CN103267955A - 单芯片桥式磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单芯片桥式磁场传感器，该传感器包括基片、参考臂、感应臂、屏蔽结构，焊盘。其中参考臂、感应臂各自包含有至少两行/列由一个或多个相同磁电阻传感元件电连接构成的参考元件串、感应元件串；参考元件串与感应元件串相互交错排放，磁电阻传感元件为选自AMR、GMR或者TMR传感元件中的一种，参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，感应元件串位于两个屏蔽结构之间的间隙处，屏蔽结构为由坡莫合金这种软磁材料制成的长条形阵列。此传感器可在准桥、半桥、全桥这三种电桥结构上得到实现。本发明公开的单芯片桥式磁场传感器具有以下优点：体积小、成本低、偏移量小、灵敏度高、线性度好、温度稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种具有低偏移的单芯片桥式磁场传感器。
背景技术
TMR（隧道磁电阻，Tunnel MagnetoResistance）传感器是近年来开始应用于工业领域的新型磁电阻效应传感器。该传感器利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，主要表现在：在磁性多层膜材料中，随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化。它比之前所发现并已实际应用的AMR（各向异性磁电阻，Anisotropic MagnetoResistance ）和GMR（巨磁电阻，Giant MagnetoResistance）传感器具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔传感器具有更好的温度稳定性。
尽管GMR或TMR元件能与半导体标准制造工艺相兼容，但高灵敏度的GMR或TMR传感器并没有实现低成本大规模生产，该传感器的成品率取决于GMR或TMR元件磁电阻输出的偏移值，组成电桥的GMR或TMR元件的磁电阻输出很难达到匹配一致。为了实现低成本大规模生产出高灵敏度的GMR或TMR传感器，从而产生了在单一芯片上制备GMR或TMR传感器的想法，目前主要有以下三种方法来实现在单一芯片上制备高灵敏度的GMR或TMR传感器。
（1）通过采用两次成膜工艺或者激光加热辅助磁畴局部翻转法来使臂中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相反，从而实现单一芯片的桥式传感器。两次成膜工艺，即分两次分别沉积钉扎层方向相反的TMR元件，这使得其制作工艺复杂，并且第二次工艺退火时会影响第一次沉积的薄膜，这使得前后两次成膜的一致性差，从而影响传感器的整体性能。激光加热辅助磁畴局部翻转法，是指在同一强磁场中退火之后，采用激光对芯片进行局部加热辅助磁矩翻转，来使相邻臂的钉扎层的磁矩方向相反，从而实现单一芯片的桥式传感器。但该方法需要使用专用设备，设备昂贵，并且整个过程耗时长。
（2）通过倾斜臂上磁电阻传感元件的自由层的磁矩平衡方向来实现单一芯片的桥式传感器。即各臂上磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，相邻臂上磁电阻传感元件的自由层的磁化方向不同，但每个磁电阻传感元件的自由层的磁化方向与其钉扎层的磁化方向的夹角相同。但此种方法会导致传感器响应的磁场动态范围有所减小，从而导致传感器的灵敏度降低。
（3）使用磁屏蔽或者通量集中器的参考桥式传感器，目前的这种传感器由于参考臂与感应臂相隔很远，致使其体积大，成本高，输出的偏移量也难以控制。
如图1所示，现有技术中的一种单芯片桥式磁场传感器的结构示意图。该结构包括硅基片1，屏蔽结构2，感应元件3，参考元件4，间隙5，4个用于输入输出的焊盘7-10，分别作为电源供应端Vbias，接地端GND，电压输出端V+，V-，其感应轴方向为100。参考元件4位于屏蔽结构2的下方，感应元件3位于两个屏蔽结构2的间隙5处，屏蔽结构2的形状为方形。感应元件3之间连接构成感应臂，参考元件4之间连接构成参考臂，感应元件3和感应元件4为GMR传感元件。硅基片1在沿着感应轴方向100具有很大的长度，并且感应元件3和参考元件4相距较远，也就是感应臂和参考臂之间的间距比较大，并且二者之间只有一个间隙5，这会造成芯片上的空间浪费，也使得芯片的尺寸比较大，此种设计而成的芯片尺寸大小约为2mm X 0.5mm。并且，由于感应臂和参考臂之间的间距比较大，会使得电桥难以平衡，并且会导致这两臂上的温度不同，从而导致其温度补偿功能降低。此外，由于采用了方形的屏蔽结构2，会致使传感器更容易达到磁场的饱和状态，在屏蔽结构2的中心附近就会开始产生非均匀的饱和磁场，并且在间隙5附近会产生磁滞，从而降低了传感器的线性度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种体积小、成本低、偏移量小、灵敏度高、线性度好的单芯片桥式磁场传感器。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种单芯片桥式磁场传感器，它包括：
