专利名称：一种开关传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种开关设备，具体设计一种开关传感器。
背景技术：
磁性开关传感器广泛用于消费电子、白色家电、三表(电表、水表、气表)、汽车以及工业，目前主流的磁性开关传感器有霍尔传感器和AMR (各向异性磁阻)传感器。在消费电子和三表应用领域，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗可达几微安，这是牺牲其工作频率的情况下获得的，其工作频率为十几赫兹，其开关点为几十高斯；在汽车、工业应用等需要高工作频率的环境，霍尔开关传感器和AMR开关传感器的功耗为毫安级，其工作频率为千赫兹级。MTJ (磁性隧道结)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，它利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应，主要表现在磁性多层膜材料中随着外磁场大小和方向的变化，磁性多层膜的电阻发生明显变化。在消费电子和三表等低功耗应用领域，以MTJ元件为敏感元件的开关传感器在工作频率为千赫兹时的功耗为微安级，开关点为十几高斯；在汽车、工业应用等需要高工作频率的环境，MTJ开关传感器的工作频率可达兆赫兹，功耗仅为微安级别。由于现有开关传感器无论在休眠或工作状态功耗都较高，且工作频率低，为此需要一种高灵敏度，无论在休眠或工作状态功耗低，响应频率高，体积小的开关传感器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高灵敏度，低功耗，响应频率高，体积小，温度特性好的开关传感器，利用MTJ元件为敏感元件对靠近的铁磁物质进行感应，具有低功耗和高灵敏度的特性。为达到上述目的，本发明的技术方案如下一种开关传感器，包括磁电阻元件和ASIC芯片，所述磁电阻元件与所述ASIC芯片相适配，并且所述磁电阻元件连接在所述ASIC芯片上,所述磁电阻元件为感应元件和/或参考元件，所述感应元件和所述参考元件为一个或者多个MTJ磁电阻元件串联组成。优选的，所述MTJ磁电阻元件包括钉扎层、磁性被钉扎层、非磁性氧化物层和磁性自由层，所述感应元件的磁性自由层磁矩方向与磁性被钉扎层磁矩方向垂直或者呈一定角度，所述参考元件的磁性自由层的磁矩方向与磁性被钉扎层的磁矩方向平行。优选的，所述磁电阻元件为一个，两个或者四个。优选的，所述一个磁电阻元件为感应元件。优选的，所述两个磁电阻元件为两个感应元件或者一个感应元件与一个参考元件，并且所述两个磁电阻元件为半桥联接。优选的，所述四个磁电阻元件为四个感应元件或者相互间隔设置的两个感应元件与两个参考元件，并且所述四个磁电阻元件为全桥联接。
本发明利用MTJ电磁阻元件为敏感元件对靠近的铁磁物质进行感应，具有低功耗和高灵敏度的特性。采用本技术方案的有益效果是高灵敏度，无论在休眠或工作状态功耗低，响应频率高，体积小。
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为MTJ磁隧道结结构示意 图2为MTJ磁隧道结磁电阻输出特性示意 图3为本发明的一种实施例的示意 图4为本发明的一种实施例的示意 图5为本发明的一种实施例的示意 图6为本发明的一种实施例的示意 图7为本发明的一种实施例的示意 图8为本发明的一种实施例的示意 图9为本发明的一种实施例的示意 图10为半桥电路和单电阻恒流电路的输出信号示意 图11为全桥电路的输出信号示意 图12为单极开光信号示意 图13为锁存开关信号示意 图14为全极开关/[目号不意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图I所示，MTJ磁隧道结的结构由纳米级多层膜组成钉扎层1，磁性被钉扎层2，非磁性氧化物层3，磁性自由层4。磁性被钉扎层2的磁矩方向5与磁性自由层4的磁矩方向6相互垂直或呈一定角度。磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化。MTJ磁隧道结的工作原理为，MTJ的磁阻随着磁性自由层4的磁矩方向6与磁性被钉扎层2的磁矩方向5的夹角的变化而变化。当磁性自由层4的磁矩方向6随着外加磁场7的大小和方向的改变而变化时，隧道结MTJ的磁阻也随之变化。如图2所示，当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5平行时，同时外加磁场的强度大于Hl时,磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向平行,进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5平行，这时隧道结MTJ的磁阻最小。当外加磁场7的方向与被钉扎层2的磁矩方向5反平行时，同时外加磁场的强度大于H2时,磁性自由层4的磁矩方向与外加磁场7的方向反平行，进而与磁性被钉扎层2的磁矩方向5反平行，这时隧道结MTJ的磁阻最大。Hl与H2之间的磁场范围就是MTJ的测量范围。本发明采用以下方式或以下方式的组合对磁性自由层的磁矩方向进行偏置，使磁性自由层的磁矩方向和磁性被钉扎层的磁矩方向垂直或呈一定角度在磁性自由层上层或下层沉积一层反铁磁层，利用其与磁性自由层间的交换耦合对磁性自由层的磁矩方向进行偏置；通过磁性自由层和磁性被钉扎层间的奈尔耦合作用对磁性自由层的磁矩方向进行偏置；在传感器上集成设置一用于将磁性自由层磁矩方向偏置的电流线，该电流线电流方向和磁性被钉扎层磁矩方向相同；在传感器上设置将磁性自由层磁矩方向进行偏置的永磁体。实施例I
