基于磁電阻技術的磁頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公布了一種基于磁電阻技術的磁頭，其包括至少一個或多個磁場感應方向相同的傳感單元以及輸出引針；所述傳感單元用以檢測磁性介質的漏磁場；所述輸出引針的輸入端和輸出端分別與所述傳感器的相應端口電連接，用以將傳感器與系統(tǒng)連接；所述傳感單元的敏感元件為巨磁電阻元件或磁性隧道結元件，所述巨磁電阻元件和磁性隧道結元件為納米級厚度的多層膜結構，所述納米級多層膜結構至少包含自由層、非磁性層以及釘扎層三層納米級薄膜。傳感器具有高靈敏度，高精度，小體積，高性噪比，抗干擾能力強的特點，實現(xiàn)了非接觸測量且能夠內置于移動終端中，適用于移動支付并有效地解決了JitterShift現(xiàn)象，適用于工業(yè)化大規(guī)模生產。
【專利說明】基于磁電阻技術的磁頭
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及磁傳感器【技術領域】，特別涉及一種用于識別如磁卡、保密紙、票據以及支票等介質磁性的傳感器。
【背景技術】
[0002]日常生活中，磁性介質廣泛應用于磁卡、保密紙、支票等領域。以磁卡為例，其記錄介質具有以下特點:(I)磁性信號隨著距離的衰減非常劇烈；(2)具有多個磁記錄條，且需要信息加密；同時，由于現(xiàn)代生活和工作中對該類傳感器提出了新的要求，即移動支付，要求傳感器內置于如手機等移動終端中。針對以上特點，用于識別介質磁性介質的傳感器需要具有以下特點:(I)高靈敏度、高精度、高信噪比、體積小和抗干擾能力強以適用于磁性介質的信號測量以及移動設備中復雜的干擾信號；(2)體積要足夠小從而可以集成解碼和加密芯片并可以內置于移動設備中；(3)功耗要足夠低以適用于移動設備的要求；(4)需要非接觸式檢測(即傳感器距離檢測面有一定距離)以適用于移動支付。
[0003]以POS機磁頭為例，現(xiàn)有的磁性介質識別類傳感器的結構為:
[0004](I)采用單個電感線圈或多個電感線圈陣列為敏感元件，靈敏度和精度非常低，不具備抗干擾能力，且功耗大，體積很大無法內置于移動設備中；
[0005](2)測量時必須緊密貼近磁卡使用，不能非接觸使用。
[0006]從上述可以看出，現(xiàn)有的傳感器無法滿足現(xiàn)代生活和工作的需要。
[0007]目前磁性傳感器的敏感元件有除電感線圈外，還有霍爾元件以及各向異性磁電阻元件?；魻栐撵`敏度非常低，且體積大，但是難以實現(xiàn)輕薄化且由于本身的物理性能差導致其測量精度也很低。在磁卡的應用中，磁性介質的漏磁場在介質表面是比較強的，而各項異性磁電阻的飽和場(即工作場)非常低，因此磁介質的漏磁場很容易使各向異性磁電阻元件飽和，故使其無法成為介質識別類傳感器的敏感元件。
[0008]近年來，以巨磁電阻元件(Giant Magneto-resistance, GMR)和磁性隧道結元件(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)為代表的磁電阻式傳感元件較之現(xiàn)有的傳感元件具有更小的體積，更高的精度和靈敏度，更好的溫度特性以及高信噪比，由于該技術被集中應用在信息存儲【技術領域】中，在其它領域的應用還處于探索和小規(guī)模生產階段，未能實現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產，同時在實際研發(fā)中，由于傳感器和磁性介質之間距離的提升，會出現(xiàn)JitterShift現(xiàn)象，使輸出信號嚴重失真。
實用新型內容
[0009]本實用新型目的在于針對現(xiàn)有技術的缺點提供一種具有聞靈敏度，聞精度，小體積，高性噪比，抗干擾能力強的識別磁性介質的傳感器。
