ITTO20130436A1 - Magnetoresistore integrato di tipo amr a basso consumo - Google Patents
Magnetoresistore integrato di tipo amr a basso consumoInfo
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Description
DESCRIZIONE
“MAGNETORESISTORE INTEGRATO DI TIPO AMR A BASSO CONSUMOâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un magnetoresistore integrato di tipo AMR (dall'inglese "anisotropic magnetoresistance") a basso consumo.
Sensori di campo magnetico di tipo AMR sono utilizzati in una pluralità di applicazioni e sistemi, ad esempio in bussole, in sistemi di rilevamento di caratteristiche ferromagnetiche, nel rilevamento di correnti, e in svariate altre applicazioni, grazie alla loro capacità di rilevare campi magnetici naturali (ad esempio il campo magnetico terrestre) e campi magnetici generati da componenti elettrici (quali dispositivi elettrici o elettronici e linee percorse da corrente elettrica).
Come à ̈ noto, tali sensori magnetoresistivi sfruttano la capacità di opportuni materiali ferromagnetici (chiamati materiali magnetoresistivi, ad esempio il materiale noto con il nome di "permalloy" costituito da una lega di Fe-Ni) di modificare la propria resistenza in presenza di un campo magnetico esterno.
Attualmente, sensori magnetoresistivi di tipo integrato vengono realizzati a forma di strisce di materiale magnetoresistivo su un substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio. Durante la fabbricazione, la striscia di materiale magnetoresistivo viene magnetizzata in modo da presentare una magnetizzazione preferenziale in una prefissata direzione, ad esempio la direzione longitudinale della striscia stessa.
In assenza di campi magnetici esterni, la magnetizzazione mantiene la direzione imposta, e la striscia presenta massima resistenza. In presenza di campi magnetici esterni aventi direzione differente da quella di magnetizzazione preferenziale, la magnetizzazione della striscia cambia, così come la sua resistenza, che diminuisce, come mostrato nelle figg.
1A e 1B.
In figura 1A, che mostra la magnetizzazione M in assenza di campo magnetico esterno, un magnetoresistore 1 à ̈ formato da una striscia magnetoresistiva 2 avente direzione longitudinale parallela all'asse X (chiamato anche "easy axis", in quanto tale direzione à ̈ quella di più facile magnetizzazione della striscia). Il magnetoresistore 1 à ̈ alimentato con una corrente I fluente nella direzione longitudinale della striscia. In questa condizione, la magnetizzazione M à ̈ diretta parallelamente all'easy axis EA.
In fig. 1B, il magnetoresistore 1 à ̈ immerso in un campo magnetico esterno Hy diretto parallelamente all'asse Y (chiamato anche "hard axis" in quanto tale direzione à ̈ quella di più difficile magnetizzazione della striscia magnetoresistiva 2). In questa condizione, il campo magnetico esterno Hy provoca una rotazione della magnetizzazione M di un angolo α rispetto alla corrente I, provocando una riduzione della resistenza della striscia magnetoresistiva 2 secondo una legge correlata a cos<2>α.
Per linearizzare l'andamento della resistenza R almeno in una porzione operativa della curva, Ã ̈ noto formare, al di sopra della striscia magnetoresistiva 2, strisce trasversali 3 (chiamate "barber poles"), di materiale conduttore (ad esempio alluminio), poste a distanza costante e con inclinazione di 45° rispetto alla direzione dell'easy axis EA, come mostrato in figura 2.
In questa situazione, cambia la direzione della corrente I, ma non la magnetizzazione M (la cui direzione dipende ancora dal campo magnetico esterno), e la resistenza presenta caratteristica lineare nell'intorno del punto di zero del campo magnetico esterno. In questo modo, possono essere rilevati facilmente eventuali campi magnetici diretti o aventi una componente parallela all'asse Y.
