專利名稱：推挽橋式磁電阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁電阻傳感器，更特別涉及一種采用磁性隧道結(jié)的多芯片推挽橋式磁電阻傳感器。
背景技術(shù)：
磁性傳感器廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)中，用以測(cè)量或檢測(cè)物理參數(shù)，包括但不限于磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流、位置、移動(dòng)、方向。在現(xiàn)有技術(shù)中，已存在許多用于測(cè)量磁場(chǎng)和其他參數(shù)的不同類型的傳感器。但是，在該技術(shù)中所熟知的是，這些技術(shù)都具有各自的局限性，例如，尺寸過大、靈敏度和/或動(dòng)態(tài)范圍不足、成本高、可靠性差和其他因素。因此，仍存在對(duì)改善型磁性傳感器的需求，特別是能容易與半導(dǎo)體器件和集成電路及其生產(chǎn)方法集成為一體的傳感器。磁性隧道結(jié)(MTJ)傳感器具有高靈敏度、小尺寸、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。雖然MTJ 器件可以與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝兼容，但是還沒有充分地開發(fā)出一種用于建立對(duì)低成本生產(chǎn)具有大批量的高靈敏度傳感器的方法。尤其是，因MTJ傳感器的磁電阻響應(yīng)偏移導(dǎo)致的產(chǎn)量問題，以及當(dāng)結(jié)合形成橋式傳感器時(shí)，匹配MTJ元件的磁電阻響應(yīng)已被證明存在很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提供了一種采用磁性隧道結(jié)的多芯片推挽橋式磁電阻傳感器。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種推挽式半橋磁電阻傳感器，該傳感器包括
一或多對(duì)MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，其中每對(duì)中有一個(gè)傳感器芯片相對(duì)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)180度，且該等傳感器芯片附于一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝引線框；
每個(gè)傳感器芯片包括互相連接為一單一磁電阻元件的一或多個(gè)MTJ或GMR傳感器元
件；
該MTJ或GMR元件具有在其磁電阻傳輸曲線上的某一段線性正比于外磁場(chǎng)的一電阻
值；
磁電阻傳感器芯片具有相似的&和&值；
傳感器芯片的焊盤經(jīng)設(shè)計(jì)以使得在磁電阻元件的各側(cè)可以附著一個(gè)以上的接合線； 磁電阻芯片通過引線相互接合，并通過引線與引線框連接，以生產(chǎn)一推挽式半橋傳感器。
進(jìn)一步地，每個(gè)磁電阻傳感器芯片的內(nèi)在飽和場(chǎng)減去該傳感器芯片傳輸曲線的偏置磁場(chǎng)大于該橋式傳感器所要測(cè)量的最大磁場(chǎng)。更進(jìn)一步地，該等傳感器芯片在組裝前經(jīng)過測(cè)試并分揀以更好地匹配其傳輸特性曲線。
優(yōu)選地，兩個(gè)半橋彼此相對(duì)90度定向以產(chǎn)生一雙軸磁電阻傳感器。進(jìn)一步地，該引線框和傳感器芯片封裝在塑料中以形成一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。一種推挽式全橋磁電阻傳感器，該傳感器包括
一或多對(duì)相同的MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，其中每對(duì)中有一個(gè)傳感器芯片相對(duì)另一個(gè)芯片旋轉(zhuǎn)180度，且該等傳感器芯片附于一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝引線框；
每個(gè)傳感器芯片經(jīng)配置為一對(duì)磁電阻元件，且該對(duì)中的每個(gè)磁電阻元件由一串一或多個(gè)GMR或MTJ元件組成；
該MTJ或GMR元件具有在其磁電阻傳輸曲線上的某一段線性正比于一外磁場(chǎng)的一電阻
值；
該等磁電阻傳感器具有相似的&和&值；
每個(gè)傳感器的焊盤經(jīng)設(shè)計(jì)使得在每一磁電阻元件的各側(cè)可以附著一個(gè)以上接合線； 每個(gè)磁電阻傳感器芯片具有一分別位于頂層和底層的交叉導(dǎo)線，因此傳感器芯片的每一邊磁電阻元件的引線可以交換相對(duì)位置，允許兩個(gè)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；
