專利名稱：單一芯片橋式磁場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GMR、MTJ橋式傳感器的設(shè)計和制備，特別的是一種單一芯片的橋式磁場傳感器，可以用于在單一磁性薄膜上制作半橋、全橋磁性傳感器。
背景技術(shù)：
磁性隧道結(jié)傳感器(MTJ1Magnetic Tunel Junction)是近年來開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，它利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)(TMR，Tunnel Magnetoresistance),主要表現(xiàn)在磁性多層膜材料中隨著外磁場大小和方向的變化，磁性多層膜的電阻發(fā)生明顯變化，它比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應(yīng)用的AMR(各向異性磁電阻效應(yīng))、 具有更大的電阻變化率，同時相對于霍爾效應(yīng)材料具有更好的溫度穩(wěn)定性.MTJ磁性傳感器具有電阻變化率大，輸出信號幅值大，電阻率高，功耗低，溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點。用MTJ制成的磁場測量器件，比AMR、GMR、霍爾器件具有靈敏度更高、功耗更低、線性更好、動態(tài)范圍更寬、溫度特性更好，抗干擾能力更強的優(yōu)點。此外MTJ還能方便的集成到現(xiàn)有的芯片微加工工藝當(dāng)中，便于制成體積很小的集成磁場傳感器。推挽橋式傳感器具有比單電阻、參考電阻橋式傳感器更高的靈敏度，同時具有溫度補償功能，能夠抑制溫度漂移的影響。傳統(tǒng)的推挽式橋式傳感器要求相鄰兩個橋臂電阻中的磁性隧道結(jié)的釘扎層磁矩方向相反，而通常沉積在同一硅片上的磁性隧道結(jié)MTJ，由于其磁矩翻轉(zhuǎn)所需要的磁場強度大小相同，因而在同一個硅片上的磁電阻釘扎層磁矩通常都相同。這使得制作推挽橋式傳感器存在很大困難。目前制作推挽留橋式傳感器的方法主要有采用兩次成膜工藝，分兩次分別沉積釘扎層方向相反的MTJ元件，這使得其制作工藝復(fù)雜，同時第二次工藝進行退火時會明顯影響第一次沉積的薄膜。這使得前后兩次成膜的一致性差，導(dǎo)致橋式傳感器不同橋臂的電阻不相同，影響傳感器的整體性能。多芯片封裝技術(shù)。通常從同一硅片或是不同硅片取兩個一致性好的磁電阻，這兩個磁電阻的敏感方向相同(釘扎層方向)，然后將其中一個相對另一個磁電阻翻轉(zhuǎn)180度進行多芯片封裝，構(gòu)成推挽式半橋。這樣的結(jié)果是能夠?qū)崿F(xiàn)推挽式半橋的功能，即提高了檢測靈敏度，具有溫度補償功能，但是另一方面多芯片封裝，封裝尺寸大，生產(chǎn)成本高；實際封裝時不能嚴(yán)格的進行180度翻轉(zhuǎn)，即兩個電阻的靈敏度方向不是嚴(yán)格的相差180度，使得兩個電阻隨外場變化的輸出特性不相同，出現(xiàn)靈敏度不同，存在比較大的偏置電壓等不對稱問題，這樣在實際應(yīng)用中就會帶來新的問題。激光加熱輔助磁疇局部翻轉(zhuǎn)法。通常在硅片上制備GMR、MTJ全橋時，采用將GMR、 MTJ硅片在同一強磁場中退火來使不同橋臂的釘扎層磁矩方向相同。之后采用激光對硅片進行局部加熱輔助磁矩翻轉(zhuǎn)，使得橋式傳感器相鄰橋臂的釘扎層磁矩方向相反，從而實現(xiàn)單一硅片的橋式傳感器。但是激光加熱輔助磁疇翻轉(zhuǎn)的方法需要專用設(shè)備，設(shè)備昂貴，增加了工藝復(fù)雜度，同時激光加熱所制得的橋式傳感器，其各橋臂的電阻一致性也無法得到保證。從以上可以看出，現(xiàn)有的單一芯片橋式傳感器都存在整體性能無法保證，生產(chǎn)成本高等缺點。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種單一芯片橋式磁場傳感器及其制備方法，可以方便的在單一芯片上制備全橋磁場傳感器和半橋磁場傳感器。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種單一芯片全橋磁場傳感器，包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯(lián)組成，傳感元件由自旋閥構(gòu)成，該傳感元件包括一磁性自由層和一磁性釘扎層；所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上；位于相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。本發(fā)明又提供了一種單一芯片半橋磁場傳感器，包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯(lián)組成，傳感元件由自旋閥構(gòu)成，該傳感元件包括一磁性自由層和一磁性釘扎層；所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上，所述兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同。

