CN104569870B - 一种单芯片具有校准/重置线圈的z轴线性磁电阻传感器 - Google Patents

Abstract

一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，包括单芯片Z轴线性磁电阻传感器及校准线圈和或重置线圈，所述校准线圈、重置线圈为平面或三维线圈，所述平面线圈位于衬底之上磁电阻传感单元之下、磁电阻传感单元和软磁通量集中器之间、软磁通量集中器之上或间隙处，所述三维线圈缠绕软磁通量集中器和磁电阻传感单元，所述校准线圈/重置线圈分别包括平行于钉扎层/自由层磁化方向的直导线，前者在推、挽磁电阻单元串处产生同/反钉扎层方向的等值校准磁场；后者在所有磁电阻传感单元处产生自由层向均匀重置磁场。本发明通过控制校准线圈/重置线圈电流可实现单芯片Z轴线形磁电阻传感器校准及磁状态重置，具有高效、快速、操作方便优点。

Description

一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器。

背景技术

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必要的，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。

另外，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为传感元件提供定期的饱和场且消除磁畴，称为重置线圈。

在专利201310409446.5中，公布了一种单芯片Z轴线性磁阻传感器，如图1所示，用于测量Z方向即垂直于衬底方向上的外磁场，该单芯片Z轴线性磁电阻传感器包括衬底1，以及位于衬底1上的多个长条形软磁通量集中器2，其长度方向为Y轴方向，宽度方向为X轴方向，以及位于软磁通量集中器2上表面或下表面上的磁电阻传感单元阵列4和5，所述磁电阻传感单元阵列沿Y轴方向排列成推磁电阻单元串4和挽磁电阻单元串5，分别位于软磁通量集中器2的Y轴中心线3的两侧，且距离Y轴中心线具有相同的距离，所述推磁电阻单元串4和挽磁电阻单元串5电连接成推挽式电桥，其所述磁电阻传感单元的钉扎层及磁场敏感方向沿X轴方向，当Z轴方向外磁场作用时，软磁通量集中器2将Z方向磁场扭曲成具有X和-X轴向磁场分量的两个反向且幅度相同的敏感磁场作用于推磁电阻串4和挽磁电阻串5，从而形成推挽式磁电阻传感器。

图2为所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器截面图，可以看出，推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5位于衬底1之上，软磁通量集中器2位于推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5之上，此外，还包括电极6以及位于各层之间的绝缘层7和8分别用于隔离磁电阻传感单元的电极以及隔离磁电阻传感单元4，5以及软磁通量集中器2，9为保护层，用于防护整个器件。

图1和图2所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器中的磁电阻传感单元串4和5为TMR磁电阻传感单元，包含自由层、钉扎层以及中间势垒层，其自由层的起始磁化方向为Y轴方向，钉扎层磁化方向即磁场敏感方向为X轴方向。以上所述单芯片Z轴磁电阻传感器可以实现来自于Z轴的外磁场分量的测量，但存在如下问题：

1)晶圆测试阶段，需要设计复杂的Z向外磁场产生系统，包括电磁线圈和电磁线圈电源，而且电磁线圈系统需要随着探针平台一起移动，从而增加了测量的成本，影响了测量的效率；

2)电磁线圈系统磁场的施加和定位存在着不精确的问题，从而影响测量的精度；

3)由于自由层软磁薄膜中存在磁畴，在外磁场作用时，存在着畴壁移动的不可逆性，导致在外磁场移除之后，自由层磁性薄膜无法回复起始状态，并且导致磁滞的出现，使得传感器测量可重复性难以保障。

发明内容

为了解决以上的问题，本发明提出了一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，在前述单芯片Z轴线性磁电阻传感器结构的基础上，在芯片上引入校准线圈/重置线圈，通过在校准线圈中通过适当电流，在推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串所在位置分别沿X和-X方向产生大小相同的电流磁场，并且实现通过电流的调节实现磁场大小的精确调节，由于校准线圈位于所述Z轴传感器芯片上，因此测量时只需要通过探针即可以施加电流的方式进行测量，从而提高了测量的效率，并且保证了测量的精度。

同样，当Z轴磁电阻传感器受外磁场作用发生不可逆的磁化状态改变时，可以在重置线圈中通入电流，在所有磁电阻传感单元处产生沿自由层起始磁化方向的外磁场，从而实现对自由层磁化状态的恢复，消除由于磁场作用历史对软磁薄膜磁化状态的影响。

