CN202210145U - Mtj三轴磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种 MTJ 三轴磁场传感器，敏感方向为 X 轴的 X 轴桥式磁场传感器、敏感方向为 Y 轴的 Y 轴桥式磁场传感器、敏感方向为 Z 轴的 Z 轴磁场传感器、与所述 X 轴桥式磁场传感器、所述 Y 轴桥式磁场传感器和所述 Z 轴磁场传感器相连接且适配的 ASIC 芯片，所述 Z 轴磁场传感器包括基片和制备在该基片上的 MTJ 元件，所述 Z 轴磁场传感器贴覆在 ASIC 芯片上形成一贴覆边，所述 Z 轴磁场传感器上与贴覆边相邻的侧边与该贴覆边形成一夹角，该夹角为锐角或钝角，其中 X 轴、 Y 轴和 Z 轴两两正交。本实用新型采用以上结构，集成度高，灵敏度更高，功耗更低，线性更好，动态范围更宽，温度特性更好，抗干扰能力更强。

Description

MTJ三轴磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种磁场传感器的设计，特别的是一种MTJ三轴磁场传感器及其封装方法。

背景技术

隧道结磁电阻传感器（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应（TMR, Tunnel Magnetoresistance）,主要表现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，它比之前所发现并实际应用的AMR（各向异性磁电阻）具有更大的电阻变化率，同时相对于霍尔效应材料具有更好的温度稳定性。MTJ磁场传感器具有电阻变化率大，输出信号幅值大，电阻率高，功耗低，温度稳定性高的优点。用MTJ制成的磁场传感器比AMR、GMR、霍尔器件具有灵敏度更高，功耗更低，线性更好，动态范围更宽，温度特性更好，抗干扰能力更强的优点。此外MTJ还能方便的集成到现有的芯片微加工工艺当中，便于制成体积很小的集成磁场传感器。

通常多轴磁场传感器具有比单轴传感器更高的集成度，更好的正交性，可以非常方便的应用于多轴或是矢量传感器场合。而磁场本身就是一个矢量场，因而多轴磁场测量传感器具有非常广泛的应用，特别是电子罗盘，地磁测量等都采用双轴或三轴磁场测量，因此，生产，集成度高的，单一芯片多轴磁场传感器是一种非常现实的需求。

通常沉积在同一硅片上的MTJ元件，由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的MTJ元件，在进行退火之后，钉扎层磁化方向通常都相同，这使得制作推挽桥式传感器存在很大困难。目前主流的GMR三轴传感器是将三个芯片的X、Y、Z轴的GMR磁场传感器封装在一起实现的，体积大，封装成本高，较之MTJ磁场传感器具有灵敏度低，功耗高等缺点。

从以上方法可以看出，现有的采用AMR、霍尔、GMR元件的三轴磁场传感器具有体积大，功耗高，灵敏度低等缺点，且MTJ三轴磁场传感器在设计上难以实现。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种MTJ三轴磁场传感器，该MTJ三轴磁场传感器灵敏度高，小尺寸，高集成，低功耗。

一种MTJ三轴磁场传感器，敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器、敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器、敏感方向为Z轴的Z轴磁场传感器、与所述X轴桥式磁场传感器、所述Y轴桥式磁场传感器和所述Z轴磁场传感器相连接且适配的ASIC芯片，所述Z轴磁场传感器包括连接的磁传感芯片，所述磁传感芯片包括基片和制备在该基片上的MTJ元件，所述磁传感芯片贴覆在ASIC芯片上形成一贴覆边，所述磁传感芯片上与贴覆边相邻的侧边与该贴覆边形成一夹角，该夹角为锐角或钝角，其中X轴、Y轴和Z轴两两正交。

优选地，所述X轴桥式磁场传感器为MTJ磁电阻传感器。

优选地，所述Y轴桥式磁场传感器为MTJ磁电阻传感器。

优选地，所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器可通过金线与所述ASIC芯片相电连。

优选地，所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器可通过锡焊球与所述ASIC芯片相电连。

优选地，所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器集成设置在同一芯片上。

优选地，所述X轴桥式磁场传感器为参考桥式磁场传感器，所述Y轴桥式磁场传感器为推挽桥式磁场传感器。

优选地，所述磁传感芯片通过焊锡球与所述ASIC芯片相电连。

优选地，所述Z轴磁场传感器包括两个或四个MTJ磁传感芯片，所述MTJ磁传感芯片对称排布在ASIC芯片上。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明采用以上结构，集成度高，灵敏度更高，功耗更低，线性更好，动态范围更宽，温度特性更好，抗干扰能力更强。

