一種高靈敏度推挽橋式磁傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高靈敏度推挽橋式磁傳感器，該傳感器包括兩個(gè)基片、磁電阻傳感元件、推臂通量集中器以及挽臂通量集中器。同一基片上磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相同，但與相鄰基片上的磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向相反，其中一個(gè)基片上的磁電阻傳感元件相互電連接構(gòu)成電橋的推臂，另一個(gè)基片上的磁電阻傳感元件相互電連接構(gòu)成電橋的挽臂。推、挽臂上磁電阻傳感元件分別成列排布于相鄰兩個(gè)推臂通量集中器和相鄰兩個(gè)挽臂通量集中器之間的間隙處。此傳感器可在準(zhǔn)橋、半橋、全橋這三種電橋結(jié)構(gòu)上得到實(shí)現(xiàn)。該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：偏移小、靈敏度高、線性度好、噪聲小等。
【專利說(shuō)明】一種高靈敏度推挽橋式磁傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及磁傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種高靈敏度的推挽橋式磁傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中以感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)測(cè)量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)及其他參數(shù)，例如霍爾(HalI)元件,各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁電阻(Giant Magnetoresistance, GMR)元件為敏感元件的磁傳感器。
[0003]霍爾磁傳感器雖然適用于高強(qiáng)度的磁場(chǎng)中，但其靈敏度很低、功耗大、線性度差。AMR磁感器雖然靈敏度比霍爾傳感器高，但其制造工藝復(fù)雜，功耗高。GMR磁傳感器相比霍爾磁傳感器有更高的靈敏度，但其線性范圍偏低。
[0004]TMR (Tunnel MagnetoResistance)磁傳感器是近年來(lái)開(kāi)始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行感應(yīng)，其相對(duì)于霍爾磁傳感器、AMR磁傳感器以及GMR磁傳感器具有更高的靈敏度、更低的功耗、更好的線性度以及更寬的工作范圍。
[0005]相比單電阻、參考橋式磁傳感器，推挽橋式磁傳感器具有更高的靈敏度、偏移低，同時(shí)具有溫度補(bǔ)償功能，能夠抑制溫度漂移的影響。
[0006]但現(xiàn)有的推挽橋式磁傳感器的靈敏度不夠高、噪聲也不是很小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問(wèn)題，提供一種高靈敏度的推挽橋式磁傳感器。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明提供了一種推挽橋式磁傳感器，其特征在于:該傳感器包括
推臂基片和挽臂基片；
至少一個(gè)由一個(gè)或多個(gè)磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成的推臂和至少一個(gè)由一個(gè)或多個(gè)磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成的挽臂；
至少兩個(gè)推臂通量集中器和至少兩個(gè)挽臂通量集中器；
所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的長(zhǎng)軸方向均為Y軸方向，短軸方向均為X軸方向；
所述推臂上的磁電阻傳感元件位于兩個(gè)相鄰?fù)票弁考衅髦g的間隙處，所述挽臂上的磁電阻傳感元件位于兩個(gè)相鄰?fù)毂弁考衅髦g的間隙處；
所述推臂和所述推臂通量集中器沉積在所述推臂基片上，所述挽臂和所述挽臂通量集中器沉積在所述挽臂基片上；
所述推臂和所述挽臂相互電連接以形成電橋；
在同一基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同，所述推臂基片與所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相反；；
所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的敏感方向均為X軸方向。
[0009]優(yōu)選的，每?jī)蓚€(gè)相鄰所述推臂通量集中器之間的間隙處和每?jī)蓚€(gè)相鄰所述挽臂通量集中器之間的間隙處各自分別最多對(duì)應(yīng)一列所述磁電阻傳感元件。
[0010]優(yōu)選的，所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件。
[0011]優(yōu)選的，對(duì)于所述推臂基片和所述挽臂基片，其中一個(gè)基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向?yàn)閄軸正方向，另一個(gè)基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向?yàn)閄軸負(fù)方向。