La figura 3 mostra un sensore magnetoresistivo 4 includente quattro magnetoresistori 1 del tipo mostrato in fig. 2, collegati a formare un ponte di Wheatstone, con le strisce trasversali 3 disposte in modo alternato in ciascun ramo 4a e 4b del ponte. I due rami 4a, 4b sono collegati in corrispondenza di due nodi di ingresso 5, 6 fra i quali viene applicata una tensione di polarizzazione Vb. In questo modo, la tensione di uscita Vo esistente fra i nodi intermedi 7, 8 dei rami 4a, 4b à ̈ correlata al campo magnetico esterno Hy esistente.
I sensori magnetoresistivi del tipo indicato lavorano in modo corretto a condizione che ciascun magnetoresistore 1 venga magnetizzato nella direzione dell'easy axis in assenza di campi magnetici esterni e fintanto che persiste la magnetizzazione M imposta.
Per mantenere la magnetizzazione M imposta, i sensori magnetoresistivi comprendono generalmente una bobina di set/reset, cosiddetta "set/reset coil", (indicata con 10 in fig. 4). La bobina di set/reset 10 consente di eseguire operazioni di rinfresco o "refresh", consistenti in ripetute rapide fasi di magnetizzazione nella direzione voluta. Come si nota nelle figg. 4 e 5, la bobina di set/reset 10, qui a forma di spirale squadrata, presenta tratti 11 che si estendono trasversalmente, preferibilmente perpendicolarmente, alla direzione longitudinale della striscia magnetoresistiva 2, parallela all'easy axis EA stesso. Nell'esempio mostrato, si veda in particolare la sezione trasversale di fig. 5, la bobina di set/reset 10 à ̈ formata in un terzo livello di metallizzazione M3, al di sopra della striscia magnetoresistiva 2. A sua volta, la striscia magnetoresistiva 2 à ̈ formata al di sotto di un primo livello di magnetizzazione M1 e quest'ultimo forma i barber poles 3. La struttura descritta à ̈ inoltre formata in una struttura di isolamento 12 sovrastante un substrato 13, ad esempio di silicio e formante con quest'ultimo una piastrina integrata 15.
In pratica, durante le operazioni di rinfresco, la bobina di set/reset 10 viene alimentata con una corrente di valore elevato e genera un campo magnetico B che, nella zona della striscia magnetoresistiva 2, Ã ̈ diretto parallelamente alla direzione dell'easy axis (si veda ad es. US 5,247,278).
L'operazione di rinfresco richiede tuttavia alte correnti per le operazioni di set/reset e comporta quindi un elevato consumo del magnetoresistore 1. Il consumo può essere ridotto riducendo la durata dell'impulso di set/reset, ad esempio prevedendo impulsi aventi durata di pochi microsecondi, ripetuti ogni 1-100 millisecondi. Tuttavia, l'attuale miniaturizzazione dei dispositivi e l'integrazione di un numero sempre maggiore di funzioni in dispositivi portatili richiedono un'ulteriore riduzione dei consumi, per cui la riduzione di durata degli impulsi di set/reset fino ai valori sopra indicati non sempre à ̈ sufficiente.
Inoltre, l'elevato valore delle correnti di set/reset non à ̈ facilmente ottenibile. Infatti, a tale scopo, il circuito di pilotaggio (generalmente realizzato come ASIC - Application-Specific Integrated Circuit) richiede la presenza di transistori MOS di potenza in grado di portare le elevate correnti richieste, con conseguente aumento dell'ingombro e dei costi. Inoltre, la circuiteria di generazione degli impulsi richiede la presenza di un condensatore esterno. Tuttavia, tali requisiti si scontrano con la richiesta di scalatura esistente per piccoli sensori incapsulati ("packaged") di dimensioni ridotte (ad es. di 1,5x1,5 mm<2>). La realizzazione del condensatore come componente esterno realizzato sulla scheda applicativa ("application board") comporta ulteriori costi e difficoltà implementative. Un altro problema legato alla presenza di grandi impulsi nel dispositivo à ̈ legato al fatto che tali impulsi si possono accoppiare capacitivamente alla parte digitale, pilotando reset spuri su di essa, con effetti indesiderati sul funzionamento del dispositivo.
