一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器制造技术

本发明专利技术公布了一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，包括：衬底和位于衬底之上的多层磁性调制结构阵列，多层磁性调制结构为上下两层软磁材料层以及中间一层金属导电层，且多层磁性调制结构首尾两端依次通过导电条连接成两端口激励线圈，相邻多层磁性调制结构具有相反电流方向；位于多层磁性调制结构正上方或正下方且介于间隙中心的为磁电阻传感单元，磁电阻传感单元敏感方向为垂直于多层磁性调制结构的长轴方向，磁电阻传感单元的阵列电连接成磁电阻传感器，并连接传感器焊盘；测量外磁场时，激励线圈中输入激励电流，磁电阻传感器电压或电流信号经解调输出即为低噪声电压信号，本发明专利技术具有结构紧凑，高灵敏，低噪声，小尺寸的优点。

A low noise magnetoresistance sensor with multi-layer magnetic modulation structure

The invention discloses a multi-layer magnetic modulation structure of low noise magnetic resistance sensor includes a substrate and substrate on the multilayer magnetic modulation array structure, multilayer magnetic modulation structure into two layers of soft magnetic material layer and an intermediate layer of conductive metal layer, and multi layer magnetic modulation structure followed by a conductive pendulous two port connected into the excitation coil adjacent multilayer magnetic modulation structure with opposite current direction; in multilayer magnetic modulation structure is right above or below the gap between the center and magnetoresistance sensor unit, magnetic resistance sensing unit for sensitive direction perpendicular to the long axis direction of multilayer magnetic modulation structure, magnetic resistance sensing unit is electrically connected to the array the magnetic resistance sensor, and connect the sensor pad; measurement of external magnetic field, the excitation coil excitation current, magnetic resistance. The sensor voltage or current signal is a low noise voltage signal through the demodulated output. The invention has the advantages of compact structure, high sensitivity, low noise and small size.

