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CN102590768B - 一种磁电阻磁场梯度传感器 - Google Patents

一种磁电阻磁场梯度传感器 Download PDF

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CN102590768B CN201210065925.5A CN201210065925A CN102590768B CN 102590768 B CN102590768 B CN 102590768B CN 201210065925 A CN201210065925 A CN 201210065925A CN 102590768 B CN102590768 B CN 102590768B
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刘明峰
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Abstract

本发明公开了一种磁电阻磁场梯度传感器，它包括基片、分别设置在基片上的磁电阻电桥和永磁体，所述磁电阻电桥包括两个或两个以上的磁电阻臂，所述磁电阻臂由一个或多个磁电阻元件构成，该磁电阻元件具有磁性钉扎层，且所有磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同，所述永磁体设置在每个磁电阻臂的附近用于提供偏置场并使磁电阻元件的响应曲线的偏移归零，该磁电阻磁场梯度传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC或引线框的封装引脚上。

Description

一种磁电阻磁场梯度传感器
技术领域
本发明涉及一种磁电阻磁场梯度传感器，尤其是一种采用MTJ磁电阻为敏感元件的磁场梯度传感器。
背景技术
 磁传感器广泛用于现代电子系统中以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔元件，各向异性磁电阻（AMR）或巨磁电阻（GMR）为敏感元件的磁传感器。
以霍尔元件为敏感元件的磁传感器灵敏度非常低，通常使用聚磁环结构来放大磁场，提高霍尔输出灵敏度，从而增加了传感器的体积和重量，同时霍尔元件具有功耗大，线性度差的缺陷。AMR元件虽然灵敏度比霍尔元件高很多，但是其线性范围窄，同时以AMR为敏感元件的磁传感器需要设置set/reset线圈对其进行预设-复位操作，造成其制造工艺的复杂，线圈结构的设置在增加尺寸的同时也增加了功耗。以GMR元件为敏感元件的磁传感器较之霍尔传感器有更高的灵敏度，但是其线性范围偏低，同时， GMR元件的响应曲线呈偶对称，只能测量单极性的磁场梯度，不能测量双极性磁场梯度。
隧道结磁电阻（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（TMR, Tunnel Magnetoresistance）对磁场进行感应，比之前所发现并实际应用的AMR元件和GMR元件具有更大的电阻变化率。MTJ元件相对于霍尔元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度，不需要额外的聚磁环结构；相对于AMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更宽的线性范围，不需要额外的set/reset线圈结构；相对于GMR元件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更宽的线性范围。
虽然MTJ元件具有极高的灵敏度，但是以MTJ元件为敏感元件的磁传感器在微弱磁场探测时会受到外界磁场的干扰，同时高灵敏度的MTJ传感器并没有实现低成本大规模生产，特别是传感器的成品率取决于MTJ元件磁阻输出的偏移值，构成电桥的MTJ元件的磁阻很难达到高的匹配度，同时MTJ传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂。
发明内容
 针对上述问题，本发明提供了一种以MTJ元件为敏感元件的磁场梯度传感器，具有抗外磁场干扰能力强，磁场共模抑制比高，灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。
本发明公开了一种磁电阻磁场梯度传感器，它包括基片、分别设置在基片上的磁电阻电桥和永磁体，所述磁电阻电桥包括两个或两个以上的磁电阻臂，所述磁电阻臂由一个或多个磁电阻元件构成，该磁电阻元件具有磁性钉扎层，且所有磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同，所述永磁体设置在每个磁电阻臂的附近用于提供偏置场并使磁电阻元件的响应曲线的偏移归零，该磁电阻磁场梯度传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC或引线框的封装引脚上。
