CN202305777U - 单片双轴桥式磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单片双轴桥式磁场传感器，该双轴桥式磁场传感器采用隧道结磁电阻元件在同一半导体基片上制备两种全桥磁场传感器以感应正交磁场分量。该传感器通过设置传感元件的形状和永磁偏置场以感应正交磁场分量。正交桥式传感器的偏置永磁体和参考层在在同一个磁场方向下初始化，不需要特殊的工艺，局部加热或在不同的工序中沉积其他磁性材料以实现双轴磁场传感器。

Description

单片双轴桥式磁场传感器

技术领域

本实用新型涉及桥式传感器的设计和制备，特别的是一种单一芯片双轴桥式磁场传感器。

背景技术

磁性传感器广泛用于现代系统中以测量或感应磁场强度、电流、位置、运动、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数。但是，他们都受到了现有技术中的各种众所周知的限制，例如，尺寸过大，灵敏度低，动态范围窄，成本高，可靠性低以及其他因素。因此，持续地改进磁传感器，特别是改进易与半导体器件或集成电路整合的传感器及其制造方法是有必要的。

隧道结磁电阻传感器（MTJ, Magnetic Tunnel Junction）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，但是高灵敏度的MTJ传感器并没有实现低成本大规模生产。特别是传感器的成品率取决于MTJ元件磁阻输出的偏移值，组成电桥的MTJ的磁阻很难达到高的匹配度，同时正交磁场传感器在同一半导体基片上集成的制造工艺非常复杂。

实用新型内容

本实用新型提供了一种采用标准半导体制造工艺、用于规模生产的双轴线性磁电阻传感器芯片的制备方法。双轴传感器采用隧道结磁电阻元件或巨磁电阻（GMR）元件在同一半导体基片上制备两个不同的桥式磁传感器以感应正交磁场分量。双轴磁传感器能够感应正交磁场分量依赖于传感元件的几何形状。桥式传感器通过设置永磁偏置层后能更稳定，永磁层在晶圆级别或在封装之后通过同一工序在强磁场中初始化。因为桥式传感器的永磁偏置层和参考层沿同一方向初始化，没有通过特殊处理，局部加热， 或者在不同的工序中沉积不同的磁性材料。

本实用新型提供了一种单片双轴桥式磁场传感器，它包括一沿“Y”轴方向敏感的参考桥式传感器和一沿“X”轴方向敏感的推挽桥式传感器，所述参考桥式传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器包括传感元件，其中 “X”轴和“Y”轴相正交。

优选地，所述参考桥式传感器为参考全桥传感器，该参考全桥传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器为推挽全桥传感器，。

优选地，它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

优选地，所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。

优选地，所述参考桥式传感器为参考半桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽半桥传感器。

优选地，它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

优选地，所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。

优选地，所述参考桥式传感器包括参考臂和感应臂。

优选地，所述参考桥式传感器包括一用于包覆住构成参考臂的磁电阻元件的屏蔽层以降低参考臂的灵敏度，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。

