专利名称：用于测量磁场的磁电阻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及了一种磁电阻传感器，尤其为一种用于测量磁场的磁电阻传感器。
背景技术：
磁性传感器广泛用于现代系统中以测量或感应磁场强度、电流、位置、运动、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。但是，他们都受到了现有技术中的各种众所周知的限制，例如，尺寸过大，灵敏度低，动态范围窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持续地改进磁传感器，特别是改进易与半导体器件或
集成电路整合的传感器及其制造方法是有必要的。隧道结磁电阻传感器具有高灵敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等优点。尽管MTJ传感器与半导体标准制造工艺相兼容，但是高灵敏度的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元件磁阻输出的偏移值，构成电桥的MTJ的磁阻很难达到高的匹配度，同时正交磁场传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂。可用于传感器的磁电阻元件的响应是由传感材料构成的多层膜的磁化方向的函数。为了获得磁感应通常需要一个外场对磁矩进行偏置使其工作在一个稳定灵敏的工作点上。这种偏置方式通常是采用外加线圈或者永磁体，这些设计从功耗、成本和大规模制造的角度来看是不可取的。
发明内容针对上述问题，本发明提供一种用于测量磁场的磁电阻传感器，能够实现大规模生产，测量磁场的灵敏度更高，同时具备功耗低、尺寸小的特点。本发明公开了一种用于测量磁场的磁电阻传感器，它包括基片，所述基片具有一 “X-Y”表面，所述磁电阻传感器的敏感轴平行于Y轴，其中X轴垂直于Y轴；至少一个感应臂，所述感应臂由磁电阻元件构成，所述磁电阻元件设置在基片的“X-Y”表面上，所述磁电阻元件沿Y轴方向的长度大于其沿X轴方向的长度；多个设置在所述磁电阻传感器的基片上的条形永磁体，两两相邻的条形永磁体之间形成间隙磁场，该间隙磁场具有沿X轴和Y轴的分量；焊盘，所述焊盘设置在感应臂的末端可通过其将感应臂相电连。优选地，至少一个所述磁电阻元件被所述的间隙磁场在X轴方向饱和。优选地，所述磁电阻传感器的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在所述磁电阻传感器的工作区间内具有高线性度、高斜率值、低磁滞。优选地，对条形永磁体充磁以调节该条形永磁体的磁化强度和方向以调节所述磁电阻传感器的输出性能。优选地,所述磁电阻元件为MTJ元件或GMR元件。[0015]优选地，该磁电阻传感器为桥式磁场传感器。优选地，所述桥式磁场传感器为推挽全桥磁场传感器。优选地，所述推挽全桥磁场传感器包括四个感应臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内其中两个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另外两个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在相同的外场作用下具有相反的变化趋势。优选地，所述推挽全桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的两个感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布,两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。优选地，感应臂之间可通过弓I线连接焊盘实现电连。优选地，所述桥式磁场传感器为参考全桥磁场传感器，该参考全桥磁场传感器包 括感应臂和参考臂，每个参考臂由磁电阻元件构成。优选地，所述的参考全桥磁场传感器包括两个感应臂和两个参考臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。优选地，所述的参考全桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片上包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。优选地，构成所述参考臂的磁电阻元件沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，在X轴方向的长度大于构成所述感应臂的磁电阻元件在X轴方向的长度。优选地，所述构成参考臂的磁电阻元件的表面覆盖有一层高磁导率的铁磁屏蔽层。优选地，设置在参考臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量大于设置在传感臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量。