优选地，所述磁电阻元件为MTJ元件。
优选地，所述的磁电阻元件具有形状各向异性的形状。
优选地，所述磁电阻元件在同一基片上采用同一工序制备，具有相同的形状和电阻值。
优选地，所述磁电阻电桥为梯度半桥。
优选地，所述磁电阻电桥为惠斯通全桥，惠斯通全桥的磁电阻桥臂的灵敏度方向相同，以检测空间的梯度磁场，惠斯通全桥结构中处于相对位置的桥臂电阻处于梯度磁场的同一位置，惠斯通全桥结构中处于相邻位置的桥臂电阻处于梯度磁场的不同位置。
优选地，对永磁体充磁以调节该永磁体的磁化强度和方向以调节磁电阻磁场梯度传感器的输出性能。
优选地，所述磁电阻磁场梯度传感器为单一芯片磁电阻磁场梯度传感器。
本发明采用以上结构，具有抗外磁场干扰能力强，磁场共模抑制比高，灵敏度高，线性范围宽，功耗低，体积小，温度特性好的优点。
附图说明
图1是隧道结磁电阻元件（MTJ）的示意图。
图2是适用于线性磁场测量的MTJ元件的磁阻变化响应图。
图3是多个MTJ元件串联而形成一个等效MTJ磁电阻20的示意图。
图4是MTJ元件1与片上永磁体22摆放位置示意图。
图5是图4所示的永磁体22和MTJ元件1的截面图，图中描绘了一组偏置磁体的磁感线分布图。
图6是通过设置永磁体22和敏感轴23的夹角来控制MTJ元件响应的偏移和饱和场强度的示意图。
图7是半桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的结构示意图。
图8是半桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的输出测量图。
图9是全桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的原理示意图。
图10是全桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的结构示意图。
图11是全桥型MTJ磁电阻梯度磁场传感器的输出测量图。
具体实施方式
 图1是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件1一般包括上层的铁磁层或人工反铁磁层（Synthetic Antiferromagnetic, SAF）5，以及下层的铁磁层或SAF层3，两个磁性层之间的隧道势垒层4。在这种结构中，上层的铁磁层（SAF层）5组成了磁性自由层，其磁矩方向7随外部磁场的改变而变化。下层的铁磁层（SAF层）3是一个固定的磁性层，因为其磁矩方向8是被钉扎在一个方向，在一般条件下是不会改变的，通常铁磁层（SAF层）3也被称为被钉扎层。钉扎层通常是在反铁磁性层2的上方或下方沉积铁磁层或SAF层。MTJ结构通常是沉积在导电的底电极层9的上方，同时MTJ结构的上方为顶电极层6。MTJ的底电极层9和顶电极层6之间的测量电阻值12代表自由层5和钉扎层3的相对磁矩方向。当上层的铁磁层（SAF层）5的磁矩7方向与下层的铁磁层3的磁矩方向8平行时，整个元件的电阻12在低阻态。当上层的铁磁层（SAF层）5的磁矩方向与下层的铁磁层3的磁矩方向反平行时，整个元件的电阻11在高阻态。通过已知的技术，MTJ元件1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化。
底电极层9和顶电极层6直接与相关的反铁磁层2和磁性自由层5电接触。电极层通常采用非磁性导电材料，能够携带电流输入欧姆计34。欧姆计34适用于已知的穿过整个隧道结的电流，并对电流（或电压）进行测量。通常情况下，隧道势垒层4提供了器件的大多数电阻，约为1000欧姆，而所有导体的阻值约为10欧姆。底电极层9位于绝缘基片10上方，绝缘基片10要比底电极层9要宽，其位于其他材料构成的底基片11的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐热玻璃、GaAs、AlTiC或者是能够于晶圆集成的任何其他材料。硅由于其易于加工为集成电路（尽管磁性传感器不总是需要这种电路）成为最好的选择。