优选地，所述参考桥式传感器的传感元件周边设置有高磁导率的铁磁材料以增加传感元件的灵敏度。。

本实用新型采用以上结构，能够实现低成本大规模的在同一半导体基片上集成制作。

附图说明

图1 是隧道结磁电阻的示意图。

图2 是参考层磁化方向为难轴的自旋阀磁电阻元件的输出示意图。

图3是将多个磁隧道结元件合并为一个等效磁电阻元件的连接示意图。

图4是线性参考全桥磁电阻传感器的原理图。

图5是一种采用永磁偏置产生交叉偏置场的参考全桥传感器的布局图。

图6是参考全桥传感器在外加磁场沿灵敏度方向的分量作用下的响应图。

图7是参考全桥传感器在外加磁场垂直于灵敏方向的分量作用下的响应图。

图8 是参考全桥磁电阻传感器的输出曲线的模拟结果。

图9为线性推挽全桥磁电阻传感器的原理图。

图10利用形状各项异性能和永磁体偏置的一种推挽全桥传感器的概念图。永磁体结构用于产生偏置磁场，旋转的自由层磁化方向用于产生推挽输出曲线。

图11是自由层磁化方向旋转的推挽全桥磁电阻传感器在外场沿灵敏度方向的分量作用下的响应图。

图12是是自由层磁化方向旋转的推挽全桥磁电阻传感器在外场垂直于灵敏度方向的分量作用下的响应图。

图13是推挽全桥磁电阻传感器的输出图。

图14是通过设置永磁体产生磁偏置的第一效果图。

图15是通过设置永磁体产生磁偏置的第二效果图。

图16是采用推挽全桥和参考全桥设计的单片双轴桥式磁场传感器的布局概念图。

具体实施方式

磁性隧道结概述：

图1是一个MTJ多层膜元件的功能概念简图。一个MTJ元件1一般包括上层的铁磁层和反铁磁层10 (Synthetic Antiferromagnetic， SAF），以及下层的铁磁层和SAF层11，两个磁性层之间的隧道势垒层12。在这种结构中，上层的铁磁层和SAF层10组成了磁性自由层，其磁化方向随外部磁场的改变而变化。下层的磁性层和SAF层11是一个固定的磁性层，因为其磁化方向是钉扎在一个方向，在一般条件下是不会改变的​​。钉扎层通常是在反铁磁性层13的上方或下方沉积铁磁层或SAF层。MTJ结构通常是沉积在导电的种子层14的上方，同时MTJ结构的上方为电极层15。 MTJ的种子层14和保护层15之间的测量电阻值16是代表自由层10和钉扎层11的相对磁化方向。当上层的铁磁层和SAF层10的磁化方向与下层的铁磁层11的磁化方向平行时，整个元件的电阻16在低阻态。当上层的铁磁层10的磁化方向与下层的磁性层12的磁化方向反平行时，整个元件的电阻16在高阻态。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。

图2是适用于线性磁场测量的GMR或MTJ磁电阻元件的输出曲线示意图。输出曲线在低阻态21和高阻态22的阻值时饱和， R_L和R_H分别代表低阻态和高阻态的阻值。在阻值为R_L时，钉扎层和自由层磁化方向平行（28）；在阻值为R_H时，钉扎层和自由层磁化方向反平行（29）。在达到饱和之前，输出曲线是线性依赖于外加磁场H。输出曲线通常不与H=0的点对称。H_o（25）是饱和场26、27之间的典型偏移， R_L的饱和区域更接近H=0的点。 H_o（25）的值通常被称为“桔子皮效应（Orange Peel）”或“奈尔耦合（Neel Coupling）”，其典型值通常在1到25 Oe之间，与GMR或MTJ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。在不饱和区域，输出曲线方程可以近似为：

(1)

如图3所示， MTJ元件1相互串联等效为一个MTJ磁电阻以组成惠斯通电桥。串联起来的MTJ磁电阻能降低噪声，提高传感器的稳定性。在MTJ串中，每个MTJ元件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，增强了传感器的ESD稳定性，每个传感器是用于降低电压。此外，随着磁隧道结数量的增多MTJ串的噪声相应地降低，这是因为每一个独立的MTJ元件1的互不相关的随机行为被平均掉。

现有两种不同类型的全桥传感器补偿奈尔耦合，敏感方向平行和垂直于钉扎层磁化方向11。这两种传感器设计分别称为参考桥式传感器和推挽桥式传感器。本实用新型首先阐述参考桥式传感器和推挽桥式传感器的实现，接下来会阐述将两种传感器在单一芯片上集成的双轴传感器的实现方法。

图4是参考桥式传感器的原理图。两种传感元件的输出曲线有一个强烈依赖于外加磁场，与之相对应的元件40、41被称为感应臂。弱依赖于外加磁场的输出曲线对应的另外两个元件42、43，被称为参考臂。此外，在基片上时，传感器需要和偏置电压Vbias（44）以及地线GND（45）的焊点相连,同时还要和两个半桥的中心点V1（46）以及V2（47）相连。中心点的电压为：

(2)