[0012]優(yōu)選的，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，所述磁電阻傳感元件可以通過(guò)片上永磁體、片上線圈、雙交換作用、形狀各向異性或者至少兩種的結(jié)合來(lái)偏置磁性自由層的磁化方向，所述片上永磁體和所述片上線圈所產(chǎn)生的交叉偏置場(chǎng)的方向?yàn)閅軸方向。
[0013]優(yōu)選的，所述電橋?yàn)榘霕?、全橋或者?zhǔn)橋。
[0014]優(yōu)選的，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同并且相互平行。
[0015]優(yōu)選的，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的數(shù)量相同并且相互平行。
[0016]優(yōu)選的，所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器均為細(xì)長(zhǎng)條形陣列，組成材料均為軟鐵磁合金，所述軟鐵磁合金含有N1、Fe和Co中的一種或多種元素。
[0017]優(yōu)選的，所述推臂和所述挽臂上磁電阻傳感元件處的磁場(chǎng)的增益系數(shù)Asns>l。
[0018]優(yōu)選的，所述推臂基片和所述挽臂基片包括了集成電路，或與包括了集成電路的其它基片相連接。
[0019]優(yōu)選的，所述集成電路是CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者S0I，所述推臂直接
沉積在所述推臂基片上的集成電路上面，所述挽臂直接沉積在所述挽臂基片上的集成電路上面。
[0020]優(yōu)選的，所述基片為ASIC芯片，其含有偏移電路、增益電路、校準(zhǔn)電路、溫度補(bǔ)償電路和邏輯電路中的任一種或多種應(yīng)用電路。
[0021]優(yōu)選的，所述邏輯電路為數(shù)字開(kāi)關(guān)電路或者旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算電路。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:偏移小、線性度好、靈敏度高、噪聲小。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中常用的推挽橋式磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中另一種推挽橋式磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明中的推挽橋式磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4為磁電阻傳感元件周圍的磁場(chǎng)分布圖。
[0028]圖5為磁電阻傳感元件所在位置與相對(duì)應(yīng)的增益系數(shù)之間的關(guān)系曲線。
[0029]圖6為本發(fā)明中推挽橋式磁傳感器有無(wú)通量集中器的轉(zhuǎn)換特性曲線?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的描述。
[0031]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中常用的推挽橋式磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器的結(jié)構(gòu)為GMR元件構(gòu)成的惠斯通全橋，相鄰橋臂中GMR元件的釘扎層的磁化方向相反，相對(duì)橋臂中GMR元件的釘扎層的磁化方向相同，如圖中的103、104所示。該傳感器包括基片50、GMR元件電連接構(gòu)成的電阻Rl、Rl’、R2、R2’，用于輸入輸出的焊盤51-54。該傳感器采用兩次成膜工藝，即分兩次分別沉積釘扎層方向相反的GMR元件，這使得其制作工藝復(fù)雜，并且第二次工藝退火時(shí)會(huì)影響第一次沉積的薄膜，這使得前后兩次成膜的一致性差，從而影響傳感器的整體性能。
[0032]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中專利申請(qǐng)201310325337.5所公開(kāi)的單芯片推挽橋式磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器包括基片1，用于輸入輸出的焊盤6-9，多個(gè)傾斜設(shè)置在基片I上面的推臂通量集中器12和挽臂通量集中器13，以及分別位于相鄰兩個(gè)推臂通量集中器之間的間隙14和相鄰兩個(gè)挽臂通量集中器之間的間隙15處的磁電阻傳感元件10和11。磁電阻傳感元件10和11的釘扎層的磁化方向相同。該傳感器容易飽和，并且靈敏度也不足夠聞。
實(shí)施例
[0033]圖3為本發(fā)明中的推挽橋式磁傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器包括推臂基片20，挽臂基片21，多個(gè)磁電阻傳感元件22，42，多個(gè)推臂通量集中器23、挽臂通量集中器41，焊盤24-39。其中，磁電阻傳感元件22、推臂通量集中器23、焊盤24-31沉積于推臂基片20上，磁電阻傳感元件42、挽臂通量集中器41、焊盤32-39沉積于挽臂基片21上，推臂基片20和挽臂基片21除了方向不同之外，其它都相同。焊盤24，25，36，37分別作為電源供應(yīng)端VBias，接地端GND，電壓輸出端V+，V-，焊盤26-29分別與焊盤34，35，38，39電連接。磁電阻傳感元件22，42分別相互電連接形成推臂和挽臂，并分別成列排布于相鄰兩個(gè)推臂通量集中器23之間的間隙處和相鄰兩個(gè)挽臂通量集中器41之間的間隙處。