如A10、MgO, HfO, ZrO或TaO等；钉扎层53的磁矩63不变，通常是磁性层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。第一电极层55、第二电极层56由金属导体材料组成，实际应用中可通过第一电极层55、第二电极层56将多个元件串联或并联，或串并混合连接为一个等效电阻来使用，同时第一电极层55、第二电极层56还包含引导晶格生长的帽子层和种子层。当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63平行时，元件的阻值R最小，为Ru当自由层磁矩61和钉扎层磁矩63反平行时，元件的阻值R最大，为R H，其输出曲线如图3所示，图中黑色箭头表示钉扎层的磁矩方向，白色箭头表示自由层磁矩方向。
[0034]在实际应用中，需要元件的阻值R在&和Rh之间线性变化，可以通过以下方式实现:例如在自由层51的上方或下方沉积反铁磁材料，或是在元件周围设置永磁体，或者是在元件周围设置电流线，或者是将元件设计为狭长的形状，例如矩形、椭圆形、长菱形等，利用其形状各向异性能偏置自由层磁矩以达到线性化的目的。通常磁电阻元件的厚度非常薄，因此可以将之看做二维的器件，因此在本实用新型中描述的磁电阻元件的形状即为俯视基底的角度所看到的形状。
[0035]在实验研究中，磁电阻纳米薄膜通过纳米或微加工技术制备成磁电阻元件使用，理论上每个磁电阻元件的物理参数是相同的，但是实际上由于磁电阻元件在制备过程中的一致性(Uniformity)问题所以很难达到高的一致性，同时由于设计上的需要，在传感器工业中很少使用单一磁电阻元件为敏感元件，而是将多个磁电阻元件串联、并联或串并混联连接起来成为一个等效的磁电阻。这样做的优势在于可以灵活的设置磁电阻的相关物理参数(如阻值)，同时也降低了电子隧穿的风险，从而提高了良品率，实现了大规模生产。图4为一种串联方式，如图所示，多个磁性隧道结元件通过第一电极层55、第二电极层56串联起来。通常巨磁电阻元件的电连接方式是左右连接(巨磁电阻元件也可以根据需求设置为上下电极连接)，如图5所示，巨磁电阻元件通过第一电层55电连接起来。
[0036]传感单元可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个等效磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个等效磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的等效磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的等效磁电阻连接构成，使用时都要通入稳恒电压或电流。由于单电阻结构只含有一个等效磁电阻，通入稳恒电流或电压后其输出信号即为其两端的电压变化，因此在此不再赘述，下文将对半桥和全桥结构详细阐述。
[0037]图6是半桥结构的电连接示意图。采用半桥结构传感单元的磁电位器为三端口式，第一磁电阻71和第二磁电阻72串联起来，三个端口 Vblas、GND以及V-通过输出引针接入系统，Vblas和GND之间通入稳恒电压或电流。半桥可以是参考半桥或推挽半桥。参考半桥的一个桥臂(第二磁电阻)72的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，另一个桥臂(第一磁电阻)71的阻值变化导致其两端电压(端口 V.和端口 Vblas之间的电压)变化，该电压即为输出电压；推挽半桥则是两个桥臂71、72的磁场敏感方向相反，在受到同一个外场作用下一个阻值增大，一个阻值减小，外磁场的变化导致输出电压(端口 V.与端口 Vblas或端口 GND之间的电压)的变化；梯度半桥适用于梯度场，沿着梯度场的方向场强不同，导致两个敏感方向相同的磁电阻阻值变化不同，从而引起输出电压的变化，半桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图7所示。
[0038]图8是全桥结构的电连接示意图。第一磁电阻71和第二磁电阻72串联，第三磁电阻73和第四磁电阻74串联，串联的两个电阻对再并联，端口 Vblas和GND之间通入稳恒电压或电流。全桥可以是参考全桥或推挽全桥。参考全桥分别位于左右半桥的两个桥臂71和74的灵敏度非常低，在测量范围内的阻值变化可近似认为是零，桥臂73和74的磁场敏感方向相同，在同一外场作用下其阻值变化相同，从而输出端V+和V-之间产生电势差，SP输出电压，进而测量磁场。推挽全桥的桥臂71和74的磁场敏感方向相同，72和73的磁场敏感方向相同，71和72的磁场敏感方向相反，在同一外场的作用下，71和74阻值变大的同时72和73的阻值减小(或者71和74阻值减小的同时72和73阻值增大)，从而输出端V+和V-之间产生电势差，即输出电压，进而测量磁场。全桥结构随外场变化的输出曲线示意图如图9所示。
[0039]降低磁电阻灵敏度的以构成参考半/全桥的桥臂可以采用但不局限于以下方式:如在磁电阻元件上沉积磁导率高的软磁材料，设置偏置场大的永磁体或沉积厚的反铁磁层等。通过以上方式可在一张晶圆上一次制备出参考全桥芯片。
[0040]在实际应用中经常会遇到外场干扰的情况，会影响到测量，从而给生产造成困难。如果外磁场32为一梯度场，故采用抗干扰能力强且对测量距离不敏感的梯度计结构是一个很好的选择。梯度计式结构可以是梯度半桥也可以是梯度全桥。梯度半桥的连接方式可参考图7。沿着梯度场32方向上处于不同物理位置的两个磁电阻71和73的阻值变化不同，从而产生输出，其输出信号曲线可参考图9。
