[发明专利]磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁传感器和。具体地，本发明涉及一种MR(磁阻)传感器，例如各向异性磁阻(AMR)传感器。

背景技术

磁传感器在各种行业正变得越来越重要。具体地在汽车工业中，在现代交通领域已经见到了诸如停车传感器、角度传感器、ABS(自动刹车系统)传感器和胎压传感器之类的各种传感器的存在，用于改善舒适性和安全性。磁传感器在汽车应用方面尤为重要，因为磁场容易穿透大多数材料。与例如光学传感器不同，磁传感器对于污垢非常不敏感。

诸如基于霍尔效应或磁阻效应的传感器之类的几种不同磁传感器技术目前是可用的。各向异性磁阻(AMR)和巨磁阻(GMR)传感器是基于磁阻效应的传感器类型的具体示例。可以将霍尔效应传感器单片集成到集成电路中，从而使其便宜，但是也知晓霍尔效应传感器也由于其低灵敏度和随之而来的不精确性。尽管AMR传感器与霍尔效应传感器相比具有更高的灵敏度，AMR传感器要求更多的制造步骤，因为它们不容易被单片集成，从而使得整个传感器系统更加昂贵。通常可以通过在分立管芯上或者在单片结构的顶部上溅射Ni₈₀Fe₂₀来沉积AMR传感器。退火工艺(有时在磁场中)通常用于增加磁阻材料中的磁状态的稳定性。

GMR传感器典型地具有比AMR传感器更高的灵敏度。然而，GMR传感器包括各种薄层和临界界面。制造这种传感器所要求的技术相当复杂和昂贵。另外，由于组成GMR传感器的薄的多层，也限制了工作温度范围。因此，通常选择AMR传感器作为磁传感器应用中的良好折衷。。

图1左侧简略绘出了AMR传感器10。向所述AMR传感器提供传感电流I_sense，所述传感电流可以例如从与电阻器R串联的参考电压V_ref提取。在图1右侧示出了根据所施加的(或者外部的)磁场H_ext的典型AMR传递函数12，将其定义为AMR传感器电阻R_AMR。所述传递函数相对于y轴对称，并且因此具有在H_ext的零交叉附近消失的灵敏度。这强烈地妨碍了零场交叉的精确检测：对于这种对称的传递曲线，电噪声和其他干扰电信号在H_ext＝0处和周围具有较大影响。

解决这种问题的一种已知方式是在AMR传感器的顶部上添加线圈20，参见图2左侧。当通过所述线圈驱动DC电流(I_bias)时在AMR传感器中产生附加场H_bias。如图2右侧所示，现在在AMR传递函数上将AMR传感器的偏置点从0(点22)偏移至H_bias(点23)。AMR现在在零H_ext处是灵敏的，并且其对于AMR传感器的正弦H_ext的响应看起来和图2右侧所示的一样。

不幸地是，由于一般通过DC偏置获得的传递曲线不是完全非对称的，在正半周期和负半周期中的差别是可见的。因此，外部场的零交叉不会与传感器电阻的平均值相符合。因此，这种平均值不能用于检测零场交叉。此外，实际零场交叉相对于这种平均AMR电阻水平的偏移依赖于外部场的幅度(并且也依赖于偏置场的大小、传递函数的形状等等)。这阻碍了根据单个AC AMR输出信号对零场交叉的鲁棒和可靠检测。

因为所述传递曲线(关于点203)不是完全非对称的，出现偶次阶畸变分量。换句话说，如果将正弦场H_ext施加至传感器，对AMR传感器输出电阻的光谱分析(FFT)不但示出了来自完全非对称传递曲线的奇次谐波，而且示出了由传递曲线的(偏移)对称特性产生的一些偶次谐波。

用于解决这些问题的一种已知方法是在AMR传感器中使用理发柱(barber poles)。这些理发柱强迫传感器中的电流沿着特定方向流动。理发柱是与AMR元件成45°角放置的非常导电的材料的线条。它们的目的是使得电流在理发柱之间的区域中按照45°流动。因为AMR效应依赖于电流方向和磁化方向之间的角度，所以理发柱使得传感器输出在零磁场周围是线性化的(因此非常灵敏)。

为了制造AMR传感器，典型地使用两个管芯。一个IC管芯包含ASIC，一个管芯包含传感器的磁阻部分。这种双管芯方案的原因是磁元件可能会沾污IC超净室，以及磁元件可能在加工期间或者产品寿命期间扩散到有源硅中。这必然会抑制IC的正确功能。