本发明所提出的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，包括单芯片Z轴线性磁电阻传感器，以及校准线圈或和重置线圈，所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器包括将Z方向磁场扭曲成具有X和-X轴向磁场分量的两个反向且幅度相同的敏感磁场的软磁通量集中器和包含多个磁电阻单元的阵列，所述多个磁电阻单元形成推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，

所述校准线圈/重置线圈分别包括平行于所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的磁电阻传感单元的钉扎层/自由层磁化方向的直导线，

所述校准线圈在所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的推/挽磁电阻传感单元串处产生同/反钉扎层方向且等值的校准磁场，所述重置线圈在所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的所有磁电阻传感单元处产生沿自由层磁化方向的均匀重置磁场。

所述校准线圈为平面校准线圈，所述平面校准线圈的直导线与所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串一一对应，且分别位于所述软磁通量集中器Y轴中心线的所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串的同一侧，且与所述推磁电阻传感单元串对应的直导线与所述挽磁电阻传感单元串对应的直导线具有相反方向的电流。

所述平面校准线圈的直导线与所述软磁通量集中器的Y轴中心线的距离为0～(1/2*Lx+1/2*Lgap),其中Lx为所述通量集中器的宽度，Lgap为所述通量集中器之间间隙的宽度。

所述平面校准线圈的直导线与Y轴中心线距离为0～1/2*Lx时，所述平面线圈位于所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的衬底之上磁电阻传感单元之下、磁电阻传感单元和软磁通量集中器之间、软磁通量集中器之上。

所述平面校准线圈的直导线与Y轴中心线距离为1/2*Lx～(1/2*Lx+1/2*Lgap)时，所述平面线圈位于所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的衬底之上磁电阻传感单元之下、磁电阻传感单元和软磁通量集中器之间、软磁通量集中器之间间隙处。

所述校准线圈是缠绕软磁通量集中器和磁电阻传感单元的三维校准线圈，

所述三维校准线圈包括多个相互串联的三维校准子线圈，每一个所述软磁通量集中器、所述推磁电阻传感单元串、挽磁电阻传感单元串均对应一个所述三维校准子线圈，

所述三维校准子线圈包括平行于所述软磁通量集中器Y轴中心线的第一组直导线和第二组直导线，所述第一组直导线和第二组直导线对称分布在对应的所述软磁通量集中器Y轴中心线两侧，所述第一组/第二组直导线包括两条直导线，所述第一/第二组直导线的两条直导线分别位于所述软磁通量集中器或推磁电阻传感单元串、挽磁电阻传感单元串表面上，所述第一组直导线的一条直导线和第二组直导线的一条直导线对称于所述Y轴中心线分布于推和挽磁电阻传感单元串之间区域，所述第一组直导线的另一条直导线和第二组直导线的另一条直导线对称于所述Y轴中心线分布于推和挽磁电阻传感单元串的外侧区域，在所述Y轴中心线两侧的所述第一组直导线和第二组直导线分别形成一个三维螺线圈，且两个所述三维螺线圈具有相反缠绕方向，且相互之间串联连接，其中一个所述三维螺线圈产生平行于X方向的磁场，另一个所述三维螺线圈产生-X方向的磁场。

所述重置线圈是平面重置线圈，所述平面重置线圈包含多个串联连接的垂直于所述软磁通量集中器Y轴中心线的直导线，其中，所述直导线位于所述Z轴线性传感器沿X轴方向的磁电阻单元行正上方或者正下方，并具有相同的电流方向。

所述重置线圈是三维重置线圈，所述三维重置线圈包含多个平行于所述磁电阻传感单元阵列沿X轴方向的磁电阻单元行的第一组直导线和第二组直导线，所述第一组直导线和第二组直导线分别位于所述软磁通量集中器和所述磁电阻单元的表面，所述第一组直导线和第二组直导线具有相反电流方向，并连接成一个螺线圈。

所述重置线圈和校准线圈为高导电率材料，如Cu、Au和Ag。

所述重置线圈/校准线圈和所述单芯片Z轴磁电阻传感器之间采用绝缘材料隔离，所述绝缘材料为SiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、聚酰亚胺或光刻胶。

