一种磁阻电路结构及角度传感器的制作方法

1.本实用新型实施例涉及磁传感技术领域，尤其涉及一种磁阻电路结构及角度传感器。


背景技术：

2.磁电阻效应是指在外磁场作用下材料电阻发生变化的现象，常见的包括各向异性磁电阻(amr)效应、巨磁电阻(gmr)效应和隧道结磁电阻(tmr)效应。利用该效应制成磁电阻元件，根据磁电阻元件可制造出高精度的角度传感器，即一种将角度信号转换为其他易于处理的信号(如电信号)的物理测试装置。
3.常见的角度传感器，一般包括两组桥式电路，两桥式电路会输出两个正交的正弦信号，通过分析这两个信号可以得到测试角度的相关信息。
4.然而，在实际测试中，磁电阻元件自由层容易受参考层杂散磁场影响，使得磁矩变化和外场角度不完全一致；同时，参考层磁矩在外场影响下也存在一定偏转。以上偏差使得自由层和参考层磁矩夹角测试值存在误差，导致磁电阻元件的电信号产生高阶谐波噪声，影响角度传感器的测试精度。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供一种磁阻电路结构及角度传感器，以提高磁电阻元件的测试精度。
6.本实用新型实施例提供了一种磁阻电路结构，所述磁阻电路结构用于感应外部磁场的角度，所述磁阻电路结构包括：
7.n个并联连接的磁电阻单元，其中，所述n为大于或等于3的奇数，每个所述磁电阻单元具有参考层、磁性隔离层以及自由层，所述参考层具有预设磁矩方向且该预设磁矩方向为所述磁电阻单元的参考方向，所述自由层的磁矩方向跟随所述外部磁场方向变化而变化；
8.至少有三个所述磁电阻单元的参考层的参考方向彼此不同，至少有两个所述磁电阻单元的电阻值彼此不同；
9.通过设置各个所述磁电阻单元的参考方向和电阻值，以抑制所述外部磁场的角度的响应信号的谐波分量。
10.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供了一种角度传感器，包括：第一半桥电路，所述第一半桥电路由两个如上所述的磁阻电路结构构成，两个所述磁阻电路结构中磁电阻单元的参考方向反平行，所述第一半桥电路的输出信号为外部磁场角度的正弦函数。
11.本实用新型实施例中，磁阻电路结构包括3个或3个以上磁电阻单元，该多个磁电阻单元并联连接成电阻网络。其中，磁电阻单元具有磁矩方向被预先设定的参考层、磁性隔离层以及磁矩方向跟随外部磁场方向变化而变化的自由层。磁阻电路结构中存在至少两个
磁电阻单元的电阻值不同，且还存在至少三个磁电阻单元的参考方向彼此不同。通过磁电阻单元的参考方向和电阻值的设置，可以减小或抑制磁电阻单元对外部磁场角度的响应信号的谐波分量，提高磁阻电路结构感应外部磁场的精度。
附图说明
12.为了更清楚地说明本实用新型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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本实用新型的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本实用新型的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本实用新型的权利要求范围之内。
13.图1是本实用新型实施例提供的一种磁阻电路结构的示意图；
14.图2是常用角度传感器电路的结构示意图；
15.图3是本实用新型实施例提供的另一种磁阻电路结构的示意图；
16.图4是本实用新型实施例提供的一种磁电阻单元的示意图；
17.图5是本实用新型实施例提供的又一种磁阻电路结构的示意图。
具体实施方式
18.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本实用新型实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本实用新型的技术方案，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
