用于非对称感测场范围的具有串联电阻器的磁传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月30日提交的美国专利申请号16/730,784的优先权，该专利申请要求2019年8月27日提交的美国临时专利申请序列号62/892,240的权益，这两个专利申请全文以引用方式并入本文。

背景技术

技术领域

本公开的实施方案整体涉及惠斯通电桥及其制造方法。

惠斯通电桥是用于通过平衡电桥电路的两个支路来测量未知电阻的电路，其中一个支路包含未知部件。与简单的分压器相比，惠斯通电路提供了极其准确的测量结果。

惠斯通电桥包括多个电阻器，尤其是最近包括磁性材料诸如磁传感器。磁传感器可包括霍尔效应磁传感器、各向异性磁阻传感器(AMR)、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器。与其他磁传感器相比，TMR传感器具有非常高的灵敏度。

虽然对于惠斯通电桥的初始状态通常期望零偏置场，但一些应用需要非零初始状态。对于位置传感器应用，使用磁体来生成场。惠斯通电桥中的TMR电阻器检测来自磁体的磁场。最初，存在作用于传感器上的场，并且当磁体移动靠近或远离传感器时，场强增大或减小。

因此，本领域需要在偏置场下工作的惠斯通电桥磁传感器。

发明内容

本公开整体涉及具有四个电阻器的惠斯通电桥。每个电阻器包括多个TMR结构。两个电阻器具有相同的TMR结构。其余两个电阻器也具有相同的TMR结构，但该TMR结构不同于其他两个电阻器。另外，与具有相同TMR结构的其余两个电阻器相比，具有相同TMR结构的两个电阻器各自具有附加的非TMR电阻器。因此，该惠斯通电桥的工作偏置场非零。

在一个实施方案中，TMR传感器装置包括：第一电阻器，该第一电阻器包括第一多个TMR结构；第二电阻器，该第二电阻器包括第二多个TMR结构；第三电阻器，该第三电阻器包括第三多个TMR结构；第四电阻器，该第四电阻器包括第四多个TMR结构；第五电阻器，该第五电阻器串联连接到该第二电阻器，其中该第五电阻器是非TMR电阻器；和第六电阻器，该第六电阻器串联连接到第四TMR电阻器，其中该第六电阻器是非TMR电阻器。

在另一个实施方案中，TMR传感器装置包括：多个电阻器，该多个电阻器各自包含多个TMR结构，其中该多个电阻器中的至少两个电阻器包含不同的TMR结构，其中该多个电阻器中的至少两个电阻器包含相同的TMR结构，并且其中该至少两个电阻器是非TMR电阻器。

在另一个实施方案中，制造TMR传感器装置的方法包括：形成第一电阻器，该第一电阻器具有第一多个TMR结构；形成第二电阻器，该第二电阻器具有第二多个TMR结构；形成第三电阻器，该第三电阻器具有第三多个TMR结构；形成第四电阻器，该第四电阻器具有第四多个TMR结构；形成不具有TMR结构的第五电阻器，其中该第五电阻器串联连接到该第二电阻器；以及形成不具有TMR结构的第六电阻器，其中该第六电阻器串联连接到该第四电阻器。

附图说明

因此，通过参考实施方案，可以获得详细理解本公开的上述特征的方式、本公开的更具体描述、上述简要概述，所述实施方案中的一些在附图中示出。然而，应当注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施方案并且因此不应视为限制其范围，因为本公开可以允许其他同等有效的实施方案。

图1是惠斯通电桥设计的示意图。

图2A和图2B是根据一个实施方案的TMR结构的示意图。

图3A和图3B是示出两个不同惠斯通电桥的工作偏置场的图。

图4是惠斯通电桥的示意图，其中每个电阻器具有多个TMR结构。

图5是根据一个实施方案的惠斯通电桥的示意图。

图6是磁场传感器的示意图，该磁场传感器具有两个不同的TMR膜和连接到R2和R4的恒定R0。

图7是示出制造惠斯通电桥的方法的流程图。

为了有助于理解，在可能的情况下，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。可以设想是，在一个实施方案中公开的元件可以有利地用于其他实施方案而无需具体叙述。