[0010]本實用新型為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術方案:
[0011]基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:其包括至少一個或多個磁場感應方向相同的傳感單元以及輸出引針；[0012]所述傳感單元用以檢測磁性介質的漏磁場；
[0013]所述輸出引針的輸入端和輸出端分別與所述傳感器的相應端口電連接，用以將傳感器與系統(tǒng)連接；
[0014]所述傳感單元的敏感元件為巨磁電阻元件或磁性隧道結元件,所述巨磁電阻元件和磁性隧道結元件為納米級厚度的多層膜結構，所述納米級多層膜結構至少包含自由層、非磁性層以及釘扎層三層納米級薄膜。
[0015]其進一步特征在于:所述傳感單元為單電阻、半橋或全橋結構。
[0016]進一步的:所述半橋為推挽半橋、參考半橋或梯度半橋，所述全橋為推挽全橋、參考全橋或梯度全橋。
[0017]上述半橋、全橋的每個橋臂由一個或多個磁場敏感方向相同的巨磁電阻元件或磁性隧道結元件組成。
[0018]上述梯度全橋和梯度半橋結構的所有橋臂的巨磁電阻元件或磁性隧道結元件的磁場敏感方向相同，并且全橋中相對位置的兩個橋臂位于空間中的同一位置，相鄰位置的兩個橋臂位于空間中的不同位置。
[0019]其進一步特征還在于:所述傳感器還包括電路模塊，所述電路模塊的輸入輸出端分別與傳感單元以及輸出引針的相應端口電連接，所述電路模塊含有信號放大單元、降噪單元和解碼單元。
[0020]上述電路模塊還包含防靜電單元。
[0021 ] 上述電路模塊還可以包含加密單元用于加密輸出信號。
[0022]上述電路模塊為集成電路芯片，其輸入端和輸出端通過印刷線路板與傳感單元的相應端口電連接。
[0023]其進一步特征還有:所述巨磁電阻元件或磁性隧道結元件附近設置有軟磁體。
[0024]以上所述傳感器包括支架，所述支架為非永磁材料，用以支撐所述傳感器的所有部件。
[0025]上述傳感器包括外殼，所述外殼為非永磁材料，包覆于所述支架的外部，用以保護置于支架內的所述傳感器的所有部件。
[0026]本實用新型是一種采用巨磁電阻元件或磁性隧道結元件的磁性介質識別傳感器，該傳感器具有高靈敏度，高精度，小體積，高性噪比，抗干擾能力強的特點，實現(xiàn)了非接觸測量且能夠內置于移動終端中，適用于移動支付并有效地解決了研發(fā)過程中遇到的JitterShift現(xiàn)象，適用于工業(yè)化大規(guī)模生產。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是基于磁電阻技術的磁頭的側視圖。
[0028]圖2是采用多個傳感單元的基于磁電阻技術的磁頭的俯視圖。
[0029]圖3是巨磁電阻元件和磁性隧道結元件的結構示意圖。
[0030]圖4是巨磁電阻元件或磁性隧道結元件的輸出曲線示意圖。
[0031]圖5是多個磁性隧道結元件的串聯(lián)示意圖。
[0032]圖6是多個巨磁電阻元件的串聯(lián)示意圖。
[0033]圖7是是半橋式傳感單元的電連接示意圖。[0034]圖8是半橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0035]圖9是全橋式傳感單元的電連接示意圖。
[0036]圖10是全橋式傳感單元的輸出曲線示意圖。
[0037]圖11是梯度全橋式傳感單元的磁電阻的物理位置圖。
[0038]圖12是多個傳感單元的感應部分的電連接示意圖。
[0039]圖13是在磁性隧道結(巨磁電阻元件)附近設置軟磁體的示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖及實施例對本實用新型的
【發(fā)明內容】
作進一步的描述。