Un altro problema nei magnetoresistori noti consiste nel fatto che, nel caso essi siano immersi in un elevato campo interferente di disturbo ("stray field") avente la stessa direzione della magnetizzazione, e quindi la stessa direzione (ma verso opposto) del campo generato dalla bobina di set/reset, la condizione di set/reset iniziale può essere cancellata, causando errori nelle misure. Tale problema comporta una riduzione del campo magnetico massimo rilevabile dal magnetoresistore. Tale riduzione à ̈ particolarmente indesiderata nel caso di sensori magnetoresistivi montati in telefoni cellulari e altri dispositivi mobili, operanti in ambienti in cui sono presenti campi magnetici interferenti sempre più forti. Scopo della presente invenzione consiste quindi nel mettere a disposizione un sensore magnetoresistivo in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un sensore magnetoresistivo integrato di tipo AMR, come definito nella rivendicazione 1.
In pratica, viene proposta una struttura per un sensore magnetoresistivo di tipo AMR basata sulla presenza di uno strato di concentrazione del campo magnetico, disposto su un lato opposto della bobina di set/reset rispetto al magnetoresistore, e concentrante le linee di flusso magnetico generate dalla bobina di set/reset stessa così da incrementare l'ampiezza del campo magnetico agente sul magnetoresistore durante una operazione di rinfresco e quindi la magnetizzazione del magnetoresistore stesso durante le operazioni di lettura.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1A e 1B mostrano schematicamente un magnetoresistore di tipo AMR noto in condizione di assenza e, rispettivamente, presenza di un campo magnetico esterno;
- la figura 2 mostra schematicamente una forma di realizzazione di un magnetoresistore AMR noto dotato di "barber poles";
- la figura 3 mostra un sensore magnetoresistivo a ponte formato da magnetoresistori del tipo mostrato in fig. 2;
- la figura 4 Ã ̈ una vista dall'alto schematica di un sensore magnetoresistivo noto dotato di bobina di set/reset;
- la figura 5 Ã ̈ una sezione trasversale, presa sulla linea di sezione V-V, del sensore magnetoresistivo di fig. 4;
- la figura 6 Ã ̈ una vista prospettica di un dettaglio del presente sensore magnetoresistivo;
- la figura 7 Ã ̈ una vista dall'alto di una forma di realizzazione del presente sensore magnetoresistivo;
- la figura 8 Ã ̈ una vista in sezione trasversale del presente sensore magnetoresistivo, presa lungo il piano di sezione VIII-VIII di fig. 7;
- la figura 9 Ã ̈ una vista in sezione trasversale presa lungo il piano di sezione IX-IX di fig. 7;
- la figura 10 Ã ̈ una vista dall'alto di un'altra forma di realizzazione del presente sensore magnetoresistivo; e
- la figura 11 Ã ̈ una vista in sezione trasversale del presente sensore magnetoresistivo, presa lungo il piano di sezione XI-XI di fig. 10.
La fig. 6 mostra schematicamente una porzione di una forma di realizzazione del presente sensore magnetoresistivo.
In dettaglio, il sensore magnetoresistivo di fig.