附圖1是磁隧道結(jié)(MTJ)的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是理想的磁隧道結(jié)磁場電阻輸出特性示意圖。附圖3是在外加垂直于釘扎層方向的磁場作用下，自由層與釘扎層正向成不同角度時，自由層磁矩轉(zhuǎn)動與電阻變化示意圖。附圖4是采用在磁電阻元件上集成設(shè)置的片狀永磁體對磁電阻元件的磁性自由層進行偏置示意圖附圖5是傳統(tǒng)的推挽式全橋MTJ或GMR傳感器的工作原理示意圖。附圖6是一種單一芯片推挽式全橋磁場傳感器的工作原理示意圖。附圖7是外加一沿敏感方向的外磁場，各橋臂的電阻自由層磁矩轉(zhuǎn)動示意圖。附圖8是采用集成于芯片上的永磁片對推挽全橋的自由層磁矩進行偏置示意圖。附圖9所示，是采用集成于芯片內(nèi)的電流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場進行偏置的示意圖。附圖10所示，是一種優(yōu)選的推挽全橋磁場傳感器實施方案示意圖。附圖11所示，一種具體實施的單一芯片推挽全橋結(jié)構(gòu)示意圖。附圖12所示，是圖11所示推挽全橋的輸出特性。附圖13所示，是一種單一芯片推挽半橋磁場傳感器原理圖。附圖14所示，是一種推挽半橋磁場傳感器的實施例。附圖15所示，是另一種推挽半橋磁場傳感器的實施例。附圖16所示，是一種推挽半橋磁場傳感器的實施例的局部結(jié)構(gòu)放大圖。附圖17所示，是另一種推挽半橋磁場傳感器的實施例。
具體實施方式
一種單一芯片全橋磁場傳感器，包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯(lián)組成，傳感元件由自旋閥構(gòu)成，該傳感元件包括一磁性自由層和一磁性釘扎層；所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上；位于相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀，特別地形狀可以是橢圓，長方形，菱形。它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的永磁體。它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。通過在磁性自由層上沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種單一芯片全橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成四個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構(gòu)成一全橋磁場傳感器；磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。一種單一芯片全橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成四個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構(gòu)成一全橋磁場傳感器；在該全橋磁場傳感器上集成設(shè)置一用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。一種單一芯片全橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成四個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構(gòu)成一全橋磁場傳感器；在該全橋磁場傳感器上集成設(shè)置一用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。一種單一芯片全橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成四個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構(gòu)成一全橋磁場傳感器；通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。—種單一芯片全橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成四個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構(gòu)成一全橋磁場傳感器；通過在磁性自由層沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種單一芯片全橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成四個磁電阻元件，將四個磁電阻元件連接以構(gòu)成一全橋磁場傳感器；通過上述方法中的一種或多種組合，將其磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。