CN115267623A - 一种磁阻磁开关传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁阻磁开关传感器，涉及磁传感器技术领域，包括：第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥用于感应第一方向和第二方向的磁场；所述第一方向和第二方向的磁场互相正交；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥内均设置有AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件；可以通过不同的电桥配置和测量方式，实现单颗芯片对磁场的各向同性测量。

Description

一种磁阻磁开关传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，具体为一种磁阻磁开关传感器。
背景技术
在消费类电子和工业控制等领域，有一些应用希望对磁场可以实现各向同性的检测，即只要磁场大小相同，对于不同的磁场方向，磁传感器都要有基本相同的响应；为了实现这一要求，可以将多颗磁传感器按照不同的检测方向安装起来，分别测量各个方向的磁场分量，然后将多颗传感器的数据经过数值运算来实现响应；但是这种实现方式安装复杂，占用的空间比较大，成本较高并且需要额外的计算量，实际使用起来并不方便；
磁阻传感器可以采用半导体制造工艺，可以将不同感应方向的磁阻传感器集成在 一颗芯片上，以实现对两个或者多个正交方向的磁场检测。常用的磁阻传感器分为各向异 性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR），主要感应传感器所在平面的磁场；然而，AMR、 GMR和TMR这三类磁阻的感应原理和特点并不相同。AMR的磁阻变化规律为∆R*cos²θ，其中 ∆R为磁阻变化率，θ为磁矩与电流之间的夹角；GMR与TMR的磁阻变化规律相近，为
Figure 818340DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 453590DEST_PATH_IMAGE002
R为磁阻变化率，
Figure 233327DEST_PATH_IMAGE003
为自由层与钉扎层磁矩之间的夹角；
相比其他磁传感器技术而言，磁阻传感器具有灵敏度高、感应阈值点可调的优点，结合半导体制造工艺，可满足单颗芯片实现不同大小的各向同性磁场的检测；
有鉴于此，有必要提供一种新型的磁阻磁开关传感器，实现单颗芯片完成磁场的各向同性检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁阻磁开关传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种磁阻磁开关传感器，包括：第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥构成AMR磁阻磁开关传感器或者GMR或者TMR磁阻磁开关传感器；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥用于感应第一方向和第二方向的磁场；所述第一方向和第二方向的磁场互相正交；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥内均设置有AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件；
当第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥构成AMR磁阻磁开关传感器时，第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥内设置有AMR磁阻感应元件；AMR磁阻磁开关传感器中的第一组惠斯通电桥可以一部分地同时感应第一方向和第二方向的磁场，AMR磁阻磁开关传感器中的第二组惠斯通电桥可以另一部分地同时感应第一方向和第二方向的磁场；
AMR磁阻磁开关传感器的感应方式为：第一方向与第二方向的合成磁场方向角度 为α，大小为H。对于一定大小范围的磁场，则第一组惠斯通电桥的电阻变化近似正比于
Figure 831799DEST_PATH_IMAGE004
，第二组惠斯通电桥的电阻变化近似正比于
Figure 646171DEST_PATH_IMAGE005
；
当第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥构成GMR或者TMR磁阻磁开关传感器时，第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥内设置有GMR或者TMR磁阻感应元件；GMR或者TMR磁阻磁开关传感器中的第一组惠斯通电桥主要感应第一方向的磁场，GMR或者TMR磁阻磁开关传感器中的第二组惠斯通电桥主要感应第二方向的磁场；
