一种磁电阻传感器及电子设备的制作方法

1.本实用新型属于磁性传感器技术领域，具体涉及一种磁电阻传感器及电子设备。


背景技术：

2.磁电阻的应用非常广泛，尤其是隧道磁电阻材料，目前已在磁盘读取磁头、非易失性随机存储器等领域得到了很多应用，磁传感器在各行各业也有广泛的应用。磁电阻应用于磁传感器中时，通常会以全桥或半桥的形式构成传感器芯片，多个磁电阻串联组成全桥或半桥的桥臂。为了使全桥或半桥结构中对应桥臂的阻值相等，一般会串联相同个数的磁电阻，但当结构设计不合理时，多个磁电阻的串联会导致晶圆尺寸过大而无法满足用户对器件小型化的需求，或是对应桥臂阻值不一致，影响磁电阻传感器的性能。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种尺寸小、结构紧凑的磁电阻传感器，及具有该磁电阻传感器的电子设备。
4.为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：
5.一种磁电阻传感器，包括：至少两个结构相同的磁电阻模块，所述磁电阻模块包括相邻设置的第一磁电阻臂和第二磁电阻臂，所述第一磁电阻臂的两端分别和第一焊盘及第二焊盘电连接，所述第二磁电阻臂的两端分别和第三焊盘及第四焊盘电连接，所述第一磁电阻臂包括多个串联连接的磁电阻元件，所述第一磁电阻臂和所述第二磁电阻臂的结构相同；所述第一磁电阻臂和所述第二磁电阻臂构成磁电阻区，所述第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘分布于所述磁电阻区的四周,所述第一焊盘和所述第二焊盘之间的夹角为60～150
°
，所述第三焊盘和所述第四焊盘之间的夹角为60～150
°
。
6.进一步的，所述第一焊盘和所述第二焊盘位于所述磁电阻区的两相邻侧边的外围，所述第三焊盘和所述第四焊盘位于所述磁电阻区另外两相邻侧边的外围。
7.进一步的，所述第一磁电阻臂弯折形成多个折段，所述折段依次连接，排列成方波波形或矩形波波形。
8.进一步的，所述第一磁电阻臂还包括：设置于一基片上的底电极，所述磁电阻元件位于所述底电极之上；位于所述磁电阻元件之上的顶电极，一个所述磁电阻元件分别通过所述顶电极或所述底电极和其相邻两侧的磁电阻元件电连接；所述第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘及第四焊盘设置于所述基片上，所述第一焊盘通过所述顶电极和所述第一磁电阻臂中的一个磁电阻元件电连接，所述第二焊盘通过所述顶电极和所述第一磁电阻臂中的另一个磁电阻元件电连接，所述第三焊盘通过所述顶电极和所述第二磁电阻臂中的一个磁电阻元件电连接，所述第四焊盘通过所述顶电极和所述第二磁电阻臂中的另一个磁电阻元件电连接。
9.进一步的，所述磁电阻区位于所述基片的中间区域，所述第一焊盘、第二焊盘、第三焊盘和第四焊盘位于所述基片的边缘区域。
10.进一步的，所述第一磁电阻臂和所述第二磁电阻臂成型于同一基片上，所述第一磁电阻臂的磁矩方向和第二磁电阻臂的磁矩方向相同。
11.进一步的，所述第一磁电阻臂中相邻的所述磁电阻元件之间的距离为5～20μm；和/或，所述第一磁电阻臂和所述第二磁电阻臂中对应相邻设置的磁电阻元件之间的距离为5～20μm。
12.进一步的，所述磁电阻元件为tmr元件或gmr元件或amr元件。
13.进一步的，所述第一磁电阻模块的第一磁电阻臂及第二磁电阻臂和所述第二磁电阻模块的第一磁电阻臂和第二磁电阻臂连接成全桥结构或半桥结构。
14.本实用新型还提供了一种电子设备，包括前述磁电阻传感器。
15.由以上技术方案可知，本实用新型在磁电阻模块中设置一对相互“缠绕”的磁电阻臂，两个磁电阻臂具有相同数量且相邻设置的磁电阻元件，从而两个磁电阻臂的阻值相等，感应到的外磁场一致，保证了磁电阻传感器的准确输出；而且两个磁电阻臂紧密相邻设置，磁电阻元件整齐排布，焊盘分布在磁电阻臂的四周外围，提高了晶圆的空间利用率，减小了磁电阻模块的几何尺寸，结构更为紧凑，体积更小，满足器件小型化的需求。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例，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实用新型的一些实施例，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。
