磁場傳感器裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于檢測至少一種磁場矢量分量的磁場傳感器裝置，包括至少一種布置在芯片基板上的各向異性磁電阻設備。電阻設備包括多個通過導電條串連的磁敏電阻AMR電阻元件。
【背景技術】
[0002]基于AMR電阻層的操作模式的電子磁場傳感器裝置在現有技術中眾所周知。AMR效應(各向異性磁電阻效應)是指，相對于通過材料的電流的流動，根據流經材料的電流和取決于磁場矢量位置的外部磁場之間的角度改變其電阻的材料的性能。該效應特別是在非常長、薄以及窄的透磁合金(permalloy)條中能夠觀察到。透磁合金是一種包含81 %的鎳和19%的鐵的合金。當電流在磁場矢量分量的方向流動時該材料的電阻最大。當電流與電磁場矢量分量垂直排列時其電阻最小。在分子水平上，該效應是由取決于電磁化的方向的原子的電子自旋排列的干擾所引起的。通常，在上文所述的配置中，電阻由R = Ri +(R= -R± )cos2(0)計算，其中Θ是指AMR測量條中電流的流向與磁場矢量分量之間的角度。從上述公式可知，當電流與磁場矢量分量的角度約45°時高靈敏度特別合適，也就是當待測量的磁場變化時電阻變化較大。由于電流和矢量分量之間的這種角度關系，電阻的變化相對于磁場的變化成為線性。圖1示出引起電阻變化的磁場M(H)和測量電流Is之間的關系，表達為上述公式。此處，引起電阻變化的磁場M(H)表示為在電流Is的流向中的初始磁化M。和通過待測量的外部磁場提供的與此垂直的矢量分量H e0
[0003]現有技術中已知的用于磁場傳感器裝置的設計的布置，被稱為巴伯極結構，也就是布置在AMR測量條上的包括如鋁、銅、金或者銀等非常導電的材料的薄的導電結構。巴伯極結構相對于AMR電阻條的縱向范圍以45°排列，并讓人想起用于美國理發店的廣告牌，這是它們被稱作巴伯極結構的原因。如圖2所示，流經電阻條的電流因此被迫流向與該條的縱向范圍成45°的方向。結果是，圖1所示表示電流矢量的排列上的電阻的依賴關系的曲線相對于磁場矢量移動45°，所以能如圖2所示被移動到線性化區域。根據巴伯極結構的排列，假如外部磁場與AMR電阻條的范圍縱向或橫向排列，結果是電阻器和待測量磁場的大小之間的線性化的上升沿或下降沿。
[0004]已知的基于巴伯極結構的磁場傳感器裝置描述在例如DE3442278A1。為在外部磁場扎上產生電阻的線性相關，這種具有不同排列的巴伯極結構的四個磁場傳感器裝置在惠斯通測量電橋中連接到一起，其中電阻條的內部磁化M。的初始磁化通過宏觀電磁線圈生成的外部磁場實現。為此，生成的磁場與電流垂直或平行，生成AMR電阻器測量條的初始磁化，所以待測量的垂直排列的磁場扎在磁場傳感器裝置的電阻中產生線性變化，該線性變化能夠測量并且從該線性變化能確定外部磁場氏的大小。
[0005]對這種類型的設計作出的改進的有描述在例如DE4319146C2，建議提出沿導體布置一系列具有巴伯極結構的AMR電阻器，通過該導體有翻轉電流(flip current)流動，隨著翻轉電流電阻器導體影響AMR測量條的縱向中的初始磁化M。。通過翻轉，也就是內部磁化的倒轉，能實現阻力特性的重新排列或校準。垂直的外部磁場氏可能過高靈敏度來地測量。為生成AMR電阻條的縱向中的初始磁化M。，需使用流經翻轉導體的翻轉電流If，結果是為提供初始磁化不得不使用更大的電流。因為必須在AMR電阻條上布置非常精細的微結構，并且必須避免各條之間的短路，因此從加工技術的視角來看使用巴伯極結構存在不足之處。翻轉導體的布置增加制造步驟，并且翻轉電流的控制增加在控制電子設備上制造的需求。
[0006]為了透磁合金，Ri與R的比率大約為3%。各向異性形狀的結果是磁阻電阻顯示作為縱向上各向異性形狀結果的優選的磁化方向，其中條特別薄并且與寬度相比長度選擇為更大，縱向也就是與電流的方向平行的方向。為在電阻條中外加并穩定初始磁化，在磁敏電阻層結構的附近提供額外的宏觀的永磁體是已知技術。這些永磁體的目的在于防止條的內部磁化顛倒。描述此種額外的永磁體的有例如DE4221385C2。這種解決方案的一顯著缺點在于高裝配工作，以及生成的結構尺寸和使用的組件的費用。