附图说明

图1是一个隧道结磁电阻（MTJ）元件的示意图。

图2是MTJ元件的理想输出曲线图。

图3是MTJ元件串联而形成MTJ磁电阻的示意图。

图4是一种MTJ推挽全桥传感器的示意图。

图5是推挽全桥的输出曲线的模拟结果。

图6是一种MTJ参考全桥传感器的示意图。

图7是推挽全桥的输出曲线的模拟结果。

图8是一次性制备单一芯片MTJ双轴磁场传感器的示意图。

图9是Z轴磁场传感器第一种封装方法的第一步。

图10是Z轴磁场传感器第一种封装方法的第二步。

图11是Z轴磁场传感器第一种封装方法的第三步。

图12是Z轴磁场传感器第一种封装方法的第四步。

图13是Z轴磁场传感器第二种封装方法的第一步。

图14是Z轴磁场传感器第二种封装方法的第二步。

图15是Z轴磁场传感器第二种封装方法的第三步。

图16是Z轴磁场传感器第二种封装方法的第四步。

图17是本发明的采用第一种封装方法的MTJ三轴磁场传感器的结构示意图。

图18是本发明的采用第二种封装方法的MTJ三轴磁场传感器的结构示意图。

附图中：1、MTJ元件；2、磁性钉扎层；3、反铁磁层；4、铁磁层；5、隧道势垒层；6、磁性自由层；7、磁性自由层的磁化方向；8、磁性钉扎层的磁化方向；9、外加磁场；10、敏感方向；11、种子层；12、上电极层；13、测量电阻值；14、低阻态；15、高阻态；16、电流方向；17、永磁铁；18、基片；19、ASIC芯片；20、焊锡球；21、贴覆边；22、侧边；23、夹角； 24、MTJ磁传感芯片；25、X轴桥式磁场传感器；26、Y轴桥式磁场传感器；27、Z轴磁场传感器；41、R1的磁性自由层的磁化方向；42、R2的磁性自由层的磁化方向；43、R3的磁性自由层的磁化方向；44、R4的磁性自由层的磁化方向。

具体实施方式

下面结合附图1-18之一对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。

隧道结磁电阻概述：

图1是一个隧道结磁电阻（MTJ）元件的示意图。一个标准的MTJ元件1包括磁性自由层6，磁性钉扎层2以及两个磁性层之间的隧道势垒层5。磁性自由层6由铁磁材料构成，磁性自由层的磁化方向7随外部磁场的改变而变化。磁性钉扎层2是一个磁化方向固定的磁性层，磁性钉扎层的磁化方向8被钉扎在一个方向，在一般条件不会发生改变。磁性钉扎层通常是在反铁磁层3的上方或下方沉积铁磁层4构成。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层11的上方，同时MTJ结构的上方为上电极层12，MTJ元件种子层11和上电极层12之间的测量电阻值13代表磁性自由层6和磁性钉扎层2之间的相对磁化方向。

图2是MTJ元件的理想输出曲线图，输出曲线在低阻态14和高阻态15时饱和， R _L 和R _H 分别代表低阻态14和高阻态15的阻值。当磁性自由层的磁化方向7与磁性钉扎层的磁化方向8平行时，整个元件的测量电阻值13在低阻态；当磁性自由层的磁化方向7与磁性钉扎层的磁化方向8反平行时，整个元件的测量电阻值13在高阻态15。通过已知的技术，MTJ元件1的电阻可随着外加磁场在高阻态和低阻态间线性变化，饱和场-H _s 和H _s 之间的磁场范围就是MTJ元件的测量范围。

