專利名稱：集成線圈偏置的巨磁電阻磁敏傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁敏傳 感器技術領域，具體涉及一種集成線圈偏置的巨磁電阻磁敏傳感器。
背景技術：
多層膜巨磁電阻(GMR)磁敏傳感器可廣泛應用于位移測量、速度測量、精密機械精確定位、石油勘探系統(tǒng)、電力控制、汽車ABS系統(tǒng)、速度控制和導航中的自動傳感、導彈導航、醫(yī)療器械等技術領域。相對于傳統(tǒng)磁敏傳感器如霍耳器件、AMR器件等，GMR磁敏傳感器在尺寸、靈敏度、能耗和穩(wěn)定性等方面都有諸多優(yōu)勢。對于GMR磁敏傳感器，通常采用惠斯通電橋結構實現(xiàn)傳感器的設計。如圖1所示， 惠斯通電橋結構由四個等同的GMR磁敏電阻連接組成?；菟雇姌蚴紾MR磁敏傳感器實現(xiàn)信號輸出的方法有兩種第一種方法是將四個等同的GMR磁敏電阻連接成惠斯通電橋，通過將其中的兩個GMR磁敏電阻進行磁場屏蔽，在外場下使電橋失去平衡而得到電橋輸出。 該種方法已在美國專利US 5569544與US 7639005中得到應用。如圖2所示，可通過現(xiàn)代集成器件工藝將四個GMR磁敏電阻連接成惠斯通電橋，并用磁屏蔽層(圖中陰影部分)屏蔽其中兩個磁敏電阻(R2、R4)。這樣在外磁場作用下，有磁屏蔽的兩個電阻不受影響，沒有磁屏蔽的兩個電阻(RpR3)的阻值發(fā)生變化，使電橋輸出發(fā)生改變。整個電橋的輸出即反映外磁場的大小。磁屏蔽層不僅可屏蔽外磁場對R2及R4的影響，同時還可以將外磁場放大。 這種設計的優(yōu)點是器件的溫度穩(wěn)定性好、靈敏度高。由于磁性材料在低磁場具有較大的剩磁及表現(xiàn)非線性特性，使用屏蔽惠斯通電橋的多層膜GMR磁敏傳感器在接近零場時磁滯大、線性度差，因此無法在接近零磁場范圍內(nèi)工作。為了解決該問題，通常是采用對多層膜GMR磁敏傳感器進行偏置的方法。早在1994 年美國 NVE 公司提出(IEEE Transactions on Magnetics, Vol 30, No. 6, P4608)使用永磁鐵對多層膜GMR傳感器進行偏置以減小和消除其在低場下的磁滯。其具體實現(xiàn)方法如圖3a 所示封裝時候通過打線的方法將四個多層膜GMR磁敏單元連接成一個惠斯通電橋結構， 同時在器件中封裝一個永磁體和一個軟磁屏蔽層，使用軟磁屏蔽層將其中的一對磁敏單元屏蔽，使用永磁體對另外一對磁敏電阻偏置使其工作在線性區(qū)，這樣就可以克服僅僅只使用軟磁屏蔽的多層膜GMR傳感器在低場下磁滯大的缺點。葡萄牙的INESC采用的方法如圖 3b所示，通過集成工藝在構成惠斯通電橋的四個GMR磁敏單元上制備四個永磁層對GMR磁敏單元進行偏置，使惠斯通電橋上相對位置上的一對磁敏單元具有對磁場的正反應特性， 另外一對磁敏單元具有對磁場的負反應特性，從而使傳感器具有對外加磁場雙極性感應的特性。但是這兩種方法都具有制造工藝復雜(要求偏置的永磁體磁學特性完全相同)、產(chǎn)品成品率低、傳感靈敏度低等缺點(INESC的設計中，靈敏度僅0. 2mV/V/0e)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了一種集成線圈偏置的巨磁電阻磁敏傳感器。
