CN103926543A - 基于磁电阻技术的磁头 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于磁电阻技术的磁头，其包括至少一个或多个磁场感应方向相同的传感单元以及输出引针；所述传感单元用以检测磁性介质的漏磁场；所述输出引针的输入端和输出端分别与所述传感器的相应端口电连接，用以将传感器与***连接；所述传感单元的敏感元件为巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，所述巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构，所述纳米级多层膜结构至少包含自由层、非磁性层以及钉扎层三层纳米级薄膜。传感器具有高灵敏度，高精度，小体积，高性噪比，抗干扰能力强的特点，实现了非接触测量且能够内置于移动终端中，适用于移动支付并有效地解决了JitterShift现象，适用于工业化大规模生产。

Description

基于磁电阻技术的磁头

技术领域

本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种用于识别如磁卡、保密纸、票据以及支票等介质磁性的传感器。

背景技术

日常生活中，磁性介质广泛应用于磁卡、保密纸、支票等领域。以磁卡为例，其记录介质具有以下特点：(1)磁性信号随着距离的衰减非常剧烈；(2)具有多个磁记录条，且需要信息加密；同时，由于现代生活和工作中对该类传感器提出了新的要求，即移动支付，要求传感器内置于如手机等移动终端中。针对以上特点，用于识别介质磁性介质的传感器需要具有以下特点：(1)高灵敏度、高精度、高信噪比、体积小和抗干扰能力强以适用于磁性介质的信号测量以及移动设备中复杂的干扰信号；(2)体积要足够小从而可以集成解码和加密芯片并可以内置于移动设备中；(3)功耗要足够低以适用于移动设备的要求；(4)需要非接触式检测（即传感器距离检测面有一定距离）以适用于移动支付。

以POS机磁头为例，现有的磁性介质识别类传感器的结构为：

(1)     采用单个电感线圈或多个电感线圈阵列为敏感元件，灵敏度和精度非常低，不具备抗干扰能力，且功耗大，体积很大无法内置于移动设备中；

(2)     测量时必须紧密贴近磁卡使用，不能非接触使用。

从上述可以看出，现有的传感器无法满足现代生活和工作的需要。

目前磁性传感器的敏感元件有除电感线圈外，还有霍尔元件以及各向异性磁电阻元件。霍尔元件的灵敏度非常低，且体积大，但是难以实现轻薄化且由于本身的物理性能差导致其测量精度也很低。在磁卡的应用中，磁性介质的漏磁场在介质表面是比较强的，而各项异性磁电阻的饱和场（即工作场）非常低，因此磁介质的漏磁场很容易使各向异性磁电阻元件饱和，故使其无法成为介质识别类传感器的敏感元件。

近年来，以巨磁电阻元件（Giant Magneto-resistance, GMR）和磁性隧道结元件（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）为代表的磁电阻式传感元件较之现有的传感元件具有更小的体积，更高的精度和灵敏度，更好的温度特性以及高信噪比，由于该技术被集中应用在信息存储技术领域中，在其它领域的应用还处于探索和小规模生产阶段，未能实现工业化大规模生产，同时在实际研发中，由于传感器和磁性介质之间距离的提升，会出现Jitter Shift现象，使输出信号严重失真。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺点提供一种具有高灵敏度，高精度，小体积，高性噪比，抗干扰能力强的识别磁性介质的传感器。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：其包括至少一个或多个磁场感应方向相同的传感单元以及输出引针；

所述传感单元用以检测磁性介质的漏磁场；

所述输出引针的输入端和输出端分别与所述传感器的相应端口电连接，用以将传感器与***连接；

所述传感单元的敏感元件为巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，所述巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构，所述纳米级多层膜结构至少包含自由层、非磁性层以及钉扎层三层纳米级薄膜。

其进一步特征在于：所述传感单元为单电阻、半桥或全桥结构。

进一步的：所述半桥为推挽半桥、参考半桥或梯度半桥，所述全桥为推挽全桥、参考全桥或梯度全桥。

上述半桥、全桥的每个桥臂由一个或多个磁场敏感方向相同的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件组成。

上述梯度全桥和梯度半桥结构的所有桥臂的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁场敏感方向相同，并且全桥中相对位置的两个桥臂位于空间中的同一位置，相邻位置的两个桥臂位于空间中的不同位置。

其进一步特征还在于：所述传感器还包括电路模块，所述电路模块的输入输出端分别与传感单元以及输出引针的相应端口电连接，所述电路模块含有信号放大单元、降噪单元和解码单元。