19.参考图1所示，为本实用新型实施例提供的一种磁阻电路结构的示意图。本实施例提供的磁阻电路结构用于感应外部磁场的角度，该磁阻电路结构包括：n个并联连接的磁电阻单元1，其中，n为大于或等于3的奇数，每个磁电阻单元1具有参考层103、磁性隔离层104以及自由层105，参考层103具有预设磁矩方向且该预设磁矩方向为磁电阻单元1的参考方向，自由层105的磁矩方向跟随外部磁场方向变化而变化；至少有三个磁电阻单元1的参考层103的参考方向彼此不同，至少有两个磁电阻单元1的电阻值彼此不同；通过设置各个磁电阻单元1的参考方向和电阻值，以抑制外部磁场的角度的响应信号的谐波分量。
20.本实施例中，磁阻电路结构包括3个或3个以上并联连接的磁电阻单元1，图1示出了磁阻电路结构中1个磁电阻单元1的结构。磁电阻单元1由基板101以及形成在基板101上的多膜层堆叠结构构成，具体的在基板101的一侧由下而上依次形成缓冲底电极102、参考层103、磁性隔离层104、自由层105和顶电极106。磁性隔离层104为间隔结构。参考层103具有预设磁矩方向，该预设磁矩方向可参考图1中参考层103中箭头所示方向，参考层103的预设磁矩方向也称之为参考层103的参考方向，该预设磁矩方向也可以理解为是磁电阻单元1的参考方向。可选n为大于或等于3的奇数。
21.可以理解，基板101所在平面可以看做是x-y平面，那么基板101上的多膜层堆叠沿着z方向堆叠。可选图1中示出的一个磁电阻单元1的参考方向为+x，但不限于此，不同磁电阻单元1的参考方向可以不同。
22.磁阻电路结构中，至少有三个磁电阻单元1的参考层103的预设磁矩方向彼此不同。预先设定磁电阻单元1的参考层103的参考方向，可以减小磁电阻单元1对外部磁场角度的响应信号的谐波分量。
23.自由层105的磁矩方向跟随外部磁场方向变化而变化，那么跟随外部磁场方向变化而变化后，磁电阻单元1中可能存在自由层105的磁矩方向和参考层103的预设磁矩方向平行的情况。
24.在磁隧道结(mtj)中，隧道磁电阻tmr效应的产生机理是自旋相关的隧穿效应。当自由层105和参考层103的磁矩方向同向平行时，在一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，使得总的隧穿电流较大，此时显示为低电阻态。
25.反之，当自由层105和参考层103的磁阻方向反向平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，使得总的隧穿电流较小，此时显示为高电阻态。
26.利用量子力学推导方式可以得到隧穿电导存在角度依赖性，其表达式(1)如下，
27.g(θ)＝g0(1+εcosθ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)，
28.其中，g0和ε为常数，由磁隧道结的面积、形状和薄膜材料体系等参数确定，θ为磁隧道结中两磁性层的磁化方向之间的夹角。
29.现有技术中，采用多个完全相同的磁电阻元件串并联连接构成磁阻结构，再构成角度传感器电路。参考图2所示，为常用角度传感器电路的结构示意图，该角度传感器电路包括完全相同的8个磁阻结构2，该8个磁阻结构r1～r8通过图示的串并联方式连接。其中，两个参考层方向相反的磁阻结构r1和r3连接成一半桥，与另一半桥(r2+r4)相连成惠斯通全桥并输出差分信号sin。另外，还存在另一惠斯通全桥(r5+r7和r6+r8)，相对于上述全桥电路旋转90
°
，输出差分信号cos。最终，通过求解sin/cos的反正切值得到测试的外部磁场角度。但是磁阻结构的自由层易受到磁化各向异性和参考层杂散磁场影响，参考层易在外部磁场作用下发生轻微偏转，最终导致磁阻结构的输出信号产生高阶谐波噪声，使得测试精度降低。其中，不同参考方向的磁阻结构具有相同的电阻值。
