一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，包括衬底、位于衬底上的形成叉指结构的两个梳状软磁通量集中器，两个梳状软磁通量集中器分别包括N和N-1个矩形梳齿，N为整数且N>1，及各自对应的梳座，一个梳状软磁通量集中器的梳齿与另一个梳状软磁通量集中器的梳座沿X方向形成gap间隙，相邻梳齿沿+Y方向形成标号为2m-1的奇space间隙和2m的偶space间隙，m为整数且0<m<N，推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于奇space间隙和偶space间隙内，并电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，磁电阻传感单元磁性钉扎层磁化方向同为Y方向，X方向外磁场B(x-ext)与Y方向space间隙处By磁场分量的磁场增益系数ANS＝By/B(x-ext)大于1，本实用新型专利技术具有结构简单、高灵敏度、低功耗的优点。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及磁性传感器领域，特别涉及一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器。
技术介绍
加工高灵敏度单芯片线性TMR磁场传感器存在的主要困难在于如下两个方面，其一，对于推挽桥式线性磁电阻传感器，要求对应推臂的推磁电阻传感单元和对应挽臂的挽磁电阻传感单元分别设置相反的钉扎层方向；其二，对于参考桥式线性磁电阻传感器，要求参考臂对应的参考磁电阻传感单元被磁屏蔽，其存在主要问题如下：(1)、对于推挽桥式磁电阻传感器，需要开发一种能够对磁电阻传感单元钉扎层磁化方向进行局域编程磁化的新技术；该技术需要高昂的费用；磁电阻传感单元钉扎层磁化方向进行局域编程技术的可靠性还未知；(2)、对于参考桥式磁电阻传感器，其灵敏度只有最大可能灵敏度的一半，此外，磁电阻值较高，使得参考桥式磁电阻传感器的输出线性度较差。
技术实现思路
为了克服以上问题，本技术开发了通量集中器的设计，主要优点在于，长的叉指结构通量集中器用于提高外磁场增益，通量集中器与附近的TMR隧道磁阻传感单元互相交替排列，从而可以产生推挽式磁场轮廓，并作用于磁电阻传感单元，该技术使得单芯片线性磁电阻器件具有高的磁场灵敏度和好的线性。本技术提出了一种新的Y轴磁电阻传感器的设计方案，采用叉指状软磁通量集中器实现X磁场在叉指间隙处转变成-Y和+Y两个大小相同、方向相反的磁场，而间隙处的磁电阻传感单元具有相同的磁多层薄膜结构和Y轴敏感方向，从而实现了推挽式Y轴磁电阻传感器的制备，此外，所述叉指状软磁通量集中器还能实现磁场的幅度的放大，从而实现一种高灵敏度推挽式磁电阻传感器的制造。本技术所提出的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，包括衬底、位于所述衬底之上的两个梳状软磁通量集中器，一个梳状软磁通量集中器包括梳座和N个长度×宽度为Lx×Ly的矩形梳齿，另一个梳状软磁通量集中器包括梳座和N-1个长度×宽度为Lx×Ly的矩形梳齿，N为大于1的整数，两个梳状软磁通量集中器的梳齿相互交叉形成叉指结构，一个梳状软磁通量集中器的梳齿与另一个梳状软磁通量集中器的梳座之间沿X方向形成gap间隙，所述gap间隙长度为Lgx，相邻所述梳齿之间形成space间隙，所述space间隙分为沿+Y方向形成的标号分别为2m-1的奇space间隙和2m的偶space间隙，所述space间隙长度为Lsx，宽度为Lsy，其中m为整数，且0<m<N；还包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于所述奇space间隙和所述偶space间隙内且平行于X方向，推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于所述奇space间隙和所述偶space间隙内且平行于X方向，所述推磁电阻传感单元串电连接成推臂，所述挽磁电阻传感单元串电连接成挽臂，所述推臂和挽臂电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述推磁电阻传感单元串包括多个推磁电阻传感单元，所述挽磁电阻传感单元串包括多个挽磁电阻传感单元，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元磁性钉扎层磁化方向同为+Y或-Y方向，X或-X方向外磁场B(x-ext)与Y或-Y方向所述space间隙处磁场分量By的磁场增益系数ANS＝By/B(x-ext)大于1。