專利名稱：磁場傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁場傳感裝置。
背景技術(shù)：
磁性傳感器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代系統(tǒng)以測量包括但不限于磁場強度、電流、位置、運動、方向等物理參數(shù)。之前有許多不同類型的傳感器用于測量磁場，但是這些傳感器都有其缺陷，例如尺寸大，靈敏度低，動態(tài)范圍窄，成本高，穩(wěn)定性低等。因此，持續(xù)地改進磁傳感器，特別是改進易與半導(dǎo)體器件或集成電路整合的傳感器及其制造方法是有必要的。隧道結(jié)磁電阻(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)傳感器具有高靈敏度，尺寸小， 成本低以及功耗低等優(yōu)點。盡管MTJ傳感器與半導(dǎo)體標準制造工藝相兼容且其具有高磁電阻的性能，但是制備高性能的MTJ線性磁場傳感器的方法還沒有得到充分開發(fā)。特別是溫度特性和磁滯的問題不容易得到有效的控制。磁場傳感器由單個的磁電阻元件組成，在實際應(yīng)用中一般將磁電阻元件連接成惠斯通電橋以消除偏移，增加靈敏度以及對溫度特性做一定的補償。盡管電橋構(gòu)造能對溫度特性做出一定的補償，但是傳感器磁電阻內(nèi)稟的磁性能對溫度的依賴不會得到完全抑制。 對于高精度測量來說，在工作狀態(tài)下校準靈敏度是可取的，且芯片級別的校準線圈沿傳感器敏感方向產(chǎn)生一個磁場可以達到這個目的。在磁電阻傳感器處于工作狀態(tài)時，校準線圈可以提供一個定期的低振幅的電流脈沖，與此同時，線圈周圍產(chǎn)生脈沖磁場從而對磁力計的靈敏度進行校準。因為磁電阻傳感器是由鐵磁敏感元件構(gòu)成，所以輸出曲線主要是非線性的，磁滯的產(chǎn)生是因為傳感元件以及其他部分(例如磁屏蔽層或聚磁層)的疇壁的生成和運動。為了克服以上問題，高性能的磁電阻傳感器通常需要另一個線圈，該線圈相對于校準線圈正交， 其中校準線圈是為傳感元件提供定期的飽和場且消除磁疇。前者我們將之命名為預(yù)設(shè)/復(fù)位線圈。設(shè)置預(yù)設(shè)/復(fù)位和校準線圈增加了傳感器制造的工序，同時傳感器芯片需要增加更多的焊盤以及更大的封裝體積以適應(yīng)正交的預(yù)設(shè)/復(fù)位場和校準場，從而使傳感器的尺寸變大，最終導(dǎo)致了傳感器制造的復(fù)雜性。沒有設(shè)置校準線圈的磁電阻傳感器是可以實現(xiàn)的。這種方法的缺點是無法通過電子手段測量傳感器的靈敏度。也就是說，如果磁電阻傳感器沒有設(shè)置校準線圈，就不能對其輸出曲線的靈敏度進行監(jiān)測和分析。此外，在傳感器內(nèi)實施標準的自檢系統(tǒng)是非常繁瑣的。 因此在固態(tài)羅盤的應(yīng)用中通常需要一個或兩個線圈結(jié)構(gòu)。設(shè)置線圈結(jié)構(gòu)在增加尺寸的同時也增加了功耗。電流線產(chǎn)生的磁場強度與其距離成反比。能量優(yōu)化標明傳感器和穿越電流方向的校準線圈的距離以及傳感器和復(fù)位線圈的距離要足夠小。理想的情況下，兩個線圈應(yīng)盡可能接近傳感器，但在實際上是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了磁場傳感裝置，該磁場傳感裝置采用一種簡單的線圈設(shè)計提供預(yù)設(shè) /復(fù)位和校準功能，同時可以縮小尺寸降低功耗。本發(fā)明所涉及的傳感器使用MTJ元件或巨磁電阻(GMR)元件為敏感元件，同時在單一芯片上集成有預(yù)設(shè)/復(fù)位線圈和校準線圈。該磁力計采用一個低的單極或雙極脈沖電流循環(huán)進行校準操作，采用一個高的雙極脈沖進行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作。本發(fā)明提供一種磁場傳感裝置，它包括磁電阻傳感元件、位于磁電阻傳感元件附近的線圈，所述磁電阻傳感元件的矯頑力和偏移場的大小相同，所述線圈產(chǎn)生一平行于所述磁電阻傳感元件的敏感軸的磁場，當(dāng)所述線圈通第一電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的復(fù)位操作；當(dāng)所述線圈通第二電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的校準操作。優(yōu)選地，第一電流大于第二電流。