该发明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 Tmmd 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 agnetoresistance), 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 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， 抗千扰能力强的 优点， 此外， MTJ元件还能方便地集成到现有的芯片徵加工工 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； t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 MT f 或 GMR元件。 该方法制 作工艺复杂， 同时第二次工艺迸行退火^会明显影响第一次� �积的薄膜。 这使得前后两次成 膜的 ·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 ft层磁化方向相同）， 然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转 〗80° 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 ·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 18ίΤ 翻转， 即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差 18ίΓ , 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 ]¾将 MTJ 或 GMR晶圆在同一强磁场中退火来使不同桥臂的钉 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， 而实现 单一芯片的桥式传感器。 该方法需要专 ^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; t桥式传感器都存在整体性能无法保证， 生产成本高等缺 点。

本发明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 ΜΤ,ί元件、 AMR元件或 GMR元件， 每个磁电阻元件的两侧设置有用于对磁电阻 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 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， 该对永磁体具有产生均匀磁偏置场的形状。

优选地， 磁电阻元件之间相互平行排布。

优选地， 磁电阻元件的周围设置有 ffl于预设和校准输出偏移的通电线圈， 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 4是磁性自由层和磁性钉扎层的相对磁化方向� �输出图。

图 5是采用两块条形永磁体偏置自由层磁化方向� �设计示意图。 图 6是是采用永磁体和形状各向异性能偏置自由� �磁化方向的设计示意图。

图 7是一种锥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 10是敏感方向垂直于易轴方向的推挽桥设计及� ��输出的模拟结果。

图 Π是敏感方向平行于易轴方 ^的推挽桥设计及其输出的模拟结果。

图】2是通过通电线圈预设和校准自由层磁� �方向的设计示意图。

图 13是通过通电线圈预设和校准自由层磁化方向� ��推挽桥磁场传感器的布局图。

具体实施方式

下面结合附图 1 -】3 之一对本发明的较佳实施倒进行详细阐述， 以使本发明的优点和特征能 更易于被本领域的技术人员理解， 从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的 界定。

图 ： ί 是一个隧道结磁电阻 （MTJ) 元件的示意图。 一个标准的 ΜΉ元件 1 包括磁性自由层 6, 磁性釕 层 2 以及两个磁性层之间的遂道势垒层 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 在一个方向， 在一般条件不会发生改变。 磁性 T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 7之间的 测量电阻值 18代表磁性自由层 6和磁性 T扎层 2之间的相对磁化方向。

图 2是 ΜΤ,ί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 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^ 8 反平行时， 整个元件的测量电阻值 18 在高阻态 21。 通过己知的技术， MTJ元件 1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间� �性变化， 饱和场 - 和 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 ! νίΤ,ί磁电阻中， 每个 MTJ元件 1的偏置电压隨磁璲道结 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 4是磁性自由层和磁性钉钆层的相对磁化方向� �输出图。 如图所示， 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 ·敏感方向 9的外场作 用下， 不同角度 α的 MT f 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 ， 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 Ί转向相反的方向 一个磁性自由层的磁化方向 7 (如图 4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 ώ层的 磁化方向 Ί (如图 4虚线箭头所示） 远离磁性钉扎层的磁化方向 8 , 此^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� �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 6是是采用永磁体和形状各 ^异性能偏置自由层磁化方 ^的设†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^的结合。 磁电阻元件的形状通常 可以是矩形、 菱形或楠圆形， 形状各向异性能使自由层磁化方向趋向干磁电 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 ^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 sin Θ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� �� a , 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 Ί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 R 12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 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「 7 远离磁性钉 ¾层的磁化方向 8， 其阻值相应地增加， 在恒压 V _BIAS 的作 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^ I I 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 是一种锥挽全桥磁场传感器的设计意图。 如图所示， 磁电阻 R2 i、 R22、 R23、 R24 全 桥连接， 每个磁电阻的夹角 a大小相同， 磁性钉扎层的磁化方「 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 R2】、 R23的磁性自 ffl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 V _BiAS 的作用下， 输出端 VI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 R2:i 和 R23 的阻值由 R1变为 （R l+ A R) , 则相应的 R22和 R24的阻值由 R2变为 （R2- Δ Ϊ )， 则输出 为：

R2 + RI

( 1 ) 理想情况下， R】==R2> A R， 则化简后可得:

(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， 撒去外磁场后， 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 Ί和图 8所示的推挽桥传感器的磁性钉 ft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 串联起来伤 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 ώ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 10 是敏感方向垂直于易轴方向的推挽桥设 i 及其输出的模拟结果。 上方的两个输出图为 饱和场 50 Oe和 100 Oe的相邻位置的磁电阻的输出曲线， 下方的两个输出图为饱和场 50 Oe 和 100 Oe的全桥输出曲线。

图 1】 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。 上方的两个输出图为 饱和场 50 Oe和 100 Oe的相邻位置的磁电阻的输出曲线， T方的两个输出图为饱和场 50 Oe 和 100 ()e的全桥输出曲线。

通常在实际測量中， 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。 图 12 的设计是在磁电 阻元件的上方设置通电线圈 22, 利 ]¾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 5 u m， 与校准电流逆向的 导线线宽为 3 μ ηι, 导线间的间隙宽度为 2.5 μ ηι。

图 13 是通过通电线圈预设和校准自由层磁化方 ^的推挽桥磁场传感器的布局图。 如图所 示， 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弓 i脚上。 焊盘 24 为通电线圈的输入和输出端。

以上对本发明的特定实施^结合图示进行了� �明， 很明显， 在不离开本发明的范围和精神的 基础上， 可以对现有技术和工艺进行很多修改。 在本发明的所属技术领域中， 只要掌握通常 知识， 就可以在本发明的技术要旨范围内， 进行多种多样的变更。