磁电阻传感器芯片的制作方法

[0001]
本发明属于传感器芯片技术领域，尤指涉及一种磁电阻传感器芯片。


背景技术：

[0002]
隧穿磁电阻(tmr)是一种铁磁层/绝缘层/铁磁层的三明治结构的磁隧道结，当上下两个铁磁层的磁化方向呈现平行态或反平行态时，隧穿磁电阻会呈现不同的电阻值，在室温下表现出极强的磁电阻效应。基于该效应制成的磁电阻传感器芯片可以准确感知磁场的变化并转成电压信号对外输出，具有体积小、成本低、功耗低、集成度高、响应频率高和灵敏度高等特性。目前隧道磁电阻材料已广泛应用于磁盘读取磁头、非易失性随机存储器中，相关的磁传感器在各行各业中也展现出了良好的应用前景。
[0003]
在常温下，隧穿磁电阻传感器芯片具有非常好的线性度与极高的灵敏度，但在低温或高温环境中，随着温度的改变，电阻值会产生温漂现象，温漂现象会导致传感器芯片的灵敏度与线性度降低，进而影响传感器的测量范围与测量精度。为了解决磁电阻传感器的温漂问题，目前比较常用的方法是利用热敏电阻采集环境温度，对传感器芯片的输出进行温度补偿。但由于热敏电阻自身的局限性，只能保证在0℃～50℃范围内磁电阻传感器芯片可以有较高的灵敏度，一旦超出这个温度范围，传感器芯片仍然会出现较明显的温漂现象。
[0004]
为了解决传感器的温漂问题，还有人提出了另一种解决方案，专利号为2018209705482的中国实用新型专利中公开的一种二维磁场传感器，在衬底上设置磁通引导器，磁通引导器分为两个或四个区域，每个区域设置有一对磁敏电阻，对角两个区域的磁敏电阻构成惠斯通电桥，两组惠斯通电桥中的一组被软磁材料屏蔽，另一组可以对磁场进行感应，从而得到两个差分信号的输出，以此来抑制温漂。但如果仅仅只是对一组惠斯通电桥采取磁屏蔽，由于桥臂上四个电阻几乎相同，惠斯通电桥的差分输出信号实际会非常小，反应温度变化的能力极为有限。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种低温漂的磁电阻传感器芯片。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
[0007]
磁电阻传感器芯片，包括：第一感应单元，所述第一感应单元包括由磁电阻组成的惠斯通电桥，其中，一对相对桥臂上的磁电阻被软磁层屏蔽；第二感应单元，所述第二感应单元包括由磁电阻组成的惠斯通电桥，其中，一对相对桥臂上的磁电阻被软磁层屏蔽，另一对相对桥臂上的磁电阻处于偏置磁场中；数据处理单元，所述数据处理单元将所述第一感应单元的输出和所述第二感应单元的输出相除后，输出最终的感应信号。
[0008]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，偏置磁场由设置于磁电阻两侧的永磁体形成。
[0009]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述永磁体为smco或ndfeb。
[0010]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述永磁体的磁场强度为
100～200oe。
[0011]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述软磁层为坡莫合金层。
[0012]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述第一感应单元的磁电阻和所述第二感应单元的磁电阻结构相同，采用磁控溅射成膜工艺在同一晶圆上一次形成。
[0013]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述第一感应单元和所述第二感应单元还包括向外输出信号的输出端子以及与外部电源相连的供电端子。
[0014]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述数据处理单元包括第一对数电路、第二对数电路、减法运算电路和指数电路，所述第一对数电路与所述第一感应单元的输出端相连，所述第二对数电路与所述第二感应单元的输出端相连，所述减法运算电路接收来自所述第一对数电路和所述第二对数电路的输出并进行处理后，将处理结果输出至所述指数电路，所述指数电路对所述减法运算电路的输出进行处理后，输出最终的感应信号。
[0015]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述磁电阻为tmr单元或gmr单元。
[0016]
作为本发明磁电阻传感器芯片的一种具体实施方式，所述磁电阻为一个磁电阻单元，或多个磁电阻单元串联。
[0017]