每?jī)蓚€(gè)相鄰的推臂通量集中器23之間的間隙處和每?jī)蓚€(gè)相鄰的挽臂通量集中器41之間的間隙處各自分別至多排布有一列磁電阻傳感兀件，每一列磁電阻傳感兀件可以含有一個(gè)或至少兩個(gè)磁電阻傳感兀件，圖3中每一列含有6個(gè)磁電阻傳感元件。推臂基片20和挽臂基片21的外圍上下兩側(cè)各自分別有兩個(gè)推臂通量集中器23和挽臂通量集中器41，它們分別與相鄰的推臂通量集中器23和相鄰的挽臂通量集中器41之間的間隙處并沒(méi)有排布磁電阻傳感元件22，42，這是為了使磁電阻傳感元件22，42處的磁場(chǎng)分布更加均勻。當(dāng)然根據(jù)需要，可以設(shè)置更多的推臂通量集中器和/或挽臂通量集中器的間隙處不排布磁電阻傳感元件。優(yōu)選的，這些間隙處不排布磁電阻傳感元件的推臂通量集中器和/或挽臂通量集中器分別位于推臂基片20和挽臂基片21的外側(cè)以及最中間。如果有需要，這些通量集中器的間隙處也可以排布磁電阻傳感元件。電橋的每一橋臂上的推臂通量集中器或挽臂通量集中器的個(gè)數(shù)與同一橋臂上的磁電阻傳感元件的列數(shù)之間的關(guān)系如下:NC>=NS+1，其中NC為推臂通量集中器或挽臂通量集中器的個(gè)數(shù)，NS為磁電阻傳感元件的列數(shù)，在本實(shí)施例中NC為7，NS為4。若推臂通量集中器23和挽臂通量集中器41成行排布，那么磁電阻傳感元件22和42也就分別成行排布于相鄰兩個(gè)推臂通量集中器23之間的間隙處和相鄰兩個(gè)挽臂通量集中器41之間的間隙處。
[0034]同一基片上的各磁電阻傳感元件22的釘扎層的磁化方向相同以及各磁電阻傳感元件42的釘扎層的磁化方向也相同，但磁電阻傳感元件22與磁電阻傳感元件42的釘扎層的磁化方向相反，分別為100，101。磁電阻傳感元件22，42可以為GMR或者TMR傳感元件，其敏感方向均為X軸方向，磁電阻傳感元件22，42的數(shù)量相同并且相互平行。此外，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁電阻傳感元件22，42可以通過(guò)片上永磁體、片上線圈、雙交換作用、形狀各向異性或者它們的任意結(jié)合來(lái)偏置磁性自由層的磁化方向，使其與釘扎層的磁化方向垂直，片上永磁體和片上線圈所產(chǎn)生的交叉偏置場(chǎng)的方向?yàn)閅軸方向，磁電阻傳感兀件22與磁電阻傳感元件42上的交叉偏置場(chǎng)的方向可以相反，即一個(gè)沿Y軸正向，另一個(gè)沿Y軸負(fù)向，也可以相同，即均沿Y軸正向或Y軸負(fù)向。
[0035]推臂通量集中器23和挽臂通量集中器41的數(shù)量相同并且相互平行，各自至少為2個(gè)，在圖3中每一橋臂上均為7個(gè)。它們的長(zhǎng)軸方向均為Y軸方向，短軸方向均為X軸方向，并且它們均為細(xì)長(zhǎng)條形陣列，但不限于該形狀，其組成材料為選自N1、Fe和Co中的一種或幾種元素組成的軟鐵磁合金。在推臂基片20和挽臂基片21上也還可以印制有集成電路，或與印制有集成電路的其它基片相連接，優(yōu)選地，所印制的集成電路可以為CMOS、BiCMOS、Bipolar,BCDMOS或者S0I，當(dāng)推臂基片20和挽臂基片21上印制有集成電路時(shí)，推臂與挽臂便可直接沉積在對(duì)應(yīng)基片的集成電路上面。。此外，推臂基片20和挽臂基片可為ASIC基片，其可含有偏移、增益、校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償和邏輯中的任一種或幾種應(yīng)用電路，其中邏輯電路還可以為數(shù)字開(kāi)關(guān)電路或者旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算電路，但并不限于以上電路。
[0036]本實(shí)施例中是采用焊盤引線鍵合來(lái)進(jìn)行輸入輸出連接，也可以采用倒裝芯片、球柵陣列封裝、晶圓級(jí)封裝以及板上芯片封裝等半導(dǎo)體封裝方法。
[0037]圖4為磁電阻傳感元件22周圍的磁場(chǎng)分布圖。圖中，外加磁場(chǎng)的方向?yàn)?02。從圖中可以看出，在相鄰兩個(gè)推臂通量集中器23之間的間隙處的磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。磁電阻傳感元件42周圍的磁場(chǎng)分布與圖3中相同，在此就不再贅敘。
[0038]圖5為磁電阻傳感元件22，42所在位置與相對(duì)應(yīng)的增益系數(shù)之間的關(guān)系曲線。從圖中曲線55可以看出，磁電阻傳感元件22，42所在位置處磁場(chǎng)的增益系數(shù)Asns>l，由此可見(jiàn)，磁電阻傳感元件22，42所檢測(cè)到的磁場(chǎng)信號(hào)得到增強(qiáng)，這使得輸出信號(hào)增強(qiáng)，從而提高了該傳感器的靈敏度。
[0039]圖6為磁電阻傳感元件為TMR傳感元件時(shí)，本發(fā)明中的推挽橋式磁傳感器有無(wú)通量集中器時(shí)的轉(zhuǎn)換特性曲線。曲線43對(duì)應(yīng)的是沒(méi)有通量集中器的情形，曲線44對(duì)應(yīng)的是有通量集中器的情形。圖中橫軸為外加磁場(chǎng)的大小，縱軸為傳感器輸出電壓與電源電壓之間的比值。對(duì)比兩曲線可以看出，使用了通量集中器之后，傳感器的線性度更好、靈敏度更高，并且曲線原點(diǎn)上下對(duì)稱性更好，也就是說(shuō)偏移量會(huì)更小。另外，本發(fā)明中的傳感器使用了兩個(gè)基片，相對(duì)于使用單基片的傳感器，其面積增大，從而噪聲減小。