具体实施方式

在下文中，参考本公开的实施方案。然而，应当理解的是，本公开不限于具体描述的实施方案。相反，思考以下特征和元件的任何组合(无论是否与不同实施方案相关)以实现和实践本公开。此外，尽管本公开的实施方案可以实现优于其他可能解决方案和/或优于现有技术的优点，但是否通过给定实施方案来实现特定优点不是对本公开的限制。因此，以下方面、特征、实施方案和优点仅是说明性的，并且不被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。同样地，对“本公开”的引用不应当被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应当被认为是所附权利要求书的要素或限制，除非在权利要求书中明确地叙述。

本公开整体涉及具有四个电阻器的惠斯通电桥。每个电阻器包括多个TMR结构。两个电阻器具有相同的TMR结构。其余两个电阻器也具有相同的TMR结构，但该TMR结构不同于其他两个电阻器。另外，与具有相同TMR结构的其余两个电阻器相比，具有相同TMR结构的两个电阻器各自具有附加的非TMR电阻器。因此，该惠斯通电桥的工作偏置场非零。

图1是惠斯通电桥100设计的示意图。电桥100包括偏置源102、第一电阻器104、第二电阻器106、第三电阻器110、第四电阻器108、第一输出焊盘112、第二输出焊盘114和接地连接件116。从偏置源102到接地连接件116在电桥上施加偏置电压。电桥输出是跨第一输出焊盘112和第二输出焊盘114的电势差。由于差分输出的性质，由于电阻器104、106、108、110的温度变化而引起的电阻的任何变化都被抵消。

如本文所讨论，电阻器104、106、108、110各自由TMR膜制成。在一个实施方案中，TMR电阻器各自不同，并且其不同使得电阻器104、106、108、110具有不同的电阻。在另一个实施方案中，TMR膜相同，但是电阻器104、106、108、110不同。在又一个实施方案中，电阻器104、110彼此相同(因为制成电阻器104、110的TMR膜彼此相同)，并且电阻器106、108彼此相同(因为制成电阻器106、108的TMR膜彼此相同)但与电阻器104、110不同。

典型的磁场传感器在惠斯通电桥电路中使用TMR电阻器。TMR电阻器必须对磁场具有不同的响应以便生成差分输出电压。如本文所讨论，制造磁场传感器的新方法是在同一层中制造两个不同的TMR膜。TMR膜的可靠性和性能确定磁阻响应。这样，结合不同TMR膜特征，可制造用于磁场传感器的完美惠斯通电桥设计。

关于图1，如果制成电阻器104、106、108、110的TMR膜的自由层具有与钉扎层磁化方向成+45°或-45°的长轴，则由于形状各向异性，自由层易磁化轴被限制为沿着长轴，并且磁化方向可以通过来自设置线的安培场沿长轴双向设置，该设置线位于自由层的顶部上并且正交于自由层长轴。

当沿着Y轴施加磁场时，110、104的电阻随磁场增大而增大，而106、108的电阻随磁场增大而减小。这种不同的响应实现惠斯通电桥，并且传感器灵敏度与输出电压成比例，该输出电压与电阻器110(或电阻器104)和电阻器106(或电阻器108)之间的电阻差成比例。然而，由于45°自由层或钉扎层初始状态，仅一半的磁阻变化被使用。如果自由层到钉扎层初始磁化状态可被设置为90°并且仍然具有两种不同的磁阻变化，则将使用完整范围的磁阻变化，并且传感器灵敏度可增加两倍。

钉扎层磁化方向由磁性退火方向设置。通常，电阻器104、106、108、110由相同的TMR膜制成并且经历相同的过程，因此全部具有相同的钉扎层方向。每个装置都可以全MR比来工作，但是所有装置都以相同的方式响应于外部场，因此根本不存在输出电压。解决该问题的简单方法是通过用厚NiFe膜覆盖来屏蔽电阻器106和电阻器108，使得电阻器106和电阻器108将不响应磁场。另选地，可用恒定电阻器代替电阻器106和108。然而，这种半桥感测方案也将降低输出电压并因此限制灵敏度。