由以上技术方案可知，本发明通过设置两个感应单元，一个感应单元采用磁电阻和被软磁屏蔽层屏蔽的磁电阻形成的惠斯通电桥，对外输出与温度和磁场有关的信号，另一个感应单元采用被永磁体偏置的磁电阻和被软磁屏蔽层屏蔽的磁电阻形成的惠斯通电桥，对外输出只与温度有关的信号，然后对两个输出信号进行除法处理，来达到消除外界温度对传感器芯片干扰的目的；而且本发明两个感应单元中的惠斯通电桥的结构不同，分别采用了磁屏蔽结构以及偏置加磁屏蔽的结构，处于偏置场中的惠斯通电桥结构的阻值不随外磁场的变化而变化，从而能够获得一个更大的差分输出信号，以获得更为理想的温度变化情况，实现减小传感器芯片温漂的目的，使传感器芯片具有更高的准确度和灵敏度，能在更宽的温度区间使用。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单介绍，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。
[0019]
图1为本发明实施例的结构框图；
[0020]
图2为本发明实施例第一感应单元的电路示意图；
[0021]
图3为本发明实施例第二感应单元的电路示意图；
[0022]
图4为本发明实施例数据处理单元的电路框图；
[0023]
图5为磁电阻与外磁场的对应关系图。
具体实施方式
[0024]
为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，
并配合所附图示，做详细说明如下。
[0025]
如图1所示，本实施例的磁电阻传感器芯片包括第一感应单元1、第二感应单元2以及数据处理单元3，本实施例的第一感应单元1、第二感应单元2和数据处理单元3均为裸片单元。第一感应单元1用于采集与温度相关的磁场信息，然后向数据处理单元3输出电压信号v
m
，第二感应单元2用于采集温度信息，然后向数据处理单元3输出电压信号v
b
，数据处理单元3对来自第一感应单元1和第二感应单元2的信号进行处理后，向外输出结果，本实施例的数据处理单元3中包含除法运算电路，用于将第一感应单元1输出的电压信号v
m
与和第二感应单元2输出的电压信号v
b
相除，然后输出最终的感应信号v0。
[0026]
如图2所示，第一感应单元1包括四个磁电阻：第一磁电阻1-1、第二磁电阻1-2、第三磁电阻1-3及第四磁电阻1-4，四个磁电阻连接成惠斯通电桥，惠斯通电桥中，一对相对桥臂上的磁电阻被软磁层屏蔽，从而无法感应磁场，只能感应温度；另一对相对桥臂上的磁电阻可以正常感应与温度有关的磁场，从而形成屏蔽式惠斯通电桥。本实施例中，第二磁电阻1-2和第四磁电阻1-4被软磁层屏蔽，对外磁场无响应，因此不能感应外界磁场，第一磁电阻1-1和第三磁电阻1-3为正常磁电阻，对外磁场有线性响应。软磁层可以采用坡莫合金等软磁材料制成，软磁材料可以由铁、钴、镍等软磁金属材料按不同比例组合而成，由磁控溅射等方式制备。在第一磁电阻1-1和第二磁电阻1-2之间以及第三磁电阻1-3和第四磁电阻1-4之间分别设置有一个输出端子：第一输出端子a和第二输出端子b，输出端子用于向外输出与磁场有关的电压信号v
m
。在第二磁电阻1-2和第三磁电阻1-3之间以及第一磁电阻1-1和第四磁电阻1-4之间分别设置有一个供电端子：第一供电端子c和第二供电端子d，外部电源通过供电端子为第一感应单元1提供压降，使第一感应单元1处于工作状态。本实施例的输出端子及供电端子均通过引线与磁电阻相连。本发明的磁电阻可以是trm单元或gmr单元，优选采用tmr单元，磁电阻可以是一个磁电阻单元(一个tmr单元或一个gmr单元)，或者由多个磁电阻单元(多个tmr单元或多个gmr单元)串联而成。
[0027]
第二感应单元2在第一感应单元1的基础上，设置了永磁体，对部分磁电阻提供偏置磁场，进行偏置。如图3所示，第二感应单元2也包括四个磁电阻：第五磁电阻2-1、第六磁电阻2-2、第七磁电阻2-3以及第八磁电阻2-4，第二感应单元2还包括两对永磁体：相对设置的第一永磁体2-5和第二永磁体2-6，以及相对设置的第三永磁体2-7和第四永磁体2-8，永磁体用于为磁电阻提供偏置磁场，在磁电阻的两侧沉积永磁体，充磁后磁电阻就处于永磁体形成的偏置磁场中。永磁体可以是smco、ndfeb等永磁材料，采用磁控溅射法制备，通过调节永磁体厚度，可以获得100～200(oe)的磁场。四个磁电阻连接成惠斯通电桥，第二感应单元2的惠斯通电桥中，一对相对桥臂上的磁电阻被软磁层屏蔽，从而无法感应磁场，只能感应温度；另一对相对桥臂上的磁电阻被永磁体偏置，无法感应磁场。本实施例中，第六磁电阻2-2和第八磁电阻2-4被软磁层屏蔽，第一永磁体2-5和第二永磁体2-6组成一对相对设置的永磁体对，这两个永磁体分别设置于第五磁电阻2-1的两侧，第五磁电阻2-1被永磁材料偏置，第三永磁体2-7和第四永磁体2-8组成另一对相对设置的永磁体对，这两个永磁体分别设置于第七磁电阻2-3的两侧，第七磁电阻2-3被永磁材料偏置。在第五磁电阻2-1和第六磁电阻2-2之间以及第七磁电阻2-3和第八磁电阻2-4之间分别设置有一个输出端子：第三输出端子e和第四输出端子g，用于向外输出与温度有关的电压信号v