[0039]一種單一芯片半橋磁場傳感器，包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯(lián)組成，傳感元件由自旋閥構(gòu)成，該傳感元件包括一磁性自由層和一磁性釘扎層；所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上，所述兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同。磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀，特別地形狀可以是橢圓，長方形，菱形。它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。通過在磁性自由層沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種單一芯片半橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成兩個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構(gòu)成一半橋磁場傳感器；磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀。—種單一芯片半橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成兩個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構(gòu)成一半橋磁場傳感器；在該半橋磁場傳感器上集成設(shè)置一用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。一種單一芯片半橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成兩個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構(gòu)成一半橋磁場傳感器；在該半橋磁場傳感器上集成設(shè)置一用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。一種單一芯片半橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成兩個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構(gòu)成一半橋磁場傳感器；通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種單一芯片半橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成兩個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構(gòu)成一半橋磁場傳感器；通過在磁性自由層沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。一種單一芯片半橋磁場傳感器的制備方法，將一個或多個GMR或MTJ傳感元件分別串聯(lián)成兩個磁電阻元件，將兩個磁電阻元件連接以構(gòu)成一半橋磁場傳感器；通過上述方法中的一種或多種組合，將其磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。如圖1所示，磁隧道結(jié)(MTJ)的結(jié)構(gòu)由納米級多層膜組成釘扎層1，磁性被釘扎層2，非磁性絕緣層3，磁性自由層4。磁性被釘扎層2的磁矩方向如5所示。磁性自由層4 的磁矩方向如6所示。磁性被釘扎層2的磁矩方向5與磁性自由層4的磁矩方向6相互垂直。磁性自由層4的磁矩方向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化。隧道結(jié)磁阻效應(yīng)(TMR)的工作原理，磁隧道結(jié)MTJ的磁阻隨著磁性自由層4的磁矩方向6與磁性被釘扎層2的磁矩方向5的夾角的變化而變化。由于磁性被釘扎層的磁矩方向被釘扎層釘扎到磁性釘扎層方向上，因此，實際上隧道結(jié)TMR的磁阻隨著磁性自由層4 的磁矩方向6與磁性釘扎層1的磁矩的夾角的變化而變化。如圖2所示，當(dāng)外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5平行時，同時外加磁場的強度大于Hl時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5平行，如8所示，這時隧道結(jié)TMR的磁阻最小。