优选地，构成参考臂或感应臂的磁电阻元件上设置有一层或多层永磁偏置层。优选地，构成参考臂的磁电阻元件上设置有一层或多层交换偏置层。优选地，所述桥式磁场传感器为推挽半桥磁场传感器，该推挽半桥磁场传感器由两个感应臂构成。优选地，所述推挽半桥磁场传感器包括两个感应臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内其中一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的的响应曲线在相同的外场作用下具有相反的变化趋势。优选地，所述的推挽半桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布，两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。优选地，所述的推挽半桥磁场传感器的感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。优选地，该磁电阻传感器为参考半桥磁场传感器，该参考半桥磁场传感器包括感应臂和参考臂，每个参考臂由磁电阻元件构成。优选地，所述的参考半桥磁场传感器包括一个感应臂和一个参考臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。优选地，所述的参考半桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片上包括“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。优选地，构成所述参考臂的磁电阻元件沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，在X轴方向的长度大于构成所述感应臂的磁电阻元件在X轴方向的长度。优选地，所述构成参考臂的磁电阻元件的表面覆盖有一层高磁导率的铁磁屏蔽层。优选地，设置在参考臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量大于设置在传感臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量。·[0038]优选地，构成参考臂或感应臂的磁电阻元件上设置有一层或多层永磁偏置层。优选地，构成参考臂的磁电阻元件上设置有一层或多层交换偏置层。优选地，该磁电阻传感器为由两个独立的电流驱动源和两个感应臂全桥连接构成的半推挽全桥磁场传感器。优选地，所述半推挽全桥磁场传感器中的一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在相同的外场具有相反的变化趋势。优选地，所述半推挽全桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布，两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。优选地，所述半推挽全桥磁场传感器的感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。优选地，该磁电阻传感器为由两个独立的电流驱动源、一个感应臂和一个参考臂全桥连接构成的半参考全桥磁场传感器。优选地，所述感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。优选地，所述半参考全桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。优选地，构成所述参考臂的磁电阻元件沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，在X轴方向的长度大于构成所述感应臂的磁电阻元件在X轴方向的长度。优选地，所述构成参考臂的磁电阻元件的表面覆盖有一层高磁导率的铁磁屏蔽层。优选地，设置在参考臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量大于设置在传感臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量。优选地，构成参考臂或感应臂的磁电阻元件上设置有一层或多层用磁偏置层。优选地，构成参考臂的磁电阻元件上设置有一层或多层交换偏置层。本发明提供了一种标准半导体制造工艺、用于规模生产的线性桥式磁电阻传感器。该传感器采用高灵敏度的磁电阻传感元件例如隧道结磁电阻(MTJ)或者巨磁电阻(GMR)多层膜。设置单片永磁体是用来产生散场以提供偏置场以抵消传感元件的非理想磁行为。该永磁体产生的偏置场可以平衡内部的沿敏感方向的形状和材料的各向异性能，同时交叉轴磁偏置场可以优化传感器的灵敏度。因此高灵敏度磁场敏感元件可通过连接成电桥形式进一步加强其低偏移，高线性度，好的温度稳定性以拓宽其适用的领域。
