CN114839418A

CN114839418A - 传感器、电子设备和检测装置

Info

Publication number: CN114839418A
Application number: CN202111681383.XA
Authority: CN
Inventors: 赵海轮; 冷群文; 丁凯文; 邹泉波; 周汪洋
Original assignee: Goertek Microelectronics Inc
Current assignee: Goertek Microelectronics Inc
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-08-02

Abstract

本发明公开一种传感器、电子设备和检测装置，其中，所述传感器包括传感单元和调节单元，所述传感单元包括多个磁阻模块，其中至少两个所述磁阻模块连接形成半桥电路，各所述磁阻模块的磁化方向平行于各所述磁阻模块所在的平面，所述调节单元产生调节磁场，至少两个所述磁阻模块的其中之一处于所述调节磁场，本发明提供的技术方案中，通过将需要调节的磁阻模块处设置与该磁阻模块的钉扎层的磁化方向反向的调节磁场，以使得处于所述调节磁场的所述磁阻模块的工作点处于零点。

Description

传感器、电子设备和检测装置

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及传感器、电子设备和检测装置。

背景技术

传感器被广泛的应用于现代系统来测量或检测物理参数，如位置、运动、力、加速度、温度、压力等。而各种不同类型的传感器用于测量这些参数和其它参数时，它们都受到各种限制。为了解决因位置、运动、力、加速度、温度、压力带来问题，MTJ传感器和GMR传感器已应用于惠斯登(Wheatstone) 桥结构，以提高灵敏度，消除温度相关的电阻变化。

GMR/TMR全桥传感器因为薄膜本身的磁性属性，并不能保证传感器一定工作于线性区，通常与线性区的零点会有一定的偏置磁场，这就导致传感器的输出特性为非线性的；同时，通常传感器工作在主磁滞回线上，输出特性的磁滞现象相对就大的多，将对传感器的输出电压带来较大的影响，无论是正向还是负向磁场使传感器饱和后，其输出特性将沿主磁滞回线中的内侧曲线返回零磁场点。当负向饱和磁场作用于传感器后，当小的正向磁场作用于传感器，传感器将输出一个负电压，然而对正向饱和后的传感器，同样的小负向磁场作用，则输出一个正电压，这种令人混淆的输出结果经常在探测微弱磁场遇到。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种传感器、电子设备和检测装置，旨在解决现有的传感器零点漂移的问题。

为实现上述目的，本发明提出的一种传感器，其中所述传感器包括：

传感单元，包括多个磁阻模块，其中至少两个所述磁阻模块连接形成半桥电路，各所述磁阻模块的磁化方向平行于各所述磁阻模块所在的平面；以及，

调节单元，所述调节单元产生调节磁场，至少两个所述磁阻模块的其中之一处于所述调节磁场，所述调节磁场的磁场方向与所处对应的所述磁阻模块的钉扎层的磁化方向反向设置，以使得处于所述调节磁场的所述磁阻模块的工作点处于零点。

可选地，所述调节单元设有两个，两个所述调节单元产生的两个所述调节磁场的方向反向设置，两个所述磁阻模块一一对应的处于两个所述调节磁场中。

可选地，多个磁阻模块中的至少四个所述磁阻模块连接形成全桥电路；

所述调节单元至少设有两个，两个所述磁阻模块一一对应的处于两个所述调节磁场中。

可选地，所述调节单元设有四个，四个所述调节单元中每相邻的两个所述调节单元产生的两个所述调节磁场的方向反向设置；

多个磁阻模块中的至少四个所述磁阻模块连接形成全桥电路，四个所述磁阻模块分别一一对应的处于四个所述调节磁场中。

可选地，各所述调节单元包括导线，所述导线与电源电性连接，以产生感应磁场，所述感应磁场中经各所述磁阻模块的磁场构成所述调节磁场。

所述导线设置两个，两个所述导线并联设置，两个导线通过连接导线连通，两个所述导线其中之一设于所述连接导线的一侧，另一设于所述连接导线的另一侧，以使得经流两个所述导线的电流的螺旋方向呈反向设置，以产生磁场方向相反的两个电感磁场，两个所述电感磁场中经各所述磁阻模块的磁场构成所述调节磁场。

