一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器，该传感器包括基片、参考臂、感应臂、屏蔽结构以及衰减器。其中参考臂、感应臂各自包含有至少两行/列由一个或多个相同磁电阻传感元件电连接构成的参考元件串、感应元件串；参考元件串与感应元件串相互交错排放，每个参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，每个感应元件串上对应设置有一衰减器，磁电阻传感元件为选自AMR、GMR或者TMR传感元件中的一种，屏蔽结构和衰减器均为由坡莫合金这种铁磁材料制成的长矩形条阵列。此传感器可在准桥、参考半桥、参考全桥这三种电桥结构上得到实现。该传感器具有以下优点：功耗低、线性度好、工作范围宽以及能在高强度磁场中工作等。

【技术实现步骤摘要】
一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器
本专利技术涉及磁传感器
，特别涉及一种用于高强度磁场中的单芯片参考桥式磁传感器。
技术介绍
磁传感器广泛用于现代工业和电子产品中以感应磁场强度来测量电流、位置、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及其他参数，例如霍尔(Hall)元件，各向异性磁电阻(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)元件或巨磁电阻(Giant Magnetoresi stance, GMR)元件为敏感元件的磁传感器。霍尔磁传感器虽然能在高强度磁场中工作，但灵敏度很低、功耗大、线性度差等缺点。AMR磁感器虽然灵敏度比霍尔传感器高，但其制造工艺复杂，功耗高，并且不适用于高强度磁场。GMR磁传感器相比霍尔磁传感器有更高的灵敏度，但其线性范围偏低，并且也不适用于高强度磁场。TMR (Tunnel MagnetoResistance)磁传感器是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应，其相对于霍尔磁传感器、AMR磁传感器以及GMR磁传感器具有更高的灵敏度、更低的功耗、更好的线性度以及更宽的工作范围。但现有的TMR磁传感器仍然不适用于高强度磁场中工作，并且线性范围也不够宽。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的以上问题，提供一种适用于高强度磁场中的单芯片参考桥式磁传感器。为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现:本专利技术提供了一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器，该传感器包括:一个基片；至少一个沉积在所述基片上的参考臂，所述参考臂包含有至少一行/列由一个或者至少两个相同的磁电阻传感元件电连接构成的参考元件串；至少一个沉积在所述基片上的感应臂，所述感应臂包含有至少一行/列由一个或者至少两个相同的磁电阻传感元件电连接构成的感应元件串；至少一个衰减器和至少两个屏蔽结构，所述衰减器与所述屏蔽结构相交错间隔地排列，所述衰减器和所述屏蔽结构的形状相同，所述屏蔽结构的宽度和面积分别比所述衰减器的宽度和面积大；所述参考臂与所述感应臂连接构成一电桥；每个所述参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，每个所述感应元件串上对应设置有一衰减器，所述参考元件串位于所述屏蔽结构的下方或上方，所述感应元件串位于所述衰减器的下方或上方；所述参考元件串和所述感应元件串的行/列数相同，并沿纵向或横向相间隔排布；所述感应元件串处磁场的增益系数大于所述参考元件串处磁场的增益系数。优选的，构成所述参考元件串和构成所述感应元件串的所述磁电阻传感元件为选自AMR、GMR、TMR传感元件中的一种。优选的，所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀结构、GMR多层膜结构、TMR自旋阀结构或者TMR三层膜结构。优选的，所述电桥为半桥、全桥或者准桥。优选的，所述感应臂和所述参考臂上的所述磁电阻传感元件的个数相同。优选的，每个所述感应元件串与相邻的所述参考元件串之间均相隔间距L，当所述衰减器的个数为奇数时，正中间有两个所述参考元件串相邻且两者之间的间距为2L，当所述衰减器的个数为偶数时，正中间有两个所述感应元件串相邻且两者之间的间距为2L。优选的，所述衰减器的个数N不少于所述感应元件串的行/列数，所述屏蔽结构的个数Μ不少于所述参考元件串的行/列数,并且Ν〈Μ,其中Ν、Μ均为正整数。优选的，所述基片包括了集成电路，或与包括了集成电路的其它基片相连接。优选的，所述集成电路为CMOS、BiCMOS、Bipolar、BCDMOS或SOI，所述参考臂与所述感应臂直接沉积在所述基片的集成电路上面。 优选的，所述基片为ASIC芯片，所述ASIC芯片含有偏移电路、增益电路、校准电路、温度补偿电路和逻辑(logic)电路中的任一种或至少两种电路。优选的，所述逻辑电路为数字开关电路或者旋转角度计算电路。优选的，所述屏蔽结构和所述衰减器的形状均为沿横/纵向延伸的长条形阵列。优选的，所述屏蔽结构和所述衰减器的组成材料相同，均为软铁磁合金，所述软铁磁合金包含有N1、Fe和Co中的一种元素或至少两种元素。优选的，所述单芯片参考桥式磁传感器的输入输出连接端电连接于半导体封装的输入输出连接端，所述半导体封装的方法包括焊盘引线键合、倒装芯片、球栅阵列封装、晶圆级封装或板上芯片封装。优选的，所述单芯片参考桥式磁传感器的工作磁场强度为20-500高斯。优选的，所述屏蔽结构将所述参考元件串完全覆盖。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果:功耗低、线性度好、工作范围宽以及适用于高强度磁场。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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他的附图。