[0041]圖1是本實施例提供的基于磁電阻技術的磁頭的側視圖，包括傳感單元11、電路模塊12、外殼13、輸出引針14、支架(圖中未示出)以及印刷線路板15。傳感單元11和電路模塊12為芯片式，通過印刷線路板15將之對應的輸出端和輸入端電連接。傳感單元11用以檢測磁性介質21的漏磁場32，其磁場敏感方向為I。傳感單元11的輸出信號通過電路模塊12處理后通過輸出引針14傳遞至系統(tǒng)使用。輸出引針14在本文中為一概念性描述，其為傳感器和系統(tǒng)的連接單元，其與傳感器相對應的輸出端口和輸入端口電連接，系統(tǒng)通過輸出引針的輸出端口接受數(shù)據，通過其輸入端口給傳感器供電。外殼13的主要作用是用于支撐容置其內的傳感器部件，對材料限制不大，非硬磁材料即可。傳感單元11的輸入端和輸出端分別與電路模塊12上的相應端口電連接，輸出引針14的相應端口與電路模塊12的相應端口電連接，使得系統(tǒng)通過輸出引針14與傳感器的輸入端和輸出端導通。
[0042]上述中的輸入端和輸出端為概念性描述，以傳感單元為例，通過下面的詳細闡述可以知道輸入端具有Vbias和GND兩個端口 ；對于單電阻或半橋，輸出端具有Votit和Vbias (或GND)兩個端口 ；對于全橋則有V+和V-兩個端口。
[0043]所述傳感器可以是單路的，即只含有一個傳感單元，也可以是含有多個傳感單元(IlaUlb……Iln)的多路傳感器，如圖2所示，其中電路模塊、印刷線路板以及輸出引針未在圖中標示。
[0044]本實施例中所述的支架是一種異形結構件，支架(圖中未示)的形狀和尺寸分別與傳感器的所有部件(包括一個或多個傳感單元11、電路模塊12、外殼13以及印刷線路板15)的形狀和尺寸匹配，且支架的外邊緣與外殼13的內表面緊密接觸，用于固定傳感單元11和電路模塊12。支架還設有通孔，該通孔的位置和尺寸分別與輸出引針14的位置和尺寸匹配，使得輸出引針14能夠穿過支架的通孔。
[0045]由于傳感單元11已經可以精確測量出磁性介質的漏磁場，其輸出信號可以直接使用，因此電路模塊12并不是必要的結構，其作用只是優(yōu)化信號。若傳感器結構中沒有電路模塊12，則輸出引針14的輸入和輸出端直接和傳感單元11的相應端口連接。通常電路模塊12含有信號放大單元、降噪單元、解碼(即模數(shù)轉換)單元以及ESD (靜電防護)單元(如果需要，該單元也不是必要的)，如果輸出信號需要加密，則電路模塊具有加密單元。傳感單元和電路模塊連接后接入系統(tǒng)使用。
[0046]上述的傳感單元11和電路模塊12的最優(yōu)設置為將其設置于與磁性介質檢測面平行的方向，即傳感單元11的磁場敏感方向I平行于芯片表面。通常漏磁場沿介質平面方向上的分量較大，因此采用這種擺放方式可以增加測量距離，使傳感器在測量中允許一定的抖動，同時可以使傳感器更加輕薄化。
[0047]圖3是巨磁電阻元件和磁性隧道結元件的結構示意圖。如圖所示，磁性隧道結元件(巨磁電阻元件)41由納米級薄膜自由層51、非磁性層52以及釘扎層53構成，位于頂電極層56和底電極層55之間，且上述多層膜結構位于基底54上。對于巨磁電阻兀件而言，頂電極層56和底電極層55也可位于兀件兩側,則在這種情況下電極層56和55已經不是前述的位于上下位置的頂電極層和底電極層，而是與元件同層的導電層55 (56)。自由層51由磁性材料構成，也可以是鐵磁層-間隔層-鐵磁層的結構(其中間隔層為非磁性金屬材料構成，通常為Ru、Ta等)，其磁矩61隨外場變化；非磁性層52由非磁性材料構成，如果是巨磁電阻元件，則非磁性層52為金屬材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道結元件，則為非金屬材料，如AlOx、MgO等；釘扎層53的磁矩63不變，通常是鐵磁層-反鐵磁層復合式結構或SAF層-反鐵磁層結構。頂電極層56和底電極層55由金屬導體材料組成，實際應用中可通過頂電極層56和底電極層55將多個元件串聯(lián)或并聯(lián)，或串并混合連接為一個等效電阻來使用，同時頂電極層56和底電極層55還包含引導晶格生長的帽子層和種子層。當自由層磁矩61和釘扎層磁矩63平行時，元件的阻值R最小，為當自由層磁矩61和釘扎層磁矩63反平行時，元件的阻值R最大，為Rh，其輸出曲線如圖4所示，圖中黑色箭頭表示釘扎層的磁矩方向，白色箭頭表示自由層磁矩方向。