上述电路模块还包含防静电单元。

上述电路模块还可以包含加密单元用于加密输出信号。

上述电路模块为集成电路芯片，其输入端和输出端通过印刷线路板与传感单元的相应端口电连接。

其进一步特征还有：所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件附近设置有软磁体。

以上所述传感器包括支架，所述支架为非永磁材料，用以支撑所述传感器的所有部件。

上述传感器包括外壳，所述外壳为非永磁材料，包覆于所述支架的外部，用以保护置于支架内的所述传感器的所有部件。

本发明是一种采用巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁性介质识别传感器，该传感器具有高灵敏度，高精度，小体积，高性噪比，抗干扰能力强的特点，实现了非接触测量且能够内置于移动终端中，适用于移动支付并有效地解决了研发过程中遇到的Jitter Shift现象，适用于工业化大规模生产。

附图说明

图1是基于磁电阻技术的磁头的侧视图。

图2是采用多个传感单元的基于磁电阻技术的磁头的俯视图。

图3是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意图。

图4是巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的输出曲线示意图。

图5是多个磁性隧道结元件的串联示意图。

图6是多个巨磁电阻元件的串联示意图。

图7是是半桥式传感单元的电连接示意图。

图8是半桥式传感单元的输出曲线示意图。

图9是全桥式传感单元的电连接示意图。

图10是全桥式传感单元的输出曲线示意图。

图11是梯度全桥式传感单元的磁电阻的物理位置图。

图12是多个传感单元的感应部分的电连接示意图。

图13是在磁性隧道结（巨磁电阻元件）附近设置软磁体的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。

图1是本实施例提供的基于磁电阻技术的磁头的侧视图，包括传感单元11、电路模块12、外壳13、输出引针14、支架（图中未示出）以及印刷线路板15。传感单元11和电路模块12为芯片式，通过印刷线路板15将之对应的输出端和输入端电连接。传感单元11用以检测磁性介质21的漏磁场32，其磁场敏感方向为1。传感单元11的输出信号通过电路模块12处理后通过输出引针14传递至***使用。输出引针14在本文中为一概念性描述，其为传感器和***的连接单元，其与传感器相对应的输出端口和输入端口电连接，***通过输出引针的输出端口接受数据，通过其输入端口给传感器供电。外壳13的主要作用是用于支撑容置其内的传感器部件，对材料限制不大，非硬磁材料即可。传感单元11的输入端和输出端分别与电路模块12上的相应端口电连接，输出引针14的相应端口与电路模块12的相应端口电连接，使得***通过输出引针14与传感器的输入端和输出端导通。

上述中的输入端和输出端为概念性描述，以传感单元为例，通过下面的详细阐述可以知道输入端具有V_bias和GND两个端口；对于单电阻或半桥，输出端具有V_OUT和V_bias（或GND）两个端口；对于全桥则有V+和V-两个端口。

所述传感器可以是单路的，即只含有一个传感单元，也可以是含有多个传感单元（11a、11b……11n）的多路传感器，如图2所示，其中电路模块、印刷线路板以及输出引针未在图中标示。

本实施例中所述的支架是一种异形结构件，支架（图中未示）的形状和尺寸分别与传感器的所有部件（包括一个或多个传感单元11、电路模块12、外壳13以及印刷线路板15）的形状和尺寸匹配，且支架的外边缘与外壳13的内表面紧密接触，用于固定传感单元11和电路模块12。支架还设有通孔，该通孔的位置和尺寸分别与输出引针14的位置和尺寸匹配，使得输出引针14能够穿过支架的通孔。

由于传感单元11已经可以精确测量出磁性介质的漏磁场，其输出信号可以直接使用，因此电路模块12并不是必要的结构，其作用只是优化信号。若传感器结构中没有电路模块12，则输出引针14的输入和输出端直接和传感单元11的相应端口连接。通常电路模块12含有信号放大单元、降噪单元、解码（即模数转换）单元以及ESD（静电防护）单元（如果需要，该单元也不是必要的），如果输出信号需要加密，则电路模块具有加密单元。传感单元和电路模块连接后接入***使用。

上述的传感单元11和电路模块12的最优设置为将其设置于与磁性介质检测面平行的方向，即传感单元11的磁场敏感方向1平行于芯片表面。通常漏磁场沿介质平面方向上的分量较大，因此采用这种摆放方式可以增加测量距离，使传感器在测量中允许一定的抖动，同时可以使传感器更加轻薄化。