磁電阻傳感器芯片構(gòu)成的全橋的輸入和輸出連接引線鍵合至引線框上。進(jìn)一步地，每個(gè)磁電阻傳感器芯片的內(nèi)在飽和場(chǎng)減去傳輸曲線的偏置磁場(chǎng)大于該橋式傳感器所要測(cè)的最大磁場(chǎng)。更進(jìn)一步地，該等傳感器在組裝前經(jīng)過測(cè)試并分揀以更好地匹配其傳輸曲線特性。優(yōu)選地，該引線框和傳感器芯片封裝在塑料中以形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。再進(jìn)一步地，兩個(gè)全橋彼此相對(duì)90度定向以產(chǎn)生一個(gè)雙軸磁電阻傳感器。進(jìn)一步地，每個(gè)磁電阻傳感器芯片的固有內(nèi)部飽和場(chǎng)減去傳感器芯片傳輸曲線的偏置磁場(chǎng)后大于該橋式傳感器所要測(cè)量的最大磁場(chǎng)。更進(jìn)一步地，該等傳感器芯片在組裝前經(jīng)過測(cè)試和分揀以更好地匹配其傳輸曲線特性。優(yōu)選地，其中該引線框和傳感器芯片封裝在塑料中以形成一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明所提供的推挽橋式磁電阻傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體封裝，其包括至少一對(duì)MTJ 傳感器芯片，其中一個(gè)芯片相對(duì)另一個(gè)芯片旋轉(zhuǎn)了 180度。在這種布置中，假定每一個(gè)MTJ 傳感器芯片的磁電阻響應(yīng)的偏置小于意欲測(cè)量的最大磁場(chǎng)，MTJ傳感器芯片的所結(jié)合偏置消除，進(jìn)而具有近乎理想的響應(yīng)。


圖1為參考層磁化方向指向負(fù)H方向的自旋閥(GMR和MTJ)傳感元件的磁電阻響應(yīng)曲線示意圖。圖2為參考層磁化方向指向正H方向的自旋閥(GMR和MTJ)傳感元件的磁電阻響應(yīng)曲線示意圖。圖3為由磁電阻傳感器構(gòu)成的半橋示意圖。圖4為R+連接到偏置電壓Vbias，R_連接到地的推挽式半橋的輸出示意圖。
圖5為R_連接到偏置電壓Vbias，R+連接到地的推挽式半橋的輸出示意圖。圖6為展示兩個(gè)磁電阻傳感器彼此相對(duì)指向，且互相連接成一半橋傳感器的圖。圖7為兩個(gè)磁電阻芯片放置在一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝內(nèi)形成一個(gè)推挽式半橋的示意圖。圖8為在一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝內(nèi)的一個(gè)完整的半橋傳感器示意圖。圖9為由磁電阻元件組成的全橋傳感器示意圖。圖10為推挽式全橋磁電阻傳感器的磁場(chǎng)輸出特性示意圖。圖11為兩個(gè)磁電阻芯片可彼此相對(duì)定位，且互相連接以形成一個(gè)推挽式全橋的示意圖。圖12為兩個(gè)磁電阻傳感器芯片放置在一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝中以形成一個(gè)推挽式全橋的示意圖。圖13為在一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝內(nèi)的一個(gè)完整全橋傳感器的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍作出更為清除明確的界定。如圖1、2所示，是適合于線性磁場(chǎng)測(cè)量的GMR和MTJ磁性傳感元件的磁電阻傳輸特性曲線的一般形式。傳輸曲線顯示，傳感器在飽和時(shí)分別顯示出相對(duì)的低電阻值RL和高電阻值RH。在飽和前的原點(diǎn)區(qū)域，傳輸曲線顯示的電阻隨外磁場(chǎng)H線性變化。不理想情況下，傳輸曲線并不關(guān)于H=O的原點(diǎn)對(duì)稱。飽和場(chǎng)4、5、14、15通常相對(duì)于HO點(diǎn)有一定的偏置電壓，因此低電阻時(shí)RL時(shí)的飽和場(chǎng)接近于H=O的點(diǎn)。HO值的通常的范圍是1到25 0e，其常稱為“柑橘皮(Orange-peel)”或奈耳(Neel)耦合。這與GMR和MTJ結(jié)構(gòu)內(nèi)的鐵磁薄膜的粗糙度有關(guān)，且取決于材料和制造工藝。圖1和圖2中的傳輸曲線相互對(duì)稱，他們通常代表外加磁場(chǎng)相對(duì)于傳感元件的兩個(gè)不同方向。這里，+/_代表釘扎層的磁化方向相對(duì)于測(cè)量方向相同或相反，每個(gè)感應(yīng)橋臂的電阻可以寫成
權(quán)利要求
1.一種推挽式半橋磁電阻傳感器，其特征在于該傳感器包括一或多對(duì)MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，其中每對(duì)中有一個(gè)傳感器芯片相對(duì)另一個(gè)旋轉(zhuǎn)180度，且該等傳感器芯片附于一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝引線框；每個(gè)傳感器芯片包括互相連接為一單一磁電阻元件的一或多個(gè)MTJ或GMR傳感器元件；該MTJ或GMR元件具有在其磁電阻傳輸曲線上的某一段線性正比于外磁場(chǎng)的一電阻值；磁電阻傳感器芯片具有相似的&和&值；傳感器芯片的焊盤經(jīng)設(shè)計(jì)以使得在磁電阻元件的各側(cè)可以附著一個(gè)以上的接合線； 磁電阻芯片通過引線相互接合，并通過引線與引線框連接，以生產(chǎn)一推挽式半橋傳感ο