基片；
沉积在所述基片上的惠斯通半桥或惠斯通准桥，所述惠斯通半桥或惠斯通准桥包括：
参考臂R1，其包括至少两行/列的参考元件串，每个参考元件串由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；以及
感应臂S1，其包括至少两行/列的感应元件串，每个感应元件串由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；
所述参考元件串和所述感应元件串的行/列数相同，并沿纵/横向相间隔排布，
相邻的所述参考元件串与所述感应元件串之间的间隔相同；
至少三个屏蔽结构，所述屏蔽结构两两之间均设有一定的间隙，每个参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，每个感应元件串位于相应的间隙处；
多个用于输入输出的焊盘。
优选地，所述磁电阻传感元件为选自AMR、GMR、TMR传感元件中的一种。
进一步地，所述磁电阻传感元件具有线性磁场传感器响应特性。
进一步地，所述磁电阻传感元件具有多层膜磁场传感器响应特性。
优选地，所述参考元件串中的磁电阻传感元件数量与所述感应元件串中的磁电阻传感元件数量相同。
优选地，所述单芯片桥式磁场传感器包括三个焊盘，三个焊盘分别是用于供应偏置电压的第一焊盘、用于输出的第二焊盘以及用于接地的第三焊盘，所述参考臂R1、所述感应臂S1各自均具有一个第一端和一个第二端，所述第一焊盘与所述参考臂R1的第一端相电连，所述第三焊盘与所述感应臂S1的第一端相电连，所述第二焊盘分别与参考臂R1的第二端以及所述感应臂S1的第二端相电连。
优选地，所述单芯片桥式磁场传感器包含有三个焊盘，三个焊盘分别为用于接地偏置的第一焊盘、用于输出的第二焊盘与第三焊盘，所述惠斯通准桥包括两个相同的电流源（I1，I2）、一个参考臂R1和一个感应臂S1，所述电流源（I1，I2）、所述参考臂R1和所述感应臂S1各自均具有一个第一端和一个第二端，所述第一焊盘与所述参考臂R1的第一端、所述感应臂S1的第一端以及所述电流源（I1，I2）的第一端相电连，所述第二焊盘分别与所述参考臂R1的第二端和所述电流源I2的第二端相电连，所述第三焊盘与所述感应臂S1的第二端以及所述电流源I1的第二端相电连。
优选地，所述屏蔽结构的形状为沿横/纵向延伸的长条形，其组成材料为选自Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种或几种元素组成的铁磁合金。
优选地，所述屏蔽结构之间的间隙处的磁场的增益系数为1 <Asns <100，所述屏蔽结构上方或者下方处的磁场的衰减系数为0 <Aref <1。
优选地，所述感应元件串、所述参考元件串与所述焊盘彼此之间均用电连接导体连接。
优选地，所述基片可采用CMOS、偏置CMOS，将所述参考臂、所述感应臂和所述焊盘直接印制在所述基片上面。
本发明还提供了一种单芯片桥式磁场传感器，它包括
基片；
沉积在所述基片上的惠斯通全桥，所述惠斯通全桥包括相互电连接的第一桥臂和第二桥臂，
所述第一桥臂包括：
参考臂R1，其包括至少两行/列的第一参考元件串，每个第一参考元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；以及
感应臂S1，其包括至少两行/列的第一感应元件串，每个第一感应元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；
所述第一参考元件串和所述第一感应元件串的行/列数相同，并沿纵/横向相间隔排布，两两紧邻的所述第一参考元件串与所述第一感应元件串之间的间隔相同且均为L；
所述第二桥臂包括：
参考臂R2，其包括至少两行/列的第二参考元件串，每个第二参考元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；以及
感应臂S2，其包括至少两行/列的第二感应元件串，每个第二感应元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；
所述第二参考元件串和所述第二感应元件串的行/列数相同，并沿纵/横向相间隔排布，两两紧邻的所述第二参考元件串与所述第二感应元件串之间的间隔相同且均为L；
所述第一桥臂与所述第二桥臂之间通过所述第一参考元件串与所述第二参考元件串或通过所述第一感应元件串与所述第二感应元件串相紧邻；两个相紧邻的所述第一参考元件串与所述第二参考元件串或所述第一感应元件串与所述第二感应元件之间的间隔为2L；
至少三个屏蔽结构，所述屏蔽结构两两之间均设有一定的间隙，每个第一参考元件串和第二参考元件串上对应设置有屏蔽结构，每个第一感应元件串和第二感应元件串位于相应的间隙处；
多个用于输入输出的焊盘。
