一種磁電阻磁場梯度傳感器制造技術

本實用新型專利技術公開了一種磁電阻磁場梯度傳感器，它包括基片、分別設置在基片上的磁電阻電橋和永磁體，所述磁電阻電橋包括兩個或兩個以上的磁電阻臂，所述磁電阻臂由一個或多個磁電阻元件構成，該磁電阻元件具有磁性釘扎層，且所有磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同，所述永磁體設置在每個磁電阻臂的附近用于提供偏置場并使磁電阻元件的響應曲線的偏移歸零，該磁電阻磁場梯度傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC或引線框的封裝引腳上。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術涉及一種磁電阻磁場梯度傳感器，尤其是一種采用MTJ磁電阻為敏感元件的磁場梯度傳感器。
技術介紹
磁傳感器廣泛用于現代電子系統中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數。在現有技術中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數，例如采用霍爾元件，各向異性磁電阻(AMR)或巨磁電阻(GMR)為敏感元件的磁傳感器。以霍爾元件為敏感元件的磁傳感器靈敏度非常低，通常使用聚磁環結構來放大磁 場，提高霍爾輸出靈敏度，從而增加了傳感器的體積和重量，同時霍爾元件具有功耗大，線性度差的缺陷。AMR元件雖然靈敏度比霍爾元件高很多，但是其線性范圍窄，同時以AMR為敏感元件的磁傳感器需要設置set/reset線圈對其進行預設_復位操作，造成其制造工藝的復雜，線圈結構的設置在增加尺寸的同時也增加了功耗。以GMR元件為敏感元件的磁傳感器較之霍爾傳感器有更高的靈敏度，但是其線性范圍偏低，同時，GMR元件的響應曲線呈偶對稱，只能測量單極性的磁場梯度，不能測量雙極性磁場梯度。隧道結磁電阻(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)元件是近年來開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，其利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(TMR，TunnelMagnetoresistance)對磁場進行感應，比之前所發現并實際應用的AMR元件和GMR元件具有更大的電阻變化率。MTJ元件相對于霍爾元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更好的線性度，不需要額外的聚磁環結構；相對于AMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更寬的線性范圍，不需要額外的set/reset線圈結構；相對于GMR元件具有更好的溫度穩定性，更高的靈敏度，更低的功耗，更寬的線性范圍。雖然MTJ元件具有極高的靈敏度，但是以MTJ元件為敏感元件的磁傳感器在微弱磁場探測時會受到外界磁場的干擾，同時高靈敏度的MTJ傳感器并沒有實現低成本大規模生產，特別是傳感器的成品率取決于MTJ兀件磁阻輸出的偏移值,構成電橋的MTJ兀件的磁阻很難達到高的匹配度，同時MTJ傳感器在同一半導體基片上集成的制造工藝非常復雜。
技術實現思路
針對上述問題，本技術提供了一種以MTJ元件為敏感元件的磁場梯度傳感器，具有抗外磁場干擾能力強，磁場共模抑制比高，靈敏度高，線性范圍寬，功耗低，體積小，溫度特性好的優點。本技術公開了一種磁電阻磁場梯度傳感器，它包括基片、分別設置在基片上的磁電阻電橋和永磁體，所述磁電阻電橋包括兩個或兩個以上的磁電阻臂，所述磁電阻臂由一個或多個磁電阻元件構成，該磁電阻元件具有磁性釘扎層，且所有磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同，所述永磁體設置在每個磁電阻臂的附近用于提供偏置場并使磁電阻元件的響應曲線的偏移歸零，該磁電阻磁場梯度傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC或引線框的封裝引腳上。優選地,所述磁電阻元件為MTJ元件。優選地，所述的磁電阻元件的形狀具有各向異 性。優選地，所述磁電阻元件在同一基片上采用同一工序制備，具有相同的形狀和電阻值。優選地，所述磁電阻電橋為梯度半橋。優選地，所述磁電阻電橋為惠斯通全橋，惠斯通全橋的磁電阻橋臂的靈敏度方向相同，以檢測空間的梯度磁場，惠斯通全橋結構中處于相對位置的橋臂電阻處于梯度磁場的同一位置，惠斯通全橋結構中處于相鄰位置的橋臂電阻處于梯度磁場的不同位置。