集成传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种集成传感器，基于动态电压控制，包括：磁传感器形成为具有磁各向异性的磁性多层膜结构；驱动器为磁传感器提供磁化方向转换条件；检测器检测磁传感器磁场转换方向状态转换为电信号；反馈控制单元，其用于记录磁传感器磁场转换方向状态统计信息，其根据磁传感器磁场转换方向状态统计信息修改磁化方向转换条件，并向驱动器发出改变磁化方向转换条件命令，其将记录的磁传感器磁场方向转换状态统计信息和磁化方向转换条件转换为输出结果的电信号。本发明专利技术基于基于动态电压能提高传感器精度，并具有高动态范围以及大而可靠的信号。本发明专利技术可以与其他机制结合，实现多参数传感器。传感器。传感器。

【技术实现步骤摘要】
集成传感器


[0001]本专利技术涉及存储领域，特别是涉及一种基于动态电压控制的集成传感器。

技术介绍

[0002]磁性多层膜，铁磁层和非铁磁层交替重叠构成的金属磁性多层膜。通常具有巨磁电阻效应，其中每层膜的厚度均在纳米量级。自旋阀(SV)或磁性隧道结(MTJ)结构已经被广泛应用于磁性随机存储器(MRAM)和磁性传感器之中。
[0003]集成温度传感器对半导体器件的可靠性至关重要。传统的基于晶体管的温度传感器是与绝对温度成正比或相反的电路(PTAT和CTAT)。这些设计检测不同温度下晶体管特性(例如阈值电压)的变化，以提取绝对温度。然而，这些设计通常涉及非CMOS 晶体管工艺(例如BJT)，灵敏度有限，变化问题是一个挑战。参考文献维基百科： https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/text/chapter
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14。
[0004]近年来，集成磁器件被提出作为温度传感器。其中许多设计都基于磁隧道结 (MTJ)。磁隧道结(MTJ)是由磁性层、绝缘势垒和另一磁性层组成的多层膜。一个磁性层能够根据提供的偏压自由改变其磁化强度(自由层)，另一个具有相对固定的磁化强度(固定层)。MTJ[图1a]根据两层的相对方向呈现不同的电阻，例如，当两层反平行时电阻较高(AP)，当两层平行时电阻较低(P)，该比率称为隧穿磁电阻比(TMR) [图1b]。电阻可用于电表征器件的磁性状态。
[0005]现有技术中基于MTJ的温度传感器有两种主要的设计类型。动态传感器检测动态切换统计信息的变化，例如概率和切换时间(温度的函数)。静态传感器检测静态特性的变化，例如隧道磁电阻比、饱和磁化或电阻随温度的变化。
[0006]最广泛采用的动态MRAM温度传感器利用设备的热稳定性进行检测。保持时间(例如，设备的平均转换时间)与热稳定性成指数关系，热稳定性与温度成反比，例如：
[0007]Retention_time＝a*e^(thermal_stability)
[0008]Thermal_stability＝energy_barrier/KbT
[0009]保留时间＝a*e^(热稳定性)
[0010]热稳定性＝能量势垒/KbT。
[0011]随着温度的变化，保持时间也会变化，因此可以从切换事件之间的平均时间中提取温度图2a。图2c显示了这方面的说明。由于指数关系，该设计具有较高的灵敏度。这种方法的缺点是，指数关系导致动态范围小，速度慢，因为温度的微小变化导致保留时间呈指数变化。解决这一问题的设计应用自旋转移转矩(STT)偏置自旋轨道转矩(SOT)偏置，并检测偏置下的开关概率，这可以偏置开关概率，其在【磁隧道结作为芯片温度传感器，科学报告，2017年】上被公开。
[0012]静态MTJ温度传感器通常检测磁性特性的变化，如美国专利US20160104544A1或美国专利US7511990B2；作为埋置纳米结构温度传感器的磁性隧道结，应用物理杂志， 2018年随温度的变化。可以在不同偏压下进行扫描，以提高精度，还可以结合静态和动态方法来提
高精度。现有技术基于特征的MRAM传感器面临的挑战是其小信号；例如，电阻显示每度开尔文变化小于0.5％。
[0013]使用电压控制(VC
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)MTJs进行温度传感的工作很少。电压控制的MTJ是指其磁化强度可以通过电压调节的MTJ，通常使磁化强度变强或变弱。之前的一项工作提出了检测静态AP状态电阻变化和动态热稳定性变化以感知温度，并讨论了通过不同检测电压扫描的影响，其在其在【利用VC的PMTJ温度传感器在IEEE电路和系统国际研讨会上，2019年】上被公开。
[0014]如前所述，动态MTJ传感器灵敏度高，但速度低，动态范围小。静态MTJ传感器信号小，速度慢。目前还没有一种系统具有大信号、高速度和大动态范围的能力。为了实现预期目标，有必要建立一个反馈系统。