所述校准线圈包含一个正的端口和一个负的端口，两端通过电流时，其所产生的校准磁场的幅度在所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串的线性工作区域内。

所述校准线圈的电流可以设定为一个电流值，或者为多个电流值。

所述重置线圈包含两个端口，所述重置磁场大小为高于所述自由层的饱和磁场值。

所述重置线圈中的电流为脉冲电流或直流电流。

附图说明

图1单芯片Z轴磁电阻线性传感器结构图；

图2单芯片Z轴磁电阻线性传感器截面图；

图3平面校准线圈样式一；

图4平面校准线圈样式二；

图5平面校准线圈位置一；

图6平面校准线圈位置二；

图7平面校准线圈位置三；

图8平面校准线圈位置四；

图9平面校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布图一；

图10平面校准线圈在磁电阻传感单元位置处的X向磁场分布图一；

图11平面校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布图二；

图12平面校准线圈在磁电阻传感单元位置处的X向磁场分布图二；

图13平面校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布图三；

图14平面校准线圈在磁电阻传感单元位置处的X向磁场分布图三；

图15三维校准线圈结构图；

图16三维校准线圈截面图；

图17三维校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布图；

图18三维校准线圈在磁电阻传感单元位置处的X向磁场分布图；

图19平面重置线圈结构图；

图20平面重置线圈截面位置图一；

图21平面重置线圈截面位置图二；

图22平面重置线圈截面位置图三；

图23平面重置线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布图；

图24平面重置线圈在磁电阻传感单元位置处的Y向磁场分布图；

图25三维重置线圈结构图；

图26三维重置线圈截面位置图；

图27三维重置线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布图；

图28三维重置线圈在磁电阻传感单元位置处的Y向磁场分布图；

图29重置线圈和校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上截面图一；

图30重置线圈和校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上截面图二；

图31重置线圈和校准线圈在单芯片Z轴磁电阻传感器上截面图三。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

实施例一

图3和图4分别为所述平面校准线圈101和102在所述单芯片Z轴磁电阻传感器上的两种结构分布图。所述平面校准线圈101和102包括多个平行于所述软磁通量集中器Y轴中心线3的直导线10和11，12和13，所述直导线10和11，12和13位于所述软磁通量集中器Y轴中心线3的两侧，其中10和12与所述推磁电阻传感单元串4同侧并一一对应，直导线11和13与所述挽磁电阻传感单元串5同侧并一一对应；且图3中对应于所述推磁电阻传感单元串4的所述直导线10和对应于挽磁电阻传感单元串5的所述直导线11相对于所述Y轴中心线3具有相同的距离，图4中对应于所述推磁电阻传感单元串4的所述直导线12和对应于所述挽磁电阻传感单元串5的所述直导线13也具有相同的距离。

所有位于所述软磁通量集中器Y轴中心线两侧中同一侧的所述直导线具有相同的电流方向，位于两侧的所述直导线具有相反的电流方向。如图3中所述直导线10和所述直导线11，图4中所述直导线12和所述直导线13具有相反的电流方向。

所有直导线与所述Y轴中心线的距离为0～(1/2*Lx+1/2*Lgap)。进一步的，所有直导线可以位于所述软磁通量集中的所在区域，即所有直导线与所述Y轴中心线的距离为0～1/2*Lx，即位于3和31，3和33之间区域。

如图3所对应的平面校准线圈结构，直导线10和11直接位于所述推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串的正上方或正下方。

图4所对应的平面校准线圈中所述直导线位于所述软磁通量集中器之间的间隙处，即所述直导线与所述Y轴中心线的距离为1/2*Lx～(1/2*Lx+1/2*Lgap)，如图4所示，直导线12和13位于所述通量集中器两侧的间隙处即位于31和32，33和34之间区域。

图5-8分别为所述平面校准线圈101和102在所述单芯片Z轴磁电阻传感器上的可能的位置的截面图。以图3所示的平面校准线圈101的直导线与所述Y轴中心线的距离为0～1/2*Lx为例，所述平面校准线圈101可以位于图5中所示的衬底1之上推、挽磁电阻传感单元串4和5之间，图6所示的推、挽磁电阻传感单元串4和5以及软磁通量集中器2之间，以及图7所示的软磁通量集中器2之上，相应的，分别引入绝缘层81，82和83来使得平面校准线圈101和周围各层之间的电隔离。