優(yōu)選地，所述第一電流和第二電流大小的范圍為ImA到10mA。優(yōu)選地，所述線圈是單個的導(dǎo)電層。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電層呈曲折形狀。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電層呈螺旋形狀。優(yōu)選地，該磁場傳感裝置可用作固態(tài)羅盤。另一種磁場傳感裝置，它包括磁電阻傳感元件、位于磁電阻元件附近的線圈，所述磁電阻傳感元件的矯頑力和偏移場的大小相同，所述線圈產(chǎn)生一磁場，該磁場具有平行于磁電阻傳感元件敏感軸的第一磁場分量和垂直于磁電阻傳感元件敏感軸的第二磁場分量， 第一磁場分量大于第二磁場分量，所述第一磁場分量用于對所述磁電阻傳感元件進行復(fù)位和校準操作，所述第二磁場分量用于使磁電阻傳感元件的邊緣磁疇方向?qū)R，當(dāng)所述線圈通第一電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的復(fù)位操作；當(dāng)所述線圈通第二電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的校準操作。優(yōu)選地，第一電流大于第二電流。優(yōu)選地，所述第一電流和第二電流大小的范圍為ImA到10mA。優(yōu)選地，所述線圈的中軸和磁電阻傳感元件的長軸之間的夾角小于或等于
22* 5ο優(yōu)選地，所述的線圈是單個的導(dǎo)電層。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電層為曲折形狀。優(yōu)選地，所述導(dǎo)電層為螺旋形狀。優(yōu)選地，該磁場傳感裝置可用作固態(tài)羅盤。


圖1是傳感元件和線圈的設(shè)計概念圖。圖2是磁傳感器的性能指標的定義圖。圖3是復(fù)位工作示意圖。圖4是校準工作的示意圖。圖5是傾斜的磁電阻元件的邊緣磁疇示意圖。
圖6是非傾斜的磁電阻元件的邊緣磁疇示意圖。圖7是曲折的線圈的幾何形狀示意圖，該線圈的設(shè)置可以減小磁電阻芯片的尺寸。圖8是螺旋型線圈的幾何形狀示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及一種具有高精度，低成本，低功耗的磁電阻傳感器。該低功耗的傳感器特別地應(yīng)用于手機、手表、手提電腦以及觸摸平板設(shè)備等便攜電子設(shè)備。特別是該磁電阻傳感器可用于制造導(dǎo)航用的固態(tài)羅盤以提供地球磁場的參考方向。圖1是傳感元件和線圈的設(shè)計概念圖。如圖所示，磁電阻傳感元件10位于導(dǎo)體11 的上方或者下方，電流12流經(jīng)導(dǎo)體。電流12產(chǎn)生的磁場B (I) 13垂直于電流方向。傳感元件10和導(dǎo)體11可以選擇設(shè)置一個角度14，因此磁場13和傳感器的敏感方向15不是垂直的。圖2描繪了磁電阻傳感器的輸出曲線20，輸出曲線20定義了矯頑力(H。)21以及偏移場(H。ffset)22等參數(shù)。輸出曲線20是傳感器輸出電壓23關(guān)于外場M的函數(shù)。理想情況下，傳感器的輸出曲線20是從點25出發(fā)。飽和場對應(yīng)的點沈以上的區(qū)域傳感器的輸出曲線是接近線性的。但是這是一個過于簡化的模型，傳感器的輸出會隨著溫度的升高而發(fā)生偏移，且其磁滯會隨著磁疇的改變而增大。傳感器能夠在低磁滯和低偏移的模式下工作遵守
Hc _ Hoffsetj(1)
傳感器在沿敏感方向15的方向上被定期飽和，因此驅(qū)使傳感器的磁化狀態(tài)至輸出曲線的點27的位置。如圖3所示的一個簡單的初始化過程可以說明這種效果。復(fù)位場Hresrt (30)被用來使傳感器進入飽和狀態(tài)且大于輸出曲線點27的區(qū)域。復(fù)位場(30)消除后，傳感器輸出曲線通過路徑31-32返回到工作點25上。這種簡單的單極脈沖復(fù)位過程可能是最有效的去除矯頑力的方式，如果采用雙極脈沖或者采用一個多拍的單極脈沖可能效果會更好，在連續(xù)脈沖的最后一次脈沖提供一個磁場使磁電阻傳感器位于磁場30或30以上的區(qū)域并達到飽和。在初始化之后，磁場傳感裝置可以按照圖4所示的方式進行校準或自檢工作。通過電流導(dǎo)體產(chǎn)生一個小的校準脈沖產(chǎn)生一個和敏感方向共線的小的磁場H。al(40)。該磁場會在磁電阻傳感器里產(chǎn)生一個變化的電壓V41以回應(yīng)前述的外場H (42)導(dǎo)致的變化，因此靈敏度就可以確定下來
Sensitivity=Δ H / Δ V .