6, indicato con 20, comprende un magnetoresistore 21; una bobina di set/reset 22; e una regione di concentrazione ("concentrating region") 23, fra loro sovrapposte. A sua volta, il magnetoresistore 21 comprende una striscia magnetoresistiva 24 avente forma allungata nella direzione dell'easy axis EA e barber poles (qui non mostrati). In particolare, la striscia magnetoresistiva 21 à ̈ di materiale magnetoresistivo, quale ad esempio il Permalloy (una lega ferromagnetica contenente ferro e nichel) e ha forma allungata nella direzione dell'easy axis EA. La bobina di set/reset 22, di materiale conduttore, quale alluminio, à ̈ disposta fra la striscia magnetoresistiva 21 e la regione di concentrazione 23 ed ha almeno una porzione (porzione rappresentata) che si estende in una seconda direzione trasversale, in particolare perpendicolare alla striscia magnetoresistiva 21. La regione di concentrazione 23 à ̈ di materiale ferromagnetico, ad esempio di materiale ferromagnetico dolce ("soft"), in particolare isotropo, quale permalloy o altro materiale a base di cobalto-ferro (quale cobalto-ferro-silicio-boro (CoFeSiB) o cobaltoferro-silicio-molibdeno o -niobio), tale da avere coercività Hc prossima a zero (per avere un elevato effetto di concentramento) e permeabilità più alta possibile (per avere un elevato effetto di schermatura). In alternativa, à ̈ possibile utilizzare un materiale magnetico duro ("hard") in grado di mantenere la magnetizzazione. In questo caso, la regione di concentrazione 23 potrebbe essere magnetizzata solo molto di rado con una corrente molto alta e utilizzare la magnetizzazione permanente ottenuta per magnetizzare la striscia magnetoresistiva 21.
Nella forma di realizzazione mostrata, la regione di concentrazione 23 si estende al di sopra della striscia magnetoresistiva 21 e della bobina di set/reset 22 ed ha forma anch'essa allungata nella stessa direzione dell'easy axis EA.
Grazie alla presenza della regione di concentrazione 23, disposta verticalmente al di sopra o al di sotto della striscia magnetoresistiva 21 e con la bobina di set/reset interposta fra di esse, durante la fase di set/reset, quando la bobina di set/reset 22 viene alimentata con una corrente I, essa genera un campo magnetico B che viene concentrato nella striscia magnetoresistiva 21 e nella regione di concentrazione 23. In questo modo, la regione di concentrazione 23 concorre, insieme alla striscia magnetoresistiva 21, ad addensare e concentrare le linee di flusso del campo magnetico B, determinando un aumento dell'ampiezza del campo magnetico B pilotato sulla striscia magnetoresistiva 21 rispetto ad un sensore magnetoresistivo non dotato della regione di concentrazione 23.
Inoltre, in condizioni operative, ovvero in fase di rilevamento di campi magnetici esterni, la regione di concentrazione 23 forma uno schermo per la striscia magnetoresistiva 21 nei confronti di campi magnetici interferenti o di disturbo nella direzione dell'easy axis EA, senza influenzare la sensibilità del sensore magnetoresistivo 20 nella direzione di sensibilità , perpendicolare all'easy axis EA stesso.
Per incrementare l'effetto di addensamento e concentrazione delle linee di flusso del campo magnetico generato dalla bobina di set/reset 22 durante la fase di rinfresco, secondo un ulteriore aspetto, la regione di concentrazione 23, oltre ad essere allungata parallelamente all'easy axis, viene realizzata con un rapporto geometrico lunghezza/larghezza elevato. Ad esempio, il rapporto lunghezza/larghezza della regione di concentrazione 23 può essere di almeno 5 (in altre parole, la lunghezza della regione di concentrazione 23, in direzione parallela all'asse X, à ̈ almeno 5 volte maggiore della sua larghezza, in direzione parallela all'asse Y). Ad esempio, nel caso di regioni di concentrazione 23 di larghezza pari a 30 µm, esse possono avere lunghezza di almeno 200 µm. La presenza di una o più regioni di concentrazione 23 allineate nella direzione dell'easy axis del magnetoresistore 21 consente un ulteriore aumento dell’effetto schermante di quest'ultimo nei confronti di campi magnetici esterni diretti lungo l'asse perpendicolare all'easy axis EA.
Secondo un altro aspetto, la larghezza della regione di concentrazione 23 (in direzione perpendicolare a quella dell'easy axis EA) à ̈ inferiore a quella della striscia magnetoresistiva 24, e, qualora il processo tecnologico lo consenta, à ̈ possibile disegnare due o più regioni di concentrazione 23 al di sopra del magnetoresistore 21.
