[发明专利]一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器

说明书

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器。

背景技术

隧道结磁电阻(MTJ,Magnetic Tunnel Junction)传感器具有高灵敏度，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且其具有高磁电阻的性能，但是制备高性能的MTJ线性磁场传感器的方法还没有得到充分开发，特别是温度特性和磁滞的问题不容易得到有效的控制。

磁场传感器由单个的磁电阻元件组成，在实际应用中一般将磁电阻元件连接成惠斯通电桥以消除偏移，增加灵敏度以及对温度特性做一定的补偿。尽管电桥构造能对温度特性做出一定的补偿，但是传感器磁电阻内禀的磁性能对温度的依赖不会得到完全抑制。对于高精度测量来说，在工作状态下校准灵敏度是必要的，且芯片级别的校准线圈沿传感器敏感方向产生一个磁场可以达到这个目的。

另外，因为磁电阻传感器是由铁磁敏感元件构成，所以输出曲线主要是非线性的，磁滞的产生是因为传感元件以及其他部分(例如磁屏蔽层或聚磁层)的畴壁的生成和运动。为了克服以上问题，高性能的磁电阻传感器通常需要另一个线圈为传感元件提供定期的饱和场且消除磁畴，称为重置线圈。

在专利201310409446.5中，公布了一种单芯片Z轴线性磁阻传感器，如图1所示，用于测量Z方向即垂直于衬底方向上的外磁场，该单芯片Z轴线性磁电阻传感器包括衬底1，以及位于衬底1上的多个长条形软磁通量集中器2，其长度方向为Y轴方向，宽度方向为X轴方向，以及位于软磁通量集中器2上表面或下表面上的磁电阻传感单元阵列4和5，所述磁电阻传感单元阵列沿Y轴方向排列成推磁电阻单元串4和挽磁电阻单元串5，分别位于软磁通量集中器2的Y轴中心线3的两侧，且距离Y轴中心线具有相同的距离，所述推磁电阻单元串4和挽磁电阻单元串5电连接成推挽式电桥，其所述磁电阻传感单元的钉扎层及磁场敏感方向沿X轴方向，当Z轴方向外磁场作用时，软磁通量集中器2将Z方向磁场扭曲成具有X和-X轴向磁场分量的两个反向且幅度相同的敏感磁场作用于推磁电阻串4和挽磁电阻串5，从而形成推挽式磁电阻传感器。

图2为所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器截面图，可以看出，推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5位于衬底1之上，软磁通量集中器2位于推磁电阻传感单元串4和挽磁电阻传感单元串5之上，此外，还包括电极6以及位于各层之间的绝缘层7和8分别用于隔离磁电阻传感单元的电极以及隔离磁电阻传感单元4，5以及软磁通量集中器2，9为保护层，用于防护整个器件。

图1和图2所述单芯片Z轴线性磁电阻传感器中的磁电阻传感单元串4和5为TMR磁电阻传感单元，包含自由层、钉扎层以及中间势垒层，其自由层的起始磁化方向为Y轴方向，钉扎层磁化方向即磁场敏感方向为X轴方向。以上所述单芯片Z轴磁电阻传感器可以实现来自于Z轴的外磁场分量的测量，但存在如下问题：

1)晶圆测试阶段，需要设计复杂的Z向外磁场产生系统，包括电磁线圈和电磁线圈电源，而且电磁线圈系统需要随着探针平台一起移动，从而增加了测量的成本，影响了测量的效率；

2)电磁线圈系统磁场的施加和定位存在着不精确的问题，从而影响测量的精度；

3)由于自由层软磁薄膜中存在磁畴，在外磁场作用时，存在着畴壁移动的不可逆性，导致在外磁场移除之后，自由层磁性薄膜无法回复起始状态，并且导致磁滞的出现，使得传感器测量可重复性难以保障。

发明内容

为了解决以上的问题，本发明提出了一种单芯片具有校准/重置线圈的Z轴线性磁电阻传感器，在前述单芯片Z轴线性磁电阻传感器结构的基础上，在芯片上引入校准线圈/重置线圈，通过在校准线圈中通过适当电流，在推磁电阻传感单元串和挽磁电阻传感单元串所在位置分别沿X和-X方向产生大小相同的电流磁场，并且实现通过电流的调节实现磁场大小的精确调节，由于校准线圈位于所述Z轴传感器芯片上，因此测量时只需要通过探针即可以施加电流的方式进行测量，从而提高了测量的效率，并且保证了测量的精度。

同样，当Z轴磁电阻传感器受外磁场作用发生不可逆的磁化状态改变时，可以在重置线圈中通入电流，在所有磁电阻传感单元处产生沿自由层起始磁化方向的外磁场，从而实现对自由层磁化状态的恢复，消除由于磁场作用历史对软磁薄膜磁化状态的影响。