[0040]以上討論的是電橋?yàn)槿珮虻那樾?，由于半橋和?zhǔn)橋的工作原理與全橋相同，在此就不再贅述，上述所得到的結(jié)論也同樣適用于半橋和準(zhǔn)橋結(jié)構(gòu)的推挽橋式磁傳感器。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種推挽橋式磁傳感器,其特征在于:該傳感器包括 位于XY平面內(nèi)的推臂基片和挽臂基片； 至少一個(gè)由一個(gè)或多個(gè)磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成的推臂和至少一個(gè)由一個(gè)或多個(gè)磁電阻傳感元件電連接構(gòu)成的挽臂； 至少兩個(gè)推臂通量集中器和至少兩個(gè)挽臂通量集中器； 所述推臂通量集中器和所述挽臂通量集中器的長(zhǎng)軸方向均為Y軸方向，短軸方向均為X軸方向； 所述推臂上的磁電阻傳感元件位于兩個(gè)相鄰?fù)票弁考衅髦g的間隙處，所述挽臂上的磁電阻傳感元件位于兩個(gè)相鄰?fù)毂弁考衅髦g的間隙處； 所述推臂和所述推臂通量集中器沉積在所述推臂基片上，所述挽臂和所述挽臂通量集中器沉積在所述挽臂基片上； 所述推臂和所述挽臂相互電連接以形成電橋； 所述推臂基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同，所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相同；所述推臂基片與所述挽臂基片上的磁電阻傳感元件的磁性釘扎層的磁化方向相反； 所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的敏感方向均為X軸方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，每?jī)蓚€(gè)相鄰所述推臂通量集中器之間的間隙處和每?jī)蓚€(gè)相鄰所述挽臂通量集中器之間的間隙處各自分別最多排布有一列所述磁電阻傳感元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，所述磁電阻傳感元件為GMR或者TMR傳感元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，對(duì)于所述推臂基片和所述挽臂基片，其中一個(gè)基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向?yàn)閄軸正方向，另一個(gè)基片上的所述磁電阻傳感元件的釘扎層的磁化方向?yàn)閄軸負(fù)方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，所述磁電阻傳感元件可以通過(guò)片上永磁體、片上線圈、雙交換作用、形狀各向異性或者至少兩種的結(jié)合來(lái)偏置磁性自由層的磁化方向，所述片上永磁體和所述片上線圈所產(chǎn)生的交叉偏置場(chǎng)的方向?yàn)閅軸方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，所述電橋?yàn)榘霕?、全橋或者?zhǔn)橋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推挽橋式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上的磁電阻傳感元件的數(shù)量相同并且相互平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推挽橋式磁場(chǎng)傳感器，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數(shù)量相同并且相互平行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的推挽橋式磁場(chǎng)傳感器，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為細(xì)長(zhǎng)條形陣列，組成材料均為軟鐵磁合金，所述軟鐵磁合金含有N1、Fe和Co中的一種或多種元素。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推挽橋式磁場(chǎng)傳感器，其特征在于，所述推臂和所述挽臂上磁電阻傳感元件處的磁場(chǎng)的增益系數(shù)Asns>l。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，所述推臂基片和所述挽臂基片包括了集成電路，或與包括了集成電路的其它基片相連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，所述集成電路為CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者S0I，所述推臂直接沉積在所述推臂基片上的集成電路上面，所述挽臂直接沉積在所述挽臂基片上的集成電路上面。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，所述基片為ASIC芯片，其含有偏移電路、增益電路、校準(zhǔn)電路、溫度補(bǔ)償電路和邏輯電路中的任一種或多種應(yīng)用電路。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的推挽橋式磁傳感器，其特征在于，所述邏輯電路為數(shù)字開(kāi)關(guān)電路或者旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算電路`。
【文檔編號(hào)】G01R33/09GK103630855SQ201310718969
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】詹姆斯·G·迪克, 李丹 申請(qǐng)人:江蘇多維科技有限公司