如附图3所示，本发明的一种实施例，一种推挽半桥MTJ开关传感器，对靠近的铁磁物质进行感应，包括两个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片13，两个磁电阻元件半桥联 接，两个磁电阻元件为两个感应元件11、12。两个感应元件11、12由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成。MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层，两个感应元件的磁性自由层的磁矩方向分别为121和122，磁矩方向121和122的方向平行相反；两个MTJ磁电阻元件的磁性被钉扎层的磁矩方向分别为111和112，磁矩方向111和112的方向平行相反；每个感应元件的磁性自由层的磁矩方向与其磁性被钉扎层磁矩方向垂直，磁矩方向111与磁矩方向121垂直，磁矩方向112与磁矩方向122垂直，推挽半桥的敏感方向7与两个感应元件的被钉扎层磁矩方向平行。当沿着推挽半桥的敏感方向7有外加磁场时，一个感应兀件的磁性自由层磁矩方向会趋向于平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之降低，另一个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于反平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之升高，从而导致推挽半桥的输出Vtot的变化，其输出曲线如图10所
/Jn ο与推挽半桥电路相适配的ASIC芯片13的作用是为芯片提供稳恒电压VDD，同时将电桥的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。实施例2
如图4所示，本发明的一种实施例，另一种推挽半桥MTJ开关传感器，对靠近的铁磁物质进行感应，包括两个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片13，两个磁电阻元件半桥联接，两个磁电阻元件为两个感应元件11、12。两个感应元件11、12由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成。MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层，两个感应元件的被钉扎层磁矩方向111和112相同，每个感应元件的磁性自由层磁矩方向与磁性被钉扎层磁矩方向呈一锐角，磁矩方向111与磁矩方向121呈一锐角,磁矩方向112与磁矩方向122呈一锐角，并且每个MTJ磁电阻兀件自由层磁矩方向和被钉扎层磁矩方向的夹角相同，自由层磁矩方向121和122不同,推挽半桥的敏感方向7与两个感应兀件被钉扎层磁矩方向垂直。当沿着推挽半桥的敏感方向7有外加磁场时，一个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之降低，另一个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于反平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之升高，从而导致推挽半桥的输出Vott的变化，其输出曲线如图10所示。
与推挽半桥电路相适配的ASIC芯片13的作用是为芯片提供稳恒电压VDD，同时将电桥的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。实施例3
如图5所不,本发明的一种实施例,一种参考半桥MTJ开关传感器,对靠近的铁磁物质进行感应，其包括两个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片23，两个磁电阻元件半桥联接，两个磁电阻元件为一个感应元件21和一个参考元件22。感应元件21和参考元件22由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成。MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层。感应元件的磁性自由层磁矩方向221和磁性被钉扎层磁矩方向211垂直。参考半桥的敏感方向7与被钉扎层磁矩方向211平行。当沿着参考半桥的敏感方向7有外加磁场时，感应兀件21的磁性自由层磁矩方向221会趋向于平行或反平行磁性被钉 扎层磁矩方向211，其阻值会随之降低或升高，从而导致参考半桥的输出Vtot的变化，其典型输出曲线如图10所不。由于磁电阻元件22为参考元件，其磁性自由层的磁矩方向和磁性被钉扎层的磁矩方向平行，可以通过以下方法或以下几种方法的组合降低其灵敏度可以在其表面设置屏蔽层，屏蔽层为高磁导率的软磁材料，降低其敏感度；可以在其自由层上层或下层沉积反铁磁层或永磁层，利用反铁磁层和自由层的交换I禹合或永磁层和自由层的散场I禹合对其自由层磁矩偏置，降低其敏感度；可以在其两侧设置永磁体，永磁体对其自由层磁矩偏置，降低其敏感度；可以通过将参考元件狭长于感应元件，利用其各向异性能对其自由层磁矩偏置，降低其敏感度。与参考半桥电路相适配的ASIC芯片23的作用是为芯片提供稳恒电压VDD，同时将电桥的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。实施例4