图I是一个隧道结磁电阻(MTJ)的横截面示意图，在MTJ元件的顶电极层和底电极层之间连接有欧姆表显示其阻值变化。图2是自旋阀元件参考层沿难轴方向磁化的磁电阻响应示意图。图3是MTJ元件的响应曲线图，图4是旋转180°的后的MTJ元件在同一外场作用下(flipped die)的响应曲线 图。图5是将多个MTJ元件连接为一个磁电阻元件的示意图。图6是推挽全桥传感器的电路示意图。图7是参考全桥传感器的电路示意图。图8是推挽半桥传感器的电路示意图。图9是参考半桥传感器的电路示意图。图10是半推挽全桥磁场传感器的电路示意图。图11是半参考全桥传感器的电路示意图。图12是桥式电路随外场变化的输出电压模拟示意图，该桥式电路由四个高灵敏度的MTJ元件的桥臂翻转排列构成。图13标示了集成永磁体摆放的位置。永磁体相对于MTJ传感元件的长轴以及敏感轴平行。图14是图16所不的永磁体和MTJ兀件的截面图以及一对永磁体的磁感线分布。图15是通过设置MTJ元件周围的场强和方向的角度来控制其响应曲线的偏移和饱和场。图16是传感兀件所处的一对片式永磁体中间的磁场分布,磁场强度是磁体宽度和磁体间距的函数。图17是图16中的磁电阻元件周围的磁场分量示意图。图18是灵敏度关于Hcmss/Hk的函数图。图19是两个芯片翻转排列的传感器设计布局图，每一块芯片都有两个传感臂，两块芯片构成一全桥。相同的两块芯片沿基片标准轴旋转180°排列。图20是一种规范的参考桥式传感器芯片布局图，该设计利用倾斜的永磁体设置传感臂的偏置场，竖直排列的永磁体设置参考臂的偏置场以优化电桥的输出，同时可以选择性地设置屏蔽层。
具体实施方式
图I是隧道结磁电阻(Magnetic Tunnel Junctions, MTJ)元件的结构和电子测量原理图。MTJ元件I由钉扎层2、隧道势垒层5、铁磁层(敏感层)6构成。钉扎层2由铁磁层(被钉扎层)4和反铁磁层3构成，铁磁层4和反铁磁层3之间的交换耦合作用决定了铁磁层4的磁化方向；隧道势垒层5通常由MgO或Al2O3构成，位于铁磁层4的上部。铁磁层6位于隧道势垒层5的上部。箭头8和箭头7分别代表被钉扎层4和敏感层6的磁化方向。被钉扎层4的磁矩8在一定大小的磁场作用下是相对固定的，敏感层6的磁矩7相对于被钉扎层4的磁矩8的是相对自由且可旋转的。3、4、5、6的典型厚度为0. I nm到100 nm之间。底电极层16 和顶电极层17直接与相关的反铁磁层3和敏感层6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18。欧姆计18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5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16位于绝缘基片9上方，绝缘基片9要比底电极层16要宽其位于其他材料构成的底基片10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元件的输出图如图2所示。响应曲线20在低阻态21和高阻态22饱和，&和Rh分别代表低阻态和高阻态的阻值。响应曲线20在饱和场之间的区域是随外场Hsmse线性变化的。外场Hsmse平行于传感元件的敏感轴。被钉扎层4的磁矩8与敏感轴反平行意味着其指向-H的方向。当自由层6的磁矩7与被钉扎层4的磁矩8反平行时，磁电阻元件的响应曲线20为最大值，当两者平行时，为最小值。磁电阻响应曲线20的中间值随自由层6和被钉扎层4之间的角度的变化而变化。响应曲线20不是沿H=O的点对称的。饱和场25、26沿着Htj点23典型的偏移场因此&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(Neel Coupling)”，其典型值为I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25和26之间的区域的工作状态可以近似为方程
/ V R只一 Rr /rT V Rzi + RrR(H)^- (H-Ha) + ~~，(I)其中，Hs是饱和场。Hs被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值，该值是在响应曲线相对于Htj点的不对称性消除的情况下所取的。图2所示的是在理想情况下的响应曲线20。在理想状态下，磁电阻R随外场Hsense的变化是完美的线性关系，同时没有磁滞(在实际情况下，磁电阻的响应曲线随外场变化具有滞后的现象，我们称之为磁滞。磁电阻的响应曲线为一个回路，通常作为应用的磁电阻材料的磁滞很小，在实际使用中可以看做一个完美的线性曲线)。在现实应用的传感器领域，由于磁传感设计的制约以及材料的缺陷，这条曲线20会更弯曲。本发明涉及了传感器的设计、结构以及能够生产实施的工序，该传感器具有卓越的工作感应，在工作区域内同时具有高线性度、低磁滞、高灵敏度的特点(即磁电阻响应曲线斜率大)。