一种预调制磁电阻传感器的制作方法
本发明涉及一种磁电阻传感器，尤其涉及一种预调制磁电阻传感器。
背景技术：
磁电阻传感器受到1/f噪声的限制，限制分辨率在一个低的频率。调制磁场传感器的技术已经发展到将测量信号转换为相对于传感器固有噪声的更高频率，这样可以绕过传感器的1/f噪声。
现有技术中包括使用磁通集中器，进一步地，通过使用mems相对于彼此以摆动的方式移动传感器和磁通集中器，在传感器的外部提供体积更大些的通量集中器，并且使用一种设置在磁通集中器周围的线圈进行周期性地渗透。
在上述两种情况中，目的是为了周期性地改变将要测量到的磁场，该磁场通过传感器感应，称之为预调制的一种方法可以通过传感器信号的输出随后进行调制，这将传感器信号转换为更高的频率，而此时，传感器的噪声变得更小。
调制磁场必须足够的小，这样才不引起传感器元件的噪声。通过更大地周期性的磁场对传感器本身进行调制既可引起巴克豪森噪声，并且如果振幅足够大时，它还将产生传感器灵敏度的非线性调制，而非线性调制混合了传感器的低频热磁性噪声进入到调制信号的边频带。当最小的调制磁场出现在传感器中，最佳的降噪并因此最佳信噪比就产生了，这些也正对应于被检测信号的峰值幅度。
此外，降噪有益于降低传感器1/f噪声，这是基于下述因素实现的：适当的传感器偏置；适当的传感器材料；足够的传感器的尺寸。
最终，且当在足够高的频率调制，这样使得输入信号发生在传感器的白噪声区域；传感器的电阻低，这样约翰逊噪声低；传感器的灵敏度高，这样等效输入噪声小；按照一定的电压或者电流偏置传感器，这样不会引起散射噪声，散射噪声超过了传感器的热约翰逊噪声，降噪达到了最大化。
现有技术中的调制方法为：移动磁通集中器或者相对于磁通集中器移动传感器，这两种方法太复杂，花费费用很高；放置传感器在一个大的屏蔽罩中，屏蔽罩周期性的渗透，然而，该方法中屏蔽罩是在传感器的外部，这样体积会变得很大，也很昂贵。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种预调制磁电阻传感器。本发明是根据以下技术方案实现的：
一种预调制磁电阻传感器，在xy平面上设置有一衬底，磁电阻感应元件、调制器、电连接器、电绝缘层和键合焊盘均沉积在所述衬底上，所述磁电阻感应元件的感应方向平行于x轴；
所述磁电阻感应元件串连连接成磁电阻感应元件串，所述的磁电阻感应元件串电连接成传感器电桥，所述传感器电桥为推挽式半桥电路或推挽式全桥电路；所述的磁电阻感应元件串与所述的键合焊盘电连接，使得偏置电压或者电流流过所述的磁电阻感应元件并探测所述磁电阻感应元件上的电压或电流；
所述的调制器与所述的键合焊盘电连接，从所述的键合焊盘得到调制电流，所述调制电流的方向平行于y轴的方向，所述的调制器使得调制电流通过软铁磁通量集中器周围的导体，在软铁磁通量集中器周围产生磁场来调制软磁通量集中器的磁导率，所述的调制器与磁电阻感应元件之间设置有一层电绝缘层，所述的电绝缘层将所述的调制器与所述的磁电阻感应元件隔开。
优选地，所述的磁电阻感应元件为amr、gmr或者tmr磁感应元件；所述的调制器由多个调制器棒构成，所述的调制器棒的结构为矩形条状，其长轴平行于y轴方向，其短轴平行于x轴方向，多个所述的调制器棒以阵列形式设置，所述调制器棒之间有间隙，所述间隙的间隔距离方向延x轴方向，所述的调制器棒的端部之间通过电连接器连接成蛇形状的电流路径。
优选地，所述的调制器棒是由fm1层、nm层和fm2层三层结构构成，其中fm1层和fm2层是软铁磁体层，nm层是普通金属层；所述nm层的材料为钌或铜，所述nm层的厚度小于5nm，所述fm1层和所述fm2层之间存在反铁磁rkky耦合作用。
优选地，所述的电连接器为金属，所述的电连接器与所述的调制器的上表面、下表面或者侧表面相连；
或者，所述的电连接器从fm1层、nm层和fm2层的三层结构中刻蚀。
