磁场检测装置.pdf

本发明涉及包括数个功能不同的层（38，60，70）的磁场检测装置（50），其中惠斯通电桥层（70）包括惠斯通电桥（18）的至少两个电阻器（20），每个电阻器（20）包括至少一个电阻器或者子元件（22）形式的磁场感测元件（10），以及翻转导体层（38）包括至少一个用来翻转各个磁场感测元件（10）的内部磁化状态的翻转导体（30）。所述翻转导体（30）包括多个导体条（32），这些导体条被设置在所述翻转导体层（38）的至少两个不同的翻转导体子层（38-1，38-2）上，并通过通孔相互电气耦合。所述翻转导体（30）的多层结构提供了所述磁场检测装置（50）的紧凑设计，实现了功率消耗和电感的下降，提高了磁场检测装置的灵敏度。

权利要求书
1.  一种包括数个功能不同的层（38，60，70）的磁场检测装置（50），其中惠斯通电桥层（70）包括惠斯通电桥（18）的至少两个电阻器（20），每个电阻器（20）包括至少一个子电阻器（22）形式的磁场感测元件（10），翻转导体层（38）包括至少一个用来翻转各个磁场感测元件（10）的内部磁化状态的翻转导体（30），其特征在于，所述翻转导体（30）包括多个导体条（32），这些导体条被设置在所述翻转导体层（38）的至少两个不同的翻转导体子层（38-1，38-2）上，并通过通孔相互电气耦合。

2.  如权利要求1所述的磁场检测装置，其特征在于，第一组导体条装置（32，34）用来提供相关联的磁场感测元件（10）的偏转磁场，并被设置在面向惠斯通电桥层侧（70）的第一翻转导体子层（38-1）上，以及至少第二组导体条（32，36）用来提供所述第一组导体条（34）的电气连接，并被设置在至少一个第二翻转导体子层（38-2）上。

3.  如权利要求2所述的磁场检测装置，其特征在于，所述第一组导体条（32，34）基本上垂直于所述磁场感测元件（10）的纵向排列，所述第二组导体条（32，36）基本上平行于所述磁场感测元件（10）的所述纵向排列。

4.  如权利要求2或3所述的磁场检测装置，其特征在于，所述的第一组导体条（32，34）包括为所述磁场感测元件（10）的中间部分（80）提供偏转磁场的、所述垂直方向上的导体条（34）的叉指式结构，垂直的导体条（34）为所述磁场感测元件（10）的端部（82）提供偏转磁场。

5.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，所述的第一组导体条（34）被设计和布置为使得每个磁场感测元件（10）的两端部分（82）处的偏转磁场相对于所述磁场感测元件（10）的中间部分（80）的偏转磁场更强。

6.  如权利要求2－5中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，所述第一组导体条（32，34）的至少一个导体条包括至少 一个被设计来提供电流分配的电流分配元件（44），使得磁场感测元件（10）的中间部分（80）可激励出均匀的偏转磁场，电流分配元件为导电剖面（54）或导体条（32，34）的非导电区域（56），尤其是凹部（58），所述导体条（32，34）适于翻转所述磁场感测元件（10）的中间部分（80）的内部磁化状态。

7.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，所述的电阻器（20）包括至少两个子电阻器（22）形式的磁场感测元件（10），其中每个磁场感测元件（10）包括旋转彩柱结构（16），旋转彩柱结构（16）具有正向或负向的旋转彩柱排列（26，28），取决于其与相关的翻转导体（30）的垂直方向的导体条（34）上的电流方向的结构布置。

8.  如权利要求7所述的磁场检测装置，其特征在于，所述惠斯通电桥层（70）上具有所述至少两个电阻器（20）的子电阻器（22）的叉指结构（24）。

9.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，所述磁场感测元件（10）的两个纵向端部（82）为锥形，优选为椭圆形。

10.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，设置在惠斯通电桥的层（70）上的所述桥电阻器（20）位于所述第一翻转导体子层（38-1）的下方和/或位于所述第二翻转导体子层（38-2）内。

11.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，补偿导体（60）产生补偿磁场来补偿外部磁场，所述补偿导体（60）设置在至少一个补偿导体层（62）上，优选地位于所述惠斯通电桥层（70）的顶部，并与所述翻转导体层（38）相邻和/或交错。

12.  如权利要求11所述的磁场检测装置，其特征在于，所述补偿导体（60）包括多个导体条（32），这些导体条被设置在所述补偿导体层（62）的至少两个不同的补偿导体子层（62-1,62-2）上，并由通孔相互电气耦合，使得提供补偿磁场的第一组补偿导体条（66）被 设置在所述第一补偿导体子层（62-1）上，为所述的第一组补偿导体条（66）提供电气连接的第二组补偿导体条（68）被设置在所述第二补偿导体子层（62-2）上，并且所述第一组补偿导体条（66）被布置在所述惠斯通电桥层（70）的上方并与之相邻，且位于所述第一翻转导体子层（38-1）的下方。