Le figure 7, 8 e 9 mostrano una forma di realizzazione di un sensore magnetoresistivo 30 formato da quattro magnetoresistori 21, ad esempio collegati a ponte come mostrato in fig. 3.
In dettaglio, nell'esempio mostrato, le strisce magnetoresistive 24 dei magnetoresistori 21 si estendono parallelamente fra loro e all'asse Y, sono complanari fra loro e disposte a coppie in modo che le strisce magnetoresistive 24 di ciascuna coppia sono disposte affiancate fra loro lungo l'asse X e le strisce magnetoresistive 24 di una coppia sono allineate alle strisce magnetoresistive 24 dell'altra coppia, in direzione parallela all'asse Y. Inoltre, le strisce magnetoresistive 24 sono qui dotate di barber poles 33 orientati simmetricamente agli assi X e Y.
La bobina di set/reset 22 presenta almeno due tratti 34a, 34b (qui, due coppie), fra loro paralleli, ciascuno diretto parallelamente all'asse X in modo che, in vista dall'alto, ciascuno incrocia trasversalmente una rispettiva coppia di strisce magnetoresistive 24.
A loro volta, le regioni di concentrazione 23 (qui, due per ogni magnetoresistore 21) sono dirette parallelamente e verticalmente allineate alle rispettive strisce magnetoresistive 21.
Come si nota in particolare nelle sezioni delle figg.
8 e 9, i magnetoresistori 21, la bobina di set/reset 22 e le regioni di concentrazione 23 sono formate in una piastrina 31 avente un substrato 35 ed uno strato isolante 36 sovrastante il substrato 35. Qui, le strisce magnetoresistive 24 e relativi barber poles 33 sono formate al di sopra del substrato 35; la bobina di set/reset 22 à ̈ formata al di sopra delle strisce magnetoresistive 24 in uno o più livelli di metallizzazione (analogamente a quanto mostrato in fig. 5) e le regioni di concentrazione 23 sono disposte al di sopra della bobina di set/reset 22. Tuttavia, qualora fosse preferibile dal punto di vista del processo tecnologico o per altri motivi, le strisce magnetoresistive 24 possono essere realizzate al di sopra della bobina di set/reset 22 e le regioni di concentrazione 23 essere realizzate al di sotto della bobina di set/reset 22.
Le figg. 10 e 11 mostrano una forma di realizzazione di un sensore magnetoresistivo 40 avente elementi di chiusura del campo magnetico. Qui, gli elementi di chiusura sono formati da vie magnetiche 45 che si estendono fra le estremità delle regioni di concentrazione 23 e le estremità delle rispettive strisce magnetoresistive 24. In pratica, ogni striscia magnetoresistiva 24 e la/le rispettiva/e regione/i di concentrazione 23 hanno sostanzialmente la stessa lunghezza e sono collegate dalle vie magnetiche 35 che si estendono verticalmente attraverso la regione isolante 36, formando quindi un rispettivo circuito magnetico che circonda completamente i tratti 34a o 34b della bobina di set/reset 22 (si veda la fig. 11). Si noti che il sensore magnetoresistivo 40 ha sezione trasversale passante longitudinalmente ai tratti 34a, 34b della bobina di set/reset 22 uguale alla sezione trasversale mostrata in fig. 8 per il sensore magnetoresistivo 30.
Con questa soluzione, si ottiene un percorso chiuso per le linee di flusso del campo magnetico attraverso le vie magnetiche 35, che consente di ridurre ulteriormente la dispersione delle stesse linee di flusso in aria e di massimizzare la concentrazione del campo magnetico nei magnetoresistori 20. In questo modo, Ã ̈ possibile ottenere un'ulteriore riduzione della corrente richiesta per l'operazione di set/reset.