可选地，所述磁阻模块包括GMR或者TMR膜堆。

可选地，两个所述导线靠近四个所述磁阻模块的自由层的一侧设置。

本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的传感器，所述传感器包括：

本发明还提供一种检测装置，所述检测装置包括上述的传感器，所述传感器包括：

本发明提供的技术方案中，传感器包括传感单元和调节单元，所述传感单元包括多个磁阻模块，其中至少两个所述磁阻模块连接形成半桥电路，各所述磁阻模块的磁化方向平行于各所述磁阻模块所在的平面，所述调节单元产生调节磁场，至少两个所述磁阻模块的其中之一处于所述调节磁场，通过将需要调节的磁阻模块处设置与该磁阻模块的钉扎层的磁化方向反向的调节磁场，以使得处于所述调节磁场的所述磁阻模块的工作点处于零点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的传感器一实施例的立体示意图；

图2为图1中的调节单元产生的感应磁场的示意图；

图3为本发明提供的传感器另一实施例的立体示意图；

图4为图3中A-A的剖面示意图；

图5为图2中的磁阻模块的结构及磁化方向示意图；

图6为图2中的磁阻模块形成低阻态的原理示意图；

图7为图2中的磁阻模块形成高阻态的原理示意图；

图8为图2中的高阻态磁阻模块与外场H的响应的曲线示意图；

图9为图2中的低阻态磁阻模块与外场H的响应的曲线示意图；

图10为图1和图2中的磁阻模块R1零点漂移的R-H曲线；

图11为图2中的磁阻模块R2零点漂移的R-H曲线。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	传感器	2000	全桥电路
1	传感单元	2	调节单元
				11	磁阻模块	21	导线
1000	半桥电路	22	连接导线

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示) 下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

传感器被广泛的应用于现代系统来测量或检测物理参数，如位置、运动、力、加速度、温度、压力等。而各种不同类型的传感器用于测量这些参数和其它参数时，它们都受到各种限制。例如，像那些使用在电子罗盘和其他类似的磁性传感应用中的廉价的低场传感器，通常包括基于各项异性的磁阻 (AMR)器件。为了达到所需的灵敏度和合适的电阻以便与CMOS融合，这种传感器的传感单元大小通常在平方毫米的量级。对于移动设备的应用，在费用、电路板面积和功耗上，这样的AMR传感器的配置都是昂贵的。其他类型的传感器，例如，磁性隧道结点(MTJ)传感器和巨磁阻(GMR) 传感器，已被用于提供较小的配置的传感器，但这种感应器都有各自的不足，例如不够灵感和受温度变化而影响。为了解决这些问题，MTJ传感器和 GMR传感器已应用于惠斯登(Wheatstone)桥结构，以提高灵敏度，消除温度相关的电阻变化。

为了解决上述问题，本发明提供一种传感器100，图1至图4为本发明提供的传感器100的具体实施例。

请参阅图1至图4，所述传感器100包括传感单元1和调节单元2，所述传感单元1包括多个磁阻模块11，其中至少两个所述磁阻模块11连接形成半桥电路1000，各所述磁阻模块11的磁化方向平行于各所述磁阻模块11所在的平面，所述调节单元2产生调节磁场，至少两个所述磁阻模块11的其中之一处于所述调节磁场，所述调节磁场的磁场方向与所处对应的所述磁阻模块 11的钉扎层的磁化方向反向设置，以使得处于所述调节磁场的所述磁阻模块 11的工作点处于零点。

本发明提供的技术方案中，传感器100包括传感单元1和调节单元2，所述传感单元1包括多个磁阻模块11，其中至少两个所述磁阻模块11连接形成半桥电路1000，各所述磁阻模块11的磁化方向平行于各所述磁阻模块11所在的平面，所述调节单元2产生调节磁场，至少两个所述磁阻模块11的其中之一处于所述调节磁场，通过将需要调节的磁阻模块11处设置与该磁阻模块 11的钉扎层的磁化方向反向的调节磁场，以使得处于所述调节磁场的所述磁阻模块11的工作点处于零点。

