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CN205809273U - 一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻amr传感器 - Google Patents

一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻amr传感器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,所述传感器包括基片、交换偏置层、AMR磁阻层和巴贝电极,所述交换偏置层沉积于基片上,所述AMR磁阻层沉积于交换偏置层上,所述AMR磁阻层由多组AMR磁阻条组成,每组AMR磁阻条由多个AMR磁阻条组成,所述巴贝电极按一定规律排布在每个AMR磁阻条上。本实用新型利用交换偏置层进行耦合,无需复位/置位线圈,由于取消了线圈,使得芯片的功耗大幅度降低,制造工艺更加简单,随之提高了产品的良率,降低了生产成本。

Description

一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器
技术领域
本实用新型涉及一种用于检测磁场矢量分布的磁电阻传感器,包括至少一种沉积于基片之上的各向异性磁电阻器件,此磁电阻器件包括多个通过导电条串联的各向异性磁电阻(AMR)元件。此磁电阻器件采用了巴贝(Barber)电极结构,以提高在微弱磁场下的灵敏度,扩大线性工作范围,并且利用反铁磁层的交换耦合特性,取消了复位/置位装置,进一步降低了传感器的功耗与成本。
背景技术
各向异性磁电阻(Anisotropy magnetoresistance,AMR)效应是指铁磁材料中的电阻率随铁磁材料的磁化强度和电流方向之间的夹角改变而改变的现象。由汤姆逊在1857年首次发现。利用AMR效应制备的传感器被称为各向异性磁电阻传感器。
在当前的AMR传感器设计中,通常会采用一种叫巴贝(Barber)电极的结构:具体来说就是布置在AMR磁阻条上的一些诸如铝、铜、金等的金属导电电极,这些电极与AMR磁阻条长轴成45°结构排列。如图1所示,巴贝电极通过改变电极的结构达到改变电流方向的目的,与其他方法相比,具有体积小、耗能少的优点,从而被广泛采用。专利DE 3442278A1有关于巴贝电极的描述。
AMR传感器在使用过程中需要一个额外的磁场对其进行偏置,目的在于提高传感器的线性度和稳定性,同时也可以消除温漂,提高传感器信噪比。DE4221385C2提出在磁电阻层结构附近加入宏观永磁体,采用外加永磁的方法实现偏置,但缺点是传感器尺寸受限,装配复杂。所以外加永磁体逐渐被永磁体薄膜代替,永磁体薄膜沉积在磁阻薄膜附近,并与磁阻薄膜用绝缘膜隔开。该方法的缺点是永磁层的磁畴难以控制,并会产生巴克 豪森噪声。另一种方法是利用反铁磁层的交换耦合作用进行偏置,US 20150061658提到了这一方法。
另外,AMR传感器在工作中如果受到外来大磁场的干扰,AMR磁阻条上的磁畴分布会遭到破坏,从而AMR磁阻条上的磁畴随某些方向随机分布,导致传感器灵敏度降低,衰减甚至失效。目前通常的做法是,如US 20130300408A1,在AMR传感器上沉积一个置位/复位线圈,以达到以下目的:使传感器以高灵敏度模式工作;翻转输出响应曲线的极性;提高线性度,减少垂直轴效应和温度的影响。但缺点是增加了功耗且限制了最大测量磁场。
实用新型内容
为了解决上述技术问题,本实用新型提供了一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,所述传感器包括基片、交换偏置层、AMR磁阻层和巴贝电极,所述交换偏置层沉积于基片上,所述AMR磁阻层沉积于交换偏置层上,所述AMR磁阻层由多组AMR磁阻条组成,所述巴贝电极按一定规律排布在每个AMR磁阻条上。
进一步地,每组AMR磁阻条由多个AMR磁阻条组成。
进一步地,所述的多个AMR磁阻条串联连接组成一组AMR磁阻条。
进一步地,所述多组AMR磁阻条之间相互平行或多组AMR磁阻条之间按平行和垂直两个方向排列。
进一步地,所述每组AMR磁阻条的多个AMR磁阻条上的巴贝电极与所述多个AMR磁阻条具有同一夹角。
进一步地,所述AMR磁阻条与排布在所述AMR磁阻条上的巴贝电极之间的夹角为±45°。
进一步地,所述交换偏置层由反铁磁材料组成。
进一步地,所述AMR磁阻条与排布在所述AMR磁阻条上的巴贝电极构成电阻敏感元件,多个所述电阻敏感元件通过导线连接组成惠斯通电桥。
进一步地,所述多个电阻敏感元件包括两种电阻敏感元件,其中一种电阻敏感元件中AMR磁阻条与排布在所述AMR磁阻条上的巴贝电极之间 的夹角为45°,另一种电阻敏感元件中AMR磁阻条与排布在所述AMR磁阻条上的巴贝电极之间的夹角为-45°,所述两种电阻敏感元件交替紧密排列。
本实用新型的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,具有如下有益效果:
1、本实用新型利用交换偏置层进行耦合,无需复位/置位线圈,由于取消了线圈,使得芯片的功耗大幅度降低,制造工艺更加简单,随之提高了产品的良率,降低了生产成本。
2、在同一芯片内将AMR磁阻条按平行和垂直两个方向排列,经过45°磁化退火后,可使芯片由单轴变为双轴工作,可同时测量多个方向的磁场。
3、设计无梯度效应,测场更加准确。
4、与其他设计相比,由于采用电阻对等,无调阻工艺要求。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例,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它附图。
图1为巴贝电极的结构示意图;
图2为本实用新型所涉及的一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻(AMR)传感器芯片结构示意图;