优选地，所述的调制器包括载流线圈和铁磁性矩形体，所述的载流线圈位于铁磁性矩形体的上方，所述的载流线圈与所述的键合焊盘连接。
优选地，所述的传感器还包括交流基准电源，所述的交流基准电源以频率f周期性地驱动所述传感器的调制器棒、模拟前端电路、低通滤波器以及混频器，所述的模拟前端电路包括前端处理器和放大器，所述的前端处理器与磁电阻传感器的输出端电容耦合，所述的混频器的输入端电连接到所述的交流基准电源和所述的前端处理器输出端，所述的低通滤波器的输入端电连接所述的混频器的输出端，所述的低通滤波器的输出端提供一个输出信号，所述的输出信号与所述的磁电阻感应元件所检测的磁场的幅值和极性对应。
优选地，还包括有优化滤波器，所述优化滤波器与交流基准电源信号或者所述的混频器的一个输入信号电连接；所述优化滤波器通过在交流基准电源信号进入到混频电路之前去除部分频率分量，以及通过转换交流基准电源信号为交流电压信号的方式来调节所述基准电源信号。
优选地，所述的交流基准电源信号是单极性的，所述的低通滤波器与所述的混频器的输出端连接，所述的低通滤波器具有频率为f的低频截止频率。
优选地，所述的交流基准电源信号是双极性的，所述的磁电阻传感器还包括倍频器，所述的倍频器与所述的交流基准电源以及所述的混频器的输入端电连接，所述的低通滤波器与所述的混频器的输出端连接，所述的低通滤波器具有频率为2f的低频截止频率。
优选地，所述传感器电桥包括单一芯片，构成传感器电桥的桥臂沉积在所述单一芯片上；或者所述传感器电桥包括两个或者两个以上互连的芯片，每个独立的芯片均包括磁电阻感应元件串，所述的磁电阻感应元件串电连接成一个或多个传感器电桥的桥臂。
优选地，在所述交流基准电源信号位于工作频率范围时，所述的磁电阻传感器元件产生白噪声频率远大于1/f噪声频率。
优选地，所述的fm1层和所述的fm2层有不同的剩磁厚度积mrt，在无外加磁场时，即使交流基准电源信号最大，所述调制电流在传感器位置产生的磁场也为最小。
本发明的一种预调制磁电阻传感器与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明使用rkky耦合的fm堆栈形式，通过来自于调制器的调制电流改变所述磁电阻传感器的磁导率，并因此调制磁场；本发明能够在传感器元件探测之前进行信号调制，且所述调制电流能够确保调制信号工作在磁电阻传感器的相应线性范围内；进一步通过改变磁导率实现磁场调制和噪声抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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它附图。
图1为调制信号的频率和传感器噪声的关系示意图；
图2为标准的信号调制技术示意图；
图3为约翰逊噪声和1/f噪声随频率变化示意图；
图4为信号调制和噪声的偏移示意图；
图5为本发明的一种预调制磁电阻传感器的结构示意图；
图6为本发明的一种预调制磁电阻传感器的剖视图；
图7为本发明的一种调制器棒的结构示意图；
图8为本发明的另一种调制器棒的结构示意图；
图9为本发明的无调制电流的调制器棒的磁场分布示意图；
图10为本发明的有调制电流的调制器棒的磁场分布示意图；
图11为本发明的预调制磁电阻传感器的一种调制器的结构示意图；
图12为传感器轴的磁导率与调制电流关系的示意图；
图13为施加的调制电流的波形图；
图14为磁导率变化的波形图；
图15为传感器增益的波形图；
图16为调制磁电阻传感器的输入输出示意图；
图17为本发明的单磁电阻电路的单极性的第一谐波应用示意图；
图18为本发明的单磁电阻电路的双极性的第二谐波应用示意图；
图19为本发明的半桥电路的单极性的第一谐波应用示意图；
图20为本发明的半桥电路的双极性的第二谐波应用示意图；
图21为本发明的全桥电路的单极性的第一谐波应用示意图；
