專利名稱：一種獨立封裝的磁電阻角度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角度傳感器，特別的是一種由磁場傳感器和永磁體組合而成的， 能夠提供非接觸旋轉(zhuǎn)角度測量的角度傳感器。
背景技術(shù)：
磁場傳感器與旋轉(zhuǎn)磁體的組合提供了一種非常具有吸引力的非接觸旋轉(zhuǎn)角度測量傳感器，可以應(yīng)用于汽車、工業(yè)和消費電子領(lǐng)域。在之前的技術(shù)中，已有很多種測量磁場方向的傳感器。然而，它們都或多或少的受到了某些限制，比如，尺寸過大，靈敏度低和/或動態(tài)范圍太窄，成本高，穩(wěn)定性差或是其它因素。因此，發(fā)展一種更好的磁性傳感器，尤其是能夠方便的與標準的半導體器件和電路進行集成與制造的磁性傳感器，仍然是一種非?，F(xiàn)實的需求。磁性隧道結(jié)(MTJ，Magnetic tunnel junction)傳感器具有靈敏度高，尺寸小，成本低，功耗低的優(yōu)點。雖然MTJ器件能夠與標準的半導體制造工藝集成，但沒有一種低成本量產(chǎn)制造高靈敏度，低成本的MTJ磁傳感器的有效方法。尤其是，量產(chǎn)時MTJ工藝和后端的封裝工藝之間所存在的困難，同時，在將MTJ元件組成全橋傳感器時，匹配MTJ傳感器的磁電阻響應(yīng)被證明存在很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供一種獨立封裝的磁電阻角度傳感器，可用于測量磁場的角度值。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種獨立封裝的磁電阻角度傳感器，其特征是該傳感器包括一個磁電阻傳感器原片，所述磁電阻傳感器原片包括兩個磁電阻芯片，其中一個磁電阻芯片相對于另一個磁電阻芯片旋轉(zhuǎn)180度排布，所述磁電阻傳感器原片附著在標準的半導體封裝的引線框上以構(gòu)成一單軸推挽式全橋傳感器；每個磁電阻芯片包括一個或多個GMR或MTJ傳感器元件串聯(lián)組成以構(gòu)成一推挽式半橋傳感器；傳感器元件由自旋閥構(gòu)成，所述自旋閥包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述磁性釘扎層的方向與磁電阻芯片的磁性易軸的方向相同，所述自由層的固有飽和場小于釘扎層產(chǎn)生的釘扎磁場的1/10 ；磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，自由層磁矩方向沿垂直于釘扎層磁矩的方向上，磁性自由層的方向隨外加磁場的大小成比例旋轉(zhuǎn)；每個磁電阻傳感器原片的固有飽和場減去傳輸曲線的偏置磁場為該磁電阻角度傳感器測量的最大范圍；磁電阻芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻傳感器原片的每個引腳可以連接多條接合線；每個磁電阻芯片具有一分別位于頂層和底層的交叉導線，因此磁電阻芯片的每一邊磁電阻元件的引線可以交換相對位置，允許兩個磁電阻芯片在沒有外部交叉引線的情況下連接成推挽式全橋傳感器；該磁電阻角度傳感器還包括一偏置磁場以使磁電阻芯片的傳輸曲線的中心位于零磁場的位置；所述磁電阻傳感器原片具有相似的高電阻RH和低電阻RL ；該磁電阻角度傳感器的輸入與輸出通過引線連接到引線框的引腳上。