图2A和图2B是根据一个实施方案的TMR结构200、250的示意图。应当理解，术语“TMR电阻器”和“TMR结构”可互换使用。TMR电阻器200、250各自包括晶种层202、252，该晶种层将形成在底部引线(未示出)上。在一个实施方案中，晶种层202、252包含导电材料诸如钌，并且具有介于约10埃至约100埃的厚度，并且通过熟知的沉积方法诸如电镀、化学镀或溅镀进行沉积。另外，应当理解，虽然钌已被例示为晶种层202、252材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将钌用于晶种层202、252。另外，同时沉积晶种层202、252。

反铁磁(AFM)层204、254设置在晶种层202、252上。用于AFM层204、254的合适材料包括厚度介于约40埃至约500埃之间的IrMn、PdMn、NiMn或PtMn。AFM层204、254可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然IrMn、PdMn、PtMn和PtMn已被例示为AFM层204、254材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将IrMn、PdMn、PtMn或PtMn用于AFM层204、254。另外，同时沉积AMF层204、254。

钉扎层206、256设置在AFM层204、254上。用于钉扎层206、256的合适材料包括厚度介于约20埃和约30埃之间的CoFe或Co/CoFe/Co多层堆叠。钉扎层206、256可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然CoFe或Co/CoFe/Co已被例示为钉扎层206、256材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将CoFe或Co/CoFe/Co用于钉扎层206、256。另外，同时沉积钉扎层206、256。

间隔层208、258设置在钉扎层206、256上。用于间隔层208、258的合适材料包括厚度介于约4埃至约10埃之间的Ru。间隔层208、258可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然钌已被例示为间隔层208、258材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将钌用于间隔层208、258。另外，同时沉积间隔层208、258。

参考层210、260设置在间隔层208、258上。用于参考层210、260的合适材料包括作为多层叠堆的CoFe/Ta/CoFeB/CoFe。第一CoFe层可具有介于约8埃至约10埃之间的厚度。Ta层可具有介于约0.5埃至约2埃之间的厚度。CoFeB层可具有介于约10埃至约15埃之间的厚度。第二CoFe层可具有介于约3埃至约10埃之间的厚度。参考层210、260可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。另外，应当理解，虽然CoFe/Ta/CoFeB/CoFe已被例示为参考层210、260材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将CoFe/Ta/CoFeB/CoFe用于参考层210、260。另外，同时沉积参考层210、260。

阻挡层212、262设置在参考层210、260上。用于阻挡层212、262的合适材料包括厚度介于约10埃至约20埃之间的MgO。应当理解，虽然MgO被例示为阻挡层212、262，但也设想了其他绝缘材料。另外，同时沉积阻挡层212、262。

第一自由层214、264设置在阻挡层212、262上。用于第一自由层214、264的合适材料包括CoFe/CoFeB/Ta/NiFe多层叠堆。第一CoFe层可具有介于约3埃至约10埃之间的厚度。CoFeB层可具有介于约10埃至约20埃之间的厚度。Ta层可具有介于约0.5埃至约2埃之间的厚度。NiFe层可具有介于约3埃至约300埃之间，诸如介于约3埃和约10埃之间或介于约10埃和约300埃之间的厚度。第一自由层214、264可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。此外，应当理解，虽然CoFe/CoFeB/Ta/NiFe已被例示为第一自由层214、264材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将CoFe/CoFeB/Ta/NiFe用于第一自由层214、264。另外，同时沉积第一自由层214、264。