技术实现思路

[0015]在
技术实现思路
部分中引入了一系列简化形式的概念,该简化形式的概念均为本领域现有技术简化，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本专利技术的
技术实现思路
部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
[0016]为解决现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于动态电压控制的集成传感器，包括：
[0017]磁传感器，其形成为具有磁各向异性的磁性多层膜结构；
[0018]驱动器，其用于为磁传感器提供磁化方向转换条件；
[0019]检测器，其用于检测磁传感器磁场转换方向状态转换为电信号；
[0020]反馈控制单元，其用于记录磁传感器磁场转换方向状态统计信息，其根据磁传感器磁场转换方向状态统计信息修改磁化方向转换条件，并向驱动器发出改变磁化方向转换条件命令，其将记录的磁传感器磁场方向转换状态统计信息和磁化方向转换条件转换为输出结果的电信号。
[0021]可选择的，所述的集成传感器，其能基于VCMA效应或VCMA(电压控制磁各向异性)、STT(自旋扭矩转换)、SOT(混合自旋轨道扭矩)和其他磁性原理的组合实现；
[0022]可选择的，所述的集成传感器，其形成为MTJ或Hallbar结构。
[0023]可选择的，所述的集成传感器，所述磁传感器为MTJ，其磁传感器磁场转换方向状态表征为电阻；
[0024]所述磁传感器为Hallbar，其磁传感器磁场转换方向状态表征电流或电压。
[0025]可选择的，所述的集成传感器，所述磁化方向转换条件包括:电压(V)、电流(I) 时间(T)或磁场(H)其中至少一种。
[0026]可选择的，所述的集成传感器，所述磁传感器磁场转换方向状态统计信息基于时间序列、频率和概率分布统计描述。
[0027]示例性的，磁化方向转换条件是电压时，磁传感器磁场转换方向状态统计信息是磁化方向每秒转换次数，其能用于侦测温度；
[0028]和/或，磁化方向转换条件是偏置场时，磁传感器磁场转换方向状态统计信息是磁化方向转换中转0和转1态的百分比，其能用于侦测磁场；
[0029]因此，本专利技术提供的集成传感器能用于侦测温度、侦测磁场、或侦测温度和磁场。
[0030]可选择的，所述的集成传感器，反馈控制单元采用以下控制机制修改磁化方向转换条件；
[0031]S1，进行初调，使磁化方向转换频率和热稳定性相适应；
[0032]S2，提供第一磁化方向转换条件，获得该第一磁化方向转换条件对应的第一转换率，判断第一转换率是否等于第一目标转换率，若不等于则调节第一磁化方向转换条件直至第一转换率等于第一目标转换率；
[0033]S3，转换第一转换率以及其对应的第一磁化方向转换条件获得输出结果的电信号；
[0034]其中，第一磁化方向转换条件是电压时，第一转换率是磁化方向每秒转换次数；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成传感器，其基于动态电压控制，其特征在于，包括：磁传感器，其形成为具有磁各向异性的磁性多层膜结构；驱动器，其用于为磁传感器提供磁化方向转换条件；检测器，其用于检测磁传感器磁场转换方向状态转换为电信号；反馈控制单元，其用于记录磁传感器磁场转换方向状态统计信息，其根据磁传感器磁场转换方向状态统计信息修改磁化方向转换条件，并向驱动器发出改变磁化方向转换条件命令，其将记录的磁传感器磁场方向转换状态统计信息和磁化方向转换条件转换为输出结果的电信号。2.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于：所述磁传感器基于VCMA、STT或SOT实现。3.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于：其形成为MTJ或Hallbar结构。4.如权利要求3所述的集成传感器，其特征在于：所述磁传感器为MTJ，其磁传感器磁场转换方向状态表征为电阻；所述磁传感器为Hallbar，其磁传感器磁场转换方向状态表征电流或电压。5.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于,所述磁化方向转换条件包括:电压(V)、电流(I)、时间(T)或磁场(H)其中至少一种。6.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于：所述磁传感器磁场转换方向状态统计信息基于时间序列、频率和概率分布统计描述。7.如权利要求1所述的集成传感器，其特征在于：反馈控制单元采用以下控制机制修改磁化方向转换条件；S1，进行初调，使磁化方向转换频率和热稳定性相适应；S2，提供第一磁化方向转换条件，获得该第一磁化方向转换条件对应的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳升，吴迪，
申请(专利权)人：苏州凌存科技有限公司，
类型：发明
国别省市：