[0007]EP0766830B描述了用于數字磁存儲介質的磁敏電阻讀頭。EP0585008A2介紹進一步的用于數字磁存儲介質的磁敏電阻讀頭，例如，對于硬盤應用程序，具有兩個永磁體，之間布置有單個磁敏電阻元件。兩個永磁元件在電阻元件內提供內部磁化方向。所述電阻元件通過導電條接觸，使得相對于磁化方向移動45°的測量電流能流經電阻元件。選擇這種配置使得攜帶例如磁帶或磁盤等鐵磁體磁存儲介質的比特信息的磁化位置在電阻中產生清晰的矩形和對稱的變化，伴隨有電阻元件中的陡峭邊緣和較小的空間的/暫時的位移，所以磁位存儲密度增加，相鄰的磁場位之間的串擾減少，模擬服務器數據能對稱地讀出。讀頭最好是以與電阻元件自身相似的空間幅度全速檢測二進制磁場信息，而且不適用于檢測外部磁場的磁場分量的強度和方向，比如指南針或電流測量程序。
[0008]為此，此前已知的AMR磁場傳感器裝置導致以下問題，使用巴伯極條用于電阻特性曲線的線性化導致一方面加工技術必須在電阻條上布置非常精細的巴伯極結構，另一方面必須提供外部電路以及用于初始磁化或維持內部磁化的額外的翻轉導體或者外部磁體，導致電流消耗增加并且電路的復雜度增加。
[0009]US6822443B1公開了一種用于檢測互成一定角度的兩磁場分量的磁場傳感器裝置。該磁場傳感器裝置包括兩個能互相獨立評估的惠斯通測量電橋。各測量電橋包括兩個磁中性電阻以及兩個磁阻電阻。磁阻電阻可以是AMR/SDT/GMR或者霍爾電阻。為增加對磁場的靈敏度，可在磁阻電阻的區域中布置通量濃度元件(flux concentrat1n elements),該通量濃度元件包含NiFe，是未磁化的且可稱為“自由鐵磁層”。
[0010]W02012/103950A1公開了一種AMR電阻設備，其電橋電阻包括一系列串連的單個電阻元件，其中一個電橋電阻的電阻元件的布置與第二電橋電阻的電阻元件的布置叉指式地(interdigitally)嗤合。
[0011]基于上文描述，本發明的目的在于提供一種AMR磁場傳感器裝置，其能實現高靈敏度的線性化的電阻特性曲線而沒有外部宏觀支撐磁鐵、巴伯極結構和翻轉電流導體的缺點，所以能夠獲得一種經濟的磁場傳感器裝置。
【發明內容】
[0012]本發明的目的可通過權利要求1所述的磁場傳感器裝置實現。從屬權利要求的目的在于提供本發明的優選實施例。
[0013]根據本發明，用于測量磁場矢量分量He的磁場傳感器裝置包括一個布置在芯片基板上的各向異性磁電阻設備(AMR電阻設備)，其中所述電阻設備包括多個經導電條串連連接的磁電阻AMR電阻元件。至少一個具有磁化軸的永磁磁化元件分配到各電阻元件以使所述磁化元件的初始磁場H。沿所述磁化軸的方向通過所述電阻元件。本發明基于從第一導電條和所述電阻元件之間的接觸區域到所述電阻元件和第二導電條之間的接觸區域流經所述電阻元件的測量電流Is具有相對于所述磁化軸成0° <α<90°預設線性角的平均電流方向軸。
[0014]換句話說，公開的磁場傳感器裝置包括至少一個尤其是多個電阻設備，即可分別連接的AMR電阻，其中各電阻設備包括多個串連電連接的AMR電阻元件。電阻元件由導電條接觸以使電流可連續通過AMR電阻元件，其中一個或兩個磁化元件分配到各電阻元件，磁化元件的初始磁場H。導致電阻元件內部的內部初始磁化Μ。。磁化元件相對于電流方向的布置通過導電條的排列和形狀以及與電阻元件的接觸預設，具體選擇為在磁化元件的磁化軸和測量電流的流向之間生成線性角α，并且能在0°至90°之間調節。結果是，如圖2中電阻特性曲線的比較所顯示，電阻特性曲線的位移能在磁化矢量和電流方向之間的線性區α = 45°的方向內調整，因此能根據外部磁場扎獲得電阻的線性特性曲線。經過電阻元件的電流能相對于電流以一定角度流經導電元件，其中磁化矢量能排列為平行或垂直于經過導電元件的電流的流向。可選擇地，經過導電元件和電阻元件的電流的流向能完全相同，但是磁化矢量相對于電流的總體流向以角度α排列。
[0015]雖然優選地單獨的磁化元件或者一對以相同方向定向的磁化元件可分配到各電阻元件的磁化元件，但是例如也可能對單個磁化元件提供對于多個電阻元件的初始磁化Μ。。電阻元件內的電流流向能通過電阻元件與導電條的接觸位置即AMR電阻元件的形狀以及導電條和電阻元件之間的接觸區域的位置來設置。這樣最好能調整為與一系列AMR電阻元件的排列既不平行也不垂直。相對于流經電阻元件的電流的方向，在電阻元件的橫向或者縱向排列方向中具有磁化的磁化元件的位置定義為線性角α。由于相對于流經AMR電阻元件的電流的