附加间隔层216设置在第一自由层214上。在一个实施方案中，间隔层216为包含Co/Ru/Co的多层结构。应当理解，间隔层216可以是单层或包括第一磁性层、非磁性导电层和第二磁性层的其他多层叠堆。在间隔层216为Co/Ru/Co的实施方案中，第一Co层可具有介于约3埃至约6埃之间的厚度，Ru层可具有介于约6埃和约10埃之间的厚度，并且第二Co层可具有介于约3埃至约6埃之间的厚度。Co层用于增强合成反铁磁(SAF)耦合。间隔层216可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。

第二自由层218设置在间隔层216上。用于第二自由层218的合适材料包括NiFe。NiFe层可具有介于约100埃至约300埃之间，诸如介于约100埃和约200埃之间(第二自由层218的磁矩大于第一自由层214的磁矩)或介于约200埃和约300埃之间的厚度。第二自由层218可通过熟知的沉积方法(诸如溅射)形成。应当理解，虽然NiFe已被例示为第二自由层218材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将NiFe用于第二自由层218。第一自由层214与间隔层216和第二自由层218一起共同形成不平衡的合成AFM结构。

对于惠斯通电桥，所有电阻器不能都相同。相反，电阻器104、110彼此相同，并且电阻器106、108彼此相同并且与电阻器104、110不同。TMR传感器250将表示经历附加处理的电阻器106、108。

另一个磁性层270沉积在TMR250的暴露的第一自由层264上。另一个磁性层270在组成上与第二自由层218基本上相同，但是将具有基本上等于间隔层216和第二自由层218的总厚度的厚度。用于第二磁性层270的合适材料包括NiFe。该NiFe层可具有介于约100埃至约320埃之间，诸如介于约100埃和约200埃之间或介于约200埃和约320埃之间的厚度。磁性层270可通过熟知的沉积方法(诸如溅射或离子束沉积)形成。应当理解，虽然NiFe已被例示为磁性层270材料，但也设想了其他材料，并且本文所讨论的实施方案不限于将NiFe用于磁性层270。

封盖层可形成在第二自由层218和第二磁性层270上方。在磁烘箱中，将TMR结构200、250以介于约250摄氏度至约300摄氏度之间的温度、在介于约10,000Oe至约50,000Oe之间的磁场下退火。第二磁性层270具有大于第一自由层214、264的磁矩。应当理解，第二磁性层270具有的厚度大于第一自由层264的厚度。在TMR结构250中，第二磁性层270铁磁耦合到第一自由层264，并且第一自由层264将提供磁阻。在退火之后，钉扎层206、256在-Z方向上被钉扎，并且参考层210、260具有+Z方向的磁矩。硬磁偏置场H偏置由箭头272示出。当施加硬磁偏置场时，TMR结构200的第一自由层214具有由箭头276示出的磁矩，该磁矩与由箭头278示出的TMR结构250的第一自由层264的磁矩反平行。另外，在所施加的硬磁偏置下，第二自由层218和第二磁性层270具有由箭头274、280示出的平行的磁矩。在同一硬磁偏置场下，第一自由层214的磁矩与第二自由层218的磁矩反平行，而第一自由层264的磁矩与第二磁性层270的磁矩平行。

图3A和图3B是示出两个不同惠斯通电桥的工作偏置场的图。膜A可指TMR结构200，而膜B可指TMR结构250。图3A中的点A为膜A和膜B的线相交的位置。在图3A中，点A位于偏置场为0的位置处。如上所述，用户常常期望膜A和膜B的线相交的位置为非零位置。因此，对膜A或膜B或两者的线进行偏移可用于适应用户对非零位置的期望。如图3B所示，点B为膜A和膜B的线相交的位置，该位置位于非零位置处。该非零位置被示出为-350Oe，但是应当理解，该位置不必须是-350Oe，而是可以由用户选择。然后，可如下所述设计惠斯通电桥以满足用户需求。

图4是惠斯通电桥400的示意图，其中多个TMR结构用于每个电阻器R1、R2、R3、R4。R1可对应于电阻器104；R2可对应于电阻器106；R3可对应于电阻器110；并且R4可对应于电阻器108。当工作场偏置设为0时，则R1＝R2＝R3＝R4。另外，基于TMR结构，电阻器R1和R3不同于电阻器R2和R4，以提供两种不同的磁阻响应。