优选地，所述单芯片桥式磁场传感器包含有四个焊盘，四个焊盘分别是用于供应偏置电压的第一焊盘、用于输出的第二焊盘以及第三焊盘、用于接地的第四焊盘，参考臂R1、参考臂R2、感应臂S1和感应臂S2分别具有一个第一端和一个第二端，所述第一焊盘分别与所述参考臂R2的第二端和所述感应臂S1的第一端相电连，所述第二焊盘分别与参考臂R1的第二端以及所述感应臂S1的第二端相电连，所述第三焊盘分别与所述感应臂S2的第一端以及所述参考臂R2的第一端相电连，所述第四焊盘与所述感应臂S2的第二端以及所述参考臂R1的第一端相电连。
优选地，所述屏蔽结构的形状为沿横/纵向延伸的长条形，其组成材料为选自Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种或几种元素组成的铁磁合金。
优选地，所述屏蔽结构之间的间隙处的磁场的增益系数为1 <Asns <100，所述屏蔽结构上方或者下方处的磁场的衰减系数为0 <Aref <1。
优选地，所述感应元件串、所述参考元件串与所述焊盘彼此之间均用电连接导体连接。
优选地，所述磁电阻传感元件为选自AMR、GMR、TMR传感元件中的一种。
进一步地，所述磁电阻传感元件具有线性磁场传感器响应特性。
进一步地，所述磁电阻传感元件具有多层膜磁场传感器响应特性。
优选地，所述第二参考元件串与所述第一参考元件串的行/列数相同，所述第二感应元件串与所述第一感应元件串的行/列数相同。
优选地，所述第一参考元件串中的磁电阻传感元件数量、所述第一感应元件串中的磁电阻传感元件数量、所述第二参考元件串中的磁电阻传感元件数量和所述第二感应元件串中的磁电阻传感元件数量均相同。
优选地，所述基片可采用CMOS、偏置CMOS，将所述参考臂、所述感应臂和所述焊盘直接印制在所述基片上面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）参考臂和感应臂中磁电阻传感元件的钉扎层的磁化方向相同，所以无需采用两次成膜或退火等工艺，就可以实现在单一芯片上制备。
（2）采用长条形屏蔽结构，能使传感器具有良好的线性度和高灵敏度，也使得传感器的输出不容易达到饱和状态，从而增大了传感器工作的动态范围。
（3）参考臂和感应臂交错排放，并且二者之间间距很小，使得传感器输出的偏移量降低，并且改善了温度补偿性能，减小了体积，从而降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术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发明的一些实施例，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为现有技术中单芯片桥式磁场传感器的结构示意图。
图2为本发明的单芯片全桥磁场传感器的结构示意图。
图3为本发明的单芯片全桥磁场传感器的另一种结构示意图。
图4为矩形和方形屏蔽结构的饱和曲线图。
图5为本发明的单芯片桥式磁场传感器在外磁场中的磁场分布图。
图6为参考臂和感应臂上MTJ元件所在位置与所感应磁场强度的关系曲线。
图7为本发明中的线性磁场传感器的响应曲线。
图8为本发明的全桥电路图。
图9为本发明的半桥电路图。
图10为本发明的准桥电路图。
图11为本发明中的多层膜磁场传感器的响应曲线。
图12为本发明的单芯片半桥磁场传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的发明内容作进一步的描述。
实施例1
图2为本发明的单芯片全桥磁场传感器的结构示意图。该传感器包括基片1、沉积在基片1上的惠斯通全桥、8个屏蔽结构42和四个焊盘7-10。该惠斯通全桥包括相互电连接的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂包括参考臂R1和感应臂S1，第二桥臂包括参考臂R2和感应臂S2，参考臂R1、R2分别包括3行第一参考元件串、3行第二参考元件串，感应臂S1、S2分别包括3行第一感应元件串、3行第二感应元件串，每个参考元件串和每个感应元件串各自均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成，图中所示的参考臂R1和感应臂S1、参考臂R2和感应臂S2均由6个相同的磁电阻传感元件组成。第一参考元件串和第一感应元件串沿纵向相间隔排布，第二参考元件串和第二感应元件串沿纵向相间隔排布，每两个紧邻的第一参考元件串与第一感应元件串之间、每两个紧邻的第二参考元件串与第二感应元件串之间的间隔相同且均为L。第一桥臂与第二桥臂之间通过第一参考元件串与第二参考元件串相紧邻；最中间相紧邻的两个第一参考元件串与第二参考元件串之间的间隔为2L；屏蔽结构42两两之间均设有一定的间隙45，间隙45的大小相同，每个第一参考元件串和第二参考元件串上对应设置有一屏蔽结构42，第一感应元件串和第二感应元件串位于相应的间隙45处。四个焊盘7-10分别是用于供应偏置电压的第一焊盘7、用于输出的第二焊盘9以及第三焊盘10、用于接地的第四焊盘8，参考臂R1、参考臂R2、感应臂S1和感应臂S2分别具有一个第一端和一个第二端，第一焊盘7分别与参考臂R2的第二端和感应臂S1的第一端相电连，第二焊盘9分别与参考臂R1的第二端以及感应臂S1的第二端相电连，第三焊盘10分别与感应臂S2的第一端以及参考臂R2的第一端相电连，第四焊盘8与感应臂S2的第二端以及所述参考臂R1的第一端相电连。传感器中各元件之间均用电连接导体6连接。