图3是MTJ元件串联而形成MTJ磁电阻的示意图。串联起来的MTJ元件1形成MTJ磁电阻能降低噪声，提高传感器的稳定性。在MTJ磁电阻中，每个MTJ元件1的偏置电压随磁隧道结数量的增加而降低。电流的降低需要产生一个大的电压输出，从而降低了散粒噪声，随着磁隧道结的增多同时也增强了传感器的ESD稳定性。此外，随着MTJ元件1数量的增多MTJ磁电阻的噪声相应地降低，这是因为每一个独立的MTJ元件的互不相关的随机行为被平均掉。

推挽全桥传感器的设计：

图4是一种MTJ推挽全桥传感器的示意图。四个磁电阻R1、R2、R3、R4全桥联接，每个磁电阻由一个或多个MTJ元件1串联组成（如图2）。四个MTJ元件1的磁性钉扎层的磁矩方向相同，每个磁电阻元件的磁性自由层磁化方向和磁性钉扎层磁化方向呈一夹角θ（可以为30°到90°之间），且每个磁电阻元件的这一夹角θ大小相同，位于相对位置的磁电阻元件（R1和R3，R2和R4）的磁性自由层磁化方向相同（41和43,42和44），位于相邻位置的磁电阻元件（R1和R2，R3和R4）的磁性自由层的磁化方向不同（41和42,43和44）。该全桥结构的敏感方向10垂直于磁性钉扎层的磁化方向8。该设计的磁性钉扎层的磁化方向8相同，可以在同一芯片上通过一次工艺直接形成推挽全桥传感器，不需要采用多芯片封装工艺，也不需要进行激光加热局部辅助热退火。

当对推挽全桥传感器施加一外场时，沿敏感方向10的磁场分量使相对位置的磁电阻R1和R3阻值增加的同时另外两个处于相对位置的磁电阻R2和R4的阻值会相应地减小，改变外场的方向会使R1和R3阻值减小的同时R2和R4的阻值会相应地增加，使用两对磁电阻的组合测量外场有相反的响应——一对阻值增加另一对阻值降低——这样可以增加桥式电路的响应，因此被称为“推挽式”桥式电路。在理想情况下，若电阻R1和R3的阻值由R1变为（R1+ΔR），则相应的R2和R4的阻值由R2变为（R2-ΔR），则输出为：

                                             （1）

理想情况下，R1=R2＞ΔR，则化简后可得：

                                             （2）

即实现推挽全桥的输出，其输出曲线的模拟结果见图5。

磁性自由层和磁性钉扎层的夹角可由以下方式或以下方式的结合实现：

（1）形状各向异性能：利用MTJ元件1的各向异性能对磁性自由层磁化方向进行偏置，MTJ元件1的长轴是易磁化轴，通过设置元件的长短轴比可以设置其形状各项异性；

（2）永磁体偏置：在MTJ元件1周围设置永磁体对此性自由层磁化方向进行偏置；

（3）电流线偏置：在MTJ元件1上层或下层沉积金属导线产生磁场，从而实现对磁性自由层磁化方向的偏置；

（4）奈尔耦合：利用磁性钉扎层和磁性自由层间的奈尔耦合场对磁性自由层磁化方向进行偏置；

（5）交换偏置：该技术是通过MTJ元件1自由层和相邻的弱反铁磁层的交换耦合作用创建一个有效的垂直于敏感方向的外场。可以在自由层和交换偏置层间设置Cu或Ta的隔离层来降低交换偏置强度。

参考全桥传感器的设计：

图6是一种MTJ参考全桥传感器的示意图。四个MTJ磁电阻R1、R2、R3、R4全桥联接，每个MTJ磁电阻由一个或多个MTJ元件1串联组成（如图2）。其中R1和R3的输出曲线强烈依赖外加磁场9，被称为感应臂，与之相对应的R2和R4的输出曲线弱依赖于外加磁场9，被称为参考臂。该全桥结构的敏感方向10平行于磁性钉扎层的磁化方向8。该设计的磁性钉扎层方向相同，可以在同一芯片上通过一次工艺直接形成推挽全桥传感器，不需要采用多芯片封装工艺，也不需要进行激光加热局部辅助热退火。