适合线性磁场测量的GMR或MTJ元件的响应图如图2所示。响应曲线13在低阻态14和高阻态15饱和，RL和RH分别代表低阻态和高阻态的阻值。响应曲线13在饱和场之间的区域是随外场（H）19线性变化的。外场19平行于传感元件的敏感轴23。被钉扎层3的磁矩8与敏感轴23反平行意味着其指向-H的方向。当自由层5的磁矩7与被钉扎层3的磁矩8反平行时，磁电阻元件的响应曲线13为最大值RH，当两者平行时，为最小值RL。磁电阻响应曲线13的中间值随自由层5和被钉扎层3之间的角度的变化而变化。响应曲线13不是沿H=0的点对称的。饱和场17、18是沿着HO点16典型的偏移场，因此RL值对应的饱和场更接近H=0的点。HO值通常被称为“橘子皮效应（Orange Peel）”或“奈尔耦合（Neel Coupling）”场，其典型值为1到40 Oe。其与磁电阻元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。
如图2所示的响应曲线在饱和场17和18之间的区域的工作状态可以近似为方程：
,                               (1)
其中，HS是饱和场。HS被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值，该值是在响应曲线相对于HO点的不对称性消除的情况下所取的。
图2所示的是在理想情况下的响应曲线13。在理想状态下，磁电阻R随外场H的变化是完美的线性关系，同时没有磁滞（在实际情况下，磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象，我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路，通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小，在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线）。在现实应用的传感器领域，由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷，这条曲线13会更弯曲。
由于尺寸小，MTJ元件1能够连接成一个等效的MTJ磁电阻20以增加灵敏度，噪声减少至1/F（F为串联的MTJ元件1的个数），同时可以提高其ESD性能，其实施方式见图3。这些MTJ元件串20被用来作为更为复杂的电路结构的磁电阻臂。MTJ元件1在底电极9和顶电极6层中间成三明治结构，内部的电流21垂直通过MTJ元件1水平方向交替流过顶电极层6和底电极层9。底电极9在绝缘层10的上方，而绝缘层10位于底基片11上。在每个元件串的末端是焊盘，也就是电阻臂和其他元件或欧姆表34连接的地方或者可以通过其和芯片上其他电路的部件连接而没有任何其他的连接方式。在通常情况下电流流动的方向并不对磁电阻臂20的有效阻值产生影响，MTJ元件串20的电阻值是可以根据MTJ元件1的个数设置和调整。
电桥是用来将磁电阻传感器的电阻值变化转化为的电压信号，使其输出电压便于被放大。这可以改变信号的噪声，取消共模信号，减少温漂或其他的不足。上述的MTJ元件串20可以连接构成电桥。
如图4所示，MTJ元件1安置在两个永磁体22之间。永磁体22之间具有间隙（Gap）38，宽度（W）39，厚度（t）40和长度（Ly）41。永磁体22被设计为提供一个垂直于梯度计敏感轴23的偏置场Hcross27。通过施加一个大磁场对永磁体22充磁，最终永磁体22周围的磁场分布43如图5所示。
永磁体22的磁场被认为是在如图6所示的磁体的边缘35之间形成的磁荷和磁矩边界条件作用的结果。磁荷大小随着剩磁Mr的大小和方向θmag37进行变化，并且与永磁体的倾斜角θsns44相关：
Figure 102369DEST_PATH_IMAGE002
                                          (2)
磁荷产生的磁场为：
                                        (3)
当θmag = θref = π/2时，MTJ元件1的中心磁场强度为剩磁Mr的函数：
Figure 235858DEST_PATH_IMAGE004
(4)
公式(4)是图4所示的W39和Gap38的函数，该函数表示可以通过改变磁体22的形状维度维度以及方向而改变永磁体在MTJ元件位置产生的磁场，进而改变MTJ元件1的饱和场。
则垂直于MTJ元件的灵敏度方向23，永磁体22为MTJ元件所加的磁场为
Figure 223406DEST_PATH_IMAGE005
                                          （  5）
沿MTJ元件灵敏度方向23，永磁体22所加的磁场为
Figure 447714DEST_PATH_IMAGE006
                              (6)
从以上可以看出，可以通过调节永磁体的厚度，形状和角度θmag ，从而改变Hoff，用以补偿MTJ元件本身的奈耳耦合场Ho，以使输出特性更易于应用并获得更好的性能。另一方面，也可以调节Hcross ，从而改变MTJ元件输出特性的饱和场，并相应的调节其灵敏度。