13.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，所述翻转导体（30）的和/或所述补偿导体（60）的至少一部分被设置为基本上呈U形、螺旋形和/或曲折的形式。

14.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，所述翻转导体（30）和/或所述补偿导体（60）的材料是高导电性的，包括铜、铝、银、金或它们的合金，并与形成旋转彩柱结构（16）的材料相同。

15.  如前述权利要求中的任一权利要求所述的磁场检测装置，其特征在于，提供两个或者更多个电气隔离的翻转导体（30-1,30-2），每个翻转导体独立对桥电阻器（20）的至少一个磁场感测元件（10）的磁化状态进行翻转。

说明书磁场检测装置
技术领域
本发明涉及检测外部磁场的方向和幅度的磁场检测装置。
背景技术
AMR效应（各向异性磁致电阻效应）被用于各类传感器中，特别是用于地球磁场的测量，如电子罗盘或用于电流测量（通过测量在导体周围产生的磁场），以及用于交通流量检测、线性位置检测和角度检测。通常情况下，AMR磁场检测装置包括利用AMR效应的磁场感测元件，AMR效应是当导电性材料被施加外部磁场时其电阻值就改变的特性。采用惠斯通电桥配置能够实现AMR灵敏桥式电阻器的阻值变化的高灵敏度测量。由于越来越多的高度紧凑的电子设备都包含磁场传感器，如导航系统、脉冲手表、测速仪、移动式计算机和类似的电子产品，所以需要高度集成的小型化的磁场传感器芯片。
众所周知，通过引入磁场翻转机构可增加AMR传感器芯片的灵敏度，其中各个AMR磁传感元件的内部磁化被周期性地翻转，使得可以进行磁场单个分量的差分测量。因此，典型的传感器芯片包括用于产生偏转磁场的集成在AMR传感器芯片的单个芯片层中的磁翻转导体。许多装有磁场传感器芯片的电子设备式由低容量的电池或蓄电池供电。因此，理想的是，所述翻转机构不应当消耗套多的电力，由此应达到高的翻转频率以提高磁场测量的分辨率和精度。此外，由于传统设计的翻转导体的大小决定了磁场传感器芯片的总体尺寸，因此最好是使得翻转导体的设计小型化，从而有助于降低电感并因此增加翻转速率。
从美国专利US5247278A中可获知一种磁场检测装置，其中的翻转导体由螺旋式设计形成，并覆盖了磁场传感器芯片的大部分面积。翻转导体的布局决定了传感器芯片的尺寸。翻转导体被布置在单个层上，并由电气绝缘层实现与惠斯通电桥层和芯片基层相隔离。在传感 器芯片的单个层上布置相对较大的翻转导体导致了在为了翻转磁场感测元件的内部磁化而生成足够大的偏转磁场的过程中的较高的电能消耗，占据了大部分的芯片面积，消耗了大量的电能并表现出高电感，这样只能得到较低的翻转频率，从而限制了磁场感测的时间分辨率。
本技术领域的现状的磁场检测装置遇到的问题在于关于AMR电阻器配置的磁场导体相对较大，消耗了相对多的电能，并不能提高翻转频率，使得更小型化的且具有更高分辨率的磁场检测装置受到限制。因此，最好是提供增强的磁场检测装置，其能够实现更高的集成度，更小的芯片尺寸，更低的功耗，更高的时间分辨率和灵敏度的磁场感测。
发明内容
本发明的目标是通过如权利要求1所述的磁场检测装置来实现的。
本发明建议一种包括数个功能不同的层的磁场检测装置，其中惠斯通电桥层包括惠斯通电桥的至少两个电阻器。惠斯通电桥的每个电阻器包括至少一个子电阻器形式的磁场感测元件。翻转导体层包括至少一个用来翻转各个磁场感测元件的内部磁化状态的翻转导体。翻转导体包括多个导体条，这些导体条被设置在所述翻转导体层的至少两个不同的翻转导体子层上，子层上的导体条通过连接，也就是所谓的通孔相互电气耦合。因而，磁场检测装置建议了一种传感器芯片的设计，其中翻转导体被布置在至少两个顶部可相互依靠或者可夹持惠斯通电桥电阻器的子层上。这种设计仅需要传统的磁传感器芯片面积的一半大小。这归因于被布置在至少两个子层上的多层结构的翻转导体。这种三维结构减少了放置磁场感测元件的区域外部的芯片尺寸，因而使得传感器芯片的整体尺寸更紧凑。而且，由于这种紧凑的设计，杂散磁场可以被降低，电感可以得到减小。与磁场感测元件相邻的磁活性导体条可以被设计为U形、曲折形状或螺旋形状，并可以在翻转机构上发挥与现有的翻转导体结构等同的或者更好的效果