本發(fā)明解決技術問題所采取的技術方案為
集成線圈偏置的巨磁電阻磁敏傳感器，包括四個GMR磁敏電阻組成的惠斯通電橋、集成軟磁材料層及集成偏置線圈，其特征在于集成軟磁材料層呈環(huán)形結構，在集成軟磁材料層的直徑方向上形成一對間隙，惠斯通電橋橋臂上相對位置上的一對電阻放置在集成軟磁材料層的一個間隙中，惠斯通電橋橋臂上相對位置上的另一對電阻放置在集成軟磁材料層的另一個間隙中，所述的該對間隙寬度一致。集成偏置線圈環(huán)繞在集成軟磁材料層上。所述的集成偏置線圈可為一個線圈，也可為串聯(lián)或并聯(lián)的兩個或多個線圈。進一步地說，所述的GMR磁敏電阻是由多層膜巨磁電阻材料構成。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有以下有益效果為了減小多層膜GMR磁敏傳感器在低場下的磁滯，同時使傳感器具有較高靈敏度和線性度，本發(fā)明提出采用通過電流磁化集成軟磁材料產(chǎn)生的磁場對惠斯通電橋的GMR磁敏單元進行偏置，該傳感器中具有兩個間隙的環(huán)形集成軟磁材料層在外加電流作用下將兩對磁敏電阻單元偏置在不同磁化方向，同時該集成軟磁材料層在將外加磁場經(jīng)過放大并與電流產(chǎn)生的磁場疊加后，使得電橋不再平衡而有信號電壓輸出。這種設計得到的GMR磁敏傳感器尺寸小、靈敏度高、線性度好，且具有工藝簡單、易于實現(xiàn)的特點。


圖1惠斯通電橋結構示意圖2磁屏蔽結構橋式GMR磁敏傳感器平面示意圖3a NVE設計的封裝永磁體偏置GMR傳感器結構原理圖北INESC設計的集成永磁體偏置GMR傳感器平面結構圖如集成線圈偏置的GMR磁敏傳感器結構示意圖4b集成線圈偏置的GMR磁敏傳感器電橋等效電路結構示意圖fe傳感器的環(huán)形軟磁層間隙A中磁場大小隨集成線圈中電流大小的變化示意圖恥傳感器的環(huán)形軟磁層間隙B中磁場大小隨集成線圈中電流大小的變化示意圖6多層膜GMR材料在外場下的響應特性曲線圖7本發(fā)明中惠斯通電橋上的磁敏電阻單元在零場時的偏置狀態(tài)示意圖8a偏置狀態(tài)下，間隙A中磁場隨外加磁場的變化示意圖8b偏置狀態(tài)下，間隙B中磁場隨外加磁場的變化示意圖9磁屏蔽結構GMR磁敏傳感器在外加磁場下的輸出特性圖
圖10本發(fā)明GMR傳感器在外加磁場下的輸出特性圖11本發(fā)明GMR傳感器在線性工作區(qū)內(nèi)的輸出特性圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
如圖如所示，本實施例中的傳感器是由四個GMR磁敏電阻構成的惠斯通電橋結構、集成軟磁材料層及一對集成偏置線圈構成。集成軟磁層是由軟磁材料制備而成的具有間隙的環(huán)型結構，形成惠斯通電橋的GMR磁敏單元放置在間隙當中。一對處于惠斯通電橋橋臂上的GMR磁敏電阻放置在環(huán)形軟磁材料的一個間隙Gap A中，而另外一對GMR磁敏電阻放置在環(huán)形軟磁材料的另外一個間隙Gap B中。兩個集成線圈可以通過如圖如所示的方式加載電流，使兩個線圈產(chǎn)生的磁通在軟磁環(huán)形結構中具有相同方向。