其与图1不同之处在于：本发明中采用的屏蔽结构至少为3个，图2中显示有8个屏蔽结构42，而图1中只有2个屏蔽结构2；本发明中至少有两个间隙，图2中有七个间隙45；而图1中只有一个间隙5；感应臂至少包含有两行/列感应元件串43，参考臂至少包含有两行/列参考元件串44，图2中显示有6行感应元件串43和6行参考元件串44，而图1中感应元件串只有一行。感应元件串43与参考元件串44相互交错排放，每个感应元件串43与相邻的参考元件串44之间均相隔间距L，但对于如图2所示的偶数个屏蔽结构42，正中间有两个参考元件串相邻，其之间间距为2L ，对于如图3所示的奇数个屏蔽结构42，正中间有两个感应元件串相邻，其之间间距为2L。间距L很小，优选地为20~100 um。感应元件串43和参考元件串44都为一个或者多个相同的AMR、GMR或TMR这种磁电阻传感元件电连接构成。参考元件串44上对应设有一屏蔽结构42，感应元件串43位于两个屏蔽结构42的间隙45处，屏蔽结构42为选自Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种或几种元素组成的这种软铁磁合金制成的长条形阵列，但并不限于以上组成材料。感应臂、参考臂和焊盘7-10之间均用电连接导体6连接。优选地，本发明的芯片尺寸大小为0.5mm X 0.5mm，比现有技术中的芯片尺寸要小。此外，根据应用需求的不同，芯片的尺寸还可以小于0.5mm X 0.5mm。本发明中的基片1也可采用CMOS、偏置CMOS，将感应臂、参考臂和焊盘7-10直接印制在其上面。
当外加磁场101的方向与屏蔽结构42的短边方向相同时，方形和长条形屏蔽结构理论上的磁化曲线如图4所示。其中曲线11为方形屏蔽结构的磁化曲线，曲线12为长条形屏蔽结构的磁化曲线。
从图4中可以看出，与方形的屏蔽结构相比，采用长条形的屏蔽结构的传感器更的饱和点更高，并且线性度更好。
图5为图2中感应元件串43与参考元件串44在外加磁场中的磁场分布图。从图中可以看出，位于屏蔽结构42之间的间隙45处的感应元件串43所感应到的磁场幅度增强，而位于屏蔽结构42下方的参考元件串44所感应到的磁场幅度降低。
图6为图2中相应的感应元件串43与参考元件串44的所在位置与所感应磁场强度的关系曲线，其中，Bsns16为感应臂上感应元件串43所感应的磁场强度，Bref为参考臂上参考元件串44所感应的磁场强度，外加磁场的强度Bext=100G。从图中可以得到：Bsns=160G，Bref=25G。根据下面的公式（1）与（2），便可得知相应的增益系数Asns和衰减系数Aref的大小。
Bsns=Asns*Bext (1)
Bref=Aref*Bext (2)
将Bext=100G, Bsns=160G, Bref=25G代入上面两式中，便可算出：Asns=1.6， Aref=0.25。Asns/Aref的比值越大，则意味着屏蔽结构的设计越好，一般理想的是Asns/Aref>5，此时就有高灵敏度。本设计中Asns/Aref=1.6/0.25=6.4>5 (3)，由此可见本申请中的单芯片桥式磁场传感器具有高灵敏度，屏蔽结构设计良好。
上面所提到的感应元件串43是第一感应元件串和第二感应元件串的统称，参考元件串44是第一参考元件串和第二参考元件串的统称。
在本实施例中，磁电阻传感元件沿横向排布（图中其成行排布），第一参考元件串和第一感应元件串沿纵向相间隔排布，第二参考元件串和第二感应元件串沿纵向相间隔排布，屏蔽结构沿横向延伸，间隙沿横向延伸。但是显而易见的，当磁电阻传感元件沿纵向排布（图中其成列排布），第一参考元件串和第一感应元件串沿纵横向相间隔排布，第二参考元件串和第二感应元件串沿横向相间隔排布，屏蔽结构沿纵向延伸，间隙沿纵向延伸的情形也涵盖在本发明的保护范围内。
图3是本发明的单芯片全桥磁场传感器的另一种结构示意图。其与图2的不同点在于采用了7个屏蔽结构42，最外侧的两个屏蔽结构下方都排放有参考元件串，最中间的那个屏蔽结构下方没有排放参考元件串。第一桥臂和第二桥臂通过第一感应元件串与第二感应元件串相紧邻，最中间的两个第一感应元件串与第二感应元件串之间的间隔为2L。
实施例2
图12为本发明的单芯片半桥磁场传感器的结构示意图。该传感器包括基片1、沉积在基片1上的惠斯通半桥、6个屏蔽结构42以及3个焊盘7-9。该惠斯通半桥包括参考臂R1和感应臂S1，参考臂R1和感应臂S1各自分别包括3行参考元件串44和3行感应元件串43，每个参考元件串44和每个感应元件串43各自均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成，图中所示的为6个磁电阻传感元件。参考元件串44和感应元件串43沿纵向相间隔排布，两两紧邻的参考元件串44与感应元件串43之间的间隔相同且均为L。屏蔽结构42两两之间均设有一定的间隙45，各间隙45的长度和宽度均相同，每个参考元件串44位于屏蔽结构42的下方，每个感应元件串43位于相应的间隙45处。感应元件串43和参考元件串44都为一个或者多个相同的AMR、GMR或TMR这种磁电阻传感元件电连接构成。屏蔽结构42为选自Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种或几种元素组成的这种软铁磁合金制成的长条形阵列，但并不限于以上组成材料。传感器中各元件之间均用电连接导体6连接。