一種獨立封裝的磁電阻角度傳感器，該傳感器包括兩個磁電阻傳感器原片構(gòu)成， 其中一個磁電阻傳感器原片相對于另一個磁電阻傳感器原片旋轉(zhuǎn)90度相排布，所述磁電阻傳感器原片附著在標準的半導體封裝的引線框上以構(gòu)成一雙軸推挽式全橋傳感器；每個磁電阻傳感器原片包括兩個磁電阻芯片，其中一個磁電阻芯片相對于另一個磁電阻芯片旋轉(zhuǎn)180度排列，每個磁電阻芯片包括一個或多個GMR或MTJ傳感器元件串聯(lián)組成以構(gòu)成一推挽式半橋傳感器；傳感器元件由自旋閥構(gòu)成，所述自旋閥包括磁性自由層和磁性釘扎層， 所述磁性釘扎層的方向與磁電阻芯片的磁性易軸的方向相同，所述自由層的固有飽和場小于釘扎層產(chǎn)生的釘扎磁場的1/10 ；磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，自由層磁矩方向沿垂直于釘扎層磁矩的方向上，磁性自由層的方向隨外加磁場的大小成比例旋轉(zhuǎn)；每個磁電阻傳感器原片的固有飽和場減去傳輸曲線的偏置磁場為該磁電阻角度傳感器測量的最大范圍；磁電阻芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻傳感器原片的每個引腳可以連接多條接合線；每個磁電阻傳感器原片具有一分別位于頂層和底層的交叉導線，因此磁電阻芯片的每一邊磁電阻傳感器原片的引線可以交換相對位置，允許兩個芯片在沒有外部交叉引線的情況下連接成推挽式全橋傳感器；該磁電阻角度傳感器還包括一偏置磁場以使磁電阻芯片的傳輸曲線的中心位于零磁場的位置；磁電阻傳感器原片中的每對磁電阻芯片具有相似的高電阻RH和低電阻RL ；磁電阻角度傳感器的輸入與輸出通過引線連接到引線框的引腳上。本發(fā)明采用意思結(jié)構(gòu)具有成本更低，性能更好，尺寸更小的優(yōu)點。


圖1是通常的適合用于磁場測量的GMR或MTJ傳感器元件的傳輸特性曲線，其中參考層的磁矩方向指向-H方向。圖2是通常的角度傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。圖3是不同磁場下角度傳感器的響應(yīng)曲線，隨著磁體產(chǎn)生的外場與參考層磁場的比例不同，角度傳感器的精度不同。圖4是采用一個推挽式全橋來檢測旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生的磁場大小的角度傳感器示意圖。圖5由推挽式全橋組成的磁電阻角度傳感器檢測與敏感軸共線時的輸出特性。圖6由兩個磁電阻傳感器原片通過相互旋轉(zhuǎn)180度布置并封裝組成推挽式全橋的示意圖。圖7是一種采用標準半導體引線框和引線連接的單軸推挽式傳感器的可能的實施方式示意圖。圖8是一種采用標準半導體引線框和引線連接的雙軸推挽式傳感器的可能的實施方式示意圖，其中正交軸的全橋傳感器的中心點不重合。圖9 (A)是一個雙軸推挽式傳感器的輸出折線圖，如圖8所示，其中的兩個正交的全橋傳感器的中心點相互間隔1mm，同時由旋轉(zhuǎn)磁塊產(chǎn)生的磁場具有一個很小的磁場梯度。 圖中兩個正交軸分別代表旋轉(zhuǎn)傳感器在外場的作用下的輸出的正弦和余弦輸出曲線。圖9 (B)是由雙軸推挽式傳感器隨外磁場不同旋轉(zhuǎn)角度的正弦和余弦輸出曲線計算得到的角度曲線和相應(yīng)的與真實角度的偏差。圖10 (A)是一個雙軸推挽式傳感器的輸出折線圖，如圖8所示，其中的兩個正交的全橋傳感器的中心點相互間隔1mm，同時由旋轉(zhuǎn)磁塊產(chǎn)生的磁場具有一個很大的磁場梯度。圖中兩個正交軸分別代表旋轉(zhuǎn)傳感器在外場的作用下的輸出的正弦和余弦輸出曲線。圖10(B)是由雙軸推挽式傳感器隨外磁場不同旋轉(zhuǎn)角度的正弦和余弦輸出曲線計算得到的角度曲線和相應(yīng)的與真實角度的偏差，其中旋轉(zhuǎn)磁場具有一個很大的磁場梯度。圖11 (A)是一個雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器的輸出折線圖，如圖8所示，其中的兩個正交的全橋傳感器具有共同的中心，同時由旋轉(zhuǎn)磁塊產(chǎn)生的磁場具有一個很大的磁場梯度。圖11 (B)是由雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器隨外磁場不同旋轉(zhuǎn)角度的正弦和余弦輸出曲線計算得到的角度曲線和相應(yīng)的與真實角度的偏差，其中旋轉(zhuǎn)磁場具有一個很大的磁場梯度。圖12是一種兩個正交全橋傳感器具有共同的幾何中心的雙軸傳感器說明圖，其中的四個傳感器原片布置在一個ASIC芯片的周圍。圖13是另一種兩個正交全橋傳感器具有共同的幾何中心的雙軸傳感器說明圖， 其中的四個傳感器分別中心對稱，并位于一個ASIC芯片的正上方。