GMR或者TMR磁阻磁开关传感器的感应方式为：第一方向磁场大小为H1，第二方向磁场为H2，第一方向与第二方向的合成磁场大小为H。对于一定大小范围的磁场，则第一组惠斯通电桥的电阻变化近似正比于H1，第二组惠斯通电桥的电阻变化近似正比于H2。
优选的，所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥均设置有若干个桥臂，四个所述桥臂构成全桥。
优选的，所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥均设置有若干个桥臂，二个所述桥臂构成半桥。
优选的，所述桥臂内设置有若干个AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件；所述AMR磁阻感应元件由磁阻薄膜经刻蚀而形成；所述GMR或者TMR磁阻感应元件由自由层、钉扎层、中间层或者隧穿层多层磁性薄膜经刻蚀而形成；
优选的，所述AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件由磁阻薄膜经刻蚀为直线线条形状。
优选的，所述AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件由磁阻薄膜经刻蚀为曲线线条形状，包括但不限于圆弧形、波浪形的形状。
优选的，所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的AMR磁阻感应元件互相旋转45°布置。
优选的，所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件互相旋转90°布置，同时保持第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件的钉扎层的钉扎磁矩方向互相平行。
优选的，所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件互相平行布置，同时第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件的钉扎层的钉扎磁矩方向保持90°夹角。
优选的，所述第一组惠斯通电桥的输出信号为V1，将V1信号减去零点偏移offset1，得到反映第一方向和第二方向的磁场大小的信号为V1＇；所述第二组惠斯通电桥的输出信号为V2，将所述V2信号减去零点偏移offset2，得到反映第一方向和第二方向的磁场大小的信号为V2＇，根据V1＇和V2＇可以得到各向同性反映第一方向和第二方向的叠加磁场大小的信号V=sqrt(V1＇*V1＇+V2＇*V2＇)，根据反映叠加磁场大小的信号V以及磁开关设定的阈值点，即可得到磁阻磁开关传感器对外界磁场的各向同性响应。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
本发明提出的一种新型磁阻磁开关传感器，可以通过不同的电桥配置和测量方式，实现单颗芯片对磁场的各向同性测量；通过设置两个桥臂构成半桥，使得电桥在生产制造过程中，可以减少芯片所用的面积，进而降低生产成本；通过将磁阻感应元件刻蚀为曲线线条形状，包括但不限于圆弧形、波浪形的形状，采用曲线线条的磁阻感应元件可以显著降低磁滞误差，提高磁开关传感器的检测精度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是AMR磁阻磁开关传感器实施例一的结构示意图；
图2是AMR磁阻磁开关传感器实施例二的结构示意图；
图3是AMR磁阻磁开关传感器一种具体实施方式的结构示意图；
图4是GMR或者TMR磁阻磁开关传感器实施例一的结构示意图；
图5是GMR或者TMR磁阻磁开关传感器实施例二的结构示意图；
图6是GMR或者TMR磁阻磁开关传感器一种具体实施方式的结构示意图；
图7是GMR或者TMR磁阻磁开关传感器另一种具体实施方式的结构示意图。
图中：1、第一组惠斯通电桥；2、第二组惠斯通电桥；3、AMR磁阻感应元件；4、GMR或者TMR磁阻感应元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供技术方案：
一种磁阻磁开关传感器，请参阅图1，包括：第一组惠斯通电桥1和第二组惠斯通电桥2；所述第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2构成AMR磁阻磁开关传感器；第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2内设置有AMR磁阻感应元件3；AMR磁阻磁开关传感器中的第一组惠斯通电桥1可以一部分地同时感应第一方向和第二方向的磁场，AMR磁阻磁开关传感器中的第二组惠斯通电桥2可以另一部分地同时感应第一方向和第二方向的磁场；所述第一方向的磁场与第二方向的磁场互相正交；第一组惠斯通电桥1和第二组惠斯通电桥2中的AMR磁阻感应元件3互相旋转45°布置；