30.目前，为了消除谐波分量，现有角度传感器电路多是采用磁电阻元件单一串联或者单一并联方式进行补偿。但采用磁电阻元件单一串联方式连接时，由于隧道磁电阻效应对电导的角度依赖性，其补偿效果相对较差；而若采用磁电阻元件单一并联方式连接时，由于耐压需求，每路并联需要至少50个磁电阻元件，导致角度传感器电路需要较大的面积。
31.本实施例中，磁阻电路结构采用不完全相同的磁电阻单元1构成，其中，至少有两个磁电阻单元1的电阻值彼此不同，至少有三个磁电阻单元1的参考层103的参考方向彼此不同。通过设置各个磁电阻单元1的参考方向和电阻值，可以抑制外部磁场的角度的响应信号的谐波分量，降低磁电阻单元1的输出信号产生谐波噪声的风险，提高测试精度。
32.如上所述的磁阻电路结构制成角度传感器至少可以消除2次和3次谐波。参考图3所示，为本实用新型实施例提供的另一种磁阻电路结构的示意图。如图3所示，磁阻电路结构中包含三个磁电阻单元1。该三个磁电阻单元1的参考方向各不相同，对应的参考层的参考方向角度分别为φ，0
°
和-φ；三个磁电阻单元1具有两种不同的电阻值，对应的电阻值分别为a2、a1和a2。带入上述隧穿电导表达式(1)中，并考虑到2次和3次谐波影响，可以得到磁
电阻元件总电导，表达式如下式(2)，
33.g＝g0[(1+εcos(θ+φ)+εcos2(θ+φ)+εcos3(θ+φ))/a2+(1+εcosθ+εcos2θ+εcos3θ)/a1+(1+εcos(θ-φ)+εcos2(θ-φ)+εcos3(θ-φ))/a2)＝g0[(2/a2+1/a1)+εcosθ(2cosφ/a2+1/a1)+εcos2θ(2cos2φ/a2+1/a1)+εcos3θ(2cos3φ/a2+1/a1)]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)，
[0034]
其中，θ为外部磁场方向旋转角度。
[0035]
从表达式(2)中可以看出，若需要消除2次和3次谐波，则需要满足下式(3)，
[0036]
2cos2φ/a2+1/a1＝2cos3φ/a2+1/a1＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)，
[0037]
式(1)、式(2)和式(3)方程联立，可以求解出，φ＝72.5
°
，a2/a1＝1.618。
[0038]
因此，采用本实施例提供的磁阻电路结构形成角度传感器，可完全消除2次和3次谐波。
[0039]
可以理解，要想实现磁电阻单元不同的参考方向，可以采用激光退火或电流导线退火的方式调节磁电阻单元的参考方向。
[0040]
本实用新型实施例中，磁阻电路结构包括3个或3个以上磁电阻单元，该多个磁电阻单元并联连接成电阻网络。其中，磁电阻单元具有磁矩方向被预先设定的参考层、磁性隔离层以及磁矩方向跟随外部磁场方向变化而变化的自由层。磁阻电路结构中存在至少两个磁电阻单元的电阻值不同，且还存在至少三个磁电阻单元的参考方向彼此不同。通过磁电阻单元的参考方向和电阻值的设置，可以减小或抑制磁电阻单元对外部磁场角度的响应信号的谐波分量，提高磁阻电路结构感应外部磁场的精度。
[0041]
参考图4所示，为本实用新型实施例提供的一种磁电阻单元的示意图。如图4所示，可选磁电阻单元1是由至少一个磁阻元件1a串并联构成。在此，磁电阻单元可以包括单一的一个磁阻元件，如图4所示磁电阻单元1也可以包括多个磁阻元件1a。若磁电阻单元1包括多个磁阻元件1a，则该多个磁阻元件1a可以构成多个磁阻元件串，一个磁阻元件串包括串联连接的至少一个磁阻元件1a，多个磁阻元件串之间并联连接。
[0042]
以图4为例，磁电阻单元1由12个磁阻元件1a构成，其中包括3个并联连接的磁阻元件串，一个磁阻元件串包括4个串联连接的磁阻元件1a。可以理解，磁电阻单元的结构包括但不限于图4所示。
[0043]
可选每个磁电阻单元的电阻值是由构成磁电阻单元的磁阻元件的数目、或磁阻元件的平面结构、或磁性隔离层的厚度、或磁性隔离层的材质决定。可选磁阻元件为磁隧道结元件或者巨磁阻元件。本实施例中，磁阻电路结构中至少有两个磁电阻单元的电阻值彼此不同。对于不同电阻值的磁电阻单元，可以用磁电阻单元中磁隧道结或者巨磁阻条的数量、尺寸和薄膜结构等进行电阻值设置。