在惠斯通电桥400中，每个电阻器R1、R2、R3、R4包括多个TMR结构200、250。更具体地讲，在一个实施方案中，电阻器R1和R3将包括多个TMR结构200，并且电阻器R2和R4将包括多个TMR结构250。在另一个实施方案中，电阻器R1和R3将包括多个TMR结构250，并且电阻器R2和R4将包括多个TMR结构200。为简单起见，图4示出了电阻器R1和R3具有TMR结构200，而电阻器R2和R4具有TMR结构250。电阻器R1和R3中的TMR结构200、250的数量和设计都相同。类似地，电阻器R2和R4中的TMR结构200、250的数量和设计也都相同。

典型的磁场传感器在惠斯通电桥电路中使用MR装置。关键是使电桥中的MR不同地变化。在本文中，磁场传感器具有可调整的偏置点。两组不同的TMR结构200、250具有两种不同的磁阻响应。TMR结构200、250两者都具有彼此正交的自由层磁矩和钉扎层磁矩，但是磁阻响应相反(即，一个TMR结构具有随外部磁场增大而线性增大的电阻，而另一个具有随外部磁场增大而线性减小的电阻)。另外，可以对偏置点进行调整以在给定的外部磁场范围内工作。

当用户期望具有非零工作场偏置的惠斯通电桥时，需要对电阻器进行调整。在本文所讨论的实施方案中，电阻面积对于所有TMR结构200、250是相同的，并且每个电阻器R1至R4的TMR结构的总数是相同的。更具体地，TMR结构200、250具有相同的高度、长度和宽度。为了发生非零工作场偏置，将附加电阻器R0串联连接到R2和R4。附加电阻器R0是非TMR结构。

图5是根据一个实施方案的惠斯通电桥的示意图。对于图5所示的实施方案，TMR结构200的RA等于TMR结构250的RA。TMR结构200、250的磁阻是不同的。对于电阻器R1至R4，在惠斯通电桥中存在TMR结构200、250联接在一起。

对于位置检测应用，偏置点(电桥具有零输出电压的场)不能处于零场。磁体可用于产生磁场，并且惠斯通电桥传感器检测来自该磁体的场。存在作用于传感器上的处于初始状态的场，并且当磁体移动靠近或远离传感器时，场强增大或减小。该传感器在非对称场范围内工作。因此，惠斯通电桥偏置点应在该场范围的中心处。如图5所示，作为非TMR电阻器的附加电阻器R0串联连接到R2和R4中的每一者。因此，SVDD(或电源102)与VDC2(或第二输出焊盘114)之间的电阻以及VDC1(或第一输出焊盘112)与接地部116之间的电阻升高，从而产生负偏置场诸如-350Oe，如图3B所示，并且传感器适用于在-500Oe至-200Oe的场范围内进行感测。

图6是磁场传感器的示意图，该磁场传感器具有两个不同的TMR膜和串联连接到R2和R4的恒定R0。膜A和膜B具有相同的RA和MR比。惠斯通电桥偏置点(R1＝R2+R0＝R3＝R4+R0)处于负场。该传感器用于在非对称场范围内工作。

图7是示出制造惠斯通电桥的方法700的流程图。该方法操作如下：在步骤702中，初始接收来自用户的工作场范围。然后，在步骤704中，设置用于两个电阻器的TMR结构的数量。由于非TMR电阻器将仅仅是具有特定长度和宽度的金属，因此可在TMR结构200、250的制造中的任何步骤处制造该非TMR电阻器。可用于非TMR电阻器的合适的材料包括Cr、NiCr、Ru、Cu、Ta、Ti、Au或任何导电材料。此外，可通过熟知的沉积工艺诸如化学镀、电镀或溅射沉积导电材料来制造非TMR电阻器。该非TMR电阻器的合适厚度包括介于约100埃至约1000埃之间。非TMR电阻器的厚度和非TMR电阻器的材料将确定偏置点。此后，在步骤706中形成TMR结构电阻器。最后，在步骤708中同时制造非TMR结构电阻器。