图22为本发明的全桥电路的双极性的第二谐波应用示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为调制信号的频率与传感器噪声的关系示意图；具体地，在位置1处，低频信号具有更大的噪声，这种情况下，直流信号具有很低的分辨率；在位置2处，如果直流信号以一定的频率偏移到白色噪声范围，将是一种非常理想的状态。
图2为标准的调制技术的示意图，理想情况下，可以消除来自于噪声放大器、混频器以及低通滤波器的噪声，这个调制器需要先调制低噪声电路元件，通过施加交流电压偏置或者交流磁场信号给传感器来调制传感器，这可作为将所希望得到的信号从传感器的噪声中分离开的一个方法，但是该方法不能实现传感器噪声的去除。
其中，电阻噪声是指一个装置中的电阻随机且没有规律的波动。在本申请中，定义为rnoise(ω)，当一个电流流过一个装置时，电阻噪声将以电压噪声的形式出现。进一步地，电压噪声是指一个装置中的电压随机且没有规律的波动，在本申请中定义为vnoise(ω)。
对于一个装置，很有可能只有电压噪声而没有流过的电流，因此，一个装置可以有平衡电压而没有电阻噪声，约翰逊噪声就是一个例子；也有可能具有独立于偏置电流的电压噪声，约翰逊噪声也是一个例子。
图3为约翰逊噪声和1/f噪声随频率变化示意图。约翰逊噪声的幅度没有随着偏置电流改变而改变，1/f电压噪声随着偏置电流而改变。
约翰逊光谱噪声密度为
所述的1/f噪声在低频率时是很大的，1/f噪声的幅值由偏置电压决定，约翰逊噪声与之是独立的；其中，1/f噪声以电阻波动的形式出现，其中有很多种可能的作用机制；但是对于传感器设计而言，它是电阻波动决定了它是如何被抑制，具体的作用机制并不重要。
下面给出分析，证明传感器偏置调制是不起作用的：假设，传感器的输出是信号与噪声的结合：
其中，h表示测量的磁场，s表示灵敏度，vnoise(ω)表示随机的传感器噪声，α1表示信号非线性系数，i为≥1的正数，
在一个极限下，vout(ω)≈h(ω)s+vnoise(ω)；
可以考虑调制传感器偏置来改变灵敏度，
则，vout(ω)≈h(ω)s(ibias(ωc))+vnoise(ω,ibias(ωc))
然而，1/f噪声以电阻噪声的形式出现，电阻噪声的幅值取决于流过传感器元件的偏置电流：
vout(ω)≈h(ω)s(ibias(ωc))+rnoise(ω)ibias(ωc)+....
因此，当以来调制传感器时，可以得到：
vout(ω-ωc)-vout(ω+ωc)≈h(ω){s(ibias(0))-s(ibias(2ωc))}+rnoise(ω){ibias(0)-ibias(2ωc)}+....然后以通过低通滤波器，我们没有看到1/f噪声的减小，
vout(ω-ωc)≈h(ω)s(ibias(0))+rnoise(ω)ibias(0)+....
vout(ω-ωc)≈h(ω)s+vnoise(ω)+....
因此，可以看到调制传感器偏置不能够减小1/f噪声，这样传感器会产生电阻噪声。
下面采用预调制的方式进行调制，假设传感器输出是信号的噪声的非线性结合，所述传感器是采用直流偏置，
其中，h表示测量的磁场，s表示灵敏度，vnoise(ω)表示随机的传感器噪声，α1表示信号非线性系数，i为≥1的正数，
在极限下，可以测量到的噪声和磁场相互是独立的，
vout(ω)≈h(ω)s+vnoise(ω)
假设在传感器探测磁场之前，在调制磁场输入，这样可以得到
vout(ω)≈h(ω+ωc)s+vnoise(ω)，
通过进行对进行混频，可以得到：
vout(ω-ωc)-vout(ω+ωc)≈{-h(2ωc)+h(ω)}s-vnoise(ω+ωc)+vnoise(ω-ωc)+...最终通过低通滤波器，可以得到：
vout(ω-ωc)≈h(ω)s+vnoise(ω-ωc)+...