如圖4b所示，該傳感器的基本工作原理是，通有電流的集成線圈在兩個間隙中產(chǎn)生大小相同、方向相反的磁場，該磁場對放置在軟磁材料層兩個間隙中的兩對GMR磁敏單元進行偏置，使惠斯通電橋上相對位置上的一對GMR磁敏電阻單元具有對磁場的正響應特性，而另外一對GMR磁敏電阻單元具有大小相等的負響應特性，形成一個推-拉結構，從而使電橋能夠輸出與外加磁場成正比的差分信號。不同大小的電流將間隙中的兩對GMR磁敏單元偏置在不同磁場大小的位置。 該傳感器相對傳統(tǒng)的GMR磁敏傳感器的特點在于，各個GMR磁敏電阻單元處于線性工作范圍，從而使傳感器的磁滯減小、線性度提高、輸出信號增強。由于多層膜GMR材料對磁場具有單極響應特性，S卩外加磁場下，GMR磁性材料的電阻變化只隨著外加磁場大小變化而變化，而與外加磁場的方向無關。在沒有外加磁場時，雖然兩對GMR磁敏電阻(R1、R3與R2、R4)分別被兩個間隙中不同方向的磁場偏置，但由于兩個間隙中磁場大小相同，四個GMR磁敏單元的電阻值大小也相同，所以惠斯通電橋平衡，電橋沒有信號輸出。當有外加磁場時，由于外加磁場與軟磁材料間隙中的磁場的疊加作用，兩個間隙中的總磁場一個增加而另一個減小，這樣電橋上處于一個間隙中的一對GMR磁敏單元電阻值減小，而另一個間隙中的一對GMR磁敏單元電阻值增大，從而電橋不再平衡而有信號輸出。如果外加磁場的方向發(fā)生改變，則電橋的輸出電壓信號的正負也會發(fā)生改變，因此這種由多層膜GMR磁敏電阻組成的惠斯通電橋，通過集成偏置線圈及集成軟磁材料層的偏置后，在外場下形成推-拉結構，能夠輸出具有正比于外加磁場大小的差分輸出信號，而且輸出信號的大小與外磁場成線性關系。如圖如所示的模型，傳感器的環(huán)形集成軟磁材料層的外徑為400μπι，內(nèi)徑為 250 μ m，厚度為10 μ m,集成軟磁材料層間隙的寬度為20 μ m,集成偏置線圈匝數(shù)為60匝。無外加磁場時，兩個間隙Gap A和Gap B中的磁場Y分量(傳感器偏置及敏感方向)隨集成偏置線圈中電流的變化如圖fe和圖恥所示。計算結果表明，無外加磁場時候，由于模型的對稱性，兩個間隙Gap A和Gap B中的外加磁場大小相同、方向相反，而且磁場大小與激磁電流的大小成線性關系。如激磁電流為7 mA時候，Gap中磁場大小為186 0e，而且隨著電流大小的增加而增加，10 mA時候為 268 Oe0實際應用過程中，可以根據(jù)需要選擇及生產(chǎn)過程中的GMR材料的磁電性選擇合適的偏置電流大小，不同電流大小對應于不同的偏置，使得導致傳感測量的線性范圍不同，一般地選擇合適的偏置點使得測量點位于GMR材料的線性感應范圍。如圖6所示為實際測試得到多層膜GMR磁性材料的磁電阻特性，該GMR材料的約為20 0e-380 0e，為了測量微弱外磁場(零磁場附近)，需要將GMR材料偏置的最佳磁場為190 0e，因此選擇線圈中的偏置電流為7mA，這時候間隙中的磁場大小為185 Oe左右，惠斯通電橋上的兩對GMR磁敏電阻將被偏置在不同的磁場方向上，如圖7所示。當沿著Y軸方向外加信號磁場時，計算得到兩個間隙中Gap A和Gap B中的磁場隨外加磁場的變化分別如圖8a和圖8b所示，間隙中的磁場變化與外加磁場變化成比例關系。無外加磁場時，由于間隙中的磁場大小相同，四個GMR磁敏電阻電阻值相同，電橋無輸出，如果增大外加正向磁場，則位于Gap A中磁敏單元R1、R3電阻值會隨著磁場的增大而減小，位于Gap B中的磁敏單元R2、R4電阻值會隨著磁場的增大而增大，導致電橋不平衡而有正的信號輸出。