当对推挽全桥传感器施加一外场时，沿敏感方向10的磁场分量使感应臂R1和R3阻值增加或减小，而参考臂磁电阻R2和R4在感应臂磁电阻的饱和场Hs范围内变化很小，在实际情况下，MTJ参考全桥传感器的线性区域是足够宽的，其输出曲线的模拟结果见图7。

对于构建参考桥式传感器来说，很重要的一点是设置参考臂的灵敏度。磁阻元件的灵敏度被定义为电阻随外加磁场的作用变化的电阻函数：

                        （3）

减少参考臂和与之相关的感应臂的磁阻是不实际的，所以改变的灵敏度的最佳方式是改变Hs。这可以是由下面一种或几种不同的方法的组合来实现：

（1）磁屏蔽：将高磁导率铁磁层沉积在参考臂上以削弱外加磁场的作用；

（2）形状各向异性能：由于参考元件和传感元件有不同的尺寸因此具有不同的形状各向异性能。最普遍的做法是使参考元件的长轴长度大于MTJ传感元件的长轴长度，短轴长度小于传感元件的短轴长度，因此参考元件平行于敏感方向的退磁效应要远大于传感元件；

（3）交换偏置：该技术是通过MTJ元件自由层和相邻的弱反铁磁层的交换耦合作用创建一个有效的垂直于敏感方向的外场。可以在自由层和交换偏置层间设置Cu或Ta的隔离层来降低交换偏置强度；

（4）散场偏置：在该技术中， Fe、Co、 Cr和Pt等永磁合金材料被沉积到传感元件表面或磁隧道结上，用于提供散磁场以偏置MTJ元件的输出曲线。永磁偏置的一个优势是可以在电桥构成以后的使用一个大的磁场初始化永磁体。另外一个非常重要的优势是偏置场可以消除MTJ元件的磁畴以稳定和线性化MTJ元件1的输出。该设计的巨大优点在于其在设计调整上具有很大的灵活性。

单一芯片MTJ双轴磁场传感器的设计：

通常沉积在同一硅片上的MTJ元件1由于其磁矩翻转所需要的磁场强度大小相同，因而在同一个硅片上的磁电阻元件，在进行退火之后，钉扎层磁化方向通常都相同。通常双轴磁场传感器可以由两个桥式磁场传感器呈90°角组合设置来实现，以下我们将阐述单一芯片的双轴磁场传感器的实现。单一芯片MTJ双轴磁场传感器的设计可通过以下方法或几种方法的组合实现：

方法一：激光加热辅助磁畴局部翻转法。将MTJ元件在同一强磁场中退火来使不同桥臂的被钉扎层磁矩方向相同。之后采用激光对硅片进行局部加热辅助磁矩翻转，从而实现地单一硅片上制备双轴磁场传感器；

方法二：采用多次成膜工艺，分多次分别沉积被钉扎层方向不同的磁电阻元件。

方法三：一次性制备单一芯片双轴磁场传感器。图8是一次性制备单一芯片MTJ双轴磁场传感器的示意图。敏感方向为Y轴的MTJ推挽全桥传感器和敏感方向为X轴的MTJ参考全桥传感器在同一基片上采用相同的工序制备而成，磁性钉扎层的磁化方向为同一方向。

三轴磁场传感器的设计：

一种MTJ三轴磁场传感器，敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器25、敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器26、敏感方向为Z轴的Z轴磁场传感器27、与所述X轴桥式磁场传感器25、所述Y轴桥式磁场传感器26和Z轴磁场传感器27相连接且适配的ASIC芯片19，所述Z轴磁场传感器27由磁传感芯片24电连而成，所述磁传感芯片24包括基片18和该基片18上的MTJ元件1，所述磁传感芯片24贴覆在ASIC芯片19上形成一贴覆边21，所述磁传感芯片24上与贴覆边21相邻的侧边22与该贴覆边21形成一夹角23，该夹角23为锐角或钝角，其中X轴、Y轴和Z轴两两正交。其中ASIC芯片19的作用是调理信号。

所述X轴桥式磁场传感器25和所述Y轴桥式磁场传感器26集成设置在同一芯片上。所述X轴桥式磁场传感器25为MTJ磁电阻传感器。所述Y轴桥式磁场传感器26为MTJ磁电阻传感器。所述X轴桥式磁场传感器25为参考桥式磁场传感器，所述Y轴桥式磁场传感器26为推挽桥式磁场传感器。