17.图1为本实用新型实施例磁电阻传感器的结构示意图；
18.图2为本实用新型实施例磁电阻模块的结构示意图；
19.图3为本实用新型实施例底电极在基片上的分布示意图；
20.图4为本实用新型实施例磁电阻元件在基片上的分布示意图；
21.图5为本实用新型实施例顶电极在基片上的分布示意图；
22.图6为本实用新型电流在顶电极和磁电阻元件及底电极之间的流向示意图；
23.图7为本实用新型实施例磁电阻模块搭建成全桥结构的磁电阻传感器的电路原理图；
24.图8为本实用新型磁电阻传感器另一种实施方式的结构示意图。
25.以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细地说明。
具体实施方式
26.下面结合附图对本实用新型进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；术语“正”、“反”、“底”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或
暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
27.参照图1和图2，本实用新型的磁电阻传感器包括至少两个磁电阻模块1，这些磁电阻模块1的结构相同，并采用同一晶圆制造过程制备，因此各磁电阻模块1的磁化方向一致。本实施例中，将一个磁电阻模块1相对于另一个磁电阻模块1旋转180
°
后，连接成全桥结构的磁电阻传感器。在其他的实施例中，两个磁电阻模块也可以连接成半桥结构的磁电阻传感器。
28.如图2所示，第一磁电阻模块1包括第一磁电阻臂1-1和第二磁电阻臂1-2，第一磁电阻臂1-1和第二磁电阻臂1-2的结构相同，且相邻设置于基片3上。第一磁电阻臂1-1的两端分别和第一焊盘1-3及第二焊盘1-4电连接，第二磁电阻臂1-2的两端分别和第三焊盘1-5及第四焊盘1-6电连接。第一磁电阻臂1-1包括磁电阻元件1-1a、底电极1-1b及顶电极1-1c。底电极1-1b设置于基片3上，位于第一磁电阻臂1-1的最底层，一个底电极1-1b用于实现同一个磁电阻臂中两个相邻的磁电阻元件1-1a之间的电连接。顶电极1-1c位于第一磁电阻臂1-1的最顶层，一个顶电极1-1c同样用于实现同一个磁电阻臂中两个相邻的磁电阻元件1-1a之间的电连接，顶电极1-1c还用于实现磁电阻元件1-1a和焊盘之间的电连接。在同一个磁电阻臂中，一个磁电阻元件1-1a分别通过顶电极1-1c或底电极1-1b和其相邻两侧的磁电阻元件电连接，如一个磁电阻臂中的某一个磁电阻元件，其通过顶电极和前一个磁电阻元件电连接，并通过底电极和后一个磁电阻元件电连接；或者其通过顶电极和后一个磁电阻元件电连接，并通过底电极和前一个磁电阻元件电连接。磁电阻臂中各磁电阻元件的磁性钉扎层的磁矩方向相同。第二磁电阻臂也同样包括若干个磁电阻元件，第二磁电阻臂的结构可参照第一磁电阻臂的结构的说明。本实用新型所说的第二磁电阻臂1-2的结构和第一磁电阻臂1-1的结构相同是指第一、第二磁电阻臂由同一工序制备，具有相同的形状和电阻值，成型于同一基片上。两个磁电阻臂包含了数量相同的串联在一起的磁电阻元件，以此实现两个磁电阻臂的阻值相等。第一磁电阻臂的磁矩方向和第二磁电阻臂的磁矩方向相同。本实用新型的磁电阻臂及与其连接的焊盘可以在一次工艺中一体成型，也可以采用两次工艺分别制备后，再电连接在一起。