[0044]
磁电阻单元的电阻值由构成磁电阻单元的磁阻元件的数目决定，则磁阻电路结构中至少两个磁电阻单元所包含的磁阻元件数目不同。例如一磁电阻单元由10个磁阻元件串并联连接构成，还有一磁电阻单元由15个磁阻元件串并联连接构成。可选电阻值不同的磁电阻单元具有数量不等的磁隧道结元件，或数量不等的巨磁阻条元件。
[0045]
磁电阻单元的电阻值由构成磁电阻单元的磁阻元件的平面结构决定，则磁阻电路结构中至少两个磁电阻单元所包含的磁阻元件平面结构不同，平面结构包括形状和尺寸中至少一种。可选电阻值不同的磁电阻单元具有平面结构不同的磁隧道结元件，或平面结构不同的巨磁阻条元件。可选磁隧道结元件的平面结构为圆形，磁隧道结元件的圆形形状的
直径决定磁电阻单元的电阻值。则电阻值不同的磁电阻单元具有不同直径的磁隧道结元件。
[0046]
磁电阻单元的电阻值由构成磁电阻单元的磁性隔离层的厚度决定，则磁阻电路结构中至少两个磁电阻单元所包含的磁性隔离层的厚度不同。可选电阻值不同的磁电阻单元具有磁性隔离层厚度不同的磁隧道结元件，或磁性隔离层厚度不同的巨磁阻条元件。
[0047]
磁电阻单元的电阻值由构成磁电阻单元的磁性隔离层的材质决定，则磁阻电路结构中至少两个磁电阻单元所包含的磁性隔离层的材质不同。可选电阻值不同的磁电阻单元具有磁性隔离层材质不同的磁隧道结元件，或磁性隔离层材质不同的巨磁阻条元件。
[0048]
在其他实施例中，还可选电阻值不同的磁电阻单元具有不同的薄膜结构，该不同的薄膜结构可以是如上所述的不同厚度的磁性隔离层，或者不同材质的磁性隔离层，还可以是其他膜层的材料或厚度等参数不同。
[0049]
需要说明的是，磁电阻单元包括隧道磁电阻单元或巨磁阻磁电阻单元，隧道磁电阻单元的磁性隔离层为氧化物，隧道磁电阻单元由至少一个磁隧道结元件串并联构成；巨磁阻磁电阻单元的磁性隔离层为非磁性金属，巨磁阻磁电阻单元由至少一个巨磁阻条元件串并联构成。
[0050]
其中，磁电阻单元中的最小单元为磁阻元件。具体的，隧道磁电阻单元中的最小单元为磁隧道结，巨磁阻磁电阻单元中的最小单元为巨磁阻条。
[0051]
结合图3及其实施例，通过设置磁电阻单元中最小单元的数量，可以实现a2/a1＝1.618，例如a1对应的最小单元数量为500个，a2对应的最小单元数量为809。采用该磁阻电路结构形成角度传感器，完全消除2次和3次谐波。
[0052]
结合图3及其实施例，通过改变磁电阻单元中最小单元的尺寸，可以实现a2/a1＝1.618，例如对于隧道磁电阻单元，其中磁隧道结为圆形的平面结构，a1对应的磁隧道结的圆形直径为10μm，a2对应的磁隧道结圆形直径为16.18μm。
[0053]
结合图3及其实施例，通过改变磁电阻单元中最小单元的薄膜结构，可以实现a2/a1＝1.618，例如对于隧道磁电阻单元，a1和a2对应的磁隧道结具有不同的磁性隔离层厚度，此时其他膜层可以完全相同。在这种配置下，只改变了磁电阻单元的电阻值，而不会影响磁电阻单元的其他电磁参数。
[0054]
本领域技术人员应当理解，采用上述磁阻元件的设置，可以对磁电阻单元的数量和参考方向等参数进行不同设置，实现达到消除任意多种高阶谐波的目的。
[0055]
参考图5所示，为本实用新型实施例提供的又一种磁阻电路结构的示意图，该磁阻电路结构制成角度传感器可以同时消除2次、3次、4次和5次谐波。如图5所示，磁阻电路结构中包含五个磁电阻单元1，该5个磁电阻单元1具有五种不同的参考方向，还具有三种不同的电阻值。该5个磁电阻单元1对应的电阻值分别为a3、a2、a1、a2和a3，对应的磁电阻单元参考方向角度分别为102.75
°
、51.5
°
、0
°
、-51.5
°
和-102.75
°
。该5个磁电阻单元1的三种不同的电阻值满足关系a1/a2＝0.8019和a1/a3＝0.3569。
[0056]
