CN203587785U

CN203587785U - 单芯片推挽桥式磁场传感器

Info

Publication number: CN203587785U
Application number: CN201320459796.8U
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·G·迪克
Original assignee: MultiDimension Technology Co Ltd
Current assignee: MultiDimension Technology Co Ltd
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2023-07-30

Abstract

本实用新型公开了一种单芯片推挽桥式磁场传感器，该传感器包括基片、焊盘、磁电阻传感元件以及通量集中器，其中磁电阻传感元件位于相邻通量集中器的间隙处，其钉扎层方向相同，通量集中器分为推臂和挽臂两种类型，一种与X轴正向的夹角为正，另一种与X轴正向的夹角为负，该传感器的工作原理是通过检测在通量集中器间隙处的磁场大小，来获得在X轴方向上的磁场差值。该传感器具有以下优点：体积小、成本低、制作简单、灵敏度高、线性度好、检测的信号强、工作动态范围宽等。

Description

单芯片推挽桥式磁场传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别涉及一种单芯片推挽桥式磁场传感器。

背景技术

TMR（隧道磁电阻，Tunnel MagnetoResistance）传感器是近年来开始应用于工业领域的新型磁电阻效应传感器。该传感器利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，主要表现在：在磁性多层膜材料中，随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化。它比之前所发现并已实际应用的AMR（各向异性磁电阻，Anisotropic MagnetoResistance ）和GMR（巨磁电阻，Giant MagnetoResistance）传感器具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔传感器具有更好的温度稳定性。

传统的TMR或GMR推挽桥式传感器要求相邻两个桥臂电阻中的磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相反，而通常沉积在同一基片上的TMR或GMR元件，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因此在同一基片上的磁电阻传感元件的钉扎层的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。目前主要有以下几种方法来实现在单一芯片上制备推挽桥式传感器。

（1）通过采用两次成膜工艺或者激光加热辅助磁畴局部翻转法来使臂中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相反，从而实现单一芯片的桥式传感器。两次成膜工艺，即分两次分别沉积钉扎层方向相反的TMR元件，这使得其制作工艺复杂，并且第二次工艺退火时会影响第一次沉积的薄膜，这使得前后两次成膜的一致性差，从而影响传感器的整体性能。激光加热辅助磁畴局部翻转法，是指在同一强磁场中退火之后，采用激光对芯片进行局部加热辅助磁矩翻转，来使相邻臂的钉扎层的磁矩方向相反，从而实现单一芯片的桥式传感器。但该方法需要使用专用设备，设备昂贵，并且整个过程耗时长。

（2）通过倾斜臂上磁电阻传感元件的自由层的磁矩平衡方向来实现单一芯片的桥式传感器。即各臂上磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，相邻臂上磁电阻传感元件的自由层的磁化方向不同，但每个磁电阻传感元件的自由层的磁化方向与其钉扎层的磁化方向的夹角相同。但此种方法会导致传感器响应的磁场动态范围有所减小，从而导致传感器的灵敏度降低。

（3）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，这两个磁电阻的钉扎层的磁化方向相同，然后将其中一个相对另一个磁电阻翻转180度进行多芯片封装，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，但是另一方面多芯片封装，封装尺寸大，生产成本高，并且实际封装时不能严格的进行180度翻转，即两个电阻的灵敏度方向不是严格的相差180度，这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。

此外，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，还具有温度补偿功能，能够抑制温度漂移的影响。而现有技术中的推挽桥式磁场传感器使用的是永磁体对磁电阻元件的磁化方向进行偏置，该传感器成本高、偏移量大，并且不适用于高强度的磁场。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种体积小、成本低、灵敏度高、线性度好、制作简单的单芯片推挽桥式磁场传感器。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种单芯片推挽桥式磁场传感器，该传感器包括：一位于XY平面内的基片、至少一个由一个或多个磁电阻传感元件组成的推臂和至少一个由一个或多个磁电阻传感元件组成的挽臂、多个设置在所述基片上的推臂通量集中器和挽臂通量集中器，其中多个推臂通量集中器两两之间和多个挽臂通量集中器两两间均设置有一定的间隙。其中，XY平面由坐标轴X轴和Y轴来定义。所述推臂通量集中器与X轴正向的夹角为正，而所述挽臂通量集中器与X轴正向的夹角为负，或者推臂通量集中器与X轴正向的夹角为负，而挽臂通量集中器与X轴正向的夹角为正。所述磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相同；各磁电阻传感元件均分别对应地位于两个相邻推臂通量集中器或两个相邻挽臂通量集中器之间的间隙处，以检测所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器之间的磁场在X轴方向上分量的差值；所述磁电阻传感元件通过微电子连接和电子封装方法形成推挽电桥，并进行输入输出连接。