R-Hsense曲线30具有低阻态21的阻值&和高阻态22的阻值RH。其高灵敏度的区域是在零场附近，传感器的工作区间位于零场附近，约为饱和场25和26之间1/3的区域。曲线30在H=O点处的切线为33。该曲线的斜率和传感器的灵敏度成正比。零场切线33分别和低场切线34以及高场切线35相交于点25 (-Hs+H0)和点26 (_0)。如图3所示，当磁矩7与磁矩8反平行时，曲线30对应高阻态；当磁矩7和磁矩8平行时，曲线30对应低阻态。当7和8垂直时，阻值是位于&和Rh之间的中间值，这是理想的线性磁传感器的“工作点”。如图4所示，另一个磁电阻R与外场Hsmse的变化曲线，该磁电阻是沿传感器的法线旋转了 180°。在同一外场Hsmse的作用下，该磁电阻R的被钉扎层4的和矢量磁矩8是平行于外场Hsmse的。在这种情况下，旋转的芯片的R-Hsmse的斜率为负值。普通摆放的磁电阻和旋转180°设置的磁电阻可以构造电桥，这被证明比其他可能的方法输出值更大。由于尺寸小，MTJ元件能够连接成串以增加灵敏度，噪声减少至1/F，同时可以提高其ESD性能，其实施方式见图5。这些磁电阻元件串被用来作为更为复杂的电路结构的磁电阻臂。MTJ元件40在底电极41和顶电极42层中间成三明治结构，内部的电流43垂直通过MTJ元件40水平方向交替流过顶电极层和底电极层。底电极41在绝缘层9的上方，而绝缘层9位于底基片10上。在每个元件串的末端是焊盘，也就是电阻臂和其他元件或欧姆计18连接的地方或者可以通过其和芯片上其他电路的部件连接而没有任何其他的连接方式。在通常情况下电流流动的方向并不对桥臂电阻的有效电阻产生影响。保持参考臂和感应臂的MTJ元件的尺寸相同是有利的，因为这会导致器件的刻蚀偏置不敏感，同时参考臂·和感应臂MTJ元件串的电阻值是可以根据MTJ元件个数设置和改变的。电桥是用来改变磁电阻传感器的信号，使其输出电压便于被放大。这可以改变信号的噪声，取消共模信号，减少温漂或其他的不足。上述的MTJ元件串可以连接构成惠斯通电桥或其他电桥。图6是推挽全桥传感器电路的示意图。推挽全桥磁场传感器包括四个感应臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内其中两个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另外两个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在相同的外场作用下具有相反的变化趋势。推挽全桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的两个感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布，两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。图7是参考全桥传感器电路的示意图。桥式磁场传感器为参考全桥磁场传感器，该参考全桥磁场传感器包括感应臂和参考臂，每个参考臂由磁电阻元件构成。参考全桥磁场传感器包括两个感应臂和两个参考臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。参考全桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片上包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。图8是推挽半桥传感器电路的示意图。桥式磁场传感器为推挽半桥磁场传感器，该推挽半桥磁场传感器由两个感应臂构成。推挽半桥磁场传感器包括两个感应臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内其中一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的的响应曲线在相同的外场作用下具有相反的变化趋势。推挽半桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表 面上的感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布，两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。推挽半桥磁场传感器的感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。图9是参考半桥传感器电路的示意图。该磁电阻传感器为参考半桥磁场传感器，该参考半桥磁场传感器包括感应臂和参考臂，参考臂由磁电阻元件构成。参考半桥磁场传感器包括一个感应臂和一个参考臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。