2.如權(quán)利要求1所述的推挽式半橋磁電阻傳感器，其中每個(gè)磁電阻傳感器芯片的內(nèi)在飽和場(chǎng)減去該傳感器芯片傳輸曲線的偏置磁場(chǎng)大于該橋式傳感器所要測(cè)量的最大磁場(chǎng)。
3.如權(quán)利要求2所述的推挽式半橋磁電阻傳感器，其中該等傳感器芯片在組裝前經(jīng)過測(cè)試并分揀以更好地匹配其傳輸特性曲線。
4.如權(quán)利要求3所述的推挽式半橋磁電阻傳感器，其中兩個(gè)半橋彼此相對(duì)90度定向以產(chǎn)生一雙軸磁電阻傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的推挽式半橋磁電阻傳感器，其中該引線框和傳感器芯片封裝在塑料中以形成一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。
6.一種推挽式全橋磁電阻傳感器，其特征在于所述傳感器包括一或多對(duì)相同的MTJ或GMR磁電阻傳感器芯片，其中每對(duì)中有一個(gè)傳感器芯片相對(duì)另一個(gè)芯片旋轉(zhuǎn)180度，且該等傳感器芯片附于一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝引線框；每個(gè)傳感器芯片經(jīng)配置為一對(duì)磁電阻元件，且該對(duì)中的每個(gè)磁電阻元件由一串一或多個(gè)GMR或MTJ元件組成；該MTJ或GMR元件具有在其磁電阻傳輸曲線上的某一段線性正比于一外磁場(chǎng)的一電阻值；該等磁電阻傳感器具有相似的&和&值；每個(gè)傳感器的焊盤經(jīng)設(shè)計(jì)使得在每一磁電阻元件的各側(cè)可以附著一個(gè)以上接合線； 每個(gè)磁電阻傳感器芯片具有一分別位于頂層和底層的交叉導(dǎo)線，因此傳感器芯片的每一邊磁電阻元件的引線可以交換相對(duì)位置，允許兩個(gè)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；磁電阻傳感器芯片構(gòu)成的全橋的輸入和輸出連接引線鍵合至引線框上。
7.如權(quán)利要求6所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中每個(gè)磁電阻傳感器芯片的內(nèi)在飽和場(chǎng)減去傳輸曲線的偏置磁場(chǎng)大于該橋式傳感器所要測(cè)的最大磁場(chǎng)。
8.如權(quán)利要求7所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中該等傳感器在組裝前經(jīng)過測(cè)試并分揀以更好地匹配其傳輸曲線特性。
9.如權(quán)利要求8所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中該引線框和傳感器芯片封裝在塑料中以形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。
10.如權(quán)利要求6所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中兩個(gè)全橋彼此相對(duì)90度定向以產(chǎn)生一個(gè)雙軸磁電阻傳感器。
11.如權(quán)利要求10所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中每個(gè)磁電阻傳感器芯片的固有內(nèi)部飽和場(chǎng)減去傳感器芯片傳輸曲線的偏置磁場(chǎng)后大于該橋式傳感器所要測(cè)量的最大磁場(chǎng)。
12.如權(quán)利要求11所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中該等傳感器芯片在組裝前經(jīng)過測(cè)試和分揀以更好地匹配其傳輸曲線特性。
13.如權(quán)利要求12所述的推挽式全橋磁電阻傳感器，其中該引線框和傳感器芯片封裝在塑料中以形成一標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用磁性隧道結(jié)的多芯片推挽橋式磁電阻傳感器。該磁電阻傳感器由放置在一半導(dǎo)體封裝內(nèi)的兩個(gè)或兩個(gè)以上磁性隧道結(jié)傳感器芯片組成。沿平行于該半導(dǎo)體封裝的引線框的每個(gè)傳感軸，分別由兩個(gè)傳感器芯片相互反平行排列。該等傳感器芯片使用引線鍵合法互相連接為一推挽式半橋或惠斯通電橋。該等芯片通過引線鍵合為各種標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體引線框中的任一種，并封裝在低成本標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝中。
文檔編號(hào)G01R33/09GK102298125SQ20111013494
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者張小軍, 李東風(fēng), 沈衛(wèi)鋒, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 金英西, 雷嘯鋒 申請(qǐng)人:江蘇多維科技有限公司