优选地，所述磁电阻传感元件为GMR或者TMR传感元件。

优选地，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。

优选地，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同并且两者的相对位置上的磁电阻传感元件之间相互平行。

优选地，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻元件彼此的旋转角度的幅度相同，但方向不同。

优选地，所述推臂通量集中器与X轴正向的夹角为5°~85°，所述挽臂通量集中器与X轴正向的夹角为-5°~-85°。

优选地，所述推挽电桥为半桥、全桥或者准桥。

优选地，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均为细长条形阵列，其组成材料为选自Ni、Fe、Co和 Al中的一种或几种元素组成的软铁磁合金。

优选地，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的数量相同。

优选地，所述微电子连接和封装方法包括焊盘引线框、倒装芯片、球栅阵列技术、圆片级封装以及板上芯片直装式。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）电桥桥臂中的磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，所以无需采用两次成膜或退火等工艺，就可以实现在单一芯片上制备。

（2）采用多个细长条形通量集中器，能使传感器具有良好的线性度和高灵敏度，也使得传感器的输出不容易达到饱和状态，从而增大了传感器工作的动态范围，此外在长条形通量集中器的间隙处能放置更多的磁电阻元件，从而降低了噪声；

（3）与现有技术中的推挽桥式磁传感器相比，本发明中的推挽桥式磁场传感器使用的是通量集中器而不是永磁体，所以成本更低，并且本设计的推挽桥式磁场传感器不需要在不同方向旋转，因而更易于桥臂匹配，从而偏移量更小，此外由于所使用的磁电阻传感元件的尺寸很小（例如0.1x10 um），使得该设计更适用于高强度的磁场。

（4）相对于现有的参考桥式磁场传感器而言，本发明中的推挽桥式磁场传感器的线性度更好、所检测的信号更强、工作的动态范围更宽。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中单芯片桥式磁场传感器的结构示意图。

图2为本实用新型中的单芯片推挽全桥磁场传感器的结构示意图。

图3为本实用新型中的单芯片推挽全桥磁场传感器的另一种结构示意图。

图4为本实用新型中的单芯片推挽全桥磁场传感器在Y轴方向磁场中的磁场分布图。

图5为本实用新型中的单芯片推挽全桥磁场传感器在X轴方向磁场中的磁场分布图。

图6为本实用新型中的单芯片推挽全桥磁场传感器和单芯片参考桥式磁场传感器的响应曲线。

图7为本实用新型的全桥电路图。

图8为本实用新型的半桥电路图。

图9为本实用新型的准桥电路图。

具体实施方式

图1所示为现有技术中的一种单芯片桥式磁场传感器的结构示意图。该结构包括基片1、两个屏蔽层2、感应元件3、参考元件4，两个屏蔽层2之间具有间隙5。4个用于输入输出的焊盘6-9，依次分别作为电源供应端Vbias、接地端GND、电压输出端V+和V-，其感应轴方向为110。参考元件4位于屏蔽层2的下方，感应元件3位于两个屏蔽层2之间的间隙5处，屏蔽层2的形状为方形。感应元件3之间连接构成感应臂，参考元件4之间连接构成参考臂。基片1在沿着感应轴方向110具有很大的长度，并且感应元件3和参考元件4相距较远，也就是感应臂和参考臂之间的间距比较大，并且二者之间只有一个间隙5，这会造成芯片上的空间浪费，也使得芯片的尺寸比较大，此种设计而成的芯片尺寸大小约为2mm X 0.5mm。并且，由于感应臂和参考臂之间的间距比较大，会使得电桥难以平衡，并且会导致这两臂上的温度不同，从而导致其温度补偿功能降低。此外，由于采用了方形的屏蔽层2，会致使传感器更容易达到磁场的饱和状态，在屏蔽层2的中心附近就会开始产生非均匀的饱和磁场，并且在间隙5附近会产生磁滞，从而降低了传感器的线性度。