【技术实现步骤摘要】
一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器
本专利技术涉及磁性传感器领域，特别涉及一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器。
技术介绍
磁电阻传感器在正常使用时，存在着1/f噪声，降低磁电阻传感器的噪声，发展低噪声磁电阻传感器，对于提高磁信号的精确测量具有重要的意义。一般情况下，磁电阻传感器在低频时具有高的1/f噪声，而在高频时，则以热噪声为主，其噪声能量密度大大低于低频时的噪声能量密度，因此，选择将磁信号预先调制成高频磁场，而后再被磁电阻传感器测量，输出高频频率电压信号，而后进行解调，可以实现将磁信号测量从低频区域移动到高频区域的目的，从而降低1/f噪声能量密度。通过使用MEMS技术，在磁电阻传感器表面加工软磁通量集中器的振动结构，并驱动软磁通量集中器在磁电阻传感器表面周期性的振动，从而实现对静态外磁场的调制，该技术虽然有助于降低磁电阻传感器1/f噪声，但是，振动结构以及驱动器的加入使得磁电阻传感器的复杂程度和尺寸大为增加，工艺复杂程度也大为增加。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，包括：衬底和位于所述衬底之上的多层磁性调制结构阵列；所述多层磁性调制结构阵列包括多个多层磁性调制结构；所述多层磁性调制结构自上而下为软磁材料层、金属导电层和软磁材料层，且所述多层磁性调制结构首尾两端依次通过导电条连接成两端口激励线圈，并连接激励线圈焊盘，相邻所述多层磁性调制结构工作时具有相反的电流方向；位于所述多层磁性调制结构正上方或正下方且介于间隙中心的为磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元敏感方向为垂直于所述多层磁性调制结构的长轴方向，所述磁电阻传感单元的阵列电连接成磁电阻传感器，并连接传感器焊盘；测量外磁场时，通过所述激励线圈中输入激励电流，所述磁电阻传感器电压或电流输出信号经解调输出即为低噪声电压信号。进一步地，所述多层磁性调制结构阵列包含2N个所述多层磁性调制结构，所述磁电阻传感单元阵列位于第N和第N+1个所述多层磁性调制结构两侧的N-1个所述间隙内；或者所述多层磁性调制结构阵列包含2N+1个所述多层磁性调制结构，所述磁电阻传感单元阵列位于第N+1个所述多层磁性调制结构两侧的N个所述间隙内，其中N为大于0的整数。进一步地，所述激励线圈中输入频率f的激励电流，所述软磁材料磁导率随所述激励电流变化处于线性状态时，所述磁电阻传感器输出的有用信号的频率为f；所述软磁材料磁导率随所述激励电流值变化处于线性和饱和状态时，所述磁电阻传感器输出的有用信号的频率为2f。进一步地，所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和一个两端口磁电阻传感单元阵列，其中两端口激励线圈和两端口磁电阻传感单元阵列沉积在同一衬底上；或者所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和四个所述两端口磁电阻传感单元阵列，其中两个所述两端口磁电阻传感单元阵列沉积在同一衬底上；沉积在同一衬底上的两个所述两端口磁电阻传感单元阵列采用翻转180度切片方法通过绑定而成推挽式全桥磁电阻传感器，且两个激励线圈串联成同一个两端口激励线圈；或者所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和两个两端口磁电阻传感单元阵列，其中沉积在一个衬底上的一个两端口磁电阻传感单元阵列采用切片翻转180度绑定而成推挽式半桥磁电阻传感器，各激励线圈串联成两端口激励线圈；或者所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和四个所述两端口磁电阻传感单元阵列，沉积在同一衬底上的一个所述两端口磁传感单元阵列通过四个切片两两翻转180度通过绑定而成推挽式全桥磁电阻传感器，各激励线圈串联成两端口激励线圈。进一步地，所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和四个两端口磁电阻传感单元阵列，两端口激励线圈和四个两端口磁电阻传感单元阵列沉积在同一衬底上，两个所述两端口磁电阻传感单元阵列和另外两个所述两端口磁电阻传感单元阵列具有相反的磁场敏感方向，并电连接成单芯片推挽式全桥磁电阻传感器；或者所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和两个两端口磁电阻传感单元阵列，两端口激励线圈和两个两端口磁电阻传感单元阵列沉积在同一衬底上，其中一个所述两端口磁电阻传感单元阵列和另外一个所述两端口磁电阻传感单元阵列具有相反的磁场敏感方向，并电连接成单芯片推挽式半桥磁电阻传感器。进一步地，所述磁电阻传感单元为TMR，GMR或者AMR类型。进一步地，所述导电条为单层导电材料结构或者和所述多层磁性调制结构相同的结构；所述软磁材料为高磁导率软磁合金，该高磁导率软磁合金包含Fe、Co、Ni元素中的一种或多种，所述软磁材料层和所述金属导电层之间增加绝缘材料层。进一步地，所述多层磁性调制结构的中间层为Cu,厚度范围1-10um；所述软磁材料层为坡莫合金，厚度范围为1-10um。进一步地，所述多层磁性调制结构的宽度范围为10-1000um,所述多层磁性调制结构间隙宽度范围为5-50um；通过增加所述多层磁性调制结构宽度相对于所述间隙的比率，来增加外磁场增益因子，并降低噪声。进一步地，所述激励线圈中频率f的范围为1-100KHz；所述激励电流的密度为1x101-1x1012A/m2时，所述有用信号的频率为基波频率f；所述激励电流密度大于1x1012A/m2时，所述有用信号的频率为二次谐波频率2f。与现有技术相比，本专利技术提供的具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器能够有效降低1/f噪声能量密度，进而提高磁信号的测量的精确性；其工艺复简单、结构紧凑，且具有高灵敏，低噪声，小尺寸的优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术的一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器切片结构图；图2为本专利技术的另一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器切片结构图；图3为本专利技术的另一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器切片结构图；图4(a)为本专利技术的一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器中激励线圈的结构图；图4(b)为本专利技术的一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器中磁电阻传感单元阵列结构图；图5(a)为本专利技术的另一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器中激励线圈结构图；图5(b)为本专利技术的另一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器中推挽式磁电阻传感器全桥结构图；图6(a)为本专利技术的另一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器中激励线圈的结构图；图6(b)为本专利技术的另一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器中推挽式磁电阻传感器半桥结构图；图7为本专利技术的多层磁性调制结构阵列和磁电阻传感单元阵列的层位置图；图8(a)为本专利技术在无外磁场情况下相邻两个多层磁性调制结构的激励磁场的分布图；图8(b)为本专利技术在外磁场H0作用下多层磁性调制结构的激励磁场分布图；图9为本专利技术的多层磁性调制结构预调制低噪声磁电阻传感器的激励线圈电流波形；图10为本专利技术的多层磁性调制结构预调制低噪声磁电阻传感器的输出信号波形；图11为本专利技术的典型的场增益因子-电流密度曲线；图12为本专利技术的增益因子随软磁材料层厚度的变化关系；图13为本专利技术的增益因本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，其特征在于，包括：衬底和位于所述衬底之上的多层磁性调制结构阵列；所述多层磁性调制结构阵列包括多个多层磁性调制结构；所述多层磁性调制结构自上而下为软磁材料层、金属导电层和软磁材料层，且所述多层磁性调制结构首尾两端依次通过导电条连接成两端口激励线圈，并连接激励线圈焊盘，相邻所述多层磁性调制结构工作时具有相反的电流方向；位于所述多层磁性调制结构正上方或正下方且介于间隙中心的为磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元敏感方向为垂直于所述多层磁性调制结构的长轴方向，所述磁电阻传感单元的阵列电连接成磁电阻传感器，并连接传感器焊盘；测量外磁场时，通过所述激励线圈中输入激励电流，所述磁电阻传感器电压或电流输出信号经解调输出即为低噪声电压信号。

