向相互垂直。

进一步的，流经所述偏置电流层的电流的大小相同

由以上技术方案可知，本实用新型在磁电阻元件中设置偏置电流层，通过偏置电流支路向偏置电流层输入偏置电流，利用偏置电流产生的磁场改变磁电阻元件自由层的磁化方向，由于位于相邻桥臂上磁电阻元件内偏置电流的方向相反，使得相邻桥臂上磁电阻元件的阻值随外部磁场变化的趋势相反，而位于相对桥臂上磁电阻元件内偏置电流的方向相同，则这些磁电阻单元的阻值随外部磁场变化的趋势相同，从而构成推挽全桥磁场传感器。本实用新型的磁电阻元件可以在同一基片上采用成膜工艺一次性形成，全桥结构中各桥臂的磁电阻元件一致性较好，具有灵敏度高、体积小、可抑制温漂的优点，而且生产工艺简单，无需昂贵的设备，降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例磁电阻元件的结构示意图；

图3为磁电阻元件的阻值随自由层磁化方向与钉扎层磁化方向夹角变化的曲线图；

图4a和图4b分别为位于相邻桥臂上的磁电阻元件自由层的磁化方向的示意图；

图5为磁电阻元件自由层的磁化方向处于图4a所示状态时其阻值随敏感方向上外部磁场变化的曲线图；

图6为磁电阻元件自由层的磁化方向处于图4b所示状态时其阻值随敏感方向上外部磁场变化的曲线图。

具体实施方式

为了让本实用新型的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本实用新型实施例，并配合所附图示，做详细说明如下。

如图1所示，本实施例的单一芯片全桥TMR磁场传感器包括4组磁电阻元件a1、a2、a3、a4、第一偏置电流支路L1和第二偏置电流支路L2。每组磁电阻元件的基本结构相同，4组磁电阻元件桥式连接形成全桥结构，4组磁电阻元件分别位于全桥结构的四个桥臂上。第一偏置电流支路L1与两个相邻桥臂上的磁电阻元件(a1、a2)相连，第二偏置电流支路L2与另外两个相邻桥臂上的磁电阻元件(a3、a4)相连。偏置电流支路与偏置电流源(未图示)相连，电流从电流输入端A输入后，经第一偏置电流支路L1依次流过磁电阻元件a1和磁电阻元件a2，以及经第二偏置电流支路L2依次流过磁电阻元件a3 和磁电阻元件a4，然后从电流输出端B流出。本实施例的第一偏置电流支路 L1的电流在磁电阻元件a1中方向和在磁电阻元件a2中的方向相反，第二偏置电流支路L2的电流在磁电阻元件a3中方向和在磁电阻元件a4中的方向相反，但位于相对桥臂上的磁电阻元件中的电流方向相同，即，磁电阻元件a1 和磁电阻元件a3中的电流方向相同，磁电阻元件a2和磁电阻元件a4中的电流方向相同。

如图2所示，磁电阻元件从下往上依次包括下电极层10、钉扎层11、第一绝缘层12、自由层13、上电极层14、第二绝缘层15以及偏置电流层16，磁电阻元件中的偏置电流层用于改变磁电阻元件中自由层的磁化方向。自由层 13由铁磁材料制成，自由层13的磁化方向会随外部磁场的改变而改变。钉扎层11由磁化方向固定的磁性层和反铁磁层组成，钉扎层11的磁化方向被钉扎在固定的方向上，不会随外部磁场的变化而变化。偏置电流层16与偏置电流支路相连，偏置电流支路中的电流会流经偏置电流层16。当偏置电流层16无电流经过时，自由层13的磁化方向与钉扎层11的磁化方向相互垂直(图2中箭头所示方向)，当偏置电流层16有电流经过时，电流会产生磁场，并会改变自由层13的磁化方向。上电极层14和下电极层10之间的测量电阻值受自由层13与钉扎层11之间的相对磁化方向的影响。如图3所示，磁电阻元件的阻值随着自由层磁化方向与钉扎层磁化方向间夹角的变化而变化，当两者间磁化方向的夹角增大时，阻值也随着增大。磁电阻元件的自由层磁化方向与钉扎层磁化方向间的夹角一致时，在外部磁场作用下，磁电阻元件电阻值随外部磁场的变化是一致的。