现有技术中也出现了解决上述问题的方法，但并不是很完善。例如，中国专利申请201310203311.3公开了一种单芯片参考桥式磁场传感器，该传感器包括相互交错排放的参考元件串和感应元件串、长条形的屏蔽结构，参考元件串位于屏蔽结构的下方，感应元件串位于两个屏蔽结构之间的间隙处。这种结构的传感器虽然能解决上述问题，但与本发明相比，其线性度不够好，所检测的信号也不够强，并且很难控制其偏移量。

下面结合附图及实施例对本实用新型的发明内容作进一步的描述。

实施例1

图2为本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器的结构示意图。该传感器包括基片1、用于输入输出的焊盘6-9、多个倾斜设置在基片1上面的推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13、以及分别位于相邻两个推臂通量集中器之间的间隙14和相邻两个挽臂通量集中器之间的间隙15处的磁电阻传感元件10和11。磁电阻传感元件10和11为GMR或者TMR磁电阻传感元件，其形状可以为方形、菱形或者椭圆形，磁电阻传感元件10和磁电阻传感元件11的个数相同并且相对应的磁电阻传感元件10与11相互平行，这些磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相同，均为110。在没有外加磁场时，磁电阻传感元件10和11通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直，用于检测推臂通量集中器和挽臂通量集中器之间的磁场在X轴方向上分量的差值。磁电阻传感元件10和11与焊盘6-9电连接形成一个全桥，该全桥包括两个推臂和两个挽臂，其中，磁电阻传感元件10构成的桥臂为推臂，磁电阻传感元件11构成的桥臂为挽臂。推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13为细长条形阵列，它们的组成材料为选自Ni、Fe、Co和 Al中的一种或几种元素组成的软铁磁合金，但不限于以上材料。推臂通量集中器12与X轴正向的夹角为16，优选的，其取值范围为5°~85°，在本实施例中为45°；挽臂通量集中器13与X轴正向的夹角17的取值范围为-5°~-85°，在本实施例中为-45°。优选地，本发明的芯片尺寸大小为0.5mm X 0.5mm，。此外，根据应用需求的不同，芯片的尺寸还可以小于0.5mm X 0.5mm。在本实施例中，间隙14和15的大小为20um，推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13的宽度均为20um，厚度为10um，磁电阻传感元件（10,11）的尺寸大小为15um x 1.5um。

本实施例中是采用焊盘来进行输入输出连接，也可以采用倒装芯片、球栅阵列技术、圆片级封装以及板上芯片直装式等微电子连接和封装方法。

图3为本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器的另一种结构示意图。图2中的磁电阻元件10和11分别旋转+45°和-45°便得到了本图所示的结构，图3所示的结构与图2的区别在于，磁电阻元件10和11分别与推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13平行。

与现有技术中的方形结构相比，本实用新型采用长条形结构的通量集中器更有效的利用了空间，磁滞更低，能使传感器具有良好的线性度和高灵敏度，也使得传感器的输出不容易达到饱和状态，从而增大了传感器工作的动态范围，此外在其间隙处能放置更多的磁电阻元件，从而降低了噪声。

实施例2

图4为本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器在Y轴方向磁场中的磁场分布图。图中外加磁场的方向100与Y轴平行，测量方向101与X轴平行。从图中可以看出，进入到传感器里面的外加磁场被推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13进行了偏置，其中，在推臂通量集中器12之间的间隙14处的磁场方向为102，在挽臂通量集中器13之间的间隙15处的磁场方向为103。磁场方向102与103关于Y轴对称。在本实施例中，外加磁场By=100 G，所测得的X轴磁场大小B_X+=90G, B_X-=-90G，则增益系数Axy=Bx/By=( B_X+- B_X-)/By=180/100=1.8，这比现有技术中单芯片参考桥式磁场传感器的增益系数要大，所得到的增益系数与推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13的尺寸大小和间隙大小有关。

