[发明专利]磁场传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁场传感装置。 

背景技术

磁性传感器被广泛应用于现代系统以测量包括但不限于磁场强度、电流、位置、运动、方向等物理参数。之前有许多不同类型的传感器用于测量磁场，但是这些传感器都有其缺陷，例如尺寸大，灵敏度低，动态范围窄，成本高，稳定性低等。 

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（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）传感器具有高灵敏度，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且其具有高磁电阻的性能，但是制备高性能的MTJ线性磁场传感器的方法还没有得到充分开发。特别是温度特性和磁滞的问题不容易得到有效的控制。 

磁场传感器由单个的磁电阻元件组成，在实际应用中一般将磁电阻元件连接成惠斯通电桥以消除偏移，增加灵敏度以及对温度特性做一定的补偿。尽管电桥构造能对温度特性做出一定的补偿，但是传感器磁电阻内禀的磁性能对温度的依赖不会得到完全抑制。对于高精度测量来说，在工作状态下校准灵敏度是可取的，且芯片级别的校准线圈沿传感器敏感方向产生一个磁场可以达到这个目的。 在磁电阻传感器处于工作状态时，校准线圈可以提供一个定期的低振幅的电流脉冲，与此同时，线圈周围产生脉冲磁场从而对磁力计的灵敏度进行校准。 

因为磁电阻传感器是由铁磁敏感元件构成，所以输出曲线主要是非线性的，磁滞的产生是因为传感元件以及其他部分（例如磁屏蔽层或聚磁层）的畴壁的生成和运动。为了克服以上问题，高性能的磁电阻传感器通常需要另一个线圈，该线圈相对于校准线圈正交，其中校准线圈是为传感元件提供定期的饱和场且消除磁畴。前者我们将之命名为预设/复位线圈。 

设置预设/复位和校准线圈增加了传感器制造的工序，同时传感器芯片需要增加更多的焊盘以及更大的封装体积以适应正交的预设/复位场和校准场，从而使传感器的尺寸变大，最终导致了传感器制造的复杂性。 

没有设置校准线圈的磁电阻传感器是可以实现的。这种方法的缺点是无法通过电子手段测量传感器的灵敏度。也就是说，如果磁电阻传感器没有设置校准线圈，就不能对其输出曲线的灵敏度进行监测和分析。此外，在传感器内实施标准的自检系统是非常繁琐的。因此在固态罗盘的应用中通常需要一个或两个线圈结构。设置线圈结构在增加尺寸的同时也增加了功耗。 

电流线产生的磁场强度与其距离成反比。能量优化标明：传感器和穿越电流方向的校准线圈的距离以及传感器和复位线圈的距离要足够小。理想的情况下，两个线圈应尽可能接近传感器，但在实际上是不可能的。 

发明内容

本发明提供了磁场传感装置，该磁场传感装置采用一种简单的线圈设计提供预设/复位和校准功能，同时可以缩小尺寸降低功耗。本发明所涉及的传感器使用MTJ元件或巨磁电阻（GMR）元件为敏感元件，同时在单一芯片上集成有预设/复位线圈和校准线圈。该磁力计采用一个低的单极或双极脉冲电流循环进行校准操作，采用一个高的双极脉冲进行预设/复位操作。 

本发明提供一种磁场传感装置，它包括磁电阻传感元件、位于磁电阻传感元件附近的线圈，所述磁电阻传感元件的矫顽力和偏移场的大小相同，所述线圈产生一平行于所述磁电阻传感元件的敏感轴的磁场，当所述线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当所述线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。 

优选地，第一电流大于第二电流。 

优选地，所述第一电流和第二电流大小的范围为1mA到10mA。 

优选地，所述线圈是单个的导电层。 

优选地，所述导电层呈曲折形状。 

优选地，所述导电层呈螺旋形状。 

优选地，该磁场传感装置可用作固态罗盘。 

另一种磁场传感装置，它包括磁电阻传感元件、位于磁电阻元件附近的线圈，所述磁电阻传感元件的矫顽力和偏移场的大小相同，所述线圈产生一磁场，该磁场具有平行于磁电阻传感元件敏感轴的第一磁场分量和垂直于磁电阻传感元件敏感轴的第二磁场分量，第一磁场分量大于第二磁场分量，所述第一磁场分量用于对所述磁电阻传感元件进行复位和校准操作，所述第二磁场分量用于使磁电阻传感元件的边缘磁畴方向对齐，当所述线圈通第一电流时，实现磁电阻传感元件的复位操作；当所述线圈通第二电流时，实现磁电阻传感元件的校准操作。 

优选地，第一电流大于第二电流。 

优选地，所述第一电流和第二电流大小的范围为1mA到10mA。