专利名称：一种磁电阻磁场梯度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型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 �。岣呋舳涑隽槊舳龋佣黾恿舜衅鞯奶寤椭亓浚被舳哂泄拇螅咝远炔畹娜毕�。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，TunnelMagnetoresistance)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兀件磁阻输出的偏移值,构成电桥的MTJ兀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，本实用新型提供了一种以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�。露忍匦院玫挠诺�。本实用新型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，所述的磁电阻元件的形状具有各向异 性。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�。菟雇ㄈ沤峁怪写τ谙喽晕恢玫那疟鄣缱璐τ谔荻却懦〉耐晃恢茫菟雇ㄈ沤峁怪写τ谙嗔谖恢玫那疟鄣缱璐τ谔荻却懦〉牟煌恢谩Ｓ叛〉兀杂来盘宄浯乓缘鹘诟糜来盘宓拇呕慷群头较蛞缘鹘诖诺缱璐懦√荻却衅鞯氖涑鲂阅�。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。本实用新型采用以上结构，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�。露忍匦院玫挠诺�。
图I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I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I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I是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件I 一般包括上层的铁磁层或人工反铁磁层(Synthetic Anti ferromagnetic, 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I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，&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=O的点对称的。饱和场17、18是沿着Htj点16典型的偏移�。虼�&值对应的饱和场更接近H=O的点。H。值通常被称为“橘子皮效应(Orange Peel)”或“奈尔耦合(NeelCoupling)”�。涞湫椭滴狪到40 Oe0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
权利要求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I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的形状具有各向异性。
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I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I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�。菟雇ㄈ沤峁怪写τ谙喽晕恢玫那疟鄣缱璐τ谔荻却懦〉耐晃恢茫菟雇ㄈ沤峁怪写τ谙嗔谖恢玫那疟鄣缱璐τ谔荻却懦〉牟煌恢�。
7.根据权利要求I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。
专利摘要本实用新型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。
文档编号G01R33/09GK202794487SQ20122009402
公开日2013年3月13日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者白建民, 詹姆斯·G·迪克, 刘明峰, 沈卫锋 申请人:江苏多维科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