以图4所示的平面校准线圈102的直导线与所述Y轴中心线的距离为1/2*Lx～(1/2*Lx+1/2*Lgap)，除了同样可以位于图5中所示的衬底1之上推、挽磁电阻传感单元串4和5之间，图6所示的推、挽磁电阻传感单元串4和5以及软磁通量集中器2之间之外两种情况之外，还可以如图8所示位于推、挽磁电阻传感单元串之上和所述软磁通量集中器2和2’之间间隙处。

图9和图10所示分别为图4中所示平面校准线圈102所产生的磁场在单芯片Z轴磁电阻传感器上的磁力线分布及其在推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串位置处的沿X方向的磁场分量的分布。所述直导线位于相邻两个软磁通量集中器2的间隙处，位于所述推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5处的直导线分别产生两个反向的环向磁力线分布圈，且磁力线圈经过软磁通量集中器2到达所述推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5位置，其中，n1-n5分别对应各个软磁通量集中器2的中心位置，m1-m10分别对应各个推磁电阻传感器单元串和挽磁电阻传感单元串位置。可以从图10看出，位于通量集中器2中间位置处即n1-n5位置处的X向磁场分量为0，而位于通量集中器2表面的推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5处具有相反的X向磁场分量，即m1相对于m2、m3相对于m4、m5相对于m6、m7相对于m8、m9相对于m10大小相同，方向相反。

图11和图12，图13和图14所示分别为图3所示平面校准线圈101在所述推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5表面下方，以及位于所述软磁通量集中器2表面上方时所产生的磁力线分布及传感器位置处X方向磁场分量的分布。

可以看出，图11中，平面校准线圈101位于推磁电阻传感单元串2和挽磁电阻传感单元串4的正下方位置，n11-n15分别为软磁通量集中器2的中心位置，m11-m20分别为推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，图12中，位于所述磁电阻传感单元位置处平行于X方向上，n11-n15的X磁场分量为0，而推磁电阻传感单元m11和挽磁电阻传感单元m12，m13和m14，m15和m16，m17和m18，m19和m20，则具有大小相同，方向相反的X磁场分量。

图13中，平面校准线圈101位于软磁通量集中器2的表面位置上方并且分别对应推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5，n21-25分别为软磁通量集中器2的中心位置，m21-25分别为推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，图14中，磁电阻传感单元串位置，n21-n25处X磁场分量为0，而推磁电阻单元4和挽磁电阻单元5，即m21相对于m22，m23相对于m24，m25相对于m26，m27相对于m28，m29相对于m30，X磁场分量大小相同，方向相反。两种情况下，磁力线以直导线为中心构成两个环形圈，显然直导线位于软磁通量集中器以下时即图11，在传感器位置所产生的X方向磁场分量明显要大于直导线位于软磁通量集中器上面时即图13的X方向磁场分量。

因此，平面校准线圈可以通过电流的调节实现对于推磁电阻传感单元串以及挽磁电阻传感单元串的反方向，等大小磁场，从而可以实现对Z向外磁场的替代，实现对单芯片Z轴磁电阻传感器的校准。

实施例二

图15为三维校准线圈103结构图，可以看出，对应于一个推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4以及位于其表面的软磁通量器2，有一个三维校准子线圈，且各个三维校准子线圈之间串联连接。

所述每一个三维线圈包含平行于所述软磁通量集中器Y轴中心线3的第一组直导线和第二组直导线，所述第一组直导线和第二组直导线对称分布在对应的软磁通量集中器Y轴中心线3两侧，直导线14、16构成第一组直导线，直导线15、17构成第二组直导线，其中直导线14和15位于所述软磁通量集中器/推、挽磁电阻传感单元串的表面上，且位于推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4之间区域，且相对于所述Y轴中心线3对称；

直导线16和17位于推、挽磁电阻传感单元串/软磁通量集中器的表面上，且位于推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4外侧，且相对于所述Y轴中心线3对称。所述位于Y轴中心线3两侧的两组直导线各自形成一个螺线圈，且相互串联并具有相反缠绕方向，这样，三维校准子线圈在推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4处分别产生X和-X方向的磁场，且大小相同，同时由于软磁通量集中器的作用，大大减小线圈中所需的电流，减小了功耗。