所述梳座为矩形，其长为Lex，宽为Ley。还包括两个矩形软磁通量集中器，所述矩形软磁通量集中器长和宽分别平行于X和Y方向，且分别放置于距离所述叉指结构+Y端和-Y端相同距离的两个位置处。所述梳座为瓶塞状，包括一个矩形以及一个梯形，所述梯形的短底边与所述梳齿相连，所述梯形的大长底边为所述梯形与所述矩形的公共边。电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串所在的所述奇space间隙和偶space间隙标号之和为2N+1，即对于任一个标号为2m-1的所述推磁电阻传感单元串，存在着另一个标号为2(N-m+1)的所述挽磁电阻传感单元串，对于任何一个标号为2m的所述挽磁电阻传感单元串，存在着另一个标号为2(N-m)+1的所述推磁电阻传感单元串。所述的磁场增益系数ANS通过增加所述梳齿宽度Ly或减小所述space间隙宽度Lsy来提高。所述的磁场增益系数ANS通过减小所述space间隙长度Lsx或增加所述gap间隙长度Lgx来提高。所述的磁场增益系数ANS通过增加所述梳座长宽比、增加Lex、减小Ley或减小所述梳齿数量N来提高。所述梳齿宽度Ly范围为20-200um，所述space间隙宽度Lsy范围为6-200um。所述space间隙长度Lsx范围为10-200um，所述gap间隙长度Lgx在范围为20-500um。所述Lex长度范围为20-2000um，所述梳齿数量N的范围为2≤N≤10。所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元为TMR传感单元，其中钉扎层方向平行于Y轴方向，自由层方向平行于X轴方向。没有外加磁场时，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元通过永磁偏置、双交换作用、形状各向异性或者任意结合来使磁性自由层的磁化方向与磁性钉扎层的磁化方向垂直。所述推挽式磁电阻传感单元电桥为半桥、全桥或者准桥。所述推臂上的推磁电阻传感单元和所述挽臂上的挽磁电阻传感单元的数量相同。所述梳状软磁通量集中器的材料为包含Fe、Ni、Co元素中的一种或多种的软磁合金。所述衬底材料为玻璃或者硅片，且所述衬底上含有ASIC集成电路。所述ASIC集成电路为CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或者SOI。所述衬底材料为玻璃或者硅片，且所述衬底与ASIC芯片相连接。所述ASIC芯片包含有偏移电路、增益电路、校准电路、温度补偿电路和逻辑电路中的任一种或多种应用电路。所述逻辑电路为数字开关电路或者旋转角度计算电路。由于上述技术方案，本技术具有如下有益效果：本技术采用叉指结构软磁通量集中器，并在叉指间隙处交替设置TMR磁电阻传感单元，使得单芯片推挽式TMR磁场传感器具有高的磁场灵敏度和好的线性。本技术还具有结构简单、功耗低的优点。附图说明图1显示了叉指结构软磁通量集中器结构一；图2显示了叉指结构软磁通量集中器结构二；图3显示了叉指结构软磁通量集中器结构三；图4为高灵敏度推挽式磁电阻传感器结构图；图5为推挽磁电阻传感单元串在叉指结构软磁通量集中器中的分布图；图6为X外磁场作用下叉指结构软磁通量集中器间隙处Y磁场分布图；图7为Y外磁场作用下叉指结构软磁通量集中器间隙处Y磁场分布图；图8为瓶塞状梳座的叉指结构软磁通量集中器磁力线分布图；图9为矩形梳座的叉指结构软磁通量集中器磁力线分布图；图10显示了叉指结构软磁通量集中器磁场增益因子随space间隙长度Lsx变化；图11显示了叉指结构软磁通量集中器磁场增益因子随space间隙宽度Lsx变化；图12显示了叉指结构软磁通量集中器磁场增益因子随gap间隙宽度Lgx变化；图13显示了叉指结构软磁通量集中器磁场增益因子随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，包括衬底，位于所述衬底之上的两个梳状软磁通量集中器，一个梳状软磁通量集中器包括梳座和N个长度×宽度为Lx×Ly的矩形梳齿，另一个梳状软磁通量集中器包括梳座和N‑1个长度×宽度为Lx×Ly的矩形梳齿，N为大于1的整数，两个梳状软磁通量集中器的梳齿相互交叉形成叉指结构，一个梳状软磁通量集中器的梳齿与另一个梳状软磁通量集中器的梳座之间沿X方向形成gap间隙，所述gap间隙长度为Lgx，相邻所述梳齿之间形成space间隙，所述space间隙分为沿+Y方