具體實施例方式本發(fā)明所公開的角度傳感器由自旋閥構(gòu)成，包括一個磁性層，其磁矩固定在一個確定的方向上，通常也作為一個參考層；另一個鐵磁層，其磁矩能夠響應(yīng)外磁場并隨外磁場自由轉(zhuǎn)動，通常稱為磁性自由層。釘扎層可以是一個單一的鐵磁層，也可以是由幾個磁性層組成的一種磁性結(jié)構(gòu)，被釘扎層釘扎到一個確定的方向上。在一個MTJ器件中，自由層和釘扎層由絕緣勢壘層分隔開來，電流垂直流過勢壘層。在GMR元件中，自由層和釘扎層由非磁金屬層分隔開來。電流可以同時在多層膜的面內(nèi)和垂直膜面流過。通常的適合用于磁場測量的GMR或MTJ傳感器元件的傳輸特性曲線如圖1所示。 如圖1所述，傳輸曲線在飽和時分別具有低電阻RL 3和高電阻RH 2，對應(yīng)的飽和場分別是-Hs 4和Hs 5。在低電阻RL 3狀態(tài)，自由層8的磁矩和參考層7的磁矩方向相反，在高電阻RH狀態(tài)，參考層9和自由層10的磁矩方向相反。在處于-Hs4和Hs5之間的飽和區(qū)間內(nèi)，傳輸特性曲線理想情況下中心點處于零磁點。此處，自由層的磁矩相對于參考層移動。非理想情況，傳輸曲線并不關(guān)于H=O的點對稱。飽和場-Hs 4和Hs 5由自由層和釘扎層之間的層間藕合和磁場偏置決定。層間藕合的一種主要貢獻，也就是所謂的奈耳藕合或“orange-peel ”藕合，與GMR和MTJ鐵磁薄膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，這決定于材料的制造工藝。 此外，在同一個值的外磁場Hpin 6下，參考層的磁矩不再固定，因此器件回到的低電阻的 RL飽和狀態(tài)，由于參考層和自由層的磁矩在大的外場下都出現(xiàn)飽和并轉(zhuǎn)到外場方向。在角度傳感器中，奈耳耦合和低的Hpin磁場值，如果得不到正確的控制的話，將會導致非常明顯的不精確性(測量誤差)。正如其命名所暗示的，磁性角度傳感器相對磁場的幅值，更多的是用來檢測一個外磁場的角度。如圖2所示。此處，角度傳感器20用來檢測繞轉(zhuǎn)軸22轉(zhuǎn)動的角度，通過檢測由附加在轉(zhuǎn)軸22上的磁塊21產(chǎn)生的磁場23的方向來實現(xiàn)。在這一類轉(zhuǎn)動檢測系統(tǒng)中， 角度傳感器測量的精度受磁場強度，一致性，磁塊相對角度傳感器中心位置的偏移的影響。 增加磁塊的尺寸和提高磁塊與角度傳感器中心的對齊精度能提高測量的精度，但同時會造成尺寸和成本的增加。一種理想的角度傳感器設(shè)計可能需要適應(yīng)外加磁場的不一致性。有很多種傳感元件的布置方式能用來優(yōu)化角度傳感器的設(shè)計，以降低成本，優(yōu)化性能，減小尺寸，而本發(fā)明的目的正是獲得成本更低，性能更好，尺寸更小的角度傳感器。
除了磁場的不一致外，磁場的強度也影響角度傳感器的精度。通常，角度傳感器工作在一個大于飽和場Hs (5)，但小于Hpin (6)。而傳輸曲線R (H)在-Hs<H<Hs之間的具體形狀并不重要。圖3顯示了不同的磁場強度對角度傳感器的輸出特性曲線形狀的影響。 不同的磁場比值Hpin/Happ下的傳輸特性曲線如圖所示。注意到，隨著Hpin/Happ比值的增加，相應(yīng)的傳輸特性曲線更加接近于理想余弦曲線30，如圖3所示。原因是參考層的磁矩方向隨外磁場Happ的影響很小，而提高Hpin磁場的大小，降低了參考層磁矩由原來固定方向轉(zhuǎn)向其它方向的大小。對于最優(yōu)的性能，通常要求Hpin/Happ>10.