图16为所述三维校准线圈103在单芯片Z轴磁电阻传感截面图上的位置图，所述两组直导线，两组直导线中各自对应的其中一条直导线14和15位于软磁通量通量集中器2表面，对应的另一条直导线16和17位于推磁电阻传感单元串5、挽磁电阻传感单元串4的表面。14和15之间，16和17之间分别相对于Y轴中心线对称分布，其中14和15分布于推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4之间区域，16和17分布于推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4外侧的区域。14和16构成一个螺线圈，15和17构成一个螺线圈，两个螺线圈串联，且具有相反的缠绕方向。和实施例1相同，还包括用于隔离三维线圈和其他部件的绝缘层84和85。尽管图16中直导线14和15位于软磁通量集中器表面，16和17位于推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4表面，实际上如果两者互换位置，同样可以适用于三维校准线圈。

图17和图18分别为三维校准线圈103在单芯片Z轴磁电阻传感器芯片上的磁力线分布图以及在推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5处的X轴向磁场分布图。可以看出，三维校准子线圈103在通量集中器2及推、挽磁电阻传感单元串4和5处各围绕直导线形成各自的磁力线环路，并依次穿过软磁通量集中器和推、挽磁电阻传感单元串。图17中，m31-m34分别为软磁通量集中器2的中心线，n41-n48分别为推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5的位置，图18中，m31-m34软磁通量集中器的中心线处X磁场分量为0，而推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5，即n41相对于n42，n43相对于n44，n45相对于n46，n47相对于n48，具有大小相等，方向相反的x磁场分量，符合校准磁场的要求。

实施例三

图19为平面重置线圈104的结构图，包含多个平行于X轴的直导线18，所述直导线18垂直于所述Y轴中心线3，且横跨推电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4上的磁电阻传感单元沿X方向的磁电阻传感单元，并且位于磁电阻传感单元的正上方或者正下方位置，所述直导线电流方向相同，且可使得其在所述的磁电阻单元位置处产生的沿Y方向的磁场分量大小相同，方向相同。

图20-22分别为平面重置线圈104在单芯片Z轴磁电阻传感器上位置的截面图。图20中，所述平面重置线圈104位于所述衬底1之上，推、挽磁电阻传感单元串4和5之下的情形，但它们也可以位于推、挽磁电阻传感单元串4和5之上；图21中平面重置线圈104位于所述软磁通量集中器2和推、挽磁电阻传感单元串4和5之间；图22是平面重置线圈104位于所述软磁通量集中器2之上。与校准线圈的实施例相同，为了实现平面重置线圈104和周边部件的隔离，采用了绝缘层86，87和88分别实现导线线圈的电绝缘。

图23为平面重置线圈104在Y方向截面上磁力线分布图，可以看出，在软磁通量集中器2表面，每个直导线产生一个磁力线环路，其中，n51-n55分别为位于软磁通量集中器2上的推磁电阻传感单元串或者挽磁电阻传感单元串，其在推、挽磁电阻传感单元n51-n55处产生的Y方向的磁场分量如图24所示，可以看出，所有磁电阻传感单元处于均匀Y向磁场当中，磁场幅度相同，方向也相同。

实施例四

图25为三维重置线圈105的结构图，包含上下两组平行于X轴的直导线19和20，所述直导线19和20以软磁通量集中器2和推磁电阻传感单元串5和挽磁电阻传感单元串4为磁芯进行缠绕成螺线管结构，且19和20具有相反的电流方向。

图26为三维重置线圈105在单芯片Z轴磁电阻传感器截面上的分布图，其上下两组直导线19和20分别位于所述软磁通量集中器2表面，以及所述推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5表面，并借助于两边的接线柱连接，形成一个环路。为了同周边部件隔离，增加了89和90两个绝缘层以保证三维重置线圈105的电隔离。