通过设置永磁体22和敏感轴23的夹角θmag37，可以同时产生Hcross27和偏移场Hoff26，可以设定MTJ元件的饱和场，同时消除奈尔耦合偏移，使MTJ元件的响应曲线归零，该方法是为了优化电桥输出的对称性、奈尔偏移和灵敏度。此外，设置剩磁Mr和敏感轴23的夹角θmag37是为了在梯度计芯片制备以后，可以提供一个微调装置能够最小化偏移值或对称性，这种方法可以提高产品优率。
MTJ元件1通常采用具有形状各向异性的形状以提供形状各向异性能，并等效于一等效各向异性场Hk。常用的形状为长椭圆，长矩形，长菱形等。对于MTJ元件1，其饱和场Hs为：
Figure 774790DEST_PATH_IMAGE007
,                                                 (7)
单个MTJ元件的磁电阻响应方程为公式（1）所示，则其灵敏度为：
Figure 385374DEST_PATH_IMAGE008
,                               (8)
即可以通过改变永磁体和MTJ元件的形状来改变MTJ元件的响应特性。
图7是半桥型MTJ梯度磁场传感器的结构示意图。如图7所示，相同敏感方向放置的MTJ磁电阻R1、R2构成一半桥，磁电阻在基片10、11上制备且具有基片上的电触点，可通过其实现其电联。目前有很多种方式连接磁电阻和电桥的外接焊盘。典型的连接结构包括：芯片集成连接、引线键合以及焊球连接。MTJ磁电阻20周围是倾斜设置的永磁体22，在焊盘28和焊盘29两端输入稳恒电压Vbias，外场H顺着敏感轴23的方向呈梯度变化，沿着磁感线方向不同位置两个MTJ磁电阻R1和R2的阻值变化不同，箭头8代表两个MTJ磁电阻20被钉扎层3的磁矩方向，焊盘30为输出端VOUT。通常情况下在同一基片上制备的MTJ磁电阻20的阻值近乎相同，不可能完全相同，存在一定的差异，两个MTJ磁电阻的阻值分别用R1和R2代替，其所处的磁场场强分别为H1和H2，而H1和H2可分解为：
Figure 797900DEST_PATH_IMAGE009
,
Figure 560320DEST_PATH_IMAGE010
,                                  (9)
其中，
Figure 804220DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 259472DEST_PATH_IMAGE012
,                                   (10)
其中HCM，HdM分别称为共模外磁场和差模外磁场。
在理想情况下，R1=R2，SR1=SR2，即MTJ磁电阻R1和R2的一致性相同，给半桥加一电压Vbias，则对于共模磁场HCM，半桥输出端VOUT30的电压为：
Figure 972344DEST_PATH_IMAGE013
,                          (11)
取Vbias = 1V ，则其共模磁场灵敏度SCM = dV1/dHCM =0
其输出不随HCM变化，即梯度半桥对外场不敏感，可以防止外磁场的干扰。
对于差模磁场HCM，则有：
Figure 538455DEST_PATH_IMAGE014
,                      (12)
理想情况下，R1=R2，SR1=SR2，则有：
,                                            (13)
可以看出，该半桥梯度计对的输出随差模外磁场HdM的变化而变化，取Vbias=1V，则其灵敏度为，
Figure 263014DEST_PATH_IMAGE016
,                                             (14)
由上式可以看出，梯度半桥只对差模磁场产生响应，并输出信号，同时具有良好的抗外场干扰能力，梯度半桥的典型输出的测量结果如图8所示，其中与普通半桥不同的是，横轴为梯度磁场，磁场是一个梯度场，顺着磁感线方向磁场的强度是衰减的，位于梯度磁场不同位置的磁电阻（如R1和R2）的外场强度H1和H2是不同的。
由于R1和R2存在微小差异，同时SR1和SR2存在微小差异，使得实际应用当中的梯度半桥传感器对共模磁场HCM存在一定的响应，但其对共模磁场的响应灵敏度远低于差模磁场，其对外场的干扰的能力可用共模抑制比CMRR表示：
Figure 650133DEST_PATH_IMAGE017
,                                             (15)
根据工艺能力，通常可达40dB或以上。