(3)

桥式传感器的输出电压为：

(4)

在理想情况下，

, 且当 H <

，桥式传感器的输出为：

(5)

当H满足下列条件时，输出电压为线性的：

(6)

假设“<<”表示是“阶”的大小：

(7)

在实际情况下，线性区域作为一个良好的线性传感器是足够宽的。对于磁电阻的磁传感器来说，要满足ΔR/ R≈150%，

130 Oe >> 。传感器的线性区域的范围遵守以下方程：

(8)

利用这些典型值，器件将在无校准的情况下线性输出工作，并提供一个比预期的线性工作范围大2.5倍的

。

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：

(9)

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H_S。这可以是由下面一种或几种不同的方法的组合来实现：

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。

形状各向异性能——由于参考元件和MTJ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。

交换偏置——该技术是通过MTJ元件自由层和相邻的反铁磁层或永磁层的交换耦合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。多层膜结构分述如下：

a. 种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/隔离层/反铁磁层2/保护层 . . .

b. 种子层/反铁磁层1/铁磁层Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/隔离层/永磁层/保护层 . . .

c. 种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/反铁磁层2/保护层 . . .

d. 种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/铁磁层/永磁层/保护层 . . .

其中，反铁磁层1（AF1）和反铁磁层2（AF2）是反铁磁材料，如PtMn、IrMn、FeMn。铁磁层（FM）采用一些具有代表性的由铁磁合金构成的铁磁薄膜或多层膜，包括但不限于NiFe、CoFeB、CoFe和NiFeCo。绝缘层可能是任何能够自旋极化的绝缘材料，如氧化铝或氧化镁。隔离层通常是Ta、Ru 或 Cu这些非铁磁材料的薄膜。反铁磁层AF1的反铁磁阻隔温度（Blocking Temperature）要低于AF2的，使铁磁层/Ru/铁磁层结构的钉扎层的偏置场和自由层的偏置场正交垂直。

散场偏置——在该项技术中， 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。下面是可以实现的多层膜结构：

种子层/反铁磁层1/铁磁层/Ru/铁磁层/绝缘层/反铁磁层/厚隔离层/永磁层/保护层. . .

其他技术涉及到在MTJ元件两侧设置偏置磁体。

以上调整灵敏度的技术可以单独使用或将几种技术结合起来使用。当将这些可用的几种技术结合起来可以使

极高，从而减少桥式传感器参考臂的S _MTJ，提供一个非常稳定的的参考臂。

当使用交叉偏置场设置MTJ元件的灵敏度时，交叉偏置场Hcross和Hs存在以下关系：

, (10)

其中Ks是自由层的形状各向异性能，Ms是自由层的饱和磁化强度。因此，灵敏度与Hcross成反比例关系：

(11)

提供Hcross的首选方法如图5所示。在这里，参考磁电阻50位于两个宽磁铁51之间的狭小间隙内。这种摆放方式会产生一个强偏置场52，使得参考臂对外加磁场相对不敏感。MTJ感应元件53位于一个相对窄小的永磁体54之间的宽地间隙内，这将产生一个弱偏置场55。弱偏置场55导致了MTJ感应元件的高灵敏度， MTJ参考元件和MTJ感应元件以类似于图4中的方式被排列在一个惠斯通电桥中。永磁体初始化充磁方向为56，钉扎层的磁化方向为57，垂直于永磁体磁化方向。

对参考桥式传感器的快速分析表明，传感器对沿着平行于MTJ元件钉扎层磁化方向57的外加场的灵敏度更高，其机理如图6和图7所示。

如图6所示，MTJ传感元件60置于平行于钉扎层磁化方向57的第一外加磁场61中。因为第一外加磁场61有一个垂直于自由层磁化方向的分量，自由层磁化方向64旋转至第一外加磁场61，因此MTJ传感元件60的阻值随着其自由层磁化方向和钉扎层的磁化方向57的夹角的改变而改变。

