專利名稱：一種磁電阻磁場梯度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明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。
背景技術：
磁傳感器廣泛用于現(xiàn)代電子系統(tǒng)中以感應磁場強度來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)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(shù)，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(huán)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(yè)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，Tunnel Magnetoresistance)對磁場進行感應，比之前所發(fā)現(xiàn)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(wěn)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(huán)結構；相對于AMR元件具有更好的溫度穩(wěn)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(wěn)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(xiàn)低成本大規(guī)模生產(chǎn)，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。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提供了一種以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(yōu)點。本發(fā)明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
3引線框的封裝引腳上。優(yōu)選地,所述磁電阻元件為MTJ元件。優(yōu)選地，所述的磁電阻元件具有形狀各向異性的形狀。優(yōu)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(yōu)選地，所述磁電阻電橋為梯度半橋。優(yōu)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(yōu)選地，對永磁體充磁以調(diào)節(jié)該永磁體的磁化強度和方向以調(diào)節(jié)磁電阻磁場梯度傳感器的輸出性能。優(yōu)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。本發(fā)明采用以上結構，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(yōu)點。


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(lián)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。
具體實施例方式圖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(tài)。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(tài)。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(tài)和低阻態(tài)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(shù)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(tài) 14和高阻態(tài)15飽和，&和Rh分別代表低阻態(tài)和高阻態(tài)的阻值。響應曲線13在飽和場之間的區(qū)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(Neel Coupling)”場，其典型值為I到40 Oe0其與磁電阻元件中鐵磁性薄膜的結構和平整度有關，依賴于材料和制造工藝。如圖2所示的響應曲線在飽和場17和18之間的區(qū)域的工作狀態(tài)可以近似為方程
R(H)=RH-RL/2H5(H-H0)+RH+RL/2其中，Hs是飽和場。Hs被定量地定義為線性區(qū)域的切線與正負飽和曲線的切線的交點對應的值，該值是在響應曲線相對于Htj點的不對稱性消除的情況下所取的。圖2所示的是在理想情況下的響應曲線13。在理想狀態(tài)下，磁電阻R隨外場H的變化是完美的線性關系，同時沒有磁滯(在實際情況下，磁電阻的響應曲線隨外場變化具有滯后的現(xiàn)象，我們稱之為磁滯。磁電阻的響應曲線為一個回路，通常作為應用的磁電阻材料的磁滯很小，在實際使用中可以看做一個完美的線性曲線)。在現(xiàn)實應用的傳感器領域，由于磁傳感設計的制約以及材料的缺陷，這條曲線13會更彎曲。由于尺寸小，MTJ元件I能夠連接成一個等效的MTJ磁電阻20以增加靈敏度，噪聲減少至1/F (F為串聯(lián)的MTJ元件I的個數(shù))，同時可以提高其ESD性能，其實施方式見圖 3。這些MTJ元件串20被用來作為更為復雜的電路結構的磁電阻臂。MTJ元件I在底電極 9和頂電極6層中間成三明治結構，內(nèi)部的電流21垂直通過MTJ元件I水平方向交替流過頂電極層6和底電極層9。底電極9在絕緣層10的上方，而絕緣層10位于底基片11上。 在每個元件串的末端是焊盤，也就是電阻臂和其他元件或歐姆表34連接的地方或者可以通過其和芯片上其他電路的部件連接而沒有任何其他的連接方式。在通常情況下電流流動的方向并不對磁電阻臂20的有效阻值廣生影響，MTJ元件串20的電阻值是可以根據(jù)MTJ元件I的個數(shù)設置和調(diào)整。電橋是用來將磁電阻傳感器的電阻值變化轉化為的電壓信號，使其輸出電壓便于被放大。這可以改變信號的噪聲，取消共模信號，減少溫漂或其他的不足。上述的MTJ元件串20可以連接構成電橋。如圖4所示，MTJ元件I安置在兩個永磁體22之間。永磁體22之間具有間隙(Gap) 38，寬度(W) 39，厚度(t) 40和長度(Ly) 41。永磁體22被設計為提供一個垂直于梯度計敏感軸23的偏置場氏 ^27。通過施加一個大磁場對永磁體22充磁,最終永磁體22周圍的磁場分布43如圖5所不。永磁體22的磁場被認為是在如圖6所示的磁體的邊緣35之間形成的磁荷和磁矩邊界條件作用的結果。磁荷大小隨著剩磁凡的大小和方向Θ mag37進行變化，并且與永磁體的傾斜角esns44相關:
權利要求
1.一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。
2.根據(jù)權利要求I所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于所述磁電阻元件為MTJ 元件。
3.根據(jù)權利要求2所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于所述的磁電阻元件具有形狀各向異性的形狀。
4.如權利要求3所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于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。
5.根據(jù)權利要求I所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于所述磁電阻電橋為梯度半橋。
6.根據(jù)權利要求I所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于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。
7.根據(jù)權利要求I所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于對永磁體充磁以調(diào)節(jié)該永磁體的磁化強度和方向以調(diào)節(jié)磁電阻磁場梯度傳感器的輸出性能。
8.根據(jù)權利要求I所述的磁電阻磁場梯度傳感器，其特征在于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。
全文摘要
本發(fā)明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。
文檔編號G01R33/09GK102590768SQ20121006592
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月14日 優(yōu)先權日2012年3月14日
發(fā)明者劉明峰, 沈衛(wèi)鋒, 白建民, 詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司