电流在经偏置电流支路流经位于相邻桥臂上的磁电阻元件时，由于电流在磁电阻元件(偏置电流层)中的方向相反，因此磁电阻元件自由层的磁化方向的变化也会不一样。图4a和图4b分别为位于相邻桥臂上的两个磁电阻元件在相反方向的电流经过时自由层和钉扎层磁化方向的示意图。如图4a所示，偏置电流层16中电流的方向为垂直纸面向里，受到电流所产生的磁场的影响，自由层13的磁化方向从与钉扎层11的磁化方向相垂直的状态变化为两者间的夹角为钝角。如图4b所示，偏置电流层16中电流的方向为垂直纸面向外，受到电流所产生的磁场的影响，自由层13的磁化方向从与钉扎层11的磁化方向相垂直的状态变化为两者间的夹角为锐角。

如图5所示，当磁电阻元件自由层的磁化方向处于图4a所示状态时，即自由层的磁化方向和钉扎层的磁化方向间的夹角为钝角时，如果外部磁场增大，则磁电阻元件的阻值R减小，反之，外部磁场减小时，磁电阻元件的阻值 R增大。如图6所示，当磁电阻元件自由层的磁化方向处于图4b所示状态时，即自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向间的夹角为锐角时，如果外部磁场增大，则磁电阻元件的阻值R增大，反之，外部磁场减小时，磁电阻元件的阻值 R减小。也就是说，对于偏置电流层中电流方向相反的两个磁电阻元件，在同一外部磁场的影响下，这两个磁电阻元件的阻值变化总是相反的。

本实用新型的全桥磁场传感器，在相邻桥臂上的磁电阻元件，如a1和 a2，a2和a3，a3和a4，a4和a1，由于电流在磁电阻元件中的方向相反，因此，这些磁电阻单元的阻值的变化趋势总是相反的(图5)，而在相对桥臂上的磁电阻元件，如a1和a3、a2和a4，由于电流在磁电阻元件中的方向相同，则这些磁电阻单元的阻值的变化趋势相同(图6)。如图1所示，磁电阻元件与输入电极(C、D)和输出电极(E、F)相连，当输入电极C、D间施加有恒压V_BIAS时，输出电极E、F之间的电压随外部磁场M的变化而变化，即构成推挽全桥磁场传感器。

本实用新型的磁电阻元件可以采用成膜工艺一次形成，磁电阻元件之间可以相互平行排布。磁电阻元件可通过二次退火工艺使自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向相互垂直。在磁电阻元件中设置偏置电流层，通过偏置电流支路向偏置电流层输入偏置电流，通过调节各磁电阻元件排布方式、偏置电流层中电流的流向及电流的大小来调节所产生的偏置磁场的方向和大小。前述实施例中设置了两个偏置电流支路，但也可以根据需要设置不同数量的偏置电流支路，为各磁电阻元件提供偏置电流，实现相邻桥臂上磁电阻元件偏置电流层中电流方向相反，相对桥臂上磁电阻元件偏置电流层中电流方向相同。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.一种单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于，包括：磁电阻元件及偏置电流支路，所述磁电阻元件桥式连接形成全桥结构；

所述磁电阻元件包括自由层、钉扎层及偏置电流层，所述偏置电流层与所述偏置电流支路相连，所述偏置电流支路向所述偏置电流层输入偏置电流；

位于相邻桥臂上的磁电阻元件中偏置电流层内电流的方向相反，位于相对桥臂上磁电阻元件中偏置电流层内电流的方向相同。

2.如权利要求1所述的单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于：所述磁电阻元件包括依次设置的下电极层、钉扎层、第一绝缘层、自由层、上电极层、第二绝缘层以及偏置电流层。

3.如权利要求1或2所述的单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于：所述偏置电流支路包括第一偏置电流支路和第二偏置电流支路，所述第一偏置电流支路与全桥结构中位于两个相邻桥臂上的磁电阻元件相连，所述第二偏置电流支路与全桥结构中位于另外两个相邻桥臂上的磁电阻元件相连。

4.如权利要求3所述的单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于：所述偏置电流支路与偏置电流源相连，电流从电流输入端输入后，经第一偏置电流支路依次流过位于两个相邻桥臂上的磁电阻元件和磁电阻元件，以及经第二偏置电流支路依次流过位于另外两个相邻桥臂上的磁电阻元件和磁电阻元件，然后从电流输出端流出。

5.如权利要求1所述的单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于：所述磁电阻元件采用成膜工艺一次形成。

6.如权利要求1所述的单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于：所述偏置电流层内无电流通过时，磁电阻元件的自由层的磁化方向和钉扎层的磁化方向相互垂直。

7.如权利要求1或2或4或5或6所述的单一芯片全桥TMR磁场传感器，其特征在于：流经所述偏置电流层的电流的大小相同。

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