29.本实施例的第一磁电阻臂1-1和第二磁电阻臂1-2并排设置于基片3的中间区域，与两个磁电阻臂电连接的四个焊盘分布在由磁电阻元件1-1a构成的磁电阻区的四周，四个焊盘分别作为供电端子和输出电子，用于供电和输出信号，如将第一磁电阻臂1-1的两个焊盘作为供电端子，和电源端相连，第二磁电阻臂1-2的两个焊盘作为信号输出端子，输出反应磁场大小的电压信号。本实用新型所说的磁电阻区的四周是指磁电阻区四个侧边的外围，四个焊盘分布在磁电阻区的四周即磁电阻区的每一侧边的外围对应设置一个焊盘。本实施例的第一焊盘1-3和第二焊盘1-4分别位于磁电阻区的相邻两侧边的外围，第三焊盘1-5和第四焊盘1-6分别位于磁电阻区另外的相邻两侧边的外围，以图2所示方向为例，本实施例中，第一焊盘1-3位于磁电阻区的上侧边的外围，第二焊盘1-4位于磁电阻区的右侧边的外围，第三焊盘1-5位于磁电阻区的下侧边的外围，第四焊盘1-6位于磁电阻区的左侧边的外围。将两个磁电阻臂的四个焊盘分布于磁电阻区的四周，可以使焊盘的排布更整齐，磁电阻模块的尺寸更为工整、紧凑。和同一磁电阻臂电连接的两个焊盘之间的夹角可为60～150
°
，本实施例的第一焊盘1-3和第二焊盘1-4之间以及第三焊盘1-5和第四焊盘1-6之间的
夹角为90
°
。焊盘间的夹角可以是焊盘的中心线之间形成的夹角，或是焊盘的延伸方向间形成的夹角，如焊盘为规则的形状时，比如长方形、椭圆形等，焊盘间的夹角为焊盘的中心线间形成的夹角，当焊盘为不规则形状、难以确定中心线时，焊盘间的夹角可以指焊盘大体的延伸方向间形成的夹角。
30.本实用新型的磁电阻元件1-1a可为tmr元件或gmr元件或amr元件。磁电阻元件的形状可以是长方形或椭圆形等形状，磁电阻区在基片3上的投影可为正方形或矩形或其它多边形等形状。将焊盘围绕磁电阻区的外围，磁电阻元件位于基片的中心区域，既可以保证磁电阻的一致性，又能够避免基片边缘加工对磁电阻元件造成损害，以此提高电桥的稳定性。
31.在具体应用中，第一磁电阻臂1-1和第二磁电阻臂1-2可以通过弯折的方式排布在基片3上，磁电阻臂在弯折时会形成数个折段，这些折段依次紧密排列，形成类似方波波形或矩形波波形的形状，这种紧密排列的排布方式，可以最大化地提高晶圆的空间利用率，减小磁电阻模块的尺寸。如本实施例中，第一磁电阻臂1-1和第二磁电阻臂1-2均经过两次弯折分别形成3个折段，这些折段排列在基片3的中间区域，四个焊盘分布在外围。本实施例的第一磁电阻臂1-1的每个折段均和第二磁电阻臂1-2的一个折段相邻，由此形成第一磁电阻臂1-1和第二磁电阻臂1-2相互“缠绕”的结构。通过磁电阻臂“缠绕”的排布方式，可以使磁电阻元件集中排列，在晶圆尺寸一定的情况下尽可能串联多的磁电阻元件，达到使结构紧凑的目的。
32.一个磁电阻臂中相邻的磁电阻元件之间通过顶电极和底电极实现电连接。图3为本实用新型底电极一种实施方式的示意图，如图3所示，底电极1-1b设置于基片3上。一个底电极1-1b和两个磁电阻元件1-1对应，实现两个磁电阻元件1-1a之间的电连接。结合图4，被同一个底电极1-1b电连接的两个磁电阻元件1-1a在该底电极1-1b所在平面上的投影位于该底电极1-1b在其所在平面的投影范围内，即该底电极1-1b在其所在平面上的投影覆盖由其相连的两个磁电阻元件1-1a在同一平面上的投影。本实施例的底电极1-1b的形状为矩形，底电极1-1b的长l和宽w分别为49μm和35μm。同一磁电阻臂中，相邻的底电极1-1b之间的距离d1(相邻的底电极边缘之间的最小距离)可为5～10μm，本实施例的d1为8μm。
33.如图4所示，磁电阻元件1-1a设置于底电极1-1b的上方，每个底电极1-1b的上方均对应设置有两个磁电阻元件1-1a。本实施例的磁电阻元件1-1a为椭圆形，长l1(长轴的尺寸)为40μm，宽l2(短轴的尺寸)为10μm。同一磁电阻臂中相邻的磁电阻元件之间的距离d2(同一磁电阻臂中相邻的磁电阻元件边缘之间的最小距离)为8μm，在不同磁电阻臂中对应相邻设置的磁电阻元件之间的距离d3(不同磁电阻臂中相邻的磁电阻元件边缘之间的最小距离)为17μm。在其他的实施例中，磁电阻元件的长(l1)和宽(l2)可分别为20～40μm、5～10μm，同一磁电阻臂中相邻的磁电阻元件之间的距离d2可为5～20μm，在不同磁电阻臂中对应相邻设置的磁电阻元件之间的距离d3为5～20μm。
34.如图5所示，顶电极1-1c位于磁电阻元件1-1a的上方，每个磁电阻臂中，除了和第一焊盘1-3及第二焊盘1-4相连的磁电阻元件外，如本实施例中每个磁电阻臂中的第一个磁电阻元件和最后一个磁电阻元件，其余的磁电阻元件，均两两和一个顶电极1-1c对应设置。被同一个顶电极1-1c电连接的两个磁电阻元件1-1a在该顶电极1-1c所在平面上的投影位于该顶电极1-1c内，即该顶电极1-1c在其所在平面上的投影覆盖由其相连的两个磁电阻元