如图7所示，第二外加磁场65平行于MTJ元件67的长轴方向66时，和长轴方向66相同的自由层磁化方向68没有扭矩，因为第二外加磁场65沿着自由层磁化方向68没有垂直分量。传感元件67的电阻因此不会随着平行于X轴66的方向且垂直于钉扎层的磁化方向57的外场的改变而改变。因此这种参考桥式传感器的设计只对沿平行于钉扎层磁化方向57的外场敏感。如果采用永磁体69进行偏置，其磁化方向主要沿着56的方向，与钉扎层的磁化方向62平行。

图8是参考桥式传感器的标准输出曲线70。外场H_Y71是沿着钉扎层的磁化方向，其输出曲线是从负到正的倾斜曲线，通过最低负值73和最高正值72的峰。外场71的输出曲线70在72和73之间的大范围内是线性的。

推挽桥式传感器：

推挽桥式传感器可由以下方式或以下方式的结合偏置自由层磁化方向：

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

永磁体偏置——在MTJ元件周围设置永磁体对此性自由层磁化方向进行偏置；

电流线偏置——在MTJ元件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；

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；

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。

具体方法可参见专利：单一芯片桥式传感器（申请号：201120097042.3）。

图9是推挽桥式传感器的原理图。如图所示，两个传感器元件R12（80）、R21（81）与另外两个传感元件R11（82）、R22（83）的自由层磁化方向相对倾斜，这样外场将会导致两个传感电阻R12和R21阻值的增加的同时另外两个传感电阻R22和R21的阻值相应地降低，这使得电桥输出加倍。改变外加磁场的方向会使得R22和R11阻值增加的同时R21和R12阻值相应地降低。其响应仍然是一倍，但是输出的极性发生了改变。使用两对传感器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。

其中心点的电压为：

(12)

且

(13)

桥式传感器的输出被定义为：

(14)

在推挽式桥式电路中，不同的MTJ元件的响应为：

(15)

(16)

而

(17)

为了描述推挽桥式传感器的主要特征，采用旋转设置的MTJ元件永磁体偏置的结构的两种实施例将会被讨论。而不带偏置场的传感器结构相对来说更容易集成为双轴传感器。

图10给出了该设计的一种简化概念图。如图所示，条形永磁体90之间的磁场方向与钉扎层的磁化方向91平行，因此提供给MTJ元件92和93一个偏置场，从而导致MTJ元件92和93的自由层磁化方向都有一个沿着钉扎层的磁化方向91的分量。除了使用偏置场磁化外，MTJ元件92顺着钉扎层磁化方向91旋转约+45°，MTJ元件93顺着钉扎层磁化方向91旋转约-45°。

图11和图12是推挽桥式传感器的工作方式原理示意图。

如图11所示，当第一外加磁场61平行于钉扎层的磁化方向57时，传感元件92和93的自由层的磁化方向101和102都围绕钉扎层磁化方向平行或反平行的方向旋转，但变化量相同。响应导致传感元件92和93的阻值变化量相同，这是一种常见的模式且桥式传感器的输出没有发生变化。因此，桥式传感器对平行或反平行于钉扎层磁化方向方向57的外场分量是不敏感的。

然而，如图12所示，当第二外加磁场65垂直于钉扎层的磁化方向57，传感元件92和93的阻值会相应发生变化。在这种情况下，自由层的磁化方向104和105会随之旋转从而导致其磁化分量平行于第二外加磁场65。这会导致元件93的自由层磁化方向远离钉扎层的磁化方向57而元件92的自由层的磁化方向靠近钉扎层的磁化方向57。因此， 传感元件93的阻值会随之增加，传感元件 92的阻值会随之减小，阻值的变化不再是常见的模式，桥式电路的输出会随之增加。第二外加磁场65改变为垂直方向会导致元件93的阻值减小而元件92的阻值增加，从而改变电桥输出的极性。

推挽桥式传感器的灵敏度输出随平行或垂直于钉扎层磁化方向来调整，这取决于因子β ≈ ½，自由层磁化范围随钉扎层磁化方向的相对旋转而减小，从而导致最大输出电压的降低。

(18)