当磁阻磁开关传感器为AMR磁阻磁开关传感器时，AMR磁阻磁开关传感器内的第一组惠斯通电桥1的输出信号为V1，将V1信号减去零点偏移offset1，得到一部分地反映第一方向和第二方向的磁场大小的信号为V1＇；所述第二组惠斯通电桥2的输出信号为V2，将所述V2信号减去零点偏移offset2，得到另一部分地反映第一方向和第二方向的磁场大小的信号为V2＇，根据V1＇和V2＇可以得到各向同性反映第一方向和第二方向的总叠加磁场大小的信号V=sqrt(V1＇*V1＇+V2＇*V2＇)；
根据反映总叠加磁场大小的信号以及磁开关设定的阈值点，即可得到磁阻磁开关传感器对外界磁场的各向同性响应；当信号V大于磁开关阈值点时，输出一种电平，当信号V小于磁开关阈值点时，输出另一种电平。
实施例一：
第一组惠斯通电桥1由四个桥臂组成的全桥构成；第二组惠斯通电桥2由四个桥臂组成的全桥构成；
第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2的每个桥臂由若干个AMR磁阻感应元件3组成；
AMR磁阻感应元件3由磁阻薄膜经刻蚀为直线线条形状。
实施例二，如图2所述：
第一组惠斯通电桥1由二个桥臂组成的半桥构成；第二组惠斯通电桥2由二个桥臂组成的半桥构成；使用半桥的结构，理论上信号幅度会降低一半，但可以减少芯片所用的面积，进而降低生产成本；
所述第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的每个桥臂由若干个AMR磁阻感应元件3组成；
作为本发明的一种具体实施方式，如图3所示，所述第一组惠斯通电桥1为包含四个桥臂的全桥，所述第二组惠斯通电桥2也为包含四个桥臂的全桥；第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2的每个桥臂由若干个AMR磁阻感应元件3组成；AMR磁阻感应元件3由磁阻薄膜经刻蚀为曲线线条形状，包括但不限于圆弧形、波浪形的形状；
使用曲线线条形状的AMR磁阻感应元件3可以显著降低磁滞误差，提高磁开关传感器的检测精度。
一种磁阻磁开关传感器，请参阅图4，包括：第一组惠斯通电桥1和第二组惠斯通电桥2；所述第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2构成GMR或者TMR磁阻磁开关传感器时，第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2内设置有GMR或者TMR磁阻感应元件4；GMR或者TMR磁阻磁开关传感器中的第一组惠斯通电桥1主要感应第一方向的磁场，GMR或者TMR磁阻磁开关传感器中的第二组惠斯通电桥2主要感应第二方向的磁场；所述第一方向的磁场与第二方向的磁场互相正交；
当磁阻磁开关传感器为GMR或者TMR磁阻磁开关传感器时，GMR或者TMR磁阻磁开关传感器内的第一组惠斯通电桥1的输出信号为V1，将V1信号减去零点偏移offset1，得到主要反映第一方向的磁场大小的信号为V1＇；所述第二组惠斯通电桥2的输出信号为V2，将所述V2信号减去零点偏移offset2，得到主要反映第二方向的磁场大小的信号为V2＇，根据V1＇和V2＇可以得到各向同性反映第一方向和第二方向的叠加磁场大小的信号V=sqrt(V1＇*V1＇+V2＇*V2＇)；
根据反映叠加磁场大小的信号以及磁开关设定的阈值点，即可得到磁阻磁开关传感器对外界磁场的各向同性响应，当信号V大于磁开关阈值点时，输出一种电平，当信号V小于磁开关阈值点时，输出另一种电平。
实施例一：
所述第一组惠斯通电桥1由四个桥臂组成的全桥构成；第二组惠斯通电桥2由四个桥臂组成的全桥构成；
所述第一组惠斯通电桥1及第二组惠斯通电桥2的每个桥臂由若干个GMR或者TMR磁阻感应元件4组成；
所述GMR或者TMR磁阻感应元件4由自由层、钉扎层、中间层或者隧穿层多层磁性薄膜经刻蚀而形成；所述GMR或者TMR磁阻感应元件4由多层磁阻薄膜经刻蚀为直线线条形状；
所述第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的GMR或者TMR磁阻感应元件4互相旋转90°角布置，同时保持第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的GMR或者TMR磁阻感应元件4的钉扎层的钉扎磁矩方向互相平行（图4中所示箭头方向即为钉扎层的钉扎磁矩方向）；
实施例二，如图5所示，
所述第一组惠斯通电桥1由二个桥臂组成的半桥构成；第二组惠斯通电桥2由二个桥臂组成的半桥构成；
所述第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的每个桥臂由若干个GMR或者TMR磁阻感应元件4组成（图5中所示箭头方向即为GMR或者TMR磁阻感应元件4的钉扎层的钉扎磁矩方向）；使用半桥的结构，理论上信号幅度会降低一半，但可以减少芯片所用的面积，进而降低生产成本。