图27和图28分别为三维重置线圈105的上下两组直导线组成的螺线圈通电流时在软磁通量集中器和推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5位置处产生的磁力线的分布，其中n61-n65分别为磁电阻传感单元串。从图28可以看出，Y磁场分布在磁电阻传感单元位置处具有周期分布的特点，其中n61-n65位置处的Y的磁场分量大小相同，方向也相同，因此，只要上下层的直导线采用均匀的间隔排列，即得到的磁力线和在推、挽磁电阻传感单元串4和5处产生的Y向磁场分布均具有周期性的分布特征，并且在所述推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元各个磁电阻传感单元处产生相同的Y向磁场，因此所述上下直流导线可以位于所述推、挽磁电阻传感单元串的正上方或者正下方，也可以位于其它区域，只要直流导线为均匀分布，其在磁电阻传感单元串处所产生的磁场大小相同，方向也相同。

实施例五

以上分别对单个的平面校准线圈、三维校准线圈以及平面重置线圈、三维重置线圈的结构进行了描述，此外，还对它们在单芯片Z轴磁电阻传感器上的位置结构进行了说明。

实际在设计Z轴磁电阻传感器时，除了单芯片Z轴磁电阻传感器之外，可以分别包括校准线圈、或者重置线圈，或者两者都包括。

需要说明的是，在两者都包括的情况下，平面校准线圈、平面重置线圈可以位于同一位置，如衬底之上、推挽磁电阻传感单元之下，或者退、挽磁电阻传感单元和软磁通量集中器之间，或者软磁通量集中器之上，也可以位于以上三个位置中的任意两个位置的自由组合。对于三维校准线圈、三维重置线圈，则有一种固定的缠绕方法，即以软磁通量集中器和推、挽磁电阻传感单元为中心进行缠绕。对于三维线圈和平面线圈之间的组合，则三维线圈位于固定位置，平面线圈位于所述三种中的任意一种位置；所谓两种都是三维线圈的情况，则只有一种组合。

为了说明方便，只给出了平面校准线圈和平面重置线圈的三种典型组合结构如图29-31所示。如同图29中，平面校准线圈106和平面重置线圈107同时位于衬底1之上推、挽磁电阻传感单元串4和5之间；图30中平面校准线圈106位于推、挽磁电阻传感单元串4和5和软磁通量集中器2之间，平面重置线圈107位于衬底1之上推、挽磁电阻传感单元串4和5之间；图31中，平面校准线圈106位于软磁通量集中器2之上，平面重置线圈107位于衬底1之上推、挽磁电阻传感单元串4和5之间。

此外，实际使用时，校准线圈中通入的为直流电流，以产生直流磁场来代替外磁场，校准方式可以为预定一种直流电流值，观察在该电流值时的单芯片Z轴磁电阻传感器的输出值与标准值的差别，也可以为预定直流电流值的扫描值，观察单芯片Z轴磁电阻传感器的输出曲线与标准曲线的差别，以判定芯片是否合格。

对于重置线圈，通入的电路幅度必须以产生高于自由层的饱和值，从而使得磁化状态恢复到原来的状态，其重置电流可以为一种脉冲或者直流电路。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，包括单芯片Z轴线性磁电阻传感器，以及校准线圈或/和重置线圈；

所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器包括位于衬底上的软磁通量集中器和磁电阻传感单元阵列，

所述软磁通量集中器为长条形，其长轴沿Y方向，短轴沿X方向，

所有所述磁电阻传感单元为TMR传感单元，并且被钉扎层磁化方向都沿X方向，其自由层磁化方向都沿Y方向，所述磁电阻传感单元沿所述Y方向电连接成推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串，并分别位于相对应的所述软磁通量集中器表面上方或下方的Y轴中心线的两侧，且距离所述Y轴中心线具有相同的距离，所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串电连接成推挽式磁电阻传感器，

测量Z方向外磁场时，所述软磁通量集中器将所述Z方向外磁场扭曲成具有分别平行和反平行于所述被钉扎层磁化方向且幅度相同的两个磁场分量，并分别作用于所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串；

所述校准线圈为平面校准线圈或三维校准线圈，所述校准线圈包含平行于所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串的直导线，且分别在所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串处产生具有强度相同，但方向分别平行和反平行于所述被钉扎层磁化方向的磁场分量的校准磁场；

所述重置线圈为平面重置线圈或三维重置线圈，所述重置线圈包含平行于所述磁电阻传感单元被钉扎层磁化方向的直导线，且在所有所述磁电阻传感单元处均产生具有平行于自由层磁化方向的磁场分量的均匀重置磁场。