所述磁传感芯片24通过焊锡球20与所述ASIC芯片19相电连。

所述Z轴磁场传感器27包括两个或四个所述磁传感芯片24，所述MTJ磁传感芯片24对称排布在ASIC芯片19上。

如附图17所示，第一种MTJ三轴磁场传感器的封装方法，A）制备敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器25，并且与ASIC芯片19相连；B）制备敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器26，并且与ASIC芯片19相连；C）在基片18上制备MTJ元件1形成晶圆（如附图9所示），对该晶圆进行斜向切割形成MTJ磁传感芯片24（如附图10所示），将MTJ磁传感芯片24贴覆在ASIC芯片19上形成一贴覆边21（如附图11所示），该MTJ磁传感芯片24的贴覆边21与贴覆边21相邻的侧边形成一夹角23，该夹角23为锐角或钝角，通过焊锡球20将MTJ磁传感芯片24与ASIC芯片19实现连接固定（如附图12所示），将MTJ磁传感芯片24电连形成Z轴磁场传感器27。

所述MTJ磁传感芯片24可以是一次性制备的MTJ桥式磁场传感器芯片（如图4和图6），也可以是MTJ磁电阻（如图3）芯片连接成桥式磁场传感器。

如附图18所示，第二种MTJ三轴磁场传感器的封装方法，A）制备敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器25，并且与ASIC芯片19相连；B）制备敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器26，并且与ASIC芯片19相连；C）在基片18上沉积MTJ磁电阻24制备成晶圆（如附图13所示），对该晶圆的背面进行进行腐蚀形成斜面，再对该晶圆进行切割成MTJ磁传感芯片24（如附图14和图15所示），将MTJ磁传感芯片24贴覆在ASIC芯片19上形成一贴覆边21，该MTJ磁传感芯片24的贴覆边21与贴覆边相邻的侧边22形成一夹角23，该夹角23为锐角或钝角，通过焊锡球20将MTJ磁传感芯片24与ASIC芯片19实现连接固定（如附图16所示），将MTJ磁传感芯片24电连形成Z轴磁场传感器27。

所述MTJ磁传感芯片24可以是一次性制备的MTJ桥式磁场传感器芯片（如图4和图6），也可以是MTJ磁电阻（如图3）芯片。

以上对本发明的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本发明的范围和精神的基础上，可以对现有技术和工艺进行很多修改。在本发明的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本发明的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。

Claims (9)

1.一种MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：敏感方向为X轴的X轴桥式磁场传感器、敏感方向为Y轴的Y轴桥式磁场传感器、敏感方向为Z轴的Z轴磁场传感器、与所述X轴桥式磁场传感器、所述Y轴桥式磁场传感器和所述Z轴磁场传感器相连接且适配的ASIC芯片，所述Z轴磁场传感器包括连接的磁传感芯片，所述磁传感芯片包括基片和制备在该基片上的MTJ元件，所述磁传感芯片贴覆在ASIC芯片上形成一贴覆边，所述磁传感芯片上与贴覆边相邻的侧边与该贴覆边形成一夹角，该夹角为锐角或钝角，其中X轴、Y轴和Z轴两两正交。

2.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述X轴桥式磁场传感器为MTJ磁电阻传感器。

3.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述Y轴桥式磁场传感器为MTJ磁电阻传感器。

4.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器可通过金线与所述ASIC芯片相电连。

5.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器可通过锡焊球与所述ASIC芯片相电连。

6.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述X轴桥式磁场传感器和所述Y轴桥式磁场传感器集成设置在同一芯片上。

7.根据权利要求4所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述X轴桥式磁场传感器为参考桥式磁场传感器，所述Y轴桥式磁场传感器为推挽桥式磁场传感器。

8.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述磁传感芯片通过焊锡球与所述ASIC芯片相电连。

9.根据权利要求1所述的MTJ三轴磁场传感器，其特征在于：所述Z轴磁场传感器包括两个或四个MTJ磁传感芯片，所述MTJ磁传感芯片对称排布在ASIC芯片上。

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