件1-1a在同一平面上的投影。一个磁电阻臂中，第一焊盘1-3和第二焊盘1-4通过顶电极1-1c和对应的磁电阻元件1-1a电连接。同一磁电阻臂中，相邻的顶电极1-1c之间的距离(相邻的顶电极边缘之间的最小距离)可为5～10μm，本实施例的相邻的顶电极之间的距离为8μm。顶电极和底电极之间的尺寸及间距根据磁电阻元件的尺寸及间距相应设置。
35.相邻的两个磁电阻元件1-1a之间通过底电极1-1b和顶电极1-1c连接在一起，如图6所示，电流方向是通过顶电极1-1c流向磁电阻元件1-1a，再从磁电阻元件1-1a流向底电极1-1b，再从底电极1-1b流向相邻的另一个磁电阻元件1-1a，以此类推，再经顶电极1-1d继续流向其它相邻的磁电阻元件，最终电流通过顶电极1-1d流向焊盘。
36.本实用新型的磁电阻模块结构相同，且采用同一晶圆制造工艺制备，因此两个磁电阻模块的磁化方向一致。本实施例将第一磁电阻模块和第二磁电阻模块之间进行相对旋转180
°
，第一磁电阻模块的第一磁电阻臂及第二磁电阻臂和所述第二磁电阻模块的第一磁电阻臂和第二磁电阻臂连接成全桥电路，并封装在一起，得到的磁电阻传感器的电路图如图7所示。在该磁电阻传感器中，第一磁电阻模块的两个磁电阻臂构成全桥的一对桥臂，这对桥臂的磁化方向为图7中实线箭头所示方向，第二磁电阻模块的两个磁电阻臂构成全桥的另一对桥臂，这对桥臂的磁化方向为图7中虚线箭头所示方向。两个磁电阻臂中的四个焊盘分别为两个供电端子和两个输出端子。由于磁电阻模块中的两个磁电阻臂中的磁电阻元件数量相同且彼此一一相邻对应，这样可以使两个磁电阻臂的阻值相等，感应到的外磁场一致，从而将第一、第二磁电阻模块应用到全桥或半桥结构的磁电阻传感器中时，所搭建的对应桥臂阻值基本相等，保证了传感器的准确输出。同时，将磁电阻元件整齐排布在磁电阻模块的中间区域，可以提高空间利用率，以在磁电阻元件数量一定的情况下，做到更小的体积。同时这种整齐的排布也利于隧道结的扩展，不管磁电阻元件的数量是多少，磁电阻元件总能居于磁电阻模块的中间位置，具有更好的实用性。
37.可选的，为了便于区分磁电阻模块的方向，不同磁电阻臂的焊盘可在边角位置做缺角处理，由此来区分不同磁电阻臂的焊盘，如图2所示，位于磁电阻模块的左上角的第一磁电阻臂的第一焊盘1-3的左上角做了缺角处理，位于磁电阻模块的右下角的第二次电阻臂的第三焊盘1-5没有做缺角处理，由此可以区分两个磁电阻臂。焊盘的形状可以根据需要设置为长方形或方形或l形或u形等形状，以方便地将磁电阻元件包围于磁电阻模块的中间区域。
38.磁电阻模块中两个磁电阻臂中磁电阻元件及焊盘除了可以采用图2所示的形状和排布方式外，还可以采用图8所示的形状和排布方式，只要可以实现磁电阻元件组成的磁电阻区位于基片的中间区域，焊盘位于基片的外沿区域并将磁电阻区包围于其中即可。本实用新型还提供了一种包含有前述磁电阻传感器的电子设备，如磁盘驱动器、磁场检测装置等。
39.需要说明的是，本实用新型所说的第一磁电阻臂和第二磁电阻臂相邻设置并非指一个磁电阻模块中两个磁电阻臂的每一段都彼此相邻，只要一个磁电阻臂大部分(如60％以上)都和另一个磁电阻臂相邻设置即可，如图8中，第一磁电阻臂1-1除了和第二焊盘1-4相连的最后一个折段没有和第二磁电阻臂1-2相邻外，其余折段均和第二磁电阻臂1-2相邻；第二磁电阻臂1-2也是相同的结构。这样两个磁电阻臂的阻值及感应到的外磁场也保持一致，保证了传感器的准确输出。
40.当然，本实用新型的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本实用新型的构思得到许多不同的具体方案，例如，前述实施例中，磁电阻元件的形状及尺寸、磁电阻元件的数量、焊盘的形状、底电极和顶电极的形状等，都可以根据实际需求进行相应的改变；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本实用新型所述的范围之内。