當(dāng)外加磁場7的方向與被釘扎層2的磁矩方向5反平行時，同時外加磁場的強度大于H2時，磁性自由層4的磁矩方向與外加磁場7的方向反平行，進而與磁性被釘扎層2的磁矩方向5反平行，如9所示， 這時隧道結(jié)TMR的磁阻最大。Hl與H2之間的磁場范圍就是TMR的測量范圍。如圖3所示，是當(dāng)磁隧道結(jié)的自由層磁矩方向在外加磁場情況下磁電阻變化的情況。對于一個MTJ元件，其釘扎層磁矩方向21固定在一個確定的方向上，其磁性自由層在指向第一方向23、第二方向M時，外加一沿方向22的外加磁場，則指向第一方向23時，自由層磁矩沿旋轉(zhuǎn)方向23A轉(zhuǎn)向外場方向22 ；指向第二方向M時，自由層磁矩沿旋轉(zhuǎn)方向24A 轉(zhuǎn)向外場方向。則對于第一方向23，其自由層磁矩方向與釘扎層磁矩21的指向夾角減小， 磁電阻減小，如2 所示。對于第二方向24，其自由層磁矩方向與釘扎層磁矩21的指向夾角增大，磁電阻增大，如24B所示。如圖4所示，可以采用集成于MTJ芯片上的永磁片對23C 將MTJ元件的磁性自由層磁矩偏置到第一方向23，采用永磁片對24C將MTJ元件的磁性自由層磁矩偏置到第一方向?qū)ΑＭ瑫r可以改變永磁片對23C、永磁片對24C與釘扎層方向21 的夾角θ，改變磁性自由層磁矩與釘扎層方向的角度。如圖5所示，是傳統(tǒng)的推挽式全橋MTJ或GMR傳感器的工作原理示意圖。分別由四個MTJ或GMR磁電阻組成，分別是第一電阻31R-、第二電阻32R+、第三電阻33R+、第四電阻34R-。其中第一電阻31R-與第四電阻34R-相對，其磁性釘扎層的第一磁矩方向31Α和第四磁矩方向34Α相平行；第二電阻32R+與第三電阻33R+相對，其釘扎層的第二磁矩方向 32Α與第三磁矩方向33Α相同向平行；且第一電阻31R-的第一磁矩方向31Α與第二電阻 32R+的第二磁矩方向32Α相反向平行。在沒有外加磁場的情況下，四個電阻31、32、33、34 的自由層第一磁矩方向31Β、第二磁矩方向32Β、第三磁矩方向33Β、第四磁矩方向34Β磁矩方向指向同一方向，并與釘扎層磁矩方向垂直。隨外加沿全橋MTJ或GMR敏感方向35的外磁場，相鄰的兩個橋臂的電阻分別變大或變小，相對的兩個橋臂的兩個電阻同時增大或減小，即構(gòu)成一個推挽式全橋磁場傳感器。從圖中可以看出，四個電阻的磁性釘扎層磁矩方向不同，不便于采用單一芯片制成推挽全橋，只能采用多芯片封裝或是激光局部加熱輔助退火的方法制成單一芯片推挽全橋磁場傳感器。如圖6所示，是一種單一芯片推挽式全橋磁場傳感器的工作原理示意圖。分別由四個MTJ或GMR磁電阻組成，分別是第一電阻41 Rl、第二電阻42R2、第三電阻43R2、第四電阻44R1。位于相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。作為一種最優(yōu)的情況，特別地有四個電阻的釘扎層磁矩方向41A、42A、43A、44A相互平行，并指向同一個方向。其中第一電阻41R1與第四電阻44R1相對，其磁性自由層的第一磁矩方向41B和第四磁矩方向44B相平行，并與釘扎層第一方向41A、釘扎層第四方向44A的正方向成45度夾角；第二電阻42R2與第三電阻43R2相對，其自由層的第二磁矩方向42B與第三磁矩方向4 相同向平行，并與釘扎層第二方向42A、釘扎層第三方向43A的正方向成45度夾角；且第一電阻 41R1的第一磁矩方向41B與第二電阻42R2的第二磁矩方向42B相互垂直。此全橋磁場傳感器的釘扎方向45與4個電阻的釘扎層方向相同，其敏感方向46與釘扎方向45垂直。從圖中可以看出，與圖5傳統(tǒng)的推挽式全橋不同，該單一芯片推挽全橋磁場傳感器中四個電阻的磁性釘扎層磁矩方向不同，因此可以在單一芯片上，通過一次工藝直接形成推挽全橋磁場傳感器，而不需要采用多芯片封裝工藝，以及不需要進行激光加熱局部輔助熱退火。所述GMR或MTJ元件，可以利用其本身的形狀各向異性對其自由層磁矩進行偏置。 通常的形狀可以是橢圓形，長方形，菱形，以及其它形狀。在各種形狀當(dāng)中，通常其長軸方向為形狀各向異性易軸方向，也就是磁各向異性易軸方向?？梢裕ㄟ^調(diào)整其形狀的長短軸比，改變其磁各向異性，進而改變其輸入輸出特性。如圖7所示，在外加一沿敏感方向46的外磁場，則相鄰的兩個橋臂的第一電阻41、第二電阻42 ；第三電阻43、第4電阻44分別變大或變小，相對的兩個橋臂的兩個電阻同時增大或減小，即構(gòu)成一個推挽式全橋磁場傳感器。 特別地，外加一沿敏感方向46正向的外磁場，則自由層第一方向41B、第二方向42B、第三方向43B、第四方向44B分別轉(zhuǎn)到新的自由層第一方向41C、42C、43C、44C。相應(yīng)的第一、第四電阻由Rl變?yōu)镽l+AR,第二、第三電阻分別由R2變?yōu)镽2-AR。則輸出為
R2-AR-(Ri + AR)TrΓΙ — Vl=------- K”..