图1为现有技术中单芯片桥式磁传感器的结构示意图。图2为本专利技术的单芯片参考桥式磁传感器的结构示意图。图3为本专利技术的单芯片参考桥式磁传感器的另一种结构示意图。图4为本专利技术的单芯片参考桥式磁传感器在外磁场中的磁场分布图。图5为本专利技术中参考元件串和感应元件串所在位置与相对应的增益系数之间的关系曲线。图6为现有技术中参考元件串和感应元件串所在位置与相对应的增益系数之间的关系曲线。图7为TMR和GMR自旋阀结构的磁电阻传感元件的响应曲线。图8为TMR三层膜结构和GMR多层膜结构的磁电阻传感元件的响应曲线。图9为AMR Barber-pole (类似于理发店门口的旋转彩柱)结构的磁电阻传感元件的响应曲线。图10为本专利技术中TMR自旋阀结构的磁传感器有无衰减器的转换特性曲线。图11为本专利技术中TMR三层膜结构的磁传感器有无衰减器的转换特性曲线。【具体实施方式】下面结合附图及实施例对本专利技术的
技术实现思路
作进一步的描述。图1为现有技术中专利申请201310203311.3所公开的单芯片桥式磁传感器的结构示意图。该传感器包括基片1、感应元件串2、参考元件串3、屏蔽结构4、电连接导体6以及四个用于输入输出连接的焊盘7-10，分别作为电源供应端Vbias，接地端GND，电压输出端V+, V-。其中感应元件串2与参考元件串3相互交错排放，感应元件串2位于两个屏蔽结构4的间隙处，参考元件串3位于屏蔽结构4的下方。感应臂、参考臂和焊盘7-10之间均用电连接导体6连接。该传感器具有高灵敏度、线性度好、偏移量小等优点，但其容易饱和，其可适用的最大磁场强度为100高斯左右，不能用于更高强度的磁场当中。实施例图2为本专利技术中单芯片参考桥式磁传感器的结构示意图。其与图1中所示的传感器的不同之处在于:该传感器还包括衰减器5，衰减器5与屏蔽结构4相隔排列，并且衰减器5的个数N不少于感应元件串2的行/列数，屏蔽结构4的个数Μ不少于参考元件串3的行/列数，并且Ν〈Μ，Ν和Μ均为正整数，图2中Ν为5，Μ为6。衰减器5与屏蔽结构4的形状相同，优选地为沿横/纵向延伸的长条形阵列，它们的组成材料也相同，均为选自N1、Fe和Co —种元素或几种元素组成的软铁磁合金，也可以为非铁磁材料，但不限于以上材料。感应元件串2和参考元件串3各自均由至少一行/列由一个或者至本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，该传感器包括:一个基片；至少一个沉积在所述基片上的参考臂，所述参考臂包含有至少一行/列由一个或者至少两个相同的磁电阻传感元件电连接构成的参考元件串；至少一个沉积在所述基片上的感应臂，所述感应臂包含有至少一行/列由一个或者至少两个相同的磁电阻传感元件电连接构成的感应元件串；至少一个衰减器和至少两个屏蔽结构，所述衰减器与所述屏蔽结构相交错间隔地排列，所述衰减器和所述屏蔽结构的形状相同，所述屏蔽结构的宽度和面积分别比所述衰减器的宽度和面积大；所述参考臂与所述感应臂连接构成一电桥；每个所述参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，每个所述感应元件串上对应设置有一衰减器，所述参考元件串位于所述屏蔽结构的下方或上方，所述感应元件串位于所述衰减器的下方或上方；所述参考元件串和所述感应元件串的行/列数相同，并沿纵向或横向相交错间隔地排布；所述感应元件串处磁场的增益系数大于所述参考元件串处磁场的增益系数。

【技术特征摘要】
1.一种用于高强度磁场的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，该传感器包括:一个基片；至少一个沉积在所述基片上的参考臂，所述参考臂包含有至少一行/列由一个或者至少两个相同的磁电阻传感元件电连接构成的参考元件串；至少一个沉积在所述基片上的感应臂，所述感应臂包含有至少一行/列由一个或者至少两个相同的磁电阻传感元件电连接构成的感应元件串；至少一个衰减器和至少两个屏蔽结构，所述衰减器与所述屏蔽结构相交错间隔地排列，所述衰减器和所述屏蔽结构的形状相同，所述屏蔽结构的宽度和面积分别比所述衰减器的宽度和面积大； 所述参考臂与所述感应臂连接构成一电桥；每个所述参考元件串上对应设置有一屏蔽结构，每个所述感应元件串上对应设置有一衰减器，所述参考元件串位于所述屏蔽结构的下方或上方，所述感应元件串位于所述衰减器的下方或上方；所述参考元件串和所述感应元件串的行/列数相同，并沿纵向或横向相交错间隔地排布；所述感应元件串处磁场的增益系数大于所述参考元件串处磁场的增益系数。2.根据权利要求1所述的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，构成所述参考元件串和构成所述感应元件串的所述磁电阻传感元件为选自AMR、GMR、TMR传感元件中的一种。3.根据权利要求2所述的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，所述磁电阻传感元件为GMR自旋阀结构、GMR多层膜结构、TMR自旋阀结构或者TMR三层膜结构。4.根据权利要求1-3中任一项所述的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，所述电桥为半桥、全桥或者准桥。5.根据权利要求1所述的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，所述感应臂和所述参考臂上的所述磁电阻传感元件的个数相同。6.根据权利要求1所述的单芯片参考桥式磁传感器，其特征在于，每个所述感应元件串与相邻的所述参考元件串之间均相隔间距L，当所述衰减器的个数为奇数时，正中间有两个所述参考元件串相邻且两者之间的间距为2L，当所述衰减器的个数为偶数时，正中间有...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·G·迪克，
申请(专利权)人：江苏多维科技有限公司，
类型：发明
国别省市：