【技术特征摘要】
1.一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，其特征在于，包括：衬底和位于所述衬底之上的多层磁性调制结构阵列；所述多层磁性调制结构阵列包括多个多层磁性调制结构；所述多层磁性调制结构自上而下为软磁材料层、金属导电层和软磁材料层，且所述多层磁性调制结构首尾两端依次通过导电条连接成两端口激励线圈，并连接激励线圈焊盘，相邻所述多层磁性调制结构工作时具有相反的电流方向；位于所述多层磁性调制结构正上方或正下方且介于间隙中心的为磁电阻传感单元，所述磁电阻传感单元敏感方向为垂直于所述多层磁性调制结构的长轴方向，所述磁电阻传感单元的阵列电连接成磁电阻传感器，并连接传感器焊盘；测量外磁场时，通过所述激励线圈中输入激励电流，所述磁电阻传感器电压或电流输出信号经解调输出即为低噪声电压信号。2.根据权利要求1所述的一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，其特征在于，所述多层磁性调制结构阵列包含2N个所述多层磁性调制结构，所述磁电阻传感单元阵列位于第N和第N+1个所述多层磁性调制结构两侧的N-1个所述间隙内；或者所述多层磁性调制结构阵列包含2N+1个所述多层磁性调制结构，所述磁电阻传感单元阵列位于第N+1个所述多层磁性调制结构两侧的N个所述间隙内，其中N为大于0的整数。3.根据权利要求1所述的一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，其特征在于，所述激励线圈中输入频率f的激励电流，所述软磁材料磁导率随所述激励电流变化处于线性状态时，所述磁电阻传感器输出的有用信号的频率为f；所述软磁材料磁导率随所述激励电流值变化处于线性和饱和状态时，所述磁电阻传感器输出的有用信号的频率为2f。4.根据权利要求1所述的一种具有多层磁性调制结构的低噪声磁电阻传感器，其特征在于，所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和一个两端口磁电阻传感单元阵列，其中两端口激励线圈和两端口磁电阻传感单元阵列沉积在同一衬底上；或者所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和四个所述两端口磁电阻传感单元阵列，其中两个所述两端口磁电阻传感单元阵列沉积在同一衬底上；沉积在同一衬底上的两个所述两端口磁电阻传感单元阵列采用翻转180度切片方法通过绑定而成推挽式全桥磁电阻传感器，且两个激励线圈串联成同一个两端口激励线圈；或者所述磁电阻传感器包含两端口激励线圈和两个两端口磁电阻传感单元阵列，其中沉积在一个衬底上的一个两端口磁电阻传感单元阵列采用切片翻转180度绑定而成推挽式半桥磁电阻传感器...

【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：发明
国别省市：江苏,32