在本实施例中，磁电阻传感元件沿横向排布（图中其成行排布），参考元件串和感应元件串沿纵向相间隔排布，屏蔽结构沿横向延伸，间隙沿横向延伸。但是显而易见的，当磁电阻传感元件沿纵向排布（图中其成列排布），参考元件串和感应元件串沿纵横向相间隔排布，屏蔽结构沿纵向延伸，间隙沿纵向延伸的情形也涵盖在本发明的保护范围内。
在本实施例中，单芯片桥式磁场传感器包括三个焊盘7-9，三个焊盘分别是用于供应偏置电压的第一焊盘7、用于输出的第二焊盘9以及用于接地的第三焊盘8，参考臂R1具有第一端以及第二端，感应臂S1具有第一端和第二端，第一焊盘7与参考臂R1的第一端相电连，第三焊盘8与感应臂S1的第一端相电连，第二焊盘9分别与参考臂R1的第二端以及感应臂S1的第二端相电连。
实施例3
本实施例与第二实施例的区别在于采用惠斯通准桥电路，该单芯片桥式磁场传感器包含有三个焊盘，三个焊盘分别为用于接地偏置的第一焊盘、用于输出的第二焊盘与第三焊盘，惠斯通准桥还包括两个相同的电流源（I1，I2）、一个参考臂R1和一个感应臂S1，电流源（I1，I2）、参考臂R1和感应臂S1各自均具有一个第一端和一个第二端，第一焊盘与参考臂R1的第一端、感应臂S1的第一端以及电流源（I1，I2）的第一端相电连，第二焊盘分别与参考臂R1的第二端和电流源I2的第二端相电连，第三焊盘与感应臂S1的第二端以及电流源I1的第二端相电连。
实施例4
本申请中的单芯片桥式磁场传感器中的磁电阻传感元件可具有线性磁场传感器响应特性和多层膜磁场传感器响应特性。
具有线性响应特性的单芯片线性桥式磁场传感器中的感应元件串43和参考元件串44为MTJ元件，也即TMR元件，其包括以下组成部分：钉扎层，隧道势垒层，磁性自由层。其中，钉扎层包括一反铁磁层和至少一层铁磁层，反铁磁层可以由IrMn或者PtMn等材料组成，铁磁层的材料可以为Co、Fe、Ni、B、Pd、Tb和Hf组成的一种合金，但不限于上述材料组成的合金。钉扎层也还可以包括一合成铁磁层，该合成铁磁层由两个铁磁层和一非磁性层耦合构成，这两个铁磁层的材料可以是NiFe、NiFeO、CoFe、Co及其复合材料，非磁性层材料一般采用Ru。磁性自由层的材料可以为Co、Fe、Ni、B、Pd、Tb和Hf组成的一种合金，但不限于上述材料组成的合金。钉扎层的磁化方向严格保持在一个方向上，并且不随外加磁场方向的改变而改变，磁性自由层的磁化方向可以自由响应外加磁场。但在没有外加磁场的情况下，自由层的磁化方向要与钉扎层的磁化方向垂直，这可以通过在磁性自由层上方设置一偏置层，或者使用一偏置磁铁，或者使用材料的形状各向异性来实现。隧道势垒层为绝缘材料，通常为氧化物，例如Al2O3或者MgO。优选地，MTJ元件为以下结构：
硅基片/种子层/钉扎层/隧道势垒层/自由层/偏置层/覆盖层，其中钉扎层为PtMn/CoFe/Ru/CoFeB，隧道势垒层材料为MgO，自由层为CoFeB/NiFe，偏置层材料为IrMn。
单芯片桥式磁场传感器中MTJ元件的响应曲线20，如图7所示。当外加磁场101的方向与钉扎层的磁化方向19平行，同时外加磁场的强度大于-Bs+Bo 25时，磁性自由层的磁化方向18与外加磁场101的方向平行，进而与钉扎层的磁化方向 19平行，此时MTJ元件的磁阻最小，即为RL 21。当外加磁场101的方向与钉扎层的磁化方向19反平行，同时外加磁场的强度大于Bs+Bo 26时，磁性自由层的磁化方向18与外加磁场101的方向平行，进而与钉扎层的磁化方向 19反平行，此时MTJ元件的磁阻最大，即为RH22。当外加磁场101的强度为Bo 23时，磁性自由层的磁化方向18与钉扎层的磁化方向 19垂直，此时，MTJ元件的磁阻为RL 21和RH22的中间值，即（RL +RH）/2。-Bs+Bo 25与Bs+Bo 26之间的磁场便是单芯片线性桥式磁场传感器的测量范围。从图中可以看出，曲线21在-Bs+Bo 25与Bs+Bo 26之间呈线性，其斜率为
（RH-RL）/2BS=△R/△B (4)
在-Bs+Bo 25与Bs+Bo 26之间的磁场所对应的磁阻
R（Bext）=RL+(△R/△B)*Bext (5)
再根据公式（1）与（2），便可以得到感应臂和参考臂上的磁阻：
Rsns（Bext）=RL+Asns*(△R/△B)*Bext (6)
Rref（Bext）=RL+Aref*(△R/△B)*Bext (7)
感应元件串43和参考元件串44也可以为GMR自旋阀膜结构，其响应曲线与图6相同。从图7中可以看出，该传感器具有良好的线性度。
实施例5