需要说明的是，磁阻模块11一般由钉扎层(Pinning Layer)、隧道势垒层(TunnelBarrier)、自由层(Free Layer)构成。请参阅图5，钉扎层由铁磁层(被钉扎层，PinnedLayer)和反铁磁层(AFM Layer)构成，铁磁层和反铁磁层之间的交换耦合作用决定了铁磁层的磁矩方向；隧道势垒层通常由 MgO或Al₂O₃构成，位于铁磁层的上部。铁磁层位于隧道势垒层的上部。如图所示的箭头分别代表被钉扎层和自由层的磁矩方向。被钉扎层的磁矩在一定大小的磁场作用下是相对固定的，自由层的磁矩相对于被钉扎层的磁矩是相对自由且可旋转的，随外场的变化而发生翻转。

还需要说明的是，请参阅图6和图7，因磁隧道电阻TMR是基于磁隧道结MTJs在外磁场的控制下电阻的切换。钉扎层磁畴的方向比较难以改变，而自由层一般自由层的矫顽力较小，在外加磁场的作用下容易发生方向翻转。若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小。因此，隧穿电导随着两铁磁层磁化方向的改变而变化，磁化矢量平行时的电导高于反平行时的电导。通过施加外磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，导致TMR效应的出现。当钉扎层的磁畴方向以外磁场方向一致时，由于自由层的磁畴方向以外磁场一致，此时电流从钉扎层通过氧化层再到自由层的隧道电流最大，此时形成低阻态；当钉扎层的磁畴方向以外磁场方向不一致时，钉扎层的磁畴方向与自由层的磁畴方向相反，此时电流通过就很难通过自由层，展现出很大的隧道磁电阻，此时形成高阻态。

还需要说明的是，请参阅图8和图9，R-H曲线具有低阻态RL和高阻态 RH。其高灵敏度的区域是在零场附近，传感器的工作区间位于零场附近，约为饱和场之间1/3的区域。响应曲线的斜率和传感器的灵敏度成正比。零场切线和低场切线以及高场切线相交于点(-Hs+H₀)和点(Hs+H₀)，可以看出，响应曲线不是沿H＝0的点对称的。H₀是典型的偏移场。H₀值通常被称为“橘子皮效应(Orange-peel Coupling)”或“奈尔耦合(Néel Coupling)”，其典型值为1到40Oe。其与磁电阻元件中铁磁性薄膜的结构和平整度有关，依赖于材料和制造工艺。Hs被定量地定义为线性区域的切线与正负饱和曲线的切线的交点对应的值，该值是在响应曲线相对于H₀点的不对称性消除的情况下所取的。在图8和图9中，白色箭头为自由层磁矩方向，黑色箭头为钉扎层磁矩方向，磁电阻响应曲线随自由层磁矩和被钉扎层磁矩之间角度的变化而变化：当自由层磁矩与钉扎层磁矩反平行时，曲线对应高阻态R_H；当自由层磁矩与钉扎层磁矩平行时，曲线对应低阻态R_L；当自由层磁矩与钉扎层磁矩垂直时，阻值是位于R_L和R_H之间的中间值，该区域是理想的线性磁传感器的“工作点”。请参阅图8，图8是另一个磁电阻R与外场H的响应曲线图，该磁电阻沿传感器的法线旋转了180°。在同一外场H的作用下，该磁电阻的响应曲线与主图对应的磁电阻的响应曲线呈相反的变化趋势。主图对应的磁电阻和旋转180°设置的磁电阻可以构造电桥，这样使得输出值更大。MTJ元件可以连接构成惠斯通电桥或其他电桥。

