[发明专利]用于抑制巴克豪森噪声的改进的磁传感器设计

说明书

技术领域

本发明一般地针对磁电器件领域。在一个方面，本发明涉及用来感测磁场的CMOS兼容的磁电场传感器。

背景技术

传感器在现代系统中被广泛地用来测量或检测物理参数，例如位置、运动、力、加速度、温度、压力等。虽然为了测量这些及其它参数而存在各种不同的传感器类型，但是它们全部受到各种限制。例如，廉价的低场传感器，诸如在电子罗盘及其它相似的磁传感应用中所使用的那些传感器，通常包括基于各向异性磁阻(AMR)的器件。为了达到所需的灵敏度以及与CMOS良好配合的合理电阻，这种传感器的传感单元的尺寸一般为平方毫米的量级。对于移动应用，此类AMR传感器配置在费用、电路面积及功率消耗方面是过于昂贵的。

其它类型的传感器，例如磁性隧道结(MTJ)传感器和巨磁阻(GMR)传感器，已经被用来提供外形较小的传感器，但是此类传感器也具有它们自己的顾虑，例如不足的灵敏度以及受温度变化影响。为了解决这些顾虑，MTJ、GMR和AMR传感器已经被使用于惠斯通电桥结构中以增加灵敏度并消除与温度相关的电阻变化。对于最小的传感器尺寸和成本，MTJ或GMR元件是优选的。典型地，惠斯通电桥结构使用磁屏蔽体来抑制电桥内的参考元件的响应使得只有传感元件(以及因此电桥)按预定的方式响应。但是，磁屏蔽体是厚的并且需要精心地调整NiFe晶粒(seed)和电镀步骤。与磁屏蔽体相关的另一个缺陷在屏蔽体暴露于强磁场(～5kOe)时保留残余磁场时产生，因为该残余磁场能够消弱电桥结构的低场测量能力。为了防止磁屏蔽体的使用，惠斯通电桥结构可以包含用于每个传感轴的两个相反的反铁磁钉扎(pinning)方向，这导致了必须为每个晶片单独设置的四个不同的钉扎方向，很多时候需要复杂且难处理的磁化技术。还存在与使用MTJ传感器来感测地球磁场有关的另外的挑战，例如考虑由巴克豪森(Barkhausen)噪声所引起的被测场的变化、零星的去钉扎，以及在传感元件响应于所施加场时的微磁畴的跳跃。现有的解决方案已经试图通过钉扎MTJ传感器内的传感元件的端部(通过硬磁偏置层或反铁磁钉扎层)或者通过在测量期间沿着传感元件的易轴(easy axis)施加场来解决这些挑战。这些解决方案增加了处理成本/复杂性和/或在测量期间消耗了额外的功率。

因此，需要适用于测量各种物理参数的改进的传感器以及方法。还需要简单的、结实的且可靠的传感器，该传感器能够被有效地且廉价地构造成使用于移动应用中的集成电路结构。还需要克服本领域中诸如如以上所概述的问题的改进的磁场传感器及产品(fabrication)。在参考随后的附图及详细描述来浏览本申请的剩余部分之后，常规传感器技术的更多的限制和缺点对本领域技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

本发明以及其众多的目的、特征和所获得的优点在结合下列附图考虑下列详细描述时可以得以理解，在附图中：

图1示出了具有在与钉扎层不同的方向上成相等角度的磁化的两个有源传感元件，其中该钉扎层将响应于外部施加的磁场而偏转并且提供与没有和钉扎层的钉扎方向对准的磁场分量相关的输出信号；

图2示出了使用由具有未屏蔽的MTJ传感器的两个电桥结构所形成的差动传感器的电子罗盘结构，连同每个电桥结构的电路输出；

图3提供了惠斯通电桥电路的简化的示意性透视图，在该惠斯通电桥电路中串联连接的MTJ传感器被对准为具有与钉扎层的磁化方向不同的磁化方向；

图4是第一及第二MTJ传感器的局部示意性透视图，其中所述第一及第二MTJ传感器包括用于在传感操作之前或期间清除或稳定传感层的磁场发生器结构；

图5是集成电路的局部横断面视图，在该集成电路中图4所示的第一及第二MTJ传感器被形成为具有磁化方向不同的传感层；

图6提供了在没有给传感器施加稳定场时磁阻相对于所施加场的示例图；

图7提供了在给传感器施加稳态的稳定场时对磁阻相对于所施加场的示例图；

图8提供了在给传感器施加脉冲型稳定场时磁阻相对于所施加场的示例图；

图9提供了标线布局的简化的示意性顶视图或平面图，该示意性顶视图或平面图示出了差动传感器，其中所述差动传感器形成由多个串联连接的MTJ传感器，所述多个串联连接的MTJ传感器配置在磁场发生器结构相对于MTJ传感器定位的惠斯通电桥电路内；以及

图10是示出制作不受微磁畴切换影响并且可以被用来提供使用未屏蔽的或有源传感元件的差动传感的MTJ场传感器的方法的流程图。