图9是全桥型MTJ梯度磁场传感器的概念图，而图10是全桥型MTJ梯度磁场传感器的结构示意图。如图9所示，敏感方向相同的MTJ磁电阻R1、R2、R3、R4构成一全桥，磁电阻在基片10、11上制备且具有基片上的电触点，可通过其实现其电联。目前有很多种方式连接磁电阻和电桥的外接焊盘。典型的连接结构包括：芯片集成连接、引线键合以及焊球连接。如图10所示，惠斯通全桥结构中处于相对位置的桥臂电阻R1和R4处于梯度磁场的同一位置，惠斯通全桥结构中处于相对位置的R2和R3处于梯度磁场同一位置，所有桥臂电阻的灵敏度方向相同，MTJ磁电阻20周围是倾斜设置的永磁体22，在焊盘28和焊盘29两端输入稳恒电压Vbias，外场H顺着敏感轴23的方向呈梯度变化，沿着磁感线方向不同位置两个MTJ磁电阻R1和R2（R3和R4）的阻值变化不同，箭头8代表四个MTJ磁电阻20的被钉扎层3的磁矩方向，输出端焊盘32和33之间的电压差（V2-V1）为输出电压VOUT。
在理想情况下，梯度全桥的VOUT对共模磁场HdM没有响应，对于差模磁场，则有：
,                                  (16)
,                      (17)
理想情况下，R1=R2=R3=R4，SR1=SR2=SR3=SR4=SR则有：
Figure 19169DEST_PATH_IMAGE020
,                                       (18)
其中，R为MTJ磁电阻20的阻值，SR为MTJ磁电阻20的灵敏度。可以看出全桥型梯度计与半桥型梯度计具有相同的抑制共模外场干扰能力，同时其输出灵敏度为半桥型梯度计的两倍，梯度全桥的典型输出测量结果如图11所示。
上述的半桥和全桥型梯度计可以在同一基片上采用相同的工艺一次性制备而成，我们通常称之为单一芯片磁电阻磁场梯度传感器。也可以采用不同芯片封装，在同一基片上采用相同的工艺制备n个磁电阻，然后将单个磁电阻芯片切割加工之后通过引线连接磁电阻的电触点实现电连，构成半桥或全桥结构。无论是单一芯片封装还是多芯片封装的梯度计，其外接焊盘可以连接到ASIC（Application Specific Integrated Circuit, 专用集成电路）或引线框的封装引脚上。
以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，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。

Claims (8)

1.一种磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：它包括基片、分别设置在基片上的磁电阻电桥和永磁体，所述磁电阻电桥包括两个或两个以上的磁电阻臂，所述磁电阻臂由一个或多个磁电阻元件构成，该磁电阻元件具有磁性钉扎层，且所有磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同，所述永磁体设置在每个磁电阻臂的附近用于提供偏置场并使磁电阻元件的响应曲线的偏移归零，该磁电阻磁场梯度传感器的焊盘可以通过引线连接到ASIC或引线框的封装引脚上。
2.根据权利要求1所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：所述磁电阻元件为MTJ元件。
3.根据权利要求2所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：所述的磁电阻元件具有形状各向异性的形状。
4.如权利要求3所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：所述磁电阻元件在同一基片上采用同一工序制备，具有相同的形状和电阻值。
5.根据权利要求1所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：所述磁电阻电桥为梯度半桥。
6.根据权利要求1所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：所述磁电阻电桥为惠斯通全桥，惠斯通全桥的磁电阻桥臂的灵敏度方向相同，以检测空间的梯度磁场，惠斯通全桥结构中处于相对位置的桥臂电阻处于梯度磁场的同一位置，惠斯通全桥结构中处于相邻位置的桥臂电阻处于梯度磁场的不同位置。
7.根据权利要求1所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：对永磁体充磁以调节该永磁体的磁化强度和方向以调节磁电阻磁场梯度传感器的输出性能。
8.根据权利要求1所述的磁电阻磁场梯度传感器，其特征在于：所述磁电阻磁场梯度传感器为单一芯片磁电阻磁场梯度传感器。
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