通过上述的原理可以理解的是，请参阅图1和图10，所示电路为半桥电路1000结构，其中R1为所述磁阻模块11，以图1中的R1为例，R1的钉扎层的磁化方向为负向，在理想状态下，H1＝0，当所述磁阻模块11R1产生0 点漂移的时候，说明所述磁阻模块11R1的自由层和钉扎层的相互作用最终的磁场方向为负向，设置所述调节单元2产生的磁场为Hx，当Hx大于H1时，即正向磁场克服了反向的磁场H1，此时自由层才能翻转，使得自由层与钉扎层呈反平衡状态，将所述磁阻模块11R1的工作点调节至0点。

进一步，为了使得所述传感器100的输出值更大，在本实施例中，所述调节单元2设有两个，两个所述调节单元2产生的两个所述调节磁场的方向反向设置，两个所述磁阻模块11一一对应的处于两个所述调节磁场中。请参阅图1和图2，以图1中的R3为例，R3的钉扎层的磁化方向为负向，在理想状态下，H3＝0，当所述磁阻模块11R3产生0点漂移的时候，说明所述磁阻模块11R3的自由层和钉扎层的相互作用最终的磁场方向为负向，设置所述调节单元2产生的磁场为负向的Hx，当Hx大于H1时，即正向磁场克服了反向的磁场H1，此时自由层才能翻转，使得自由层与钉扎层呈反平衡状态，将所述磁阻模块11R3的工作点调节至0点。

进一步，因惠斯通全桥结构的灵敏度和精确度更优于半桥结构，在另一实施例中，多个磁阻模块11中的至少四个所述磁阻模块11连接形成全桥电路2000，所述调节单元2至少设有两个，两个所述磁阻模块11一一对应的处于两个所述调节磁场中。因R1与R2的钉扎层的磁化方向反向设置，R2的钉扎层的磁化方向为正向，当所述磁阻模块11R2产生0点漂移的时候，说明所述磁阻模块11R2的自由层和钉扎层的相互作用最终的磁场方向为正向，设置所述调节单元2产生的磁场为Hx，当Hx大于H2时，即负向磁场克服了反向的磁场H2，此时自由层才能翻转，使得自由层与钉扎层呈反平衡状态。

进一步，请参阅图3，在另一实施例中，所述调节单元2设有四个，四个所述调节单元2中每相邻的两个所述调节单元2产生的两个所述调节磁场的方向反向设置，多个磁阻模块11中的至少四个所述磁阻模块11连接形成全桥电路2000，四个所述磁阻模块11分别一一对应的处于四个所述调节磁场中，根据上述的原理，因R1与R2的钉扎层的磁化方向反向设置，R3与R4的钉扎层的磁化方向反向设置，R1与R3的钉扎层的磁化方向同向设置，也即在惠斯通全桥结构上的每相邻的两个所述磁阻模块11的钉扎层的磁化方向都是反向设置，使得所述磁阻模块11均处于反向的所述调节磁场中，使得各所述磁阻模块11的工作点都可以调节至0点，这样所述传感器100的工作点也被调节至0点的理想状态，使得所述传感器100的灵敏度、精度和一致性更佳。

具体地，产生所述调节磁场的所述调节单元2可以是磁铁，而在本实施例中，各所述调节单元2包括导线21，所述导线21与电源电性连接，以产生感应磁场，所述感应磁场中经各所述磁阻模块11的磁场构成所述调节磁场，通过绕线方向的不同，使得流经所述导线21的电流的螺旋方向不一样，从而可以产生相异方向的磁场，使用电流产生感应磁场的方式来调节，该种调节方式更为简单。

进一步，在本实施例中，多个磁阻模块11中的至少四个所述磁阻模块11 连接形成全桥电路2000，所述导线21设置两个，两个所述导线21并联设置，两个导线21通过连接导线22连通，两个所述导线21其中之一设于所述连接导线22的一侧，另一设于所述连接导线22的另一侧，以使得经流两个所述导线21的电流的螺旋方向呈反向设置，以产生磁场方向相反的两个电感磁场，两个所述电感磁场中经各所述磁阻模块11的磁场构成所述调节磁场，根据上述的原理，因R1与R2的钉扎层的磁化方向反向设置，R3与R4的钉扎层的磁化方向反向设置，R1与R3的钉扎层的磁化方向同向设置，也即在惠斯通全桥结构上的每相邻的两个所述磁阻模块11的钉扎层的磁化方向都是反向设置，使得各所述磁阻模块11均处于反向的所述调节磁场中，使得各所述磁阻模块11的工作点都可以调节至0点，这样所述传感器100的工作点也被调节至0点的理想状态。