这是在同一基板上集成的参考桥式传感器的灵敏度方程。

图13是推挽桥式传感器的典型输出曲线。输出曲线在垂直于钉扎层的磁化方向外场H_X（111）范围内的倾斜曲线，通过负值112和正值113的峰值。在112和113之间，输出曲线110随外场71在大范围内是线性的，其输出曲线和参考桥相同。因此单片双轴桥磁传感器使用由GMR或MTJ传感元件的参考电桥和推挽电桥的组合是可行的。不使用偏置场的双轴设计很简单，因为对于参考电桥和推挽电桥，钉扎方向是共同的，所以下面着重描述使用了永磁偏置的情况。

单片双轴传感器的设计：

形成永磁体的场可以被认为是由于虚拟磁荷而在永磁体的边缘形成的，如图14和图15，这是磁化的边缘效应产生的。磁荷随着剩磁Mr的大小和方向改变，同时剩磁的大小和方向与永磁体边缘的指向相关。

或

(19)

这些虚拟磁荷产生了一个磁场：

(20)

永磁体120和122之间磁场的方向是由磁荷的位置决定，而不是永磁体的方向，而偏置场121和123的大小是由永磁体120和122磁化方向决定的。这种方法使得构建永磁偏置双轴磁场传感器成为可能。

图16是永磁体偏置双轴磁场桥式传感器的布局概念图。推挽桥式传感器130和参考桥式传感器131可以并排放置在同一个基片上，且采用相同的工艺制备。在该设计中，参考桥式传感器130的偏置永磁体133和推挽桥式传感器131的偏置永磁体132呈90°排列。那么，如果永磁体磁化方向和钉扎层磁化方向呈45°，则推挽桥式传感器130和参考桥式传感器131两个桥式传感器能获得适当的永磁偏置，其中，推挽桥式传感器130和参考桥式传感器131分别敏感外场134沿X轴和Y轴方向的分量。

本实用新型采用以上结构，能够实现低成本大规模的在同一半导体基片上集成制作。

以上对本实用新型的特定实施例结合图示进行了说明，很明显，在不离开本实用新型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。在本实用新型的所属技术领域中，只要掌握通常知识，就可以在本实用新型的技术要旨范围内，进行多种多样的变更。

Claims (11)

1.一种单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：它包括一沿“Y”轴方向敏感的参考桥式传感器和一沿“X”轴方向敏感的推挽桥式传感器，所述参考桥式传感器包括参考元件和传感元件，所述推挽桥式传感器包括传感元件，其中 “X”轴和“Y”轴相正交。

2.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：所述参考桥式传感器为参考全桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽全桥传感器。

3.根据权利要求2所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

4.根据权利要求2所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。

5.根据权利要求2所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：它还包括一用于偏置的永磁体，所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件以及所述推挽全桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状，永磁体产生的磁偏置场和磁各向异性的形状的磁各向异性能的结合以设置所述参考全桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽全桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

6.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：所述参考桥式传感器为参考半桥传感器，所述推挽桥式传感器为推挽半桥传感器。

7.根据权利要求6所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：它还包括一用于偏置的永磁体以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

8.根据权利要求6所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件具有磁各向异性的形状以设置它们之间的灵敏度差，所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状以设置其自由层磁化方向。

9.根据权利要求6所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：它还包括一用于偏置的永磁体，所述参考半桥的参考元件和传感元件以及所述推挽半桥传感器的传感元件具有磁各向异性的形状，永磁体产生的磁偏置场和磁各向异性的形状的磁各向异性能的结合以设置所述参考半桥传感器的参考元件和传感元件之间的灵敏度差和所述推挽半桥传感器的传感元件的自由层磁化方向。

10.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：所述参考桥式传感器包括一用于包覆住参考元件的屏蔽层以降低参考元件的灵敏度，所述屏蔽层为高磁导率的铁磁材料。

11.根据权利要求1所述的单片双轴桥式磁场传感器，其特征在于：所述参考桥式传感器的传感元件周边设置有高磁导率的铁磁材料以增加传感元件的灵敏度。

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