在一个实施方案中，TMR传感器装置包括：第一电阻器，该第一电阻器包括第一多个TMR结构；第二电阻器，该第二电阻器包括第二多个TMR结构；第三电阻器，该第三电阻器包括第三多个TMR结构；第四电阻器，该第四电阻器包括第四多个TMR结构；以及第五电阻器，该第五电阻器串联连接到该第二电阻器，其中该第五电阻器是非TMR电阻器。该阵列还包括第六电阻器，该第六电阻器串联连接到第四电阻器，其中该第六电阻器是非TMR电阻器。该第五电阻器和该第六电阻器相同。该第一多个TMR结构等于该第三多个TMR结构。该第二多个TMR结构等于该第四多个TMR结构。该第一多个TMR结构等于该第二多个TMR结构。第一电阻器和第三电阻器具有相同的RA。第二电阻器和第四电阻器具有相同的RA。第一电阻器和第二电阻器具有相同的RA。该第一多个TMR结构中的该TMR结构彼此相同。该第二多个TMR结构中的该TMR结构彼此相同。该第一多个TMR结构中的该TMR结构不同于该第二多个TMR结构中的该TMR结构。

在另一个实施方案中，TMR传感器装置包括：多个电阻器，该多个电阻器各自包含多个TMR结构，其中该多个电阻器中的至少两个电阻器包含不同的TMR结构，其中该多个电阻器中的至少两个电阻器包含相同的TMR结构，并且其中该至少两个电阻器是非TMR结构电阻器。该TMR结构具有基本上相同的RA。该惠斯通电桥具有为非零Oe的偏置点。至少一个TMR结构包含合成反铁磁结构。存在至少两个非TMR电阻器。

在另一个实施方案中，制造TMR传感器装置的方法包括：形成第一电阻器，该第一电阻器具有第一多个TMR结构；形成第二电阻器，该第二电阻器具有第二多个TMR结构；形成第三电阻器，该第三电阻器具有第三多个TMR结构；形成第四电阻器，该第四电阻器具有第四多个TMR结构；以及形成不具有TMR结构的第五电阻器，其中该第五电阻器串联连接到该第二电阻器。该方法还包括形成不具有TMR结构的第六电阻器。该第六电阻器串联连接到第四电阻器。

在一个实施方案中，TMR传感器用于作为单轴传感器操作的相机中。此类传感器的示例见于美国专利申请公布2019/0020822A1中，该专利申请公布以引用方式并入本文。然而，预期TMR传感器可用作二维或甚至三维传感器。另外，预期TMR传感器可集成并用于除了相机之外的惯性测量单元技术中，诸如可穿戴装置、罗盘和MEMS装置。此外，TMR传感器可作为位置传感器、桥角传感器、磁开关、电流传感器或它们的组合来操作。TMR传感器可用于通过使用TMR传感器作为位置和角度传感器来聚焦相机，诸如智能电话相机。另外，TMR传感器在汽车工业中也可以作为开关、电流和角度传感器来替代电流霍尔传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器和巨磁阻(GMR)传感器。TMR传感器也可在无人机和机器人工业中用作位置和角度传感器。医疗装置也可利用TMR传感器来对输注系统进行流量控制，还可以使用内窥镜相机传感器等。因此，本文所讨论的TMR传感器具有远远超出智能电话相机的应用，并且因此不应限于用作智能电话相机的传感器。此外，TMR传感器不需要布置成惠斯通电桥布置，而是能够以任何数量的方式布置。

通过向惠斯通电桥添加附加的非TMR电阻器，同时保持所有TMR结构的RA恒定以及每个包含TMR的电阻器的TMR结构的数量恒定，可定制工作偏置场点以满足用户的需要。

虽然前述内容针对本公开的实施方案，但是可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设想本公开的其他和另外的实施方案，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。