Rl+ Rl理想情況下，其中初始值R1=R2>AR，則化簡后可得
___ ___ — 2ΑΛ. __Vl-V2---Vt.
R2 + RI mas即實現(xiàn)推挽式全橋輸出。如圖8所示，是采用集成于芯片上的片狀永磁體對推挽全橋的自由層磁矩進行偏置示意圖。采用一沿方向50的外磁場對芯片中的片狀永磁體進行充磁，撤去外磁場后，則片狀永磁體產(chǎn)生一沿磁體對軸線方向，即垂直于邊界方向的磁場，并且其正負(fù)方向沿與充磁時外場方向夾角決定，其與充磁方向57的夾角小于90度。如圖中所示，由片狀永磁體對 51、53產(chǎn)生的偏置磁場沿其軸線向右方向。使第三電阻43的自由層偏置到正確的方向。同樣，片狀永磁體對51、52 ； 54、56 ； 55、56分別對第一電阻41，第二電阻42，第四電阻44進行偏置。如圖9所示，是采用集成于芯片內(nèi)的電流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場進行偏置的示意圖。電流導(dǎo)線57、58、59位于需要偏置的電阻的正上方，并與需要偏置的方向垂直，則在Bias和 &id之間加一偏置電流，則電流產(chǎn)生的磁場使電阻的自由層磁矩偏置到預(yù)置的方向上。對自由層磁矩的偏置方法，還可以是通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向時行偏置?；蚴峭ㄟ^在磁性自由層上沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向進行偏置。如圖10所示，是一種優(yōu)選的推挽全橋磁場傳感器實施方案示意圖。由四個磁電阻 (41、42、43、44)組成一推挽式全橋，其中釘扎釘扎方向45豎直向上，敏感方向46水平，永磁體的充磁方向57水平向右。四個磁電阻的自由層為橢圓形，其自由層磁矩在沒有外加偏置場的情況下沿磁性易軸方向，即橢圓的長軸方向。在構(gòu)成全橋的磁電阻兩邊，分別放置集成于芯片內(nèi)的片狀永磁體對(61、62、63、64)。片狀永磁體相對的那一條邊，可以設(shè)計成不同的形狀，使其相對垂直方向有一傾斜的角度Θ，調(diào)整該θ角可以改變電阻的自由層磁矩的方向。以調(diào)整傳感器的性能，通常的θ角在30度 60度之間，其中以45度時構(gòu)成的全橋磁場傳感器性能最好。通常可以改變?nèi)珮虼艌鰝鞲衅麽斣鷮臃较?5，片狀永磁體充磁方向 67，以及四個電阻的磁性易軸方向的相對指向，來調(diào)整其響應(yīng)方式。通常，可以通過以下三種方法來調(diào)整傳感器響應(yīng)方式改變傳感器電阻的磁性自由層的形狀，可以改變其各向異性，以及調(diào)整傳感器的易軸方向，即對于橢圓形狀的長軸方向，對于長方形的長邊方向。改變傳感器的片狀永磁體的初始化充磁方向65。改變片狀永磁體對的材料和厚度，使其對電阻產(chǎn)生大小不同的偏置磁場，以調(diào)整其飽和場。如圖11所示，是單一芯片推挽全橋傳感哭器的一種具體實施的結(jié)構(gòu)示意圖。傳感器的釘扎方向45，敏感方向46工。其中組成推挽全橋的每一個電阻由一串磁隧道結(jié)敏感元件串聯(lián)而成。每一磁隧道結(jié)元件采用橢圓形狀，并且采用片狀永磁體進行偏置。并且芯片的焊盤65設(shè)置成可以連接多條引線，焊盤可以通過引線連接到封裝引線框和/或ASIC集成電路上。如圖12所示，是如圖11所示的推挽全橋結(jié)構(gòu)的最終輸出特性。如圖13所示，是推挽半橋磁場傳感器示意圖。該推挽半橋磁場傳感器80由兩個磁電阻組成，每個磁電阻由一個或多個GMR或MTJ元件串聯(lián)組成，每個元件可以做成橢圓形或長方形，菱形，以利用其形狀各向異性。其中第一電阻81R1，與第二電阻83R2的釘扎層磁矩第一方向81Α、第二方向83Α相同，都同釘扎方向85相同，第一電阻81R1，與第二電阻83R2 的自由層磁矩第一方向81Β、第二方向8 與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，并且第一方向81B與第二方向8 方向不同，最優(yōu)情況下自由層磁矩第一方向81B與釘扎層磁矩第一方向81A的夾角為45度，自由層磁矩第二方向8 與釘扎層磁矩第一方向 83A的夾角為45度。在Bias和GND之間加一偏置電壓，當(dāng)外加一沿敏感方向86的外磁場時，第一電阻81R1增大，第二電阻83R2減小，使輸出Vo變小，即構(gòu)成一推挽半橋磁場傳感器。如圖14所示，是一種推挽半橋磁場傳感器的實施例。圖中采用集成于芯片上的片狀永磁體對，對第一電阻81R1和第二電阻83R2進行偏置，使其自由層磁矩第一方向81B和第二方向8 指向確定的方向。兩個電阻的釘扎層方向豎直向上，磁電阻元件的磁性易軸方向向上，片狀永磁體對產(chǎn)生的偏置磁場方向水平向右，則敏感方向水平。如圖15所示，是另一種推挽半橋磁場傳感器的實施例。圖中采用集成于芯片上的片狀永磁體對，對第一電阻81R1和第二電阻83R2進行偏置，使其自由層磁矩第一方向81B 和第二方向8 指向確定的方向。兩個電阻的釘扎層方向豎直向上，磁電阻元件的磁性易軸方向豎直向上，片狀永磁體對產(chǎn)生的偏置磁場充磁方向豎直向上，則敏感方向為水平。[0073] 以上對本發(fā)明的特定實施例結(jié)合圖示進行了說明，很明顯，在不離開本發(fā)明的范圍和精神的基礎(chǔ)上，可以對現(xiàn)有技術(shù)和工藝進行很多修改。在本發(fā)明的所屬技術(shù)領(lǐng)域中，只要掌握通常知識，就可以在本發(fā)明的技術(shù)要旨范圍內(nèi)，進行多種多樣的變更。