向形成的标号分别为2m‑1的奇space间隙和2m的偶space间隙，所述space间隙长度为Lsx，宽度为Lsy，其中m为整数，且0<m<N；还包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于所述奇space间隙和所述偶space间隙内且平行于X方向，所述推磁电阻传感单元串电连接成推臂，所述挽磁电阻传感单元串电连接成挽臂，所述推臂和挽臂电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述推磁电阻传感单元串包括多个推磁电阻传感单元，所述挽磁电阻传感单元串包括多个挽磁电阻传感单元，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元磁性钉扎层磁化方向同为+Y或‑Y方向，X或‑X方向外磁场B(x‑ext)与Y或‑Y方向所述space间隙处磁场分量By的磁场增益系数ANS＝By/B(x‑ext)大于1。...

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，包括衬底，位于所述衬底之上的两个梳状软磁通量集中器，一个梳状软磁通量集中器包括梳座和N个长度×宽度为Lx×Ly的矩形梳齿，另一个梳状软磁通量集中器包括梳座和N-1个长度×宽度为Lx×Ly的矩形梳齿，N为大于1的整数，两个梳状软磁通量集中器的梳齿相互交叉形成叉指结构，一个梳状软磁通量集中器的梳齿与另一个梳状软磁通量集中器的梳座之间沿X方向形成gap间隙，所述gap间隙长度为Lgx，相邻所述梳齿之间形成space间隙，所述space间隙分为沿+Y方向形成的标号分别为2m-1的奇space间隙和2m的偶space间隙，所述space间隙长度为Lsx，宽度为Lsy，其中m为整数，且0<m<N；
还包括推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串分别位于所述奇space间隙和所述偶space间隙内且平行于X方向，所述推磁电阻传感单元串电连接成推臂，所述挽磁电阻传感单元串电连接成挽臂，所述推臂和挽臂电连接成推挽式磁电阻传感单元电桥，所述推磁电阻传感单元串包括多个推磁电阻传感单元，所述挽磁电阻传感单元串包括多个挽磁电阻传感单元，所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元磁性钉扎层磁化方向同为+Y或-Y方向，X或-X方向外磁场B(x-ext)与Y或-Y方向所述space间隙处磁场分量By的磁场增益系数ANS＝By/B(x-ext)大于1。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，所述梳座为矩形，其长为Lex，宽为Ley。
3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，还包括两个矩形软磁通量集中器，所述矩形软磁通量集中器长和宽分别平行于X和Y方向，且分别放置于距离所述叉指结构+Y端和-Y端相同距离的两个位置处。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，所述梳座为瓶塞状，包括一个矩形以及一个梯形，所述梯形的短底边与所述梳齿相连，所述梯形的长底边为所述梯形与所述矩形的公共边。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串所在的所述奇space间隙和偶space间隙标号之和为2N+1，即对于任一个标号为2m-1的所述推磁电阻传感单元串，存在着另一个标号为2(N-m+1)的所述挽磁电阻传感单元串，对于任何一个标号为2m的所述挽磁电阻传感单元串，存在着另一个标号为2(N-m)+1的所述推磁电阻传感单元串。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，所述的磁场增益系数ANS通过增加所述梳齿宽度Ly或减小所述space间隙宽度Lsy来提高。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度单芯片推挽式TMR磁场传感器，其特征在于，所述的磁场增益系数ANS...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·G·迪克，周志敏，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32