如图6所不,本发明的一种实施例,一种单电阻恒流MTJ开关传感器,对靠近的铁磁物质进行感应，其包括一个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片32，一个磁电阻元件为一个感应元件，所述感应元件31由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成。MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层，磁性自由层磁矩方向321和磁性被钉扎层磁矩方向311垂直，敏感方向7与被钉扎层磁矩方向311平行。当沿着敏感方向7有外加磁场时，感应兀件31的磁性自由层磁矩方向321会趋向于平行或反平行磁性被钉扎层磁矩方向311，其阻值会随之降低或升高，从而导致输出Vtm=Vra-Va的变化，其输出曲线如图10所示。与单电阻恒流电路相适配的ASIC芯片32的作用是为芯片提供稳恒电流，同时将电路的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。实施例5
如图7所示，本发明的一种实施例，一种推挽全桥MTJ开关传感器，对靠近的铁磁物质进行感应，其包括四个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片45，四个磁电阻元件全桥联接，四个磁电阻元件为四个感应元件41、42、43和44,四个感应元件41、42、43和44由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成。MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层,相对位置的感应元件41和42的磁性自由层磁矩方向421和422相同，相对位置的感应元件43和44的磁性自由层磁矩方向423和424相同，相对位置的感应元件41和42的磁性被钉扎层磁矩方向411和412相同，相对位置的感应元件的磁性被钉扎层磁矩方向413和414相同，相邻位置的磁电阻41和44的磁性自由层磁矩方向421和424反平行，相邻位置的磁电阻43和42的磁性自由层磁矩方向423和422反平行，相邻位置的磁电阻41和44的磁性被钉扎层磁矩方向411和414反平行，相邻位置的磁电阻43和42的磁性被钉扎层磁矩方向413和412反平行，每个感应元件的磁性自由层磁矩方向和磁性被钉扎层磁矩方向垂直,磁矩方向421和磁矩方向411垂直，磁矩方向422和磁矩方向412垂直，磁矩方向423和磁矩方向413垂直，磁矩方向424和磁矩方向414垂直，推挽全桥的敏感方向7与被钉扎层磁矩方向平行。当沿着推挽全桥的敏感方向7有外加磁场时，一组处于相对位置的两个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之降低，另一组处于相对位置的两个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于反平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之升高，从而导致推挽全桥输出电压的变化，其输出曲线如图11所示。
与推挽全桥电路相适配的ASIC芯片45的作用是为芯片提供稳恒电压VDD，同时将电桥的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。实施例6
如图8所示，本发明的一种实施例，另一种推挽全桥MTJ开关传感器，对靠近的铁磁物质进行感应，其包括四个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片45，四个磁电阻元件全桥联接，四个磁电阻元件为四个感应元件41、42、43和44，四个感应元件41、42、43和44由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成。MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层，四个感应元件的磁性被钉扎层的磁矩方向411、412、413和414相同，每个感应元件的磁性自由层磁矩方向和磁性被钉扎层的磁矩方向呈一锐角，磁矩方向421和磁矩方向411呈一锐角,磁矩方向422和磁性被钉扎层的磁矩方向412呈一锐角,磁矩方向423和磁矩方向413呈一锐角，磁矩方向424和磁矩方向414呈一锐角，每个感应元件的磁性自由层磁矩方向和磁性被钉扎层磁矩方向的夹角相同，相邻位置的磁性自由层磁矩方向421和424不同,磁矩方向423和422不同,相对位置的磁性自由层磁矩方向421和422相同，磁矩方向423和424相同，推挽全桥的敏感方向7与被钉扎层磁矩方向垂直。