權(quán)利要求1.一種單一芯片全橋磁場傳感器，包括四個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯(lián)組成，其特征在于傳感元件由自旋閥構(gòu)成，該傳感元件包括一磁性自由層和一磁性釘扎層；所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上；位于相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。
2.如權(quán)利要求1所述的全橋磁場傳感器，其特征在于磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀，特別地形狀可以是橢圓，長方形，菱形。
3.如權(quán)利要求1所述的全橋磁場傳感器，其特征在于它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的永磁體。
4.如權(quán)利要求1所述的全橋磁場傳感器，其特征在于它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
5.如權(quán)利要求1所述的全橋磁場傳感器，其特征在于通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
6.如權(quán)利要求1所述的全橋磁場傳感器，其特征在于通過在磁性自由層上沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
7.一種單一芯片半橋磁場傳感器，包括兩個磁電阻元件，其中每個磁電阻元件由一個或多個GMR或MTJ傳感元件串聯(lián)組成，其特征在于傳感元件由自旋閥構(gòu)成，該傳感元件包括一磁性自由層和一磁性釘扎層；所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上，所述兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同；所述兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同。
8.如權(quán)利要求7所述的半橋磁場傳感器，其特征在于磁電阻元件具有磁性自由層的磁矩方向指向其磁性易軸方向的形狀，特別地形狀可以是橢圓，長方形，菱形。
9.如權(quán)利要求7所述的半橋磁場傳感器，其特征在于它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的磁體。
10.如權(quán)利要求7所述的半橋磁場傳感器，其特征在于它還包括一集成設(shè)置在該全橋磁場傳感器上的用于將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置的的電流線，所述電流線的電流方向與MTJ或GMR磁電阻元件的磁性釘扎層的磁矩方向相同。
11.如權(quán)利要求7所述的半橋磁場傳感器，其特征在于通過磁性自由層與磁性釘扎層的奈耳耦合場來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
12.如權(quán)利要求7所述的半橋磁場傳感器，其特征在于通過在磁性自由層沉積一磁性層，并利用其與磁性自由層之間的弱反鐵磁耦合來將其磁電阻自由層的磁矩方向偏置。
專利摘要本實用新型公開了一種單一芯片橋式磁場傳感器，該傳感器包括四個磁電阻元件，所述磁電阻元件的磁性釘扎層的方向設(shè)置在相同的一個方向上；位于相對位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向相同，每個磁電阻的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角相同，位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向與其磁性釘扎層的磁矩方向所成的夾角的角度相同，且位于相鄰位置的兩個磁電阻元件的磁性自由層的磁矩方向不相同。采用該設(shè)計可以在同一芯片上，一次直接生產(chǎn)出推挽橋式傳感器。所公開的單一芯片橋式磁場傳感器相對傳統(tǒng)的設(shè)計具有，性能更好，工藝簡單，成本更低的特點。
文檔編號G01R33/09GK202013413SQ20112009704
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者劉明峰, 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