[0041]图10是梯度全桥的物理位置摆放图。如图所示，I是磁性传感器芯片的敏感轴，沿着磁场32 (该磁场为一梯度场)的方向，磁电阻71和74的位置相同，磁电阻72和73的位置相同，在端口 Vblas和GND之间输入稳恒电压。在没有外场的作用下，磁电阻71、72、73、74的阻值相同，输出端没有电势差，无输出。当外场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的磁电阻71和74的电阻值变化相同，磁电阻72和73的电阻值变化相同，磁电阻71和72 (73和74)的阻值变化不同，则梯度全桥的输出端V+和V-之间具有输出电压V.，其输出曲线可参考图9。
[0042]传感单元通过真空镀膜和微加工(或纳米加工)技术制备成晶圆，然后切割为单个芯片块(Die)后使用。
[0043]应当理解，以上借助优选实施例对本实用新型的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本实用新型说明书的基础上可以对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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.电磁辐射测量模块，包括磁性传感器芯片和输出引针，其特征在于， 所述磁性传感器芯片为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个等效磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的等效磁电阻；所述全桥结构包括四个等效磁电阻，其中的两个串联的等效磁电阻与另两个串联的等效磁电阻并联；所述等效磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成； 所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成；所述巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为纳米级厚度的多层膜结构；所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层，纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧； 所述输出引针与磁性传感器芯片电连接，用来导入工作电流和输出信号。2.如权利要求1所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，所述自由层由磁性层或SAF层构成；所述非磁性层是由非磁性材料构成；所述钉扎层是磁性层-反铁磁层结构或SAF层-反铁磁层结构。3.如权利要求1所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，所述纳米级薄膜自由层位于非磁性层上侧，钉扎层位于非磁性层下侧。4.如权利要求1所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，所述钉扎层位于非磁性层上侦牝纳米级薄膜自由层位于非磁性层下侧。5.如权利要求1所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，还包括运放电路，所述运放电路与磁性传感器芯片、输出引针分别电连接。6.如权利要求1所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，所述半桥结构为推挽半桥或参考半桥或梯度半桥，所述全桥结构为推挽全桥或参考全桥或梯度全桥。7.如权利要求1所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，所述半桥结构、全桥结构的每个桥臂由一个或多个磁场敏感方向相同的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件组成。8.如权利要求6所述的电磁辐射测量模块，其特征在于，所述梯度全桥和梯度半桥中的所有桥臂的巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的磁场敏感方向相同，并且梯度全桥中相对位置的两个桥臂位于空间中的同一位置，相邻位置的两个桥臂位于空间中的不同位置。
【专利摘要】本实用新型公开了电磁辐射测量模块，包括磁性传感器芯片和输出引针，所述磁性传感器芯片为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个等效磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的等效磁电阻；所述全桥结构包括四个等效磁电阻，其中的两个串联的等效磁电阻与另两个串联的等效磁电阻并联；所述等效磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成；所述输出引针与磁性传感器芯片电连接，用来导入工作电流和输出信号。本实用新型的该电磁辐射测量模块可以完成对电磁场精确测量，且具有体积小的特点，可以集成在智能穿戴设备、手持终端或移动设备等便携设备中。
【IPC分类】G01R29/08
【公开号】CN204740297
【申请号】CN201520369756
【发明人】朱海华, 黎伟, 李居强, 王建国, 白建民
【申请人】无锡乐尔科技有限公司
【公开日】2015年11月4日
【申请日】2015年6月1日