参考半桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片上包括“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。图10是半推挽全桥磁场传感器电路的示意图。该磁电阻传感器为由两个独立的电流驱动源和两个感应臂全桥连接构成的半推挽全桥磁场传感器。半推挽全桥磁场传感器中的一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在相同的外场具有相反的变化趋势。半推挽全桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布，两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。半推挽全桥磁场传感器的感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。图11是半参考全桥传感器电路的示意图。由两个独立的电流驱动源、一个感应臂和一个参考臂全桥连接构成了半参考全桥磁场传感器。感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。半参考全桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。以电桥形式为“推挽全桥磁场传感器” 50为例，该电桥含有四个随外场Hsmse变化的桥臂，这些桥臂被定义为“感应臂”;正负桥臂的焊盘27、28在任意一个感应臂52的底部。为清晰起见这些焊盘在图中并未标示。感应臂52和52’的响应曲线R-Hsense的斜率为正值，同一外场作用下，感应臂54和54’的响应曲线R-Hsense的斜率为负值。位于52和54上的箭头的方向暗示了各自的R-Hsmse曲线的斜率的符号。从顶端开始顺着圆周呈菱形排列的推挽全桥磁场传感器50的电焊盘为偏置电压(Vbias，45);右臂中心焊盘(V2，48);地线焊盘(GND，46)以及左臂中心焊盘(VI，47)。传感器桥臂在基片9、10上制备且具有基片上的电触点，其布局图如上图所述。有很多种方式连接电桥臂和电桥的外接焊盘。典型的连接结构包括芯片集成连接、绑线键合以及焊球连接。推挽全桥磁场传感器50的V-Hsense输出曲线60如图12所不。由附图3和附图4的Rh和&得到该曲线，首先需要计算输出电压V1-V2随外场Hsmse的变化。在这种情况下，感应臂(52、52’ )以及(54、54’ )的值分别为Rh和电桥电路的阻值为Rm = [Rh+ R^paralMlRl + Rh) = [R1 + Rh]/2 ,(2)当左右桥臂具有相同的阻值，电流通过左右两侧电桥之后被平分
「01121 7 =T =1—⑶
2[Rl+RMli2 [R￡+Rs1 '⑶左桥臂中心点的电压Vl为
IrF1 = Rw9Iuft= Rw*...............^.............................，(4)
v 1 LXli [^+ ]右桥臂中心点的电压V2为F2 = Rh*InsM= Ri*’(5)桥式传感器的输出被定义为F(mr = F]-V2 = H_=，(6)因此，输出电压V在正场方向上的最大值如图12所示为+Vpeak, 61。可以看到切线63穿过原点和+Vpeak61相交于Hsmse=Hsat的点。因此，桥式电路的输出灵敏度被定义为桥式电路的输出在H=O的点的一阶导数
f R R \ v⑵
\KS+ R1J Zfgaj而，^Sst = HQvss — Hk，(8)其中Hcmss是沿着传感器平面垂直于敏感方向为其提供磁偏置场以偏置自由层磁矩7的场。Hk是磁矩7的净有效各向异性能。Hk可以通过独立的方式例如震动样品磁强计(Vibrating Sample Magnetomete, VSM)或超导量子干涉仪(Superconducting QuantumInterference Device, SQUID)进行测量。此时我们替将方程8代入方程7可以得到灵敏度的V-Hsmse曲线，如图12所示
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「01241 S= -- -—--(Q)
L JR +R H -H ，
lKsxHt r、￡ J 11■觀 5 Uk前面我们已经详细描述了推挽全桥传感器50的灵敏度的计算。接下来将针对相关的六种电桥形式的灵敏度做一个表格进行对比，此处省略完全的推导过程。电桥的结构如图6-11所示。其相对应的灵敏度和峰值电压如表I。
电桥类型I峰值电压I灵敏度—
权利要求1.一种用于测量磁场的磁电阻传感器，其特征在于它包括 基片，所述基片具有一 “X-Y”表面，所述磁电阻传感器的敏感轴平行于Y轴，其中X轴垂直于Y轴； 至少一个感应臂，所述感应臂由磁电阻元件构成，所述磁电阻元件设置在基片的“X-Y”表面上，所述磁电阻兀件沿Y轴方向的长度大于其沿X轴方向的长度； 多个设置在所述磁电阻传感器的基片上的条形永磁体，两两相邻的条形永磁体之间形成间隙磁场，该间隙磁场具有沿X轴和Y轴的分量； 焊盘，所述焊盘设置在感应臂的末端可通过其将感应臂相电连。