如果外加磁場反向，并逐漸增大外加磁場，則位于Gap A中磁敏單元 RU R3電阻值會隨著磁場的增大而增大，位于Gap B中的磁敏單元R2、R4電阻值會隨著磁場的增大而減小，使得電橋有一個負的電壓信號輸出。實際設計時，四個GMR磁敏電阻單元的電阻值相同，因此在外加磁場下，電橋的輸出為V。ut=2 VX (AR/Rbias)；其中Rbias為偏置點的電阻值，在本實施例中為4630歐姆，AR 為外加磁場時GMR磁敏電阻單元與偏置點電阻差值的絕對值。圖9為一個使用磁屏蔽結構的多層膜GMR磁敏傳感器的輸出特性曲線，使用磁屏蔽結構的多層膜GMR傳感器測量磁場時為單極性測試，而且在低場下(<2 Oe)，該傳感器磁滯非常大，因此根本無法用于測量低磁場。圖10為使用本發(fā)明專利的多層膜GMR磁敏傳感器輸出特性曲線，在低磁場范圍內(nèi)為線性的，而且在低場下磁滯非常小，同時傳感器在線性測量范圍內(nèi)(+/_ 10 Oe)能夠保證較高的靈敏度(如圖11所示)。當外加磁場超出傳感器的線性測量范圍后，由于傳感器處于環(huán)形結構中的GMR電阻會出現(xiàn)飽和，電阻達到最小值無法再改變，而只有另外一對隨著外加磁場而發(fā)生變化，此時仍有輸出，直至外磁場增大到一定程度，四個磁敏電阻全部飽和，電橋再次平衡，電橋輸出為零。
權利要求
1.集成線圈偏置的巨磁電阻磁敏傳感器，包括四個GMR磁敏電阻組成的惠斯通電橋、 集成軟磁材料層及集成偏置線圈，其特征在于集成軟磁材料層呈環(huán)形結構，在集成軟磁材料層的直徑方向上形成一對間隙，惠斯通電橋橋臂上相對位置上的一對電阻放置在集成軟磁材料層的一個間隙中，惠斯通電橋橋臂上相對位置上的另一對電阻放置在集成軟磁材料層的另一個間隙中，所述的該對間隙寬度一致；集成偏置線圈環(huán)繞在集成軟磁材料層上，所述的集成偏置線圈可為一個線圈，也可為串聯(lián)或并聯(lián)的兩個或多個線圈。
2.根據(jù)權利要求書 1中所述的巨磁電阻磁敏傳感器，其特征在于所述的GMR磁敏電阻由多層膜巨磁電阻材料構成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成線圈偏置的巨磁電阻磁敏傳感器。傳統(tǒng)的磁敏傳感器制造工藝復雜、產(chǎn)品成品率低、傳感靈敏度低。本發(fā)明包括四個GMR磁敏電阻組成的惠斯通電橋、集成軟磁材料層及集成偏置線圈，集成軟磁材料層呈環(huán)形結構，在集成軟磁材料層的直徑方向上開有一對間隙，惠斯通電橋橋臂上相對位置上的一對電阻放置在集成軟磁材料層的一個間隙中，惠斯通電橋橋臂上相對位置上的另一對電阻放置在集成軟磁材料層的另一個間隙中，所述的該對間隙寬度一致。集成偏置線圈環(huán)繞在集成軟磁材料層上。本發(fā)明傳感器尺寸小、靈敏度高、線性度好。
文檔編號G01R33/09GK102323554SQ201110127480
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月17日 優(yōu)先權日2011年5月17日
發(fā)明者白茹, 錢正洪, 黃春奎 申請人:杭州電子科技大學