[发明专利]单片双轴桥式磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及桥式传感器的设计和制备，特别的是一种单一芯片双轴桥式磁场传感器。

背景技术

磁性传感器广泛用于现代系统中以测量或感应磁场强度、电流、位置、运动、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。但是，他们都受到了现有技术中的各种众所周知的限制，例如，尺寸过大，灵敏度低，动态范围窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持续地改进磁传感器，特别是改进易与半导体器件或集成电路整合的传感器及其制造方法是有必要的。

隧道结磁电阻传感器（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）具有高灵敏度，尺寸小，成本低以及功耗低等优点。尽管MTJ传感器与半导体标准制造工艺相兼容，但是高灵敏度的MTJ传感器并没有实现低成本大规模生产。特别是传感器的成品率取决于MTJ元件磁阻输出的偏移值，组成电桥的MTJ的磁阻很难达到高的匹配度，同时正交磁场传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂。

发明内容

本发明提供了一种采用标准半导体制造工艺、用于规模生产的双轴线性磁电阻传感器芯片的制备方法。双轴传感器采用隧道结磁电阻元件或巨磁电阻（GMR）元件在同一半导体基片上制备两个不同的桥式磁传感器以感应正交磁场分量。双轴磁传感器能够感应正交磁场分量依赖于传感元件的几何形状。桥式传感器通过设置永磁偏置层后能更稳定，永磁层在晶圆级别或在封装之后通过同一工序在强磁场中初始化。因为桥式传感器的永磁偏置层和参考层沿同一方向初始化，没有通过特殊处理，局部加热， 或者在不同的工序中沉积不同的磁性材料。

本发明提供了一种单片双轴桥式磁场传感器，它包括一沿“Y”轴方向敏感的参考桥式传感器和一沿“X”轴方向敏感的推挽桥式传感器，所述参考桥式传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器包括传感元件，其中 “X”轴和“Y”轴相正交。

优选地，所述参考桥式传感器为参考全桥传感器，该参考全桥传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器为推挽全桥传感器，。

优选地，它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

优选地，所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。

优选地，所述参考桥式传感器为参考半桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽半桥传感器。

优选地，它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

优选地，所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。

优选地，所述参考桥式传感器包括参考臂和感应臂。

优选地，所述参考桥式传感器包括一用于包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层以降低参考臂的灵敏度，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。

优选地，所述参考桥式传感器的传感元件周边设置有高磁导率的铁磁材料以增加传感元件的灵敏度。。

本发明采用以上结构，能够实现低成本大规模的在同一半导体基片上集成制作。

 

附图说明

图1 是隧道结磁电阻的示意图。

图2 是参考层磁化方向为难轴的自旋阀磁电阻元件的输出示意图。

图3是将多个磁隧道结元件合并为一个等效磁电阻元件的连接示意图。

图4是线性参考全桥磁电阻传感器的原理图。

图5是一种采用永磁偏置产生交叉偏置场的参考全桥传感器的布局图。

图6是参考全桥传感器在外加磁场沿灵敏度方向的分量作用下的响应图。

图7是参考全桥传感器在外加磁场垂直于灵敏方向的分量作用下的响应图。

图8 是参考全桥磁电阻传感器的输出曲线的模拟结果。

图9为线性推挽全桥磁电阻传感器的原理图。

图10利用形状各项异性能和永磁体偏置的一种推挽全桥传感器的概念图。永磁体结构用于产生偏置磁场，旋转的自由层磁化方向用于产生推挽输出曲线。

图11是自由层磁化方向旋转的推挽全桥磁电阻传感器在外场沿灵敏度方向的分量作用下的响应图。