[0048]在實際應用中，需要元件的阻值R在&和Rh之間線性變化，可以通過以下方式實現(xiàn):例如在自由層51的上方或下方沉積反鐵磁材料，或是在元件周圍設置永磁體，或者是在元件周圍設置電流線，或者是將元件設計為狹長的形狀，例如矩形、橢圓形、長菱形等，利用其形狀各向異性能偏置自由層磁矩以達到線性化的目的。通常磁電阻元件的厚度非常薄，因此可以將之看做為二維的器件，因此在本文中描述的磁電阻元件的形狀即為俯視基底的角度所看到的形狀。
[0049]在實驗研究中，磁電阻納米薄膜通過納米或微加工技術制備成磁電阻元件使用，理論上每個磁電阻元件的物理參數(shù)是相同的，但是實際上由于磁電阻元件在制備過程中的一致性(Uniformity)問題所以很難達到高的一致性，同時由于設計上的需要，在傳感器工業(yè)中很少使用單一磁電阻元件為敏感元件，而是將多個磁電阻元件串聯(lián)、并聯(lián)或串并混聯(lián)連接起來成為一個等效的磁電阻。這樣做的優(yōu)勢在于可以靈活的設置磁電阻的相關物理參數(shù)(如阻值)，同時也降低了電子隧穿的風險，從而提高了良品率，實現(xiàn)了大規(guī)模生產。圖5為一種串聯(lián)方式，如圖所示，多個磁性隧道結元件41通過頂電極層56和底電極層55串聯(lián)起來。通常巨磁電阻元件的串聯(lián)方式是左右串聯(lián)，則電極層和底電極層的意義就不存在了，如圖6所示，巨磁電阻元件41通過導電層55串聯(lián)起來。
[0050]傳感單元可以是單電阻、半橋或全橋結構。所述單電阻、半橋或全橋的橋臂由一個或多個相同的磁性傳感元件串聯(lián)和/或并聯(lián)組成，每個橋臂我們可以等價于一個磁電阻，每個橋臂中的磁性傳感元件的磁場敏感方向都相同。前述的單電阻結構含有一個磁電阻，半橋結構由兩個物理性質相同的磁電阻串聯(lián)組成，全橋結構由四個物理性質相同的磁電阻連接構成，使用時都要通入穩(wěn)恒電壓或電流。由于單電阻結構只含有一個等效磁電阻，通入穩(wěn)恒電流或電壓后其輸出信號即為其兩端的電壓變化，因此在此不再贅述，下文將對半橋和全橋結構詳細闡述。
[0051]圖7是半橋結構的電連接示意圖。采用半橋結構傳感單元的磁電位器為三端口式，磁電阻71和73串聯(lián)起來，三個端口 Vbias、GND以及Vtot與電路模塊12連接并通過輸出引針14接入系統(tǒng)，Vbias和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。半橋可以是參考半橋或推挽半橋。參考半橋的一個橋臂(磁電阻)73的靈敏度非常低，在測量范圍內的阻值變化可近似認為是零，另一個橋臂(磁電阻)71的阻值變化導致其兩端電壓(端口 Vott和端口 Vbias之間的電壓)變化，該電壓即為輸出電壓；推挽半橋則是兩個橋臂71、73的磁場敏感方向相反，在受到同一個外場作用下一個阻值增大，一個阻值減小，外磁場的變化導致輸出電壓(端口 Vott與端口 Vbias或端口 GND之間的電壓)的變化；梯度半橋適用于梯度場，沿著梯度場的方向場強不同，導致兩個敏感方向相同的磁電阻阻值變化不同，從而引起輸出電壓的變化，半橋結構隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖8所示。