作为本发明的一种具体实施方式，如图6所示，所述第一组惠斯通电桥1为包含四个桥臂的全桥，所述第二组惠斯通电桥2也为包含四个桥臂的全桥；所述第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的每个桥臂由若干个GMR或者TMR磁阻感应元件4组成；
所述GMR或者TMR磁阻感应元件4由多层磁性薄膜经刻蚀为曲线线条形状，包括但不限于圆弧形、波浪形的形状（图6中所示箭头方向即为GMR或者TMR磁阻感应元件4的钉扎层的钉扎磁矩方向）；
使用曲线线条形状的GMR或者TMR磁阻感应元件4可以显著降低磁滞误差，提高磁开关传感器的检测精度。
作为本发明的一种具体实施方式，如图7所示，所述第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的GMR或者TMR磁阻感应元件4互相平行布置，同时使得第一组惠斯通电桥1与第二组惠斯通电桥2的GMR或者TMR磁阻感应元件4的钉扎层的钉扎磁矩方向保持90°夹角（图7中所示箭头方向即为钉扎层的钉扎磁矩方向）；
通过使用特定的钉扎退火工艺，在同一颗芯片不同区域的钉扎层磁矩控制在设定的不同方向上，实现同种结构布局的第一组惠斯通电桥1和第二组惠斯通电桥2达到分别测量第一和第二方向磁场的目标。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：包括：第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥用于感应第一方向和第二方向的磁场；所述第一方向和第二方向的磁场互相正交；所述第一组惠斯通电桥及第二组惠斯通电桥内均设置有AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件。
2.根据权利要求1所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥均设置有若干个桥臂，四个所述桥臂构成全桥。
3.根据权利要求1所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥均设置有若干个桥臂，二个所述桥臂构成半桥。
4.根据权利要求2或3任一项所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述桥臂内设置有若干个AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件；所述AMR磁阻感应元件由磁阻薄膜经刻蚀而形成；所述GMR或者TMR磁阻感应元件由自由层、钉扎层、中间层或者隧穿层多层磁性薄膜经刻蚀而形成。
5.根据权利要求4所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件由磁阻薄膜经刻蚀为直线线条形状。
6.根据权利要求4所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述AMR磁阻感应元件或者GMR或者TMR磁阻感应元件由磁阻薄膜经刻蚀为曲线线条形状，包括但不限于圆弧形、波浪形的形状。
7.根据权利要求1所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的AMR磁阻感应元件互相旋转45°布置。
8.根据权利要求1所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件互相旋转90°布置，同时保持第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件的钉扎层的钉扎磁矩方向互相平行。
9.根据权利要求1所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件互相平行布置，同时第一组惠斯通电桥和第二组惠斯通电桥中的GMR或者TMR磁阻感应元件的钉扎层的钉扎磁矩方向保持90°夹角。
10.根据权利要求1所述的一种磁阻磁开关传感器，其特征在于：所述第一组惠斯通电桥的输出信号为V1，将V1信号减去零点偏移offset1，得到反映第一方向和第二方向的磁场大小的信号为V1＇；所述第二组惠斯通电桥的输出信号为V2，将所述V2信号减去零点偏移offset2，得到反映第一方向和第二方向的磁场大小的信号为V2＇，根据V1＇和V2＇可以得到各向同性反映第一方向和第二方向的叠加磁场大小的信号V=sqrt(V1＇*V1＇+V2＇*V2＇)，根据反映叠加磁场大小的信号V以及磁开关设定的阈值点，即可得到磁阻磁开关传感器对外界磁场的各向同性响应。
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