图8为单芯片线性参考全桥磁场传感器的结构电路图。图中，两个感应臂S1 52, S2 52’和两个参考臂R1 53, R2 53’相间隔连接构成一全桥，感应臂S1 52, S2 52’和参考臂R1 53, R2 53’由一个或多个AMR、GMR或者MTJ磁电阻传感元件构成，并且其钉扎层的磁化方向均相同。该结构具有4个焊盘，分别用来作为偏置电压Vbias，半桥电压输出端（V1，V2）以及接地端GND，其中Vbias与参考臂R1 53的一端和感应臂S1 52的一端电连接，V1与参考臂R1 53的另一端以及感应臂S2 52’的一端电连接，V2与感应臂S1 52的另一端以及参考臂R2 53’的一端电连接，GND与感应臂S2 52’的另一端和参考臂R2 53’的另一端电连接。该全桥的输出电压为
(8)
则传感器的灵敏度可表示为
对于很小的外加磁场，即磁场强度B很小，则上式（9）可近似化为
图9为单芯片线性参考半桥磁场传感器的结构电路图。图中，感应臂S1 52和参考臂R1 53连接构成一半桥，感应臂S1 52和参考臂R1 53由一个或多个AMR、GMR或MTJ磁电阻传感元件构成，并且其钉扎层的磁化方向均相同。该结构具有3个焊盘，分别用来作为偏置电压（Vbias），半桥电压输出端（V1）以及接地端GND，其中Vbias与参考臂R1 53的一端电连接，V1与参考臂R1 53的另一端以及感应臂S1 52的一端电连接，GND与感应臂S1 52的另一端电连接。该半桥的输出电压
则传感器的灵敏度可表示为
(12)
对于很小的外加磁场，即磁场强度B很小，则上式（12）可近似化为
从式（9）和（12）可以看出，当外加磁场很大时，即磁场强度B值很大，上面两种全桥和半桥磁场传感器的灵敏度V/Vbias与磁场强度B不再成线性关系，这使得这两种传感器的应用受到限制，为此，本发明还提供了一种性能更好的单芯片线性准桥式磁场传感器，其电路如图10所示。
此电路包含两个电流源I1 59和I2 59’，一个感应臂S1 52和一个参考臂R1 53。这两个电流源大小相等，均为Ibias。感应臂S1 52和参考臂R1 53由一个或多个AMR、GMR或MTJ磁电阻传感元件构成，并且其钉扎层的磁化方向均相同。该结构具有3个焊盘，其中一个用来作接地端GND，另外两个作为半桥电压输出端（V1，V2），其中GND与两个电流源的一端电连接，并与感应臂S1 52的一端和参考臂R1 53的一端电连接，V1与电流源I1 59的另一端以及感应臂S1 52的另一端电连接，V2与电流源I2 59’的另一端以及参考臂R1 53的另一端电连接。此电路输出的总电压为
传感器的灵敏度 
(15)
从上式（15）可以看出，灵敏度V/Ibias与外加磁场的磁场强度B始终成线性关系。如果I bias=Vbias/2RL，则准桥式磁场传感器的灵敏度与全桥式磁场传感器的灵敏度相同，但准桥式磁场传感器有更好的线性度和对称性，其更适用于工作动态范围比较大的磁场。
实施例6
本申请的另外一种应用是多层膜桥式磁场传感器，该传感器中的参考元件串44和感应元件串43为MTJ元件，其包括以下组成部分：钉扎层，隧道势垒层，磁性自由层。其中，钉扎层包括一反铁磁层和至少一层铁磁层，反铁磁层可以由IrMn或者PtMn等材料组成，铁磁层和磁性自由层的材料可以为Co, Fe, Ni, B, Pd, Tb和Hf组成的一种合金，但不限于上述材料组成的合金。钉扎层的磁化方向严格保持在一个方向上，并且不随外加磁场方向的改变而改变，磁性自由层的磁化方向可以自由响应外加磁场。但在没有外加磁场的情况下，自由层的磁化方向要与钉扎层的磁化方向反平行，这可以通过来自于钉扎层的漏磁场来实现，或者通过采用含有合成铁磁层的钉扎层，再在自由层上方设置一反铁磁层来实现。隧道势垒层为绝缘材料，通常为氧化物，例如Al2O3或者MgO。
当外加磁场比较小，例如磁场强度Bs<200G时，利用从钉扎层里发出的杂散磁场使自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向反平行，此时优选地MTJ元件的结构如下：
硅基片/种子层/钉扎层/隧道势垒层/自由层/覆盖层。
其中钉扎层为IrMn/CoFe/CoFeB，隧道势垒层材料为MgO，自由层为CoFeB/NiFe。
当外加磁场比较大，例如磁场强度Bs>200G时，利用含有采用含有合成铁磁层的钉扎层，再在自由层上方设置一反铁磁层使自由层的磁化方向与钉扎层的磁化方向反平行，此时优选地MTJ元件的结构如下：
硅基片/种子层/钉扎层/隧道势垒层/自由层/反铁磁层/保护层，其中钉扎层为IrMn/CoFe/Ru/CoFeB，隧道势垒层材料为MgO，自由层为CoFeB/NiFe，反铁磁层材料为IrMn。
MTJ多层膜桥式磁场传感器的响应曲线，如图11所示。当外加磁场101的方向与钉扎层的磁化方向19平行，同时外加磁场的强度大于-Bs 31或者Bs 32时，磁性自由层的磁化方向18与外加磁场101的方向平行，进而与钉扎层的磁化方向 19平行，此时MTJ元件的磁阻最小，即为RL 28。当外加磁场为0，磁性自由层的磁化方向18与钉扎层的磁化方向 19反平行，此时MTJ元件的磁阻最大，即为RH27。-Bs 31与Bs 32之间的磁场便是单芯片多层膜桥式磁场传感器的测量范围。从图中可以看出，曲线29、30在-Bs 31与Bs 32之间呈线性，其斜率为
（RL-RH）/BS=△R/△B （16）