[0052]圖9是全橋結構的電連接示意圖。磁電阻71和72串聯(lián)，73和74串聯(lián)，串聯(lián)的兩個電阻對再并聯(lián)，端口 Vbias和GND之間通入穩(wěn)恒電壓或電流。全橋可以是參考全橋或推挽全橋。參考全橋分別位于左右半橋的兩個橋臂71和74的靈敏度非常低，在測量范圍內的阻值變化可近似認為是零，橋臂73和74的磁場敏感方向相同，在同一外場作用下其阻值變化相同，從而輸出端V+和V-之間產生電勢差，即輸出電壓，進而測量磁場。推挽全橋的橋臂71和74的磁場敏感方向相同，72和73的磁場敏感方向相同，71和72的磁場敏感方向相反，在同一外場的作用下，71和74阻值變大的同時72和73的阻值減小(或者71和74阻值減小的同時72和73阻值增大)，從而輸出端V+和V-之間產生電勢差，即輸出電壓，進而測量磁場。全橋結構隨外場變化的輸出曲線示意圖如圖10所示。
[0053]降低磁電阻靈敏度的以構成參考半/全橋的橋臂可以采用但不局限于以下方式:如在磁電阻元件上沉積磁導率高的軟磁材料，設置偏置場大的永磁體或沉積厚的反鐵磁層等。通過以上方式可在一張晶圓上一次制備出參考全橋芯片。
[0054]在實際應用中經常會遇到外場干擾的情況，會影響到測量，從而給生產造成困難。由于磁性介質21的漏磁場32為一梯度場，故采用抗干擾能力強且對測量距離不敏感的梯度計結構是一個很好的選擇。梯度計式結構可以是梯度半橋也可以是梯度全橋。梯度半橋的連接方式可參考圖7。沿著梯度場32方向上處于不同物理位置的兩個磁電阻71和73的阻值變化不同，從而產生輸出，其輸出信號曲線可參考圖8。
[0055]圖11是梯度全橋的物理位置擺放圖。如圖所示，沿著梯度磁場32的方向，磁電阻71和74的位置相同，磁電阻72和73的位置相同，在端口 Vbias和GND之間輸入穩(wěn)恒電壓。在沒有外場的作用下，磁電阻71、72、73、74的阻值相同，輸出端沒有電勢差，無輸出。當外場32施加于四個磁電阻上時，由于該磁場是梯度場，沿著梯度場方向的場強大小不同，則沿著梯度方向位置相同的磁電阻71和74的電阻值變化相同，磁電阻72和73的電阻值變化相同，磁電阻71和72 (73和74)的阻值變化不同，則梯度全橋的輸出端V+和V-之間具有輸出電壓Vtm，其輸出曲線可參考圖10。
[0056]圖12是多組傳感單元(IlaUlb......1ln)的電連接示意圖(輸出端口未在圖中標
示)。多個磁電阻組成的多個梯度全橋并聯(lián)，統(tǒng)一由系統(tǒng)提供穩(wěn)恒電壓或穩(wěn)恒電流，每個傳感單元的輸出端口與電路模塊12連接，多組輸出信號傳遞至電路模塊12進行處理再傳遞至系統(tǒng)。同理，多個單電阻結構和多個半橋結構的傳感單元的電連接方式與圖中所示的多個全橋結構的傳感單元的電連接方式相同。
[0057]磁性介質的信息通常是這樣定義的:如果相鄰的兩個介質顆粒的磁矩方向相同，則該單元的漏磁場信號定義為O ;若相鄰的兩個磁性介質顆粒的磁矩方向不同，則該單元的漏磁場信號定義為I。由于信號為O的單元的漏磁場比信號為I的漏磁場大很多，則在輸出信號曲線圖中會發(fā)生偏移，實際測量的信號峰值間距和介質顆粒間距不同，這種現(xiàn)象在傳感器工業(yè)中稱之為Jitter Shift。Jitter Shift現(xiàn)象在傳感器與介質間的距離非常近的時候可以忽略，但是如果測量距離增加，則Jitter Shift效應會非常明顯從而使輸出信號嚴重失真。由于本實施例中的傳感器可滿足內置于移動設備中這個要求，因此需要離待測介質有一定的距離，針對這個問題，解決的辦法是在巨磁電阻元件或磁性隧道結元件附近設置軟磁體，如圖13所示。圖13即為設置了軟磁體81的一個等效磁電阻的俯視示意圖，如圖所示，傳感元件41通過上電極56和下電極55連接起來,軟磁體81設置在傳感元件41附近，其作用為聚磁，可以定性地理解為通過軟磁材料的聚磁作用等效為拉近了磁電阻和介質的距離以消除Jitter Shift現(xiàn)象。在該實施例中每個傳感元件41附件配置有一對軟磁體81，為最優(yōu)結果，也可設計為多個傳感元件41共享一對長條形軟磁體81。