2.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器,其特征在于,所述校准线圈为平面校准线圈，所述平面校准线圈的直导线与所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串一一对应，且分别位于所述软磁通量集中器Y轴中心线的所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串的同一侧，且与所述推磁电阻传感单元串对应的直导线与所述挽磁电阻传感单元串对应的直导线具有相反方向的电流。

3.根据权利要求2所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器,其特征在于,所述平面校准线圈的直导线与所述软磁通量集中器的Y轴中心线的距离为0～(1/2*Lx+1/2*Lgap),其中Lx为所述通量集中器的宽度，Lgap为相邻的所述通量集中器之间间隙的宽度。

4.根据权利要求3所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述平面校准线圈的直导线与所述的软磁通量集中器的Y轴中心线距离为0～1/2*Lx时，所述平面线圈位于所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的衬底之上磁电阻传感单元之下、磁电阻传感单元和软磁通量集中器之间或软磁通量集中器之上。

5.根据权利要求3所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器,其特征在于，所述平面校准线圈的直导线与所述的软磁通量集中器的Y轴中心线距离为1/2*Lx～(1/2*Lx+1/2*Lgap)时，所述平面校准线圈位于所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器的衬底之上磁电阻传感单元之下、磁电阻传感单元和软磁通量集中器之间或软磁通量集中器之间间隙处。

6.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述校准线圈是缠绕软磁通量集中器和磁电阻传感单元的三维校准线圈，

所述三维校准线圈包括多个相互电串联的三维校准子线圈，每一个所述软磁通量集中器、所述推磁电阻传感单元串、挽磁电阻传感单元串均对应一个所述三维校准子线圈，

所述三维校准子线圈包括平行于所述软磁通量集中器Y轴中心线的第一组直导线和第二组直导线，所述第一组直导线和第二组直导线对称分布在对应的所述软磁通量集中器Y轴中心线两侧，

所述第一组直导线和第二组直导线各自包括两条直导线，所述第一组直导线和第二组直导线各自的两条直导线分别位于所述软磁通量集中器或所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串表面上，

所述第一组直导线的一条直导线和第二组直导线的一条直导线对称于所述Y轴中心线分布于推和挽磁电阻传感单元串之间区域，所述第一组直导线的另一条直导线和第二组直导线的另一条直导线对称于所述Y轴中心线分布于所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串的外侧区域，

所述第一组直导线形成第一三维螺线圈，所述第二组直导线形成第二三维螺线圈，且所述第一和第二三维螺线圈具有相反缠绕方向，且相互之间电串联连接，其中一个所述三维螺线圈产生平行于X方向的磁场，另一个所述三维螺线圈产生负X方向的磁场。

7.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈是平面重置线圈，所述平面重置线圈包含多个串联电连接的垂直于所述软磁通量集中器Y轴中心线的直导线，其中，所述直导线位于所述Z轴线性传感器沿所述X方向的所述磁电阻传感单元行正上方或者正下方，并具有相同的电流方向。

8.根据权利要求1所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈是三维重置线圈，所述三维重置线圈包含多个平行于所述磁电阻传感单元阵列沿所述X方向的所述磁电阻传感单元行的第一组直导线和第二组直导线，

所述第一组直导线和第二组直导线分别位于所述软磁通量集中器和所述磁电阻传感单元的表面，所述第一组直导线和第二组直导线具有相反电流方向，并连接成一个螺线圈。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈和校准线圈为高导电率材料,所述高导电率材料为Cu、Au或Ag。

10.根据权利要求9所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，所述重置线圈/校准线圈和所述单芯片Z轴磁电阻传感器之间采用电绝缘材料隔离，所述绝缘材料为SiO₂、Al₂O₃、Si₃N₄、聚酰亚胺或光刻胶。

11.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，

所述校准线圈包含一个正的端口和一个负的端口，所述正的端口和所述负的端口通过电流时，其所产生的所述校准磁场的幅度在所述推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串的线性工作区域内。

12.根据权利要求11所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，

所述校准线圈内的电流为设定的一个电流值或者多个电流值。

13.根据权利要求1、7或8所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，

所述重置线圈包含两个端口，所述重置磁场大小为高于所述自由层的饱和磁场值。

14.根据权利要求13所述的一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，其特征在于，

所述重置线圈中的电流为脉冲电流或直流电流。