图5为本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器在X轴方向磁场中的磁场分布图。图中外加磁场的方向以及测量方向均为与X轴平行的方向101。在推臂通量集中器12间隙14处的磁场方向为104，在挽臂通量集中器13间隙15处的磁场方向为105。磁场方向104与105关于X轴对称。在本实施例中，外加磁场Bx=100 G，所测得的X轴磁场大小B_X+=101G，B_X-=-101G，则增益系数Axx=( B_X+- B_X-)/Bx=(101-101)/100=0，由此可见两个桥臂上的磁场在X轴分量相互抵消，将不能检测到X轴磁场信号。

图6为本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器和单芯片参考桥式磁场传感器的响应曲线。曲线20为本发明的单芯片推挽全桥磁场传感器的响应曲线，曲线21为单芯片参考桥式磁场传感器的响应曲线。从图中可以看出，曲线20关于原点对称，而曲线21不对称，这限制了传感器的线性范围。此外，本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器的线性度要更好，检测的信号强度也更强，灵敏度也更高，动态工作范围更宽。

实施例3

图7为本实用新型的单芯片推挽全桥磁场传感器的电路示意图。若干个磁电阻传感元件10电连接构成等效磁电阻R18和R18’，若干个磁电阻传感元件11电连接构成等效磁电阻R19和R19’，这四个磁电阻连接构成全桥。它们的磁性钉扎层的磁化方向相同，相对位置的磁电阻（R18和R18’， R19和R19’）的磁性自由层的磁化方向相同，相邻位置的磁电阻（R18和R19，R18和R19’， R18’和R19，R18’和R19’）的磁性自由层的磁化方向不同。当沿着磁电阻传感元件10和11的敏感方向施加外磁场时，磁电阻R18和R18’的阻值变化情况会与磁电阻R19和R19’的阻值变化相反，从而构成推挽输出。该全桥的输出电压

Figure 2013204597968100002DEST_PATH_IMAGE001

一般情况下，R18=R18’，R19=R19’，则上式可简化为：

本实用新型中的推挽电桥也还可以是半桥或者准桥，这两种结构的电路示意图，分别如图8、图9所示。这两种结构的工作原理与全桥相同，其中，半桥结构的传感器输出电压

Figure 2013204597968100002DEST_PATH_IMAGE003

准桥结构的传感器还包括两个相同的电流源I1 22和I2 22’，这两个电流源的大小相等，均为I_Bias，该种结构的传感器输出电压

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，它包括：

一位于XY平面内的基片，其中XY平面由坐标轴X轴和Y轴来定义；

至少一个由一个或多个磁电阻传感元件组成的推臂；

至少一个由一个或多个磁电阻传感元件组成的挽臂；

多个设置在所述基片上的推臂通量集中器和挽臂通量集中器，多个所述推臂通量集中器两两之间和多个挽臂通量集中器两两间均设置有一定的间隙，其中，所述推臂通量集中器与X轴正向的夹角为正而所述挽臂通量集中器与X轴正向的夹角为负，或者所述推臂通量集中器与X轴正向的夹角为负,而所述挽臂通量集中器与X轴正向的夹角为正；

所述磁电阻传感元件的磁性钉扎层的磁化方向相同；

各磁电阻传感元件均分别对应地位于两个相邻推臂通量集中器或两个相邻挽臂通量集中器之间的间隙处，以检测所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器之间的磁场在X轴方向上分量的差值；

所述磁电阻传感元件通过微电子连接和电子封装方法形成推挽电桥，并进行输入输出连接。

2.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件为GMR或者TMR传感元件。

3.根据权利要求1或2 所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，在没有外加磁场时，所述磁电阻传感元件通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者它们的任意结合来使磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。

4.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻传感元件的数量相同并且两者的相对位置上的磁电阻传感元件之间相互平行。

5.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁电阻元件彼此的旋转角度的幅度相同，但方向不同。

6.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂通量集中器与X轴正向的夹角为5°~85°，所述挽臂通量集中器与X轴正向的夹角为-5°~-85°。

7.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推挽电桥为半桥、全桥或者准桥。

8.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均为细长条形阵列，其组成材料为软铁磁合金，所述软铁磁合金包含有Ni、Fe、Co和 Al中的一种或几种元素。

9.根据权利要求1，4及8中任一项所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的数量相同。

10.根据权利要求1所述的单芯片推挽桥式磁场传感器，其特征在于，所述微电子连接和封装方法包括焊盘引线框、倒装芯片、球栅阵列技术、圆片级封装以及板上芯片直装式。