[0058]傳感單元通過真空鍍膜和微加工(或納米加工)技術制備成晶圓，然后切割為單個芯片塊(Die)后使用。
[0059]應當理解，以上借助優(yōu)選實施例對本實用新型的技術方案進行的詳細說明是示意性的而非限制性的。本領域的普通技術人員在閱讀本實用新型說明書的基礎上可以對各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。
【權利要求】
1.基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:其包括至少一個或多個磁場感應方向相同的傳感單元以及輸出引針； 所述傳感單元用以檢測磁性介質的漏磁場； 所述輸出引針的輸入端和輸出端分別與所述傳感器的相應端口電連接，用以將傳感器與系統(tǒng)連接； 所述傳感單元的敏感元件為巨磁電阻元件或磁性隧道結元件，所述巨磁電阻元件和磁性隧道結元件為納米級厚度的多層膜結構，所述納米級多層膜結構至少包含自由層、非磁性層以及釘扎層三層納米級薄膜。
2.根據權利要求1所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述傳感單元為單電阻、半橋或全橋結構。
3.根據權利要求2所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述半橋為推挽半橋、參考半橋或梯度半橋，所述全橋為推挽全橋、參考全橋或梯度全橋。
4.根據權利要求2或3所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述半橋、全橋的每個橋臂由一個或多個磁場敏感方向相同的巨磁電阻元件或磁性隧道結元件組成。
5.根據權利要求3所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述梯度全橋和梯度半橋結構的所有橋臂的巨磁電阻元件或磁性隧道結元件的磁場敏感方向相同，并且全橋中相對位置的兩個橋臂位于空間中的同一位置，相鄰位置的兩個橋臂位于空間中的不同位置。
6.根據權利要求1所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述傳感器還包括電路模塊，所述電路模塊的輸入輸出端分別與傳感單元以及輸出引針的相應端口電連接，所述電路模塊含有信號放大單元、降噪單元和解碼單元。
7.根據權利要求6所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述電路模塊還包含防靜電單元。
8.根據權利要求6所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述電路模塊還包含加密單兀用于加密輸出信號。
9.根據權利要求6、7或8所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述電路模塊為集成電路芯片，其輸入端和輸出端通過印刷線路板與傳感單元的相應端口電連接。
10.根據權利要求1所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述巨磁電阻元件或磁性隧道結元件附近設置有軟磁體。
11.根據權利要求1、2、3、5、6、7、8任一項所述的基于磁電阻技術的磁頭,其特征在于:所述傳感器包括支架，所述支架為非永磁材料，用以支撐所述傳感器的所有部件。
12.根據權利要求11所述的基于磁電阻技術的磁頭，其特征在于:所述傳感器包括外殼，所述外殼為非永磁材料，包覆于所述支架的外部，用以保護置于支架內的所述傳感器的所有部件。
【文檔編號】G01R33/09GK203825177SQ201420180411
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】白建民, 王建國, 黎偉 申請人:無錫樂爾科技有限公司