2.如权利要求I所述的磁电阻传感器，其特征在于至少一个所述磁电阻元件被所述的间隙磁场在X轴方向饱和。
3.如权利要求I所述的磁电阻传感器，其特征在于所述磁电阻传感器的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在所述磁电阻传感器的工作区间内具有高线性度、高斜率值、低磁滞。
4.如权利要求I所述的磁电阻传感器，其特征在于对条形永磁体充磁以调节该条形永磁体的磁化强度和方向以调节所述磁电阻传感器的输出性能。
5.如权利要求I所述的磁电阻传感器，其特征在于所述磁电阻元件为MTJ元件或GMR元件。
6.如权利要求I所述的磁电阻传感器，其特征在于该磁电阻传感器为桥式磁场传感器。
7.如权利要求6所述的磁电阻传感器，其特征在于所述桥式磁场传感器为推挽全桥磁场传感器。
8.如权利要求7所述的磁电阻传感器，其特征在于所述推挽全桥磁场传感器包括四个感应臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内其中两个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另外两个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在相同的外场作用下具有相反的变化趋势。
9.如权利要求8所述的磁电阻传感器，其特征在于所述推挽全桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的两个感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布,两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。
10.如权利要求9所述的磁电阻传感器，其特征在于感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。
11.如权利要求6所述的磁电阻传感器，其特征在于所述桥式磁场传感器为参考全桥磁场传感器，该参考全桥磁场传感器包括感应臂和参考臂，每个参考臂由磁电阻元件构成。
12.如权利要求11所述的磁电阻传感器，其特征在于所述的参考全桥磁场传感器包括两个感应臂和两个参考臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。
13.如权利要求12所述的磁电阻传感器，其特征在于所述的参考全桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片上包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。
14.如权利要求13所述的磁电阻传感器，其特征在于构成所述参考臂的磁电阻元件沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，在X轴方向的长度大于构成所述感应臂的磁电阻元件在X轴方向的长度。
15.如权利要求13所述的磁电阻传感器，其特征在于所述构成参考臂的磁电阻元件的表面覆盖有一层高磁导率的铁磁屏蔽层。
16.如权利要求13所述的磁电阻传感器，其特征在于设置在参考臂附近的条形永磁
17.如权利要求13所述的磁电阻传感器，其特征在于构成参考臂或感应臂的磁电阻元件上设置有一层或多层永磁偏置层。
18.如权利要求13所述的磁电阻传感器，其特征在于构成参考臂的磁电阻元件上设·置有一层或多层交换偏置层。
19.如权利要求6所述的磁电阻传感器，其特征在于所述桥式磁场传感器为推挽半桥磁场传感器，该推挽半桥磁场传感器由两个感应臂构成。
20.如权利要求19所述的磁电阻传感器，其特征在于所述推挽半桥磁场传感器包括两个感应臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内其中一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的的响应曲线在相同的外场作用下具有相反的变化趋势。
21.如权利要求20所述的磁电阻传感器，其特征在于所述的推挽半桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布,两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。
22.如权利要求21所述的磁电阻传感器，其特征在于所述的推挽半桥磁场传感器的感应臂之间可通过引线连接焊盘实现电连。
23.如权利要求6所述的磁电阻传感器，其特征在于该磁电阻传感器为参考半桥磁场传感器，该参考半桥磁场传感器包括感应臂和参考臂，每个参考臂由磁电阻元件构成。