(2)
校準過程是通過利用某些特定頻率或形狀的脈沖串完成的，因此可以和背景信號相區(qū)另O。應(yīng)定期或持續(xù)進行校準以消除磁電阻傳感元件10的溫度特性。脈沖可以是單極或雙極，可以是一個單脈沖，也可以是一個連續(xù)的方波或正弦波。通常將磁電阻傳感元件10旋轉(zhuǎn)一定的角度α (14)是比較有利的，該角度α (14) 相對于線圈11如圖1所示。這樣做的原因參見圖5和圖6。
圖5展示了磁電阻傳感元件10相對于線圈11轉(zhuǎn)動角度α (14)的情況。在該設(shè)置中，Hreset (30)有一個平行于磁電阻傳感元件10的邊緣的分量Hedge (51)。由于Hedge (51) 足夠大，邊緣磁疇51指向同一個方向，為磁電阻磁電阻傳感元件10的磁矩提供一個良好的被定義的初始狀態(tài)。當(dāng)線圈通第一電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的復(fù)位操作；當(dāng)線圈通第二電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的校準操作。第一電流大于第二電流，并且第一電流和第二電流的范圍都在ImA到10mA。圖6展示了磁電阻傳感元件10和線圈11平行排列時邊緣磁疇的可能排布，這樣的設(shè)置不能產(chǎn)生平行于傳感器邊緣的復(fù)位場分量氏_。在這種情況下，沒有外力使磁疇指向邊緣磁疇51的方向，而且在邊緣可能產(chǎn)生方向相對的邊緣磁疇61。這是一個隨機過程， 使傳感器的行為不可預(yù)知，磁矩相對的磁疇運動在復(fù)位操作時會產(chǎn)生磁滯。當(dāng)線圈通第一電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的復(fù)位操作；當(dāng)線圈通第二電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的校準操作。第一電流大于第二電流，并且第一電流和第二電流的范圍都在ImA到10mA。校準場可以由如下所示的相對角度來表示 Htrue ^ HcalCos(Q)(3)
當(dāng)角度為22. 5°時可以提供高達90%的精度。如果需要的話可以調(diào)整為更大的角度， 但是由于Hralge分量增加的原因靈敏度會因此降低。另外，如果傳感器使用芯片上集成的永磁體或元件上沉積永磁層的方式偏置，Hedge分量在校準過程中不會對校準行為產(chǎn)生重大影響。圖8為設(shè)置線圈的傳統(tǒng)布局方法。圖7為設(shè)置線圈的另外一種布局圖如。如圖所示，線圈71是曲折的形狀結(jié)構(gòu)，在磁電阻傳感元件10之間運行。這種布局允許磁電阻傳感元件比傳統(tǒng)的螺旋狀布局(如圖8所示)更加緊密地封裝。曲折型線圈的一個潛在的問題是高電阻。曲折型線圈的電阻為
權(quán)利要求
1.一種磁場傳感裝置，其特征在于它包括磁電阻傳感元件、位于磁電阻傳感元件附近的線圈，所述磁電阻傳感元件的矯頑力和偏移場的大小相同，所述線圈產(chǎn)生一平行于所述磁電阻傳感元件的敏感軸的磁場，當(dāng)所述線圈通第一電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的復(fù)位操作；當(dāng)所述線圈通第二電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的校準操作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述第一電流大于第二電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述第一電流和第二電流大小的范圍為ImA到10mA。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述線圈是單個的導(dǎo)電層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述導(dǎo)電層呈曲折形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述導(dǎo)電層呈螺旋形狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場傳感裝置，其特征在于該磁場傳感裝置可用作固態(tài)羅ο
8.另一種磁場傳感裝置，其特征在于它包括磁電阻傳感元件、位于磁電阻元件附近的線圈，所述磁電阻傳感元件的矯頑力和偏移場的大小相同，所述線圈產(chǎn)生一磁場，該磁場具有平行于磁電阻傳感元件敏感軸的第一磁場分量和垂直于磁電阻傳感元件敏感軸的第二磁場分量，第一磁場分量大于第二磁場分量，所述第一磁場分量用于對所述磁電阻傳感元件進行復(fù)位和校準操作，所述第二磁場分量用于使磁電阻傳感元件的邊緣磁疇方向?qū)R，當(dāng)所述線圈通第一電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的復(fù)位操作；當(dāng)所述線圈通第二電流時，實現(xiàn)磁電阻傳感元件的校準操作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述第一電流大于第二電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述第一電流和第二電流大小的范圍為ImA到10mA。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述線圈的中軸和磁電阻傳感元件的長軸之間的夾角小于或等于22. 5°。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-11所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述的線圈是單個的導(dǎo)電層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述導(dǎo)電層為曲折形狀。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁場傳感裝置，其特征在于所述導(dǎo)電層為螺旋形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁場傳感裝置，其特征在于該磁場傳感裝置可用作固態(tài)羅
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場傳感裝置，它利用線圈對磁電阻傳感器的輸出曲線溫度特性進行校準同時對磁電阻傳感器的磁化進行復(fù)位以消除磁滯的方法。該線圈還可用于自檢操作。單個線圈的設(shè)置可以減少芯片上焊盤的數(shù)量，增加芯片上磁電阻元件的密度，從而降低了芯片的體積。
文檔編號G01R33/09GK102540113SQ20111035622
公開日2012年7月4日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者沈衛(wèi)鋒, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司