采用本实施例提供的磁阻电路结构形成角度传感器，可同时消除2次、3次、4次和5次谐波，进而有效的减少测试误差，且工艺过程相对简单，所需器件面积极小。
[0057]
可以理解，要想实现磁电阻单元不同的参考方向，可以采用激光退火或电流导线退火的方式调节磁电阻单元的参考方向。
[0058]
基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供了一种角度传感器。该角度传感器由如上任意实施例所述的磁阻电路结构构成。
[0059]
本实施例中，角度传感器包括：第一半桥电路，第一半桥电路由两个磁阻电路结构构成，两个磁阻电路结构中磁电阻单元的参考方向反平行，第一半桥电路的输出信号为外部磁场角度的正弦函数。
[0060]
如上所述，角度传感器包括两个以上磁阻电路结构，两个磁阻电路结构中对应的磁电阻单元的参考方向反平行，具体是指，一个磁阻电路结构中磁电阻单元的参考方向为+a，则另一个磁阻电路结构中磁电阻单元的参考方向为-a。两个磁阻电路结构电连接成第一半桥电路，第一半桥电路的输出信号是外部磁场角度的正弦函数。
[0061]
本实施例中，利用上述磁阻电路结构制备的角度传感器包括桥式电路，该桥式电路由一个或多个磁电阻单元连接构成。当外部磁场的角度发生变化时，角度传感器能感应到该变化并将其转变为电信号，具有极高的精度，能广泛应用于多种高精度角度分辨场合。
[0062]
可选角度传感器还包括：第二半桥电路，第二半桥电路与第一半桥电路的构成相同，且第二半桥电路与第一半桥电路的相应位置的磁电阻单元的参考方向相反，第一半桥电路与第二半桥电路的差分输出信号为外部磁场角度的正弦函数。第二半桥电路中的两个磁阻电路结构的参考方向分别与第一半桥电路中相应位置的磁阻电路结构的参考方向相反，则第一和第二半桥电路的输出构成差分输出，且差分输出的信号是外部磁场角度的正弦函数。
[0063]
可选角度传感器还包括：第三半桥电路，第三半桥电路与第一半桥电路的构成相同，且第三半桥电路与第一半桥电路的相应位置的磁电阻单元的参考方向呈90度，第三半桥电路的输出信号为外部磁场角度的余弦函数。第三半桥电路中的两个磁阻电路结构的参考方向分别与第一半桥电路中相应位置的磁阻电路结构呈90度，则第三半桥电路的输出信号是外部磁场角度的余函数。
[0064]
可选角度传感器还包括：第四半桥电路，第四半桥电路与第三半桥电路的构成相同，且第四半桥电路与第三半桥电路的相应位置的磁电阻单元的参考方向相反，第三半桥电路与第四半桥电路的差分输出信号为外部磁场角度的余弦函数。第四半桥电路中的两个磁阻电路结构的参考方向分别与第三半桥电路中相应位置的磁阻电路结构相反，则第三和第四半桥电路的输出构成差分输出，且差分输出的信号是外部磁场角度的余弦函数。
[0065]
本实用新型实施例提供的角度传感器，包括磁阻电路结构，磁阻电路结构包括三个或三个以上磁电阻单元，磁电阻单元由不同数量磁阻元件串联后再并联构成，通过设计不同磁电阻单元的电阻值和参考方向，可以实现对高阶谐波分量的消除。该角度传感器利用较少的磁电阻单元个数可以达到较好的补偿效果，并且磁阻电路结构构成惠斯通全桥结构，可以进一步消除角度传感器的温度误差等，提高角度传感器的检测精度。
[0066]
可以理解，以上实施方式是以双路全桥结构进行说明。但本领域技术人员应当理解，本实用新型电路结构还可以是单个电阻元件、或单路半桥结构、或单路全桥结构、或双路半桥结构。
[0067]
对于单个电阻元件或者单路半桥结构而言，角度传感器的输出信号为单路的电阻(或电压)信号，可以通过求解反正弦获得外部磁场角度数值。
[0068]
对于单路全桥结构而言，角度传感器的输出信号为两路差分信号，可以通过求解
两信号的差分值的反正弦获得外部磁场角度数值。
[0069]
对于双路半桥结构而言，角度传感器的输出信号为相位差为90
°
的两正弦信号，可以通过求解两信号商值的反正切获得外场角度数值。
[0070]
注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。