全橋傳感器可以被用來制造磁場角度傳感器，全橋傳感器能提供比半橋傳感器更大的輸出電壓，因此具有更大的磁場靈敏度，由偏置場產(chǎn)生的誤差能夠通過將兩個半橋傳感器布置成一個全橋來消除，其中相鄰邊磁電阻的參考層的磁矩方向相互反平行。在這種情況下，每一橋臂的電阻能表示成 這里，HO是傳輸曲線的磁場偏置，H| I是沿著敏感軸方向的磁場分量。一個由四個磁電阻傳感元件組成的全橋布置如圖4所示。這里，兩個自旋閥42、43的參考層磁矩方向被固定到向左，另兩個自旋閥40、41的參考層的磁矩方向被固定成向右。電橋可以是電流偏置或電壓偏置工作型，通常情況下是電壓偏置工作，在一個相對于地44 (GND)的偏置電壓Vbias 45作用下，兩個差分輸出端46 (VA)和47 (VB)，理論上的輸出如圖5中50所示。輸出電壓可以表示成磁電阻的表達式。假定磁電阻變化率MR表示成MR = (RH-RL)/ RL,，則注意到偏置磁場HO不再產(chǎn)生傳輸曲線的不對稱性，同時全橋傳感器輸出VA-VB是雙極性的電壓響應(yīng)。靈敏度隨著MR值的增加而增加，但對于MR (Hs+Ho)/(2Hs)的情況， 輸出響應(yīng)的增加不明顯。這一分界點，大約是MR>500%。角度傳感器電橋的更小的外部工作區(qū) 52、53 為士(Hs-Ho)。圖6是由兩個傳感器原片61、62通過相互旋轉(zhuǎn)180度封裝組成的全橋示意圖。每個傳感器原片都由一對磁電阻元件64組成，每一個元件都由一個或更多個MTJ或GMR傳感元件串聯(lián)組成。每一個傳感器原片具有一交叉結(jié)構(gòu)65能夠使兩個相對的磁電阻元件64的
權(quán)利要求
1.一種獨立封裝的磁電阻角度傳感器，其特征是該傳感器包括一個磁電阻傳感器原片，所述磁電阻傳感器原片包括兩個磁電阻芯片，其中一個磁電阻芯片相對于另一個磁電阻芯片旋轉(zhuǎn)180度排布，所述磁電阻傳感器原片附著在標準的半導體封裝的引線框上以構(gòu)成一單軸推挽式全橋傳感器；每個磁電阻芯片包括一個或多個GMR或MTJ傳感器元件串聯(lián)組成以構(gòu)成一推挽式半橋傳感器；傳感器元件由自旋閥構(gòu)成，所述自旋閥包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述磁性釘扎層的方向與磁電阻芯片的磁性易軸的方向相同，所述自由層的固有飽和場小于釘扎層產(chǎn)生的釘扎磁場的1/10 ；磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，自由層磁矩方向沿垂直于釘扎層磁矩的方向上，磁性自由層的方向隨外加磁場的大小成比例旋轉(zhuǎn)；每個磁電阻傳感器原片的固有飽和場減去傳輸曲線的偏置磁場為該磁電阻角度傳感器測量的最大范圍；磁電阻芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻傳感器原片的每個引腳可以連接多條接合線；每個磁電阻芯片具有一分別位于頂層和底層的交叉導線，因此磁電阻芯片的每一邊磁電阻元件的引線可以交換相對位置，允許兩個磁電阻芯片在沒有外部交叉引線的情況下連接成推挽式全橋傳感器；該磁電阻角度傳感器還包括一偏置磁場以使磁電阻芯片的傳輸曲線的中心位于零磁場的位置；所述磁電阻傳感器原片具有相似的高電阻RH和低電阻RL;該磁電阻角度傳感器的輸入與輸出通過引線連接到引線框的引腳上。