这样噪声相对于探测信号就转向负频率。
图4为信号调制和噪声的偏移示意图，调制的频谱偏移以频率移到低频率，造成低频率噪声的降低。如果使用高的调制磁场，非线性会造成传感器噪声混合到调制的边频带上，这将降低噪声消减的数量。
为了任何调制结构能够工作，调制器调制待测量的信号而不一定非要调制传感器的1/f噪声，仍然可以实现信号和噪声之间的频率偏移，降低系统输出的1/f噪声。
图5为本发明的一种预调制磁电阻传感器的结构示意图，如图5所示，在xy平面上设置有一衬底1，磁电阻感应元件3、调制器棒2、电连接器4、传感器连接件5、键合焊盘6、键合焊盘7、键合焊盘8、键合焊盘9等沉积在所述衬底1上，磁电阻感应元件3的感应方向平行于x轴；
磁电阻感应元件3串连连接成磁电阻感应元件串，所述的磁电阻感应元件串电连接成传感器电桥；所述的磁电阻感应元件串通过传感器连接件5，与所述的键合焊盘7和键合焊盘8电连接，使得偏置电压或者电流流过所述的磁电阻感应元件3并探测磁电阻感应元件3上的电压或电流，多个所述的调制器棒2以阵列形式设置，所述调制器棒2之间有间隙，所述间隙的间隔距离的方向延x轴方向，所述的调制器棒2与所述的键合焊盘电连接，调制电流从所述键合焊盘穿过，所述调制电流平行于y轴的方向，所述的调制器棒2的端部之间通过电连接器4连接成蛇形状的电流路径。
其中，所述的磁电阻感应元件3为amr、gmr或者tmr磁感应元件。所述的磁电阻感应元件串电连接成推挽式半桥电路，或者所述的磁电阻感应元件串电连接成推挽式全桥电路。
图6为本发明的预调制磁电阻传感器的剖视图，在调制器棒2上方沉积一层钝化保护层16，在磁电阻感应元件3上方沉积上部电极15，在磁电阻感应元件3下方沉积底部电极14，底部电极14与衬底1连接，调制器棒2与磁电阻感应元件3之间设置有一层电绝缘层，电绝缘层13将所述的调制器棒2与所述的磁电阻感应元件3隔开。其中，磁电阻感应元件3与衬底1之间也设置一层电绝缘层，图中的17为键合焊盘。
图7为一种调制器棒的结构示意图，图8为另一种调制器棒的结构示意图，调制器棒2是由fm1层21、nm层22和fm2层23三层结构构成，其中fm1层和fm2层是软铁磁体层，nm层是普通金属层，所述的调制器棒2的结构为矩形条状，其长轴平行于y轴方向，其短轴平行于x轴方向，多个所述的调制器棒2以阵列形式设置，调制器棒之间有间隙，所述间隙的间隔距离延x轴方向。图中箭头74和75分别表示电流的流进和流出。
优选地，所述的调制器棒2的nm层的材料为钌或铜，所述nm层的厚度小于5nm，所述fm1层和所述fm2层之间存在反铁磁rkky耦合。
图7和图8的差别在于：图7中电连接器优选地，所述的电连接器4为金属导体元件，与所述的调制器棒2的上表面、下表面或者侧表面相连，而图8中的电连接器4是从fm1层、nm层和fm2层三层结构中刻蚀。
由于金属层比fm1层和fm2层具有更高的导电性，所以，调制器棒中的电流聚集在调制器棒的中间层；当电流很大时，fm1层和fm2层降低了调制器在平行于传感器元件感应方向上的磁导率。其中，高的磁导率意味着传感器串上集中的磁通量含量高，相反地，低的磁导率意味着传感器串上的集中的磁通量含量低。因此，通过交流电流穿过调制器，外部磁场可以通过磁导率的改变来调制。
调制器的fm1层和fm2层需要相同的剩磁厚度积(mrt)，这样它们可以在调制器间进行相互补偿，然而，因为调制器棒的底层fm2层接近于磁电阻感应元件，因此，顶层的fm1层的剩磁厚度积比底层的fm2层要高一些。并且，调制器棒端部之间相互电连接，调制电流可以以蛇形的方式流过调制器棒，在整个的磁电阻感应元件区域可以弥补由于fm1和fm2不匹配而造成的不均匀。
图9为无调制电流的调制器棒的磁场分布示意图，调制器棒产生的磁场集中在磁电阻感应元件处。图10为有调制电流的调制器棒的磁场分布示意图，从图中可知，当施加调制电流时，在磁电阻感应元件没有磁场的集中。