图3是巨磁电阻元件和磁性隧道结元件的结构示意图。如图所示，磁性隧道结元件（巨磁电阻元件）41由纳米级薄膜自由层51、非磁性层52以及钉扎层53构成，位于顶电极层56和底电极层55之间，且上述多层膜结构位于基底54上。对于巨磁电阻元件而言，顶电极层56和底电极层55也可位于元件两侧，则在这种情况下电极层56和55已经不是前述的位于上下位置的顶电极层和底电极层，而是与元件同层的导电层55（56）。自由层51由磁性材料构成，也可以是铁磁层-间隔层-铁磁层的结构（其中间隔层为非磁性金属材料构成，通常为Ru、Ta等），其磁矩61随外场变化；非磁性层52由非磁性材料构成，如果是巨磁电阻元件，则非磁性层52为金属材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道结元件，则为非金属材料，如AlOx、MgO等；钉扎层53的磁矩63不变，通常是铁磁层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。顶电极层56和底电极层55由金属导体材料组成，实际应用中可通过顶电极层56和底电极层55将多个元件串联或并联，或串并混合连接为一个等效电阻来使用，同时顶电极层56和底电极层55还包含引导晶格生长的帽子层和种子层。当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63平行时，元件的阻值R最小，为R_L；当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63反平行时，元件的阻值R最大，为R_H，其输出曲线如图4所示，图中黑色箭头表示钉扎层的磁矩方向，白色箭头表示自由层磁矩方向。

在实际应用中，需要元件的阻值R在R_L和R_H之间线性变化，可以通过以下方式实现：例如在自由层51的上方或下方沉积反铁磁材料，或是在元件周围设置永磁体，或者是在元件周围设置电流线，或者是将元件设计为狭长的形状，例如矩形、椭圆形、长菱形等，利用其形状各向异性能偏置自由层磁矩以达到线性化的目的。通常磁电阻元件的厚度非常薄，因此可以将之看做为二维的器件，因此在本文中描述的磁电阻元件的形状即为俯视基底的角度所看到的形状。

在实验研究中，磁电阻纳米薄膜通过纳米或微加工技术制备成磁电阻元件使用，理论上每个磁电阻元件的物理参数是相同的，但是实际上由于磁电阻元件在制备过程中的一致性（Uniformity）问题所以很难达到高的一致性，同时由于设计上的需要，在传感器工业中很少使用单一磁电阻元件为敏感元件，而是将多个磁电阻元件串联、并联或串并混联连接起来成为一个等效的磁电阻。这样做的优势在于可以灵活的设置磁电阻的相关物理参数（如阻值），同时也降低了电子隧穿的风险，从而提高了良品率，实现了大规模生产。图5为一种串联方式，如图所示，多个磁性隧道结元件41通过顶电极层56和底电极层55串联起来。通常巨磁电阻元件的串联方式是左右串联，则电极层和底电极层的意义就不存在了，如图6所示，巨磁电阻元件41通过导电层55串联起来。

传感单元可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。由于单电阻结构只含有一个等效磁电阻，通入稳恒电流或电压后其输出信号即为其两端的电压变化，因此在此不再赘述，下文将对半桥和全桥结构详细阐述。

图7是半桥结构的电连接示意图。采用半桥结构传感单元的磁电位器为三端口式，磁电阻71和73串联起来，三个端口V_bias、GND以及V_OUT与电路模块12连接并通过输出引针14接入***，V_bias和GND之间通入稳恒电压或电流。半桥可以是参考半桥或推挽半桥。参考半桥的一个桥臂（磁电阻）73的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，另一个桥臂（磁电阻）71的阻值变化导致其两端电压（端口V_OUT和端口V_bias之间的电压）变化，该电压即为输出电压；推挽半桥则是两个桥臂71、73的磁场敏感方向相反，在受到同一个外场作用下一个阻值增大，一个阻值减小，外磁场的变化导致输出电压（端口V_OUT与端口V_bias或端口GND之间的电压）的变化；梯度半桥适用于梯度场，沿着梯度场的方向场强不同，导致两个敏感方向相同的磁电阻阻值变化不同，从而引起输出电压的变化，半桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图8所示。

图9是全桥结构的电连接示意图。磁电阻71和72串联，73和74串联，串联的两个电阻对再并联，端口V_bias和GND之间通入稳恒电压或电流。全桥可以是参考全桥或推挽全桥。参考全桥分别位于左右半桥的两个桥臂71和74的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，桥臂73和74的磁场敏感方向相同，在同一外场作用下其阻值变化相同，从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。推挽全桥的桥臂71和74的磁场敏感方向相同，72和73的磁场敏感方向相同，71和72的磁场敏感方向相反，在同一外场的作用下，71和74阻值变大的同时72和73的阻值减小（或者71和74阻值减小的同时72和73阻值增大），从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。全桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图10所示。

降低磁电阻灵敏度的以构成参考半/全桥的桥臂可以采用但不局限于以下方式：如在磁电阻元件上沉积磁导率高的软磁材料，设置偏置场大的永磁体或沉积厚的反铁磁层等。通过以上方式可在一张晶圆上一次制备出参考全桥芯片。