在-Bs 31与Bs 32之间的磁场所对应的磁阻
R（Bext）=RH-(△R/△B)*|Bext| （17）
再根据公式（1）与（2），便可以得到感应臂和参考臂上的磁阻：
Rsns（Bext）=RH-Asns*(△R/△B)*|Bext| (18)
Rref（Bext）=RH-Aref*(△R/△B)*|Bext| (19)
此外，感应元件串43和参考元件串44也可以为GMR多层膜结构，该结构由多层CoFe/Cu/CoFe构成，其响应曲线与图10相同。从图10中可以看出，该传感器具有很好的线性度。
与单芯片线性桥式磁场传感器相同，单芯片多层膜桥式磁场传感器也有三种结构，即参考全桥，参考半桥，准桥。这三种结构传感器的灵敏度计算过程与单芯片线性桥式磁场传感器的三种结构相同，在此就不再详述，只给出结果，分别表示如下：
参考全桥：
(20)
参考半桥：
(21)
准桥：
(22)
从上面三式可以看出，这三种结构传感器的灵敏度与外加磁场的磁场强度B的绝对值有关，因此其响应曲线成对称性。此外，准桥式结构的传感器与其他两种结构的传感器的性能相同。
半桥、全桥、准桥这三种电桥结构也可在采用CMOS、偏置CMOS的基片的单芯片桥式磁场传感器上得到实现。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (22)
1.一种单芯片桥式磁场传感器，其特征在于：它包括
基片；
沉积在所述基片上的惠斯通半桥或惠斯通准桥，所述惠斯通半桥或惠斯通准桥包括：
参考臂R1，其包括至少两行/列的参考元件串，每个参考元件串由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；以及
感应臂S1，其包括至少两行/列的感应元件串，每个感应元件串由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；
所述参考元件串和所述感应元件串的行/列数相同，并沿纵/横向相间隔排布，
相邻的所述参考元件串与所述感应元件串之间的间隔相同；
至少三个屏蔽结构，所述屏蔽结构两两之间均设有一定的间隙，每个参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，每个感应元件串位于相应的间隙处；
多个用于输入输出的焊盘。
2.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件为选自AMR、GMR、TMR传感元件中的一种。
3.根据权利要求2所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件具有线性磁场传感器响应特性。
4.根据权利要求2所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件具有多层膜磁场传感器响应特性。
5.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述参考元件串中的磁电阻传感元件数量与所述感应元件串中的磁电阻传感元件数量相同。
6.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述单芯片桥式磁场传感器包括三个焊盘，三个焊盘分别是用于供应偏置电压的第一焊盘、用于输出的第二焊盘以及用于接地的第三焊盘，所述参考臂R1、所述感应臂S1各自均具有一个第一端和一个第二端，所述第一焊盘与所述参考臂R1的第一端相电连，所述第三焊盘与所述感应臂S1的第一端相电连，所述第二焊盘分别与参考臂R1的第二端以及所述感应臂S1的第二端相电连。
7.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述单芯片桥式磁场传感器包含有三个焊盘，三个焊盘分别为用于接地偏置的第一焊盘、用于输出的第二焊盘与第三焊盘，所述惠斯通准桥包括两个相同的电流源（I1，I2）、一个参考臂R1和一个感应臂S1，所述电流源（I1，I2）、所述参考臂R1和所述感应臂S1各自均具有一个第一端和一个第二端，所述第一焊盘与所述参考臂R1的第一端、所述感应臂S1的第一端以及所述电流源（I1，I2）的第一端相电连，所述第二焊盘分别与所述参考臂R1的第二端和所述电流源I2的第二端相电连，所述第三焊盘与所述感应臂S1的第二端以及所述电流源I1的第二端相电连。
8.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构的形状为沿横/纵向延伸的长条形，其组成材料为选自Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种或几种元素组成的铁磁合金。
9.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构之间的间隙处的磁场的增益系数为1 <Asns <100，所述屏蔽结构上方或者下方处的磁场的衰减系数为0 <Aref <1。
10.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述感应元件串、所述参考元件串与所述焊盘彼此之间均用电连接导体连接。
