基于巨磁阻技术的传感器及其优势

——作者：Allegro MicroSystems公司Bryan Cadugan
 
摘要
 
Allegro MicroSystems 是开发、制造和销售集成有高性能传感器的世界领先IC厂商，本文首先介绍了巨磁阻 (GMR)技术的最新进展，并阐述了Allegro 如何在市场领先的 IC 中使用此技术来满足当今的应用需求。
 
巨磁阻技术
 
1988年，Albert Fert和Peter Grünberg共同发现了巨磁阻效应，两人凭借此发现获得2007年诺贝尔奖。巨磁阻效应的基本原理是基于电子自旋。在磁阻器中，电子散射率的增减是电子自旋态与电子所在介质磁性方向相互作用的函数。电子散射增加了电子流的平均自由路径，有效地改变了介质的电阻。总之，磁阻是一种在磁场变化情况下阻值随之改变的电阻。
 
巨磁阻传感器的制造方法是创建一系列由不同磁性和非磁性材料制成的超薄层，这些材料的顺序和厚度使堆叠的薄膜（巨磁阻层叠）可以在有磁场的情况下改变其电阻。
 
随着时间的推移，巨磁阻技术的进步导致“旋阀”型架构出现，这也是Allegro在最新IC中使用的架构。在旋阀架构中，两个磁性薄层中的一个作为“基准”，并且固定其磁场方向。另一个薄层被称为“自由”薄层，可以自由地与周围环境中的磁场对齐（见图 1）。在典型的磁性传感器应用中，该磁场由磁体或电流产生，在本文中称为Bapp。“旋阀”这样命名是因为它类似于水龙头，水流的速度与水龙头的旋转程度有关。巨磁阻旋阀的打开位置相对于磁性薄层方向一致的时机（如图1中的方向A所示），此时电阻最低。当磁性薄层反向对齐（如图1中的方向B所示）时，会出现巨磁阻旋阀闭合位置（或低流量位置），此时电阻最高。对于“基准”薄层和“自由”薄层之间的任何角度差异，GMR 传感器的电阻与该角度的余弦成比例。
 
R = Rmin + (Rmin – Rmax) × cos(θ)
 
电阻变化的百分比称为MR%或磁阻百分比。Allegro公司GMR传感器的全范围场响应MR%通常是5～8%，这种响应水平产生的信号比霍尔效应传感器高约50倍，使用巨磁阻传感器代替霍尔效应传感器能够在IC中实现更高的信噪比。
 
巨磁阻响应
 
巨磁阻对电阻平面（即芯片表面或IC表面）施加磁场(Bapp)的本征响应与所施加磁场角度的余弦成正比。但是，巨磁阻的电阻值并不总是用于表征磁场的强度。基本的巨磁阻传感器更多的是磁性角度传感器（如图1所示）。然而，在许多情况下，巨磁阻传感器需要对一个轴上的场进行线性响应。为了产生这种线性响应，与“基准”薄层产生90度的各向异性，此基准场的行为就像另一个磁场，成为施加场累加矢量（这种各向异性引起的场Ban，表示为图2中的黄色箭头）。然后，该响应具有围绕零磁场状态的线性区域。Allegro的许多IC都使用这种线性化响应的方法。一定要注意在磁场响应范围任一极端情况下出现的饱和响应。在线性应用中，需要指定最大工作范围以解决杂散磁场和检测的磁激励。巨磁阻产品的数据手册可以用来表示操作边界条件。有一点需要注意的是，Allegro霍尔效应解决方案没有这种固有的饱和响应。Allegro霍尔效应IC具有基于应用或电路条件的饱和响应，这并不是霍尔技术导致的。