在实际应用中经常会遇到外场干扰的情况，会影响到测量，从而给生产造成困难。由于磁性介质21的漏磁场32为一梯度场，故采用抗干扰能力强且对测量距离不敏感的梯度计结构是一个很好的选择。梯度计式结构可以是梯度半桥也可以是梯度全桥。梯度半桥的连接方式可参考图7。沿着梯度场32方向上处于不同物理位置的两个磁电阻71和73的阻值变化不同，从而产生输出，其输出信号曲线可参考图8。

图11是梯度全桥的物理位置摆放图。如图所示，沿着梯度磁场32的方向，磁电阻71和74的位置相同，磁电阻72和73的位置相同，在端口V_bias和GND之间输入稳恒电压。在没有外场的作用下，磁电阻71、72、73、74的阻值相同，输出端没有电势差，无输出。当外场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的磁电阻71和74的电阻值变化相同，磁电阻72和73的电阻值变化相同，磁电阻71和72（73和74）的阻值变化不同，则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压V_OUT，其输出曲线可参考图10。

图12是多组传感单元（11a、11b……11n）的电连接示意图（输出端口未在图中标示）。多个磁电阻组成的多个梯度全桥并联，统一由***提供稳恒电压或稳恒电流，每个传感单元的输出端口与电路模块12连接，多组输出信号传递至电路模块12进行处理再传递至***。同理，多个单电阻结构和多个半桥结构的传感单元的电连接方式与图中所示的多个全桥结构的传感单元的电连接方式相同。

磁性介质的信息通常是这样定义的：如果相邻的两个介质颗粒的磁矩方向相同，则该单元的漏磁场信号定义为0；若相邻的两个磁性介质颗粒的磁矩方向不同，则该单元的漏磁场信号定义为1。由于信号为0的单元的漏磁场比信号为1的漏磁场大很多，则在输出信号曲线图中会发生偏移，实际测量的信号峰值间距和介质颗粒间距不同，这种现象在传感器工业中称之为Jitter Shift。Jitter Shift现象在传感器与介质间的距离非常近的时候可以忽略，但是如果测量距离增加，则Jitter Shift效应会非常明显从而使输出信号严重失真。由于本实施例中的传感器可满足内置于移动设备中这个要求，因此需要离待测介质有一定的距离，针对这个问题，解决的办法是在巨磁电阻元件或磁性隧道结元件附近设置软磁体，如图13所示。图13即为设置了软磁体81的一个等效磁电阻的俯视示意图，如图所示，传感元件41通过上电极56和下电极55连接起来，软磁体81设置在传感元件41附近，其作用为聚磁，可以定性地理解为通过软磁材料的聚磁作用等效为拉近了磁电阻和介质的距离以消除Jitter Shift现象。在该实施例中每个传感元件41附件配置有一对软磁体81，为最优结果，也可设计为多个传感元件41共享一对长条形软磁体81。

传感单元通过真空镀膜和微加工（或纳米加工）技术制备成晶圆，然后切割为单个芯片块（Die）后使用。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：其包括至少一个或多个磁场感应方向相同的传感单元以及输出引针；

所述传感单元用以检测磁性介质的漏磁场；

所述输出引针的输入端和输出端分别与所述传感器的相应端口电连接，用以将传感器与***连接；

所述传感单元的敏感元件为巨磁电阻元件或磁性隧道结元件，所述巨磁电阻元件和磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构，所述纳米级多层膜结构至少包含自由层、非磁性层以及钉扎层三层纳米级薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述传感单元为单电阻、半桥或全桥结构。

3.根据权利要求2所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述半桥为推挽半桥、参考半桥或梯度半桥，所述全桥为推挽全桥、参考全桥或梯度全桥。

4.根据权利要求2或3所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述半桥、全桥的每个桥臂由一个或多个磁场敏感方向相同的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件组成。

5.根据权利要求3所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述梯度全桥和梯度半桥结构的所有桥臂的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁场敏感方向相同，并且全桥中相对位置的两个桥臂位于空间中的同一位置，相邻位置的两个桥臂位于空间中的不同位置。

6.根据权利要求1所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述传感器还包括电路模块，所述电路模块的输入输出端分别与传感单元以及输出引针的相应端口电连接，所述电路模块含有信号放大单元、降噪单元和解码单元。

7.根据权利要求6所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述电路模块还包含防静电单元。

8.根据权利要求6所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述电路模块还包含加密单元用于加密输出信号。

9.根据权利要求6、7或8所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述电路模块为集成电路芯片，其输入端和输出端通过印刷线路板与传感单元的相应端口电连接。

10.根据权利要求1所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件附近设置有软磁体。

11.根据权利要求1、2、3、5、6、7、8任一项所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述传感器包括支架，所述支架为非永磁材料，用以支撑所述传感器的所有部件。

12.根据权利要求11所述的基于磁电阻技术的磁头，其特征在于：所述传感器包括外壳，所述外壳为非永磁材料，包覆于所述支架的外部，用以保护置于支架内的所述传感器的所有部件。