11.根据权利要求1所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述基片可采用CMOS、偏置CMOS，将所述参考臂、所述感应臂和所述焊盘直接印制在所述基片上面。
12.一种单芯片桥式磁场传感器，其特征在于：它包括
基片；
沉积在所述基片上的惠斯通全桥，所述惠斯通全桥包括相互电连接的第一桥臂和第二桥臂，
所述第一桥臂包括
参考臂R1，其包括至少两行/列的第一参考元件串，每个第一参考元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；以及
感应臂S1，其包括至少两行/列的第一感应元件串，每个第一感应元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；
所述第一参考元件串和所述第一感应元件串的行/列数相同，并沿纵/横向相间隔排布，两两紧邻的所述第一参考元件串与所述第一感应元件串之间的间隔相同且均为L；
所述第二桥臂包括：
参考臂R2，其包括至少两行/列的第二参考元件串，每个第二参考元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；以及
感应臂S2，其包括至少两行/列的第二感应元件串，每个第二感应元件串均由一个或者多个相同的磁电阻传感元件电连接构成；
所述第二参考元件串和所述第二感应元件串的行/列数相同，并沿纵/横向相间隔排布，两两紧邻的所述第二参考元件串与所述第二感应元件串之间的间隔相同且均为L；
所述第一桥臂与所述第二桥臂之间通过所述第一参考元件串与所述第二参考元件串或通过所述第一感应元件串与所述第二感应元件串相紧邻；两个相紧邻的所述第一参考元件串与所述第二参考元件串或所述第一感应元件串与所述第二感应元件之间的间隔为2L；
至少三个屏蔽结构，所述屏蔽结构两两之间均设有一定的间隙，每个第一参考元件串和第二参考元件串上对应设置有屏蔽结构，每个第一感应元件串和第二感应元件串位于相应的间隙处；
多个用于输入输出的焊盘。
13.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于：所述单芯片桥式磁场传感器包含有四个焊盘，四个焊盘分别是用于供应偏置电压的第一焊盘、用于输出的第二焊盘以及第三焊盘、用于接地的第四焊盘，参考臂R1、参考臂R2、感应臂S1和感应臂S2分别具有一个第一端和一个第二端，所述第一焊盘分别与所述参考臂R2的第二端和所述感应臂S1的第一端相电连，所述第二焊盘分别与参考臂R1的第二端以及所述感应臂S1的第二端相电连，所述第三焊盘分别与所述感应臂S2的第一端以及所述参考臂R2的第一端相电连，所述第四焊盘与所述感应臂S2的第二端以及所述参考臂R1的第一端相电连。
14.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构的形状为沿横/纵向延伸的长条形，其组成材料为选自Ni、Fe、Co、Si、B、Ni、Zr和Al中的一种或几种元素组成的铁磁合金。
15.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述屏蔽结构之间的间隙处的磁场的增益系数为1 <Asns <100，所述屏蔽结构上方或者下方处的磁场的衰减系数为0 <Aref <1。
16.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述感应元件串、所述参考元件串与所述焊盘彼此之间均用电连接导体连接。
17.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件为选自AMR、GMR、TMR传感元件中的一种。
18.根据权利要求17所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件具有线性磁场传感器响应特性。
19.根据权利要求17所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件具有多层膜磁场传感器响应特性。
20.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述第二参考元件串与所述第一参考元件串的行/列数相同，所述第二感应元件串与所述第一感应元件串的行/列数相同。
21.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述第一参考元件串中的磁电阻传感元件数量、所述第一感应元件串中的磁电阻传感元件数量、所述第二参考元件串中的磁电阻传感元件数量和所述第二感应元件串中的磁电阻传感元件数量均相同。
22.根据权利要求12所述的单芯片桥式磁场传感器，其特征在于，所述基片可采用CMOS、偏置CMOS，将所述参考臂、所述感应臂和所述焊盘直接印制在所述基片上面。
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