图11本发明的预调制磁电阻传感器的调制器的另一种结构示意图，如图11所示，所述的预调制磁电阻传感器的调制器包括载流线圈11和铁磁性矩形体18，所述的载流线圈11位于铁磁性矩形体18的上方，所述的载流线圈11与所述的键合焊盘12连接。
图12为传感器轴的磁导率随调制电流变化的示意图；随着调制电流的增加，磁传感器轴的磁导率减小，施加交流调制电流，图13为施加的调制电流的波形图，从图13看出中，施加电流为正弦信号；其中的磁导率的大小与电流刚好相反，如图14所示，图14为磁导率变化的波形图；因磁场增益随磁导率的变化而变化，进而得到了传感器增益波形图，如图15所示。
图16为调制磁电阻传感器的输入输出示意图，调制磁电阻传感器包括调制电流输入端、调制电流输出端、传感器电流输入端和传感器电流输出端，图中的箭头方向为钉扎层方向。
本发明还包括交流基准电源，所述的交流基准电源以频率f周期性地驱动所述传感器的调制器棒、模拟前端电路、低通滤波器以及混频器，所述的模拟前端电路包括前端处理器和放大器，所述的前端处理器与磁电阻传感器的输出端电容耦合，所述的混频器的输入端电连接到所述的交流基准电源和所述的前端处理器输出端；所述的低通滤波器的输入端电连接所述的混频器的输出端，所述的低通滤波器的输出端提供一个输出信号，所述的输出信号与所述的磁电阻感应元件所检测的磁场的幅值和极性对应。
图17为单个磁电阻电路的单极性的第一谐波应用示意图，图18为单个磁电阻电路的双极性的第二谐波应用示意图，图19为半桥电路的单极性的第一谐波应用示意图，图20为半桥电路的双极性的第二谐波应用示意图；图21为全桥电路的单极性的第一谐波应用示意图；图22为全桥电路的双极性的第二谐波应用示意图。
图17中所述的交流基准电源信号是单极性的。所述的低通滤波器与所述的混频器的输出端连接，所述的低通滤波器为一次谐波低通滤波器，具有频率为f的低频截止频率。
图17中还包括有一个优化滤波器，与所述的交流基准电源或者所述的混频器的一个输入信号电连接，所述优化滤波器通过在交流基准电源信号进入到混频电路之前去除部分频率分量，以及通过转换交流基准电源信号为交流电压信号的方式来调节所述基准电源信号。
图18中，所述的交流基准电源信号是双极性的，所述的磁电阻传感器还包括倍频器，所述的倍频器与所述的交流基准电源以及所述的混频器的输入端电连接，低通滤波器与所述的混频器的输出端连接，所述的低通滤波器为二次谐波低通滤波器，具有频率为2f的低频截止频率。
图19和图20分别采用两个磁电阻电路元件构成半桥电路。图21和图22分别采用四个磁电阻电路元件构成全桥电路，具体工作原理与上述类似。所述的传感器电桥包括两个或者两个以上互连的芯片，每个独立的芯片包括磁电阻感应元件串，所述的磁电阻感应元件串电连接成一个或多个传感器电桥电路的桥臂；或者所述传感器电桥包括单一芯片，构成传感器电桥的桥臂沉积在所述单一芯片上。
需要说明的是，所述的fm1层和所述的fm2层有不同的剩磁厚度积mrt；其中，在无外加磁场时，即使交流基准电源信号最大，此时所述调制电流在传感器位置产生的磁场也为最小，所述调制电流在传感器位置产生的磁场不受交流基准电源的影响。
需要说明的是，在所述交流基准电源信号位于工作频率范围时，所述的磁电阻传感器元件产生白噪声频率是远大于1/f噪声频率的。其中，通过增加传感器的尺寸，扩大面积能够减小1/f噪声。
本发明使用rkky耦合的fm堆栈形式，通过调制器输出的调制电流改变所述磁电阻传感器的磁导率，并因此调制磁场。并且，本发明能够在被传感器元件探测之前进行调制，确保调制信号位于所述磁电阻传感器的相应线性区域范围内。
以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；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。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！