In questo modo, il sensore magnetoresistivo descritto presenta minore consumo di corrente e/o dimensioni ridotte. Inoltre, esso à ̈ in grado di schermare campi magnetici interferenti nella direzione di magnetizzazione, senza ridurre la sensibilità nella direzione di rilevamento.
Risulta infine chiaro che al sensore magnetoresistivo qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Claims (8)
- RIVENDICAZIONI 1. Sensore magnetoresistivo integrato (20; 30; 40) di tipo AMR, comprendente: un magnetoresistore (21) includente una striscia magnetoresistiva (24) di forma allungata ed avente una direzione di magnetizzazione preferenziale (EA); una bobina di set/reset (22) avente un tratto (34a, 34b) estendentesi trasversalmente alla striscia magnetoresistiva; e una regione di concentrazione (23) di materiale ferromagnetico, in cui la striscia magnetoresistiva (24) e la regione di concentrazione (23) si estendono su lati opposti del tratto (34a, 34b) della bobina di set/reset (22).
- 2. Sensore magnetoresistivo secondo la rivendicazione 1, in cui la regione di concentrazione (23) Ã ̈ di materiale ferromagnetico dolce, quale permalloy o altro materiale a base di cobalto-ferro-boro o permalloy, oppure di materiale magnetico duro.
- 3. Sensore magnetoresistivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione di concentrazione (23) ha forma allungata, diretta parallelamente alla striscia magnetoresistiva (24).
- 4. Sensore magnetoresistivo secondo la rivendicazione 3, comprendente inoltre una coppia di vie magnetiche (35) estendentisi fra porzioni di estremità della striscia magnetoresistiva (24) e della regione di concentrazione 23 e circondanti lateralmente il tratto (34a, 34b) della bobina di set/reset (22), la striscia magnetoresistiva (24), la regione di concentrazione (23) e le vie magnetiche (35) formando un circuito magnetico chiuso.
- 5. Sensore magnetoresistivo secondo la rivendicazione 3 o 4, realizzato in una regione isolante (36) sovrapposta ad un substrato di materiale semiconduttore (35), in cui il tratto della bobina di set/reset si estende al di sopra della striscia magnetoresistiva (24) e la regione di concentrazione (23) si estende al di sopra del tratto (34a, 34b) della bobina di set/reset (22).
- 6. Sensore magnetoresistivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 3-5, in cui la regione di concentrazione (23) comprende una pluralità di strisce di concentrazione (23) estendentisi al di sopra della striscia magnetoresistiva (24), parallelamente fra loro e alla striscia magnetoresistiva.
- 7. Sensore integrato di tipo AMR, comprendente due coppie di magnetoresistori (21) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ciascun magnetoresistore comprendendo almeno una rispettiva striscia magnetoresistiva (24); due coppie di regioni di concentrazione (23), ogni regione di concentrazione estendendosi al di sopra o al di sotto di una rispettiva striscia magnetoresistiva; e una singola bobina di set/reset (22) interposta verticalmente fra le coppie di magnetoresistori (21) e le rispettive regioni di concentrazione (23).
- 8. Sensore integrato secondo la rivendicazione 7, in cui: le strisce magnetoresistive (24) delle coppie di magnetoresistori (21) sono complanari, si estendono parallelamente fra loro e sono collegate a ponte; e la bobina di set/reset (22) ha un primo ed un secondo tratto (34a, 34b), paralleli fra loro e diretti trasversalmente rispetto alle strisce magnetoresistive (24) e alle regioni di concentrazione (23), il primo tratto della bobina (34a) di set/reset estendendosi verticalmente fra le strisce magnetoresistive (24) e le rispettive regioni di concentrazione (23) di una prima coppia di magnetoresistori e il secondo tratto (34b) della bobina di set/reset (22) estendendosi verticalmente fra le strisce magnetoresistive (24) e le rispettive regioni di concentrazione (24) di una seconda coppia di magnetoresistori.
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