優選地，對永磁體充磁以調節該永磁體的磁化強度和方向以調節磁電阻磁場梯度傳感器的輸出性能。優選地，所述磁電阻磁場梯度傳感器為單一芯片磁電阻磁場梯度傳感器。本技術采用以上結構，具有抗外磁場干擾能力強，磁場共模抑制比高，靈敏度高，線性范圍寬，功耗低，體積小，溫度特性好的優點。附圖說明圖I是隧道結磁電阻元件(MTJ)的示意圖。圖2是適用于線性磁場測量的MTJ元件的磁阻變化響應圖。圖3是多個MTJ元件串聯而形成一個等效MTJ磁電阻20的示意圖。圖4是MTJ元件I與片上永磁體22擺放位置示意圖。圖5是圖4所示的永磁體22和MTJ元件I的截面圖，圖中描繪了一組偏置磁體的磁感線分布圖。圖6是通過設置永磁體22和敏感軸23的夾角來控制MTJ元件響應的偏移和飽和場強度的示意圖。圖7是半橋型MTJ磁電阻梯度磁場傳感器的結構示意圖。圖8是半橋型MTJ磁電阻梯度磁場傳感器的輸出測量圖。圖9是全橋型MTJ磁電阻梯度磁場傳感器的原理示意圖。圖10是全橋型MTJ磁電阻梯度磁場傳感器的結構示意圖。圖11是全橋型MTJ磁電阻梯度磁場傳感器的輸出測量圖。具體實施方式圖I是一個MTJ多層膜元件的功能概念簡圖。一個MTJ元件I 一般包括上層的鐵磁層或人工反鐵磁層(Synthetic Anti ferromagnetic, SAF) 5,以及下層的鐵磁層或SAF層3，兩個磁性層之間的隧道勢壘層4。在這種結構中，上層的鐵磁層(SAF層)5組成了磁性自由層，其磁矩方向7隨外部磁場的改變而變化。下層的鐵磁層(SAF層)3是一個固定的磁性層，因為其磁矩方向8是被釘扎在一個方向，在一般條件下是不會改變的，通常鐵磁層(SAF層)3也被稱為被釘扎層。釘扎層通常是在反鐵磁性層2的上方或下方沉積鐵磁層或SAF層。MTJ結構通常是沉積在導電的底電極層9的上方，同時MTJ結構的上方為頂電極層6。MTJ的底電極層9和頂電極層6之間的測量電阻值12代表自由層5和釘扎層3的相對磁矩方向。當上層的鐵磁層(SAF層)5的磁矩7方向與下層的鐵磁層3的磁矩方向8平行時，整個元件的電阻12在低阻態。當上層的鐵磁層(SAF層)5的磁矩方向與下層的鐵磁層3的磁矩方向反平行時，整個元件的電阻11在高阻態。通過已知的技術，MTJ元件I的電阻可隨著外加磁場在高阻態和低阻態間線性變化。底電極層9和頂電極層6直接與相關的反鐵磁層2和磁性自由層5電接觸。電極層通常采用非磁性導電材料，能夠攜帶電流輸入歐姆計34。歐姆計34適用于已知的穿過整個隧道結的電流，并對電流(或電壓)進行測量。通常情況下，隧道勢壘層4提供了器件的大多數電阻，約為1000歐姆，而所有導體的阻值約為10歐姆。底電極層9位于絕緣基片10上方，絕緣基片10要比底電極層9要寬，其位于其他材料構成的底基片 11的上方。底基片的材料通常是硅、石英、耐熱玻璃、GaAs、AlTiC或者是能夠于晶圓集成的任何其他材料。硅由于其易于加工為集成電路(盡管磁性傳感器不總是需要這種電路)成為最好的選擇。適合線性磁場測量的GMR或MTJ元件的響應圖如圖2所示。響應曲線13在低阻態14和高阻態15飽和，&和Rh分別代表低阻態和高阻態的阻值。響應曲線13在飽和場之間的區域是隨外場(H) 19線性變化的。外場19平行于傳感元件的敏感軸23。被釘扎層3的磁矩8與敏感軸23反平行意味著其指向-H的方向。當自由層5的磁矩7與被釘扎層3的磁矩8反平行時，磁電阻元件的響應曲線13為最大值Rh，當兩者平行時，為最小值磁電阻響應曲線13的中間值隨自由層5和被釘扎層3之間的角度的變化而變化。響應曲線13不是沿H=O的點對稱的。飽和場17、18是沿著Htj點16典型的偏移場，因此&值對應的飽和場更接近H=O的點。H。值通常被稱為“橘子皮效應(Orange Peel)”或“奈爾耦合(NeelCouplin本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于：它包括基片、分別設置在基片上的磁電阻電橋和永磁體，所述磁電阻電橋包括兩個或兩個以上的磁電阻臂，所述磁電阻臂由一個或多個磁電阻元件構成，該磁電阻元件具有磁性釘扎層，且所有磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同，所述永磁體設置在每個磁電阻臂的附近用于提供偏置場并使磁電阻元件的響應曲線的偏移歸零，該磁電阻磁場梯度傳感器的焊盤可以通過引線連接到ASIC或引線框的封裝引腳上。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：白建民，詹姆斯·G·迪克，劉明峰，沈衛鋒，
申請(專利權)人：江蘇多維科技有限公司，
類型：實用新型
國別省市：