当沿着推挽全桥的敏感方向7有外加磁场时，一组处于相对位置的两个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之降低，另一组处于相对位置的两个感应元件的磁性自由层磁矩方向会趋向于反平行磁性被钉扎层磁矩方向，其阻值会随之升高，从而导致推挽全桥输出电压的变化，其输出曲线如图11所示。与推挽全桥电路相适配的ASIC芯片45的作用是为芯片提供稳恒电压VDD，同时将电桥的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。实施例7
如图9所不,本发明的一种实施例,一种参考全桥MTJ开关传感器,对靠近的铁磁物质进行感应，其包括四个磁电阻元件以及与其相适配的ASIC芯片，四个磁电阻元件为全桥联接，四个磁电阻元件为两个感应元件51、52和两个参考元件53、54，并且感应元件和参考元件相互间隔串联，感应元件51、52和参考元件53、54是由一个或多个MTJ磁电阻元件串联组成，MTJ磁电阻元件是磁性纳米多层膜结构，包括磁性自由层和磁性被钉扎层，两个感应元件的磁性自由层磁矩方向521和522相同，两个感应元件的磁性被钉扎层的磁矩方向511和512相同，每个MTJ磁电阻元件的磁性自由层磁矩方向和磁性被钉扎层磁矩方向垂直，磁矩方向521和磁矩方向511垂直,磁矩方向522和磁矩方向512垂直,参考全桥的敏感方向7与被钉扎层磁矩方向511、512平行。当沿着参考全桥的敏感方向7有外加磁场时，感应元件51、52的磁性自由层磁矩方向521、522会趋向于平行或反平行磁性被钉扎层磁矩方向511、512，其阻值会随之同时降低或升高，从而导致参考全桥的输出Vtm=Va^-Vc的变化，其典型输出曲线如图11所示。由于MTJ磁电阻兀件53、54为参考兀件，其磁性自由层的磁矩方向和磁性被钉扎层的磁矩方向平行，可以通过以下方法或以下几种方法的组合降低其灵敏度可以在其表面设置屏蔽层，屏蔽层为高磁导率的软磁材料，降低其敏感度；可以在其自由层上层或下层沉积反铁磁层或永磁层，利用反铁磁层和自由层的交换耦合或永磁层和自由层的散场耦合 对其自由层磁矩偏置，降低其敏感度；可以在其两侧设置永磁体，永磁体对其自由层磁矩偏置，降低其敏感度；可以通过将参考元件狭长于的比感应元件，利用其各向异性能对其自由层磁矩偏置，降低其敏感度。与参考全桥电路相适配的ASIC芯片55的作用是为芯片提供稳恒电压VDD，同时将电桥的输出信号转化为开关信号，可以根据需求输出如图12的单极开关信号、如图13的锁存开关信号、如图14全极开关信号。本发明利用MTJ电磁阻元件为敏感元件对靠近的铁磁物质进行感应，具有低功耗和高灵敏度的特性。采用本技术方案的有益效果是高灵敏度，无论在休眠或工作状态功耗低，响应频率高，体积小。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
权利要求
1.一种开关传感器，包括磁电阻元件和ASIC芯片，所述磁电阻元件与所述ASIC芯片相适配，并且所述磁电阻元件连接在所述ASIC芯片上，其特征在于，所述磁电阻元件为感应元件和/或参考元件，所述感应元件和所述参考元件为一个或者多个MTJ磁电阻元件串联组成。
2.根据权利要求I所述的一种开关传感器，其特征在于，所述MTJ磁电阻元件包括钉扎层、磁性被钉扎层、非磁性氧化物层和磁性自由层，所述感应元件的磁性自由层磁矩方向与磁性被钉扎层磁矩方向垂直或者呈一定角度，所述参考兀件的磁性自由层的磁矩方向与磁性被钉扎层的磁矩方向平行。
3.根据权利要求I或2所述的一种开关传感器，其特征在于，所述磁电阻元件为一个，两个或者四个。
4.根据权利要求3所述的一种开关传感器，其特征在于，所述一个磁电阻元件为感应元件。
5.根据权利要求3所述的一种开关传感器，其特征在于，所述两个磁电阻元件为两个感应元件或者一个感应元件与一个参考元件，并且所述两个磁电阻元件为半桥联接。
6.根据权利要求3所述的一种开关传感器，其特征在于，所述四个磁电阻元件为四个感应元件或者相互间隔设置的两个感应元件与两个参考元件，并且所述四个磁电阻元件为全桥联接。
全文摘要
本发明公开了一种开关传感器，包括磁电阻元件和ASIC芯片，所述磁电阻元件与所述ASIC芯片相适配，并且所述磁电阻元件连接在所述ASIC芯片上，所述磁电阻元件为感应元件和/或参考元件，所述感应元件和所述参考元件为一个或者多个MTJ磁电阻元件串联组成。本发明利用MTJ磁电阻元件为敏感元件对靠近的铁磁物质进行感应，具有低功耗和高灵敏度的特性。采用本技术方案的有益效果是高灵敏度，低功耗，响应频率高，体积小。
文档编号H03K17/95GK102790613SQ20111012515
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者庄利锋, 王建国, 白建民, 薛松生, 钟小军, 黎伟 申请人:江苏多维科技有限公司