图1：巨磁阻响应。
 

图2：引入各向异性时的响应线性化。

采用巨磁阻技术的传感器IC
 
通常情况下，需要创建巨磁阻电阻，并将其置于惠斯通电桥配置中。惠斯通电桥的一半（图3中的元件A和C）位于一个磁场条件下，惠斯通电桥的另一半（元件B和D）位于另一磁场条件下。理想情况下，这些条件表现出相等但相反的响应，以此使得惠斯通桥输出的信号最大。如图3中的蓝色箭头和文本所示，元件A和C以左方向（在本例中为反平行状态，在图1中表示为 Rmax）感测磁场，元件B和D以右侧方向（在本例中为平行状态，在图1中表示为Rmin）感测磁场。结果是电阻器A和C将处于高电阻状态，而B和D中的电阻器处于低电阻状态。差分输出将为正。

图3：惠斯通电桥。

使用惠斯通电桥时，输出始终与所施加的VCC成比例，在没有施加磁场的情况下，差分输出的中点为0V。差分电桥输出根据惠斯通电桥施加磁场的方向进行正向或负向摆动。这种电桥配置既可以消除温度漂移，也可以在一定程度上隔离杂散磁场。
 
对于电流传感器，磁场在元件A和C处以改变为同一个方向，而在元件B和D处保持相反的方向（见图 4）。惠斯通电桥的输出馈送到差分放大器，然后通过Allegro常用的灵敏度和偏移校正电路，或许进一步通过模拟或数字域的更先进信号处理电路。在没有集成导体的其他应用中，利用巨磁阻元件的物理空间距离可以来影响差分信号，从而实现对各种磁激励的响应。

图4：巨磁阻和电流感应。
 

图5：巨磁阻和环形磁体应用。

巨磁阻的另一个应用是用于ABS 或变速箱传感器等环形磁铁速度检测应用。如图5所示，用交替的南北极磁化来形成环形磁性材料。巨磁阻传感器可以放置在该材料的下面，使芯片平面水平。巨磁阻元件A和C以及B和D之间的间距形成不同磁场，并由这些元件组根据环形磁体在其旋转周期的位置来感测该磁场。当N（北极）位于芯片上方中心时，磁场指向元件A和C上方左侧，以及元件B和D上方右侧。这将在巨磁阻产生响应（如图3所示），并且巨磁阻桥产生最大正响应。当在 S（南）极上方时，响应将是最大负值。而在极点之间时，每个元件的场大致相等，并且桥的响应接近0。当环形磁体旋转时，这将导致传感器的正弦输出。通过对一定时间内输出阈值之间的时间测量，可以确定环形磁体的速度。与传统霍尔传感器相比，巨磁阻技术能够在更大的气隙下保证高灵敏度和高一致性，从而保证高精度的速度测量。
 
Allegro的单片巨磁阻解决方案
 
许多巨磁阻解决方案供应商都采用多芯片方案，即包括传感器芯片和接口芯片。Allegro 是极少数能够直接将巨磁阻技术集成在半导体晶圆顶部的IC制造商之一。
 
这种高集成度技术具有许多优势，包括无需额外的芯片至芯片接口粘合，提高了可靠性，并且在集成载流线路或者需要将元件与外部参考相对定位时，可以简化整体设计。
 
由于 Allegro 的巨磁阻解决方案本质上是单片式，巨磁阻IC晶圆的管理与霍尔效应传感器IC晶圆相同。将制造好的晶圆放至适合其封装的厚度，并将晶圆切割成合适的芯片尺寸。在此步骤之后，该器件采用 Allegro 标准系列半导体IC封装。
 
结论
 
巨磁阻传感器比霍尔效应传感器有一些优势。但是，非常重要的是了解这些传感器所面对的应用要求，因为在许多情况下霍尔解决方案更加合适。Allegro最新的高集成度巨磁阻技术能够为设计人员提供了更多的选择，可用于满足一些新应用的需求,并可扩展现有应用的功能。巨磁阻技术能够改善信噪比、提高分辨率，同时能够降低特定给定解决方案所需的磁场等级（允许较小的磁体、较大的气隙等）。此外，晶圆或IC表面平面内的感测能够实现比平面霍尔传感技术更加可靠的新型、差分磁性解决方案。Allegro将充分利用巨磁阻技术所提供的新功能，来推出更广泛的磁传感器IC产品组合。