b
。在第六磁电阻2-2和第七磁电阻2-3之间以及第五磁电阻2-1和第八磁电阻2-4之间分别设置有一个供电端子：
第三供电端子f和第四供电端子h，外部电源通过供电端子为第二感应单元2提供压降，使第二感应单元2处于工作状态。
[0028]
第一感应单元1与第二感应单元2中的磁电阻结构相同，只是通过设置软磁层和永磁体使对应的磁电阻感应不同的数据，被软磁材料屏蔽的磁电阻只能感应与温度相关的数据，不能感应与磁场相关的数据，被永磁材料偏置的磁电阻的阻值不随外磁场的变化而变化，没有被软磁材料屏蔽同时也没有被永磁材料偏置的磁电阻可以感应外部磁场。作为本发明的优选实施方式，第一、第二感应单元中磁电阻结构相同，配方一致，可以采用磁控溅射成膜工艺在同一个晶圆上一次形成，从而简化制备工艺。
[0029]
如图4所示，本实施例的数据处理单元3包括第一对数电路、第二对数电路、减法运算电路和指数电路，从而数据处理单元3可以对第一感应单元1和第二感应单元输出的电压信号进行除法运算。第一对数电路与第一感应单元1的输出端相连，第一感应单元1输出的电压信号v
m
由第一对数电路处理后，输出一路对数信号lnv
m
，第二对数电路与第二感应单元2的输出端相连，第二感应单元2输出的电压信号v
b
由第二对数电路处理后，输出另一路对数信号lnv
b
，两路对数信号都输出至减法运算电路，减法运算电路处理后输出减法信号ln(v
m
/v
b
)至指数电路，减法信号通过指数电路处理后，得到传感器芯片最终的感应信号v0。
[0030]
下面结合图5对本发明的原理进行说明：
[0031]
图5所示为磁电阻与外磁场的对应关系。p代表磁电阻内部上下两铁磁层的层磁化方向相同，即平行状态，ap代表磁电阻内部上下两铁磁层的层磁化方向相反，即反平行状态。在平行态时，磁电阻的阻值最小，为r
p
，在反平行态时，磁电阻的阻值最大，为r
ap
，当上下两个铁磁层的层磁化方向在0
°
～180
°
之间时，磁电阻随外磁场的变化呈现如图5所示的典型对应关系，在区间[a、b]范围内，磁电阻随外磁场的变化是线性的。
[0032]
通常，由磁电阻构成的惠斯通电桥的输出电压v
out
＝v
in
f(t)
·
g(h)，式中的f(t)是与温度有关的函数，g(h)是与外磁场有关的函数，v
in
是外部电源为传感器芯片提供的工作电压。
[0033]
对于本发明的传感器芯片来说，外部电源提供给第一感应单元1和第二感应单元2的工作电压是一样的，均为v
in
。而第一感应单元1中的磁电阻和第二感应单元2的磁电阻结构相同，因此温度对第一感应单元1和第二感应单元2的影响也是相同的。由此，则第一感应单元1的输出电压可写为：v
m
＝v
in
f(t)
·
g1(h)，第二感应单元2的输出电压可写为：v
b
＝v
in
f(t)
·
g2(h)。
[0034]
在第一感应单元1的线性工作范围内，输出电压v
m
与外界磁场h成线性关系，即g1(h)＝αh，式中的α为比例系数，从而第一感应单元1的输出电压为：v
m
＝αhv
in
f(t)。第二感应单元2中，由于有一对磁电阻(2-2、2-4)被软磁材料屏蔽，这两个磁电阻的阻值不随外磁场的改变而改变，为一定值(图5中的r0)，而另一对磁电阻(2-1、2-3)被永磁体偏置，处于偏置状态，在传感器芯片的工作磁场范围内这两个磁电阻的阻值也不随外磁场的改变而改变，同样为一定值(图5中的r
p
或r
ap
)，因此对于第二感应单元2来说，在传感器芯片的工作磁场范围内，其总电阻是一个与外磁场变化无关的确定参量，故其输出信号v
b
也不受外磁场的影响，则g2(h)为一个常数，用k表示，那么第二感应单元2的输出电压为v
b
＝kv
in
f(t)。
[0035]
数据处理单元3对第一感应单元1和第二感应单元2输出的电压信号相除，传感器芯片的最终输出信号则为v0＝v
m
/v
b
＝αh/k。从该式可看出，传感器芯片的输出信号v0与温
度无关，只与磁场h有关，可以消除温度对磁电阻传感器芯片的影响。
[0036]
本发明在传感器芯片中集成了3组作用不同的裸片单元，分别是对外界磁场呈线性感应的第一感应单元1，不能感应外磁场的第二感应单元2，以及能够将第一感应单元1和第二感应单元2的输出做除法运算的数据处理单元3。当两个感应单元中的磁电阻通过成膜工艺在同一个晶圆上一次形成时，温度对两个感应单元的影响基本是相同的，通过除法运算对两者输出信号做处理即可抵消温度对传感器芯片的影响。相比现有的使用热敏电阻做温度补偿的传感器芯片而言，不仅省去了集成热敏电阻的生产工艺，更重要的是扩大了传感器芯片的使用温度范围，使传感器芯片能在-40℃～120℃的温度范围内工作，输出的测量结果准确度更高。
[0037]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。