图3为图2局部放大后的示意图;
图4为AMR磁阻条与巴贝电极连接示意图;
图5为组成惠斯通电桥电路示意图;
图6为本实用新型所涉及芯片的截面图;
图7磁化退火方向及AMR磁阻条的交换耦合磁化示意图;
图8为交替密排的电阻单元设计的说明;
图9为传统传感器中电阻单元设计的说明。
图中:100-无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,101-电极,102-电极,103-电极,104-电极,110-AMR磁阻层,120-导线,122-巴贝电极,130-交换偏置层,140-基片,200-AMR传感器芯片,300-AMR传感器芯片。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图,对本实用新型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实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型所述传感器100的结构如图2、图3所示:多组AMR磁阻条110沿X轴方向或Y轴方向排列(图中为X轴方向),所述AMR磁阻条上按一定规律排布有巴贝电极122,所述巴贝电极与AMR磁阻条通常呈±45°排列,构成一电阻敏感元件,如R1的多个AMR磁阻条,其上的巴贝电极与AMR磁阻条具有同一夹角如+45°。巴贝电极与AMR磁阻条共同构成芯片的电阻敏感元件,多个这样的电阻敏感元件通过导线120进行连接组成惠斯通电桥,最后再与4个电极(101、102、103、104)连接组成整个芯片,最后组成如图4和图5所示结构。
本实用新型所涉及芯片的截面图如图6所示,在基片140上沉积有交换偏置层130,在所述交换偏置层130上方沉积有AMR磁阻层110。在传统AMR传感器工作过程中如受到外来大磁场的干扰,AMR磁阻条中的磁畴分布会遭到破坏,导致传感器的灵敏度会发生衰减,目前通常的做法是在AMR传感器上沉积一个置位/复位线圈,当有电流通过是利用线圈产生的磁场将AMR磁阻条中的磁畴方向重新统一到一个方向上,以此确保传感器的高灵敏度和可重复性。在本实用新型中,交换偏置层130由反铁磁材料(PtMn,NiMn,IrMn等)组成,利用交换偏置层130与AMR磁阻层110间的交换耦合作用使磁阻层的磁矩固化并稳定在原始位置上,从而避免外界磁场的干扰,使得本实用新型无需置位/复位线圈但同样可以达到高灵 敏度,高重复性的目的。
下面对本芯片所涉及的交换耦合作用做进一步说明。如图7所示,AMR传感器芯片200与300相邻放置,所述芯片采用相同设计,区别在于芯片200中AMR磁阻条长轴为X方向,而芯片300中AMR磁阻条的长轴为Y方向。为了实现交换耦合,需先对交换偏置层进行磁化退火,在退火过程中施加外磁场He,其与X轴方向呈45°夹角。磁化退火结束后,由于反铁磁层与磁阻层的交换耦合作用,在芯片200与300的每个磁阻条上将有磁化矢量K,其方向与He方向一致,并且在X轴与Y轴方向上分别有分量Kx、Ky。就这样通过一次退火,便可实现灵敏方向不同的两个芯片200、300同时实现测量功能,大大简化了生产工艺。
另外,传感器通常需要多个电阻元件构成如全桥或半桥结构才能正常工作,传统传感器中不同的磁电阻元件会位于不同的位置处,如图9所示,在水平方向上存在电阻单元R1与R2位置偏差d。在这种情况下,如果所测量的外磁场不均匀,在微小距离内强度存在波动,那R1、R2、R3、R4之间就会存在电阻不匹配的问题,从而对传感器输出带来影响,也就是所谓的“梯度效应”。本专利所涉及的芯片,在设计上对电阻单元进行了交替密排,如图8所示,从而消除了位置偏差,测场更加准确。
以上所述是本实用新型的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,所述传感器包括基片、交换偏置层、AMR磁阻层和巴贝电极,所述交换偏置层沉积于基片上,所述AMR磁阻层沉积于交换偏置层上,所述AMR磁阻层由多组AMR磁阻条组成,每组AMR磁阻条由多个AMR磁阻条组成,所述巴贝电极规律排布在每个AMR磁阻条上。
2.根据权利要求1所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,所述的多个AMR磁阻条串联连接组成一组AMR磁阻条。
3.根据权利要求2所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,所述多组AMR磁阻条之间相互平行排列。
4.根据权利要求3所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,同一组AMR磁阻条中的每一个AMR磁阻条与位于其上的巴贝电极的夹角相同。
5.根据权利要求4所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,每个所述AMR磁阻条与排布在其上的巴贝电极之间的夹角为±45°。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,所述交换偏置层由反铁磁材料组成。
7.根据权利要求6所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,所述的AMR磁阻条与排布在所述AMR磁阻条上的巴贝电极构成电阻敏感元件,多个所述电阻敏感元件通过导线连接组成惠斯通电桥。
8.根据权利要求7所述的无需置位/复位装置的各向异性磁电阻AMR传感器,其特征在于,所述电阻敏感元件包括两种电阻敏感元件,其中一种电阻敏感元件中的AMR磁阻条与排布在其上的巴贝电极之间的夹角为45°,另一种电阻敏感元件中的AMR磁阻条与排布在其上的巴贝电极之间的夹角为-45°,所述两种电阻敏感元件交替紧密排列。
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