2.一種獨立封裝的磁電阻角度傳感器，其特征是該傳感器包括兩個磁電阻傳感器原片構(gòu)成，其中一個磁電阻傳感器原片相對于另一個磁電阻傳感器原片旋轉(zhuǎn)90度相排布，所述磁電阻傳感器原片附著在標準的半導體封裝的引線框上以構(gòu)成一雙軸推挽式全橋傳感器；每個磁電阻傳感器原片包括兩個磁電阻芯片，其中一個磁電阻芯片相對于另一個磁電阻芯片旋轉(zhuǎn)180度排列，每個磁電阻芯片包括一個或多個GMR或MTJ傳感器元件串聯(lián)組成以構(gòu)成一推挽式半橋傳感器；傳感器元件由自旋閥構(gòu)成，所述自旋閥包括磁性自由層和磁性釘扎層，所述磁性釘扎層的方向與磁電阻芯片的磁性易軸的方向相同，所述自由層的固有飽和場小于釘扎層產(chǎn)生的釘扎磁場的1/10 ；磁性自由層在沒有外界偏置磁場時，自由層磁矩方向沿垂直于釘扎層磁矩的方向上，磁性自由層的方向隨外加磁場的大小成比例旋轉(zhuǎn)；每個磁電阻傳感器原片的固有飽和場減去傳輸曲線的偏置磁場為該磁電阻角度傳感器測量的最大范圍；磁電阻芯片的引線焊盤設(shè)置為使磁電阻傳感器原片的每個引腳可以連接多條接合線；每個磁電阻傳感器原片具有一分別位于頂層和底層的交叉導線，因此磁電阻芯片的每一邊磁電阻傳感器原片的引線可以交換相對位置，允許兩個芯片在沒有外部交叉弓I線的情況下連接成推挽式全橋傳感器；該磁電阻角度傳感器還包括一偏置磁場以使磁電阻芯片的傳輸曲線的中心位于零磁場的位置；磁電阻傳感器原片中的每對磁電阻芯片具有相似的高電阻RH和低電阻RL ；磁電阻角度傳感器的輸入與輸出通過引線連接到引線框的引腳上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的磁電阻角度傳感器，其特征是所述磁電阻傳感器原片在裝配前進行測試并分級使其傳輸曲線更加匹配。
4.如權(quán)利要求1或2所述磁電阻角度傳感器，其特征是引線框和磁電阻芯片被密封在塑料中以形成標準的半導體封裝。
5.如權(quán)利要求1或2所述的磁電阻角度傳感器，其特征是它還包括一用于提供偏置磁場的條形磁鐵。
6.如權(quán)利要求2所述的磁電阻角度傳感器，其特征是磁電阻傳感器原片設(shè)置在ASIC專用集成電路的周圍，以使兩個全橋具有共同的幾何中心，所述磁電阻傳感器原片的引腳之間相緊鄰。
7.如權(quán)利要求6所述的磁電阻角度傳感器，其特征是所述ASIC專用集成電路包括 ESD防靜電保護電路。
8.如權(quán)利要求6所述的磁電阻角度傳感器，其特征是所述ASIC專用集成電路包括 ESD保護電路和用于對兩個正交軸全橋傳感器的輸出進行計算的處理電路以使以數(shù)字形式輸出角度值。
9.如權(quán)利要求2所述的磁電阻角度傳感器，其特征是所述四個磁電阻傳感器原片位于ASIC專用集成電路的正上方，所述四個磁電阻傳感器原片相互之間旋轉(zhuǎn)90度的排列，所述磁電阻傳感器原片的短邊與其相鄰的磁電阻傳感器的長邊相鄰排列。
10.如權(quán)利要求9所述的磁電阻角度傳感器，其特征是其中的ASIC專用集成電路包括 ESD防靜電保護電路。
11.如權(quán)利要求9所述的磁電阻角度傳感器，其特征是所述ASIC專用集成電路包括 ESD保護電路和用于對兩個正交軸全橋傳感器的輸出進行計算的處理電路使以數(shù)字形式輸出角度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用MTJ或GMR元件的磁電阻角度傳感器，磁電阻角度傳感器的輸出是與磁場角度成正弦或余弦關(guān)系的電壓信號，磁場可以由一位于傳感器正上方的小磁塊提供，用于探測兩個正交的磁場分量的角度傳感器，由具有兩個正交的敏感軸的一對全橋構(gòu)成，該傳感器可以是并排布置，也可布置成該正交傳感器具有一個共同的中心，傳感器的元件小方塊通過封裝引線邦定連接，同時可以封裝成各種標準半導體封裝形式或是封裝成低成本的半導體封裝形式。
文檔編號G01B7/30GK102297652SQ20111013022
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者張小軍, 沈衛(wèi)鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司