24.如权利要求23所述的磁电阻传感器，其特征在于所述的参考半桥磁场传感器包括一个感应臂和一个参考臂，在所述磁电阻传感器的工作区间内感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。
25.如权利要求24所述的磁电阻传感器，其特征在于所述的参考半桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片上包括“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。
26.如权利要求25所述的磁电阻传感器，其特征在于构成所述参考臂的磁电阻元件沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，在X轴方向的长度大于构成所述感应臂的磁电阻元件在X轴方向的长度。
27.如权利要求25所述的磁电阻传感器，其特征在于所述构成参考臂的磁电阻元件的表面覆盖有一层高磁导率的铁磁屏蔽层。
28.如权利要求25所述的磁电阻传感器，其特征在于设置在参考臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量大于设置在传感臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量。
29.如权利要求25所述的磁电阻传感器，其特征在于构成参考臂或感应臂的磁电阻元件上设置有一层或多层永磁偏置层。
30.如权利要求25所述的磁电阻传感器，其特征在于构成参考臂的磁电阻元件上设置有一层或多层交换偏置层。
31.如权利要求6所述的磁电阻传感器，其特征在于该磁电阻传感器为由两个独立的电流驱动源和两个感应臂全桥连接构成的半推挽全桥磁场传感器。
32.如权利要求31的磁电阻传感器,其特征在于所述半推挽全桥磁场传感器中的一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线相对另一个感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线在相同的外场具有相反的变化趋势。
33.如权利要求32的磁电阻传感器，其特征在于所述半推挽全桥磁场传感器包括两个传感器芯片，每个传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的感应臂，其中一个传感器芯片为相对另一个传感器芯片旋转180度排布,两个传感器芯片由同一晶圆切割制成。
34.如权利要求33的磁电阻传感器，其特征在于所述半推挽全桥磁场传感器的感应臂之间可通过弓I线连接焊盘实现电连。
35.如权利要求6所述的磁电阻传感器，其特征在于该磁电阻传感器为由两个独立的电流驱动源、一个感应臂和一个参考臂全桥连接构成的半参考全桥磁场传感器。
36.如权利要求35所述的磁电阻传感器，其特征在于所述感应臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值远大于参考臂的磁电阻阻值随外场变化的响应曲线的斜率绝对值。
37.如权利要求36所述的的磁电阻传感器，其特征在于所述半参考全桥磁场传感器包括一个传感器芯片，该传感器芯片包括具有“X-Y”表面的基片和设置在基片的表面上的构成感应臂的磁电阻元件和构成参考臂的磁电阻元件。
38.如权利要求37所述的磁电阻传感器，其特征在于构成所述参考臂的磁电阻元件沿X轴方向的长度大于其沿Y轴方向的长度，在X轴方向的长度大于构成所述感应臂的磁电阻元件在X轴方向的长度。
39.如权利要求37所述的磁电阻传感器，其特征在于所述构成参考臂的磁电阻元件的表面覆盖有一层高磁导率的铁磁屏蔽层。
40.如权利要求37所述的磁电阻传感器，其特征在于设置在参考臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量大于设置在传感臂附近的条形永磁体在其X轴方向的分量。
41.如权利要求37所述的磁电阻传感器，其特征在于构成参考臂或感应臂的磁电阻元件上设置有一层或多层永磁偏置层。
42.如权利要求37所述的磁电阻传感器，其特征在于构成参考臂的磁电阻元件上设置有一层或多层交换偏置层。
专利摘要本实用新型设计了一种用于测量磁场的磁电阻传感器。本实用新型提供了磁电阻传感元件的灵敏度的计算，该灵敏度与形状各向异性能及外场相关。磁电阻元件的长轴与敏感方向平行，同时具有一个垂直敏感方向的外场分量Hcross可以进一步饱和磁电阻元件的磁矩。单片永磁体的作用是产生具有角度的Hcross场同时抵消沿易磁化轴方向的非理想场。高灵敏度磁电阻元件可以广泛应用在电气领域。本实用新型将会对其构成的六种电桥形式进行阐述。
文档编号G01R33/09GK202494772SQ20122005392
公开日2012年10月17日 申请日期2012年2月20日 优先权日2012年2月20日
发明者沈卫锋, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西 申请人:江苏多维科技有限公司