具体地，在本实施例中，所述磁阻模块11包括GMR或者TMR膜堆。采用GMR或者TMR膜堆的加工工艺如下：首先进行沉积巨磁阻膜堆的工序，即在硅基底上生长热氧化硅，然后再氧化硅上表面沉积巨磁阻膜堆；在巨磁阻膜堆沉积完成后，再制作巨磁阻膜堆图形，也就是在巨磁阻膜堆上表面涂覆正性光刻胶，再通过曝光、显影等工艺形成膜堆图案，利用离子束刻蚀(IBE) 工艺去除未被光刻胶保护区域的巨磁阻膜堆，然后去除光刻胶，从而将巨磁阻膜堆图形化；为了实现电极与巨磁阻膜堆图形连接，再制作电极图形：在基片表面涂覆光刻胶，再通过曝光、显影等工艺形成电极图案，利用电子束蒸发工艺在基片表面沉积一定厚度的金属薄膜，然后再剥离去除光刻胶，形成电极图案；后面再制作电路绝缘保护层：在基片上表面全部沉积绝缘层作为电路的保护层；然后再在电极上制作出测试区域：在沉积完成的绝缘层上涂覆光刻胶，再通过曝光、显影在电极上露出测试区域，然后反应离子刻蚀(RIE)工艺刻蚀绝缘层至金属层；最后制作电流线图形：在基片表面涂覆光刻胶，再通过曝光、显影等工艺形成电极图案，利用电子束蒸发工艺在基片表面沉积一定厚度的金属薄膜，然后再剥离去除光刻胶，形成电流线图案，最终完成整个磁传感器100电路制作，所述传感器100的制备工艺简单，效率较高。

进一步地，为了使加工以及感应磁场的调节效果更佳，在本实施例中，两个所述导线21靠近四个所述磁阻模块11的自由层的一侧设置，这样在设于所述GMR或者TMR膜堆的绝缘层的上侧直接可以设置所述导线21，可以利用所述磁阻模块11的绝缘层，与所述导线21进行隔绝。

本发明还提供一种电子设备，该电子设备包括所述传感器100，该传感器 100的具体结构参照上述实施例，由于本电子设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

除了用作芯片内置传感器100来检测微弱电流，还可以通过调节电流导线21的宽度、半径、与传感单元1的距离等参数，实现大电流检测，用作电网或新能源汽车电池电流的检测等。

本发明还提供一种检测装置，该检测装置包括所述传感器100，该传感器 100的具体结构参照上述实施例，由于本检测装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述所有实施例的全部技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种传感器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述调节单元设有两个，两个所述调节单元产生的两个所述调节磁场的方向反向设置，两个所述磁阻模块一一对应的处于两个所述调节磁场中。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，多个磁阻模块中的至少四个所述磁阻模块连接形成全桥电路；

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述调节单元设有四个，四个所述调节单元中每相邻的两个所述调节单元产生的两个所述调节磁场的方向反向设置；

5.如权利要求1至4中任意一项所述的传感器，其特征在于，各所述调节单元包括导线，所述导线与电源电性连接，以产生感应磁场，所述感应磁场中经各所述磁阻模块的磁场构成所述调节磁场。

6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，多个磁阻模块中的至少四个所述磁阻模块连接形成全桥电路；

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述磁阻模块包括GMR或者TMR膜堆。

8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，两个所述导线靠近四个所述磁阻模块的自由层的一侧设置。

9.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的传感器。

10.一种检测装置，其特征在于，包括如权利要求1至8中任意一项所述的传感器。