[发明专利]一种磁电阻Z轴梯度传感器芯片

说明书

技术领域

本发明涉及磁性传感器领域，特别涉及一种磁电阻Z轴梯度传感器芯片。

背景技术

磁阻梯度传感器广泛应用于齿轮速度传感器、磁性图像传感器，如POS机磁头、验钞机磁头等，通常情况下，磁阻传感器如GMR、TMR传感器具有平面敏感单元，其磁场敏感方向平行于传感器所在的芯片平面，而Hall传感器则具有垂直于平面的Z轴敏感方向，目前Hall传感器在用于磁性图像传感器时，主要有Murata的InSb薄膜材料的Hall效应磁头，基于Z轴磁场分量进行测量。然而不论是基于Z轴磁场分量进行测量的Hall传感器，还是基于平面内磁场分量进行测量的GMR、TMR传感器，都存在一定的问题：

1)由于InSb不是一个标准的材料，采用的是非标准的半导体制造工艺，因此，相对于TMR、GMR等传感器的标准半导体制造工艺来说，其制造工艺较为复杂；

2)目前所有的基于GMR、TMR的磁性图像传感器主要基于平面内磁场敏感方向的，在用于验钞机磁头时，需要使用一个表面切割深槽的背磁体，形状较为复杂，因此表面产生的磁场分布不均匀，而基于InSb的Z轴传感器背磁可以使用一个Z轴方向磁化的背磁块，结构较为简单；

3)相对于GMR、TMR传感器而言，Hall效应传感器磁场灵敏度较低、稳定性差(灵敏度、offset以及电阻)、可重复性差(难于控制offset和灵敏度变化)

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提出了一种磁电阻Z轴梯度计芯片，结合GMR、TMR传感器的标准制造工艺和Z轴传感器背磁的优点，成功解决了以上问题的不足，实现了利用平面敏感磁阻传感器对Z轴磁场梯度的测量，具有小尺寸、低功耗、比Hall传感器具有更高磁场灵敏度等优点。

本发明所提出的一种磁电阻Z轴梯度传感器芯片，用于探测磁性介质所产生的Z轴方向磁场分量在XY平面内的梯度，所述磁电阻Z轴梯度传感器芯片包括Si衬底、位于所述Si衬底上的电互连成全桥梯度计或半桥梯度计的磁电阻传感单元、位于所述Si衬底上的两个或两组通量引导器；所述磁电阻传感单元位于所述通量引导器的上方或下方，且具有平行于所述Si衬底表面的敏感方向，所述通量引导器用于将所述磁性介质所产生的Z轴方向磁场分量转变成沿所述磁电阻传感单元的敏感方向；

所述每组通量引导器包含至少两个通量引导器，所述两个或两组通量引导器之间的间距为Lg，所述全桥梯度计或半桥梯度计中相对桥臂之间的间距为Lg。

优选的，所述磁电阻传感单元为GMR和/或TMR传感单元。

优选的，所述通量引导器为选自Co、Fe、和Ni中的一种或几种元素组成的软磁合金。

优选的，所述通量引导器为长条形状，其长轴沿Y方向，短轴沿X方向,其长度Ly大于宽度Lx，也大于厚度Lz。

优选的，所述磁电阻传感单元到对应的所述通量引导器的Y轴方向中心线的垂直距离小于或等于1/3*Lx时，能增加所述磁电阻传感单元的磁场工作范围。

优选的，所述磁电阻传感单元的位置到所述Y轴方向中心线的垂直距离越大，或所述通量引导器的厚度Lz越大，或者所述通量引导器的宽度Lx越小，所述磁电阻传感单元的磁场灵敏度越高。

优选的，所述磁电阻Z轴梯度传感器芯片包含两个所述通量引导器，排列成两行一列阵列，其行方向为Y轴方向，列方向为X轴方向，且行间距Lg对应为梯度特征距离。

优选的，所述半桥梯度计中的两个桥臂分别对应于所述两个通量引导器，所述两个桥臂位于对应通量引导器的Y轴中心线的同一侧的相同位置，两个所述桥臂上的所述磁电阻传感单元具有相同的敏感方向。

优选的，所述全桥梯度计中的两个半桥分别对应于所述两个通量引导器，每个所述半桥的两个桥臂对称分布在对应的通量引导器的Y轴中心线两侧，与同一电源电极相连的两个桥臂位于对应通量引导器的Y轴中心线的同一侧的相同位置，所述全桥梯度计的所述磁电阻传感单元具有相同的敏感方向。

优选的，所述全桥梯度计的两个半桥中任一半桥的两个桥臂分别位于两个通量引导器的Y轴中心线的同一侧的相同位置，与同一电源电极相连的两个桥臂对应同一通量引导器且对称分布在该通量引导器的Y轴中心线两侧，所述全桥梯度计的所述磁电阻传感单元具有相同的敏感方向。

优选的，每组通量引导器均为2*N(N>1)个，所述两组通量引导器成两行一列的阵列，且行方向沿Y轴方向，列方向为X轴方向；每组通量引导器成N行一列的阵列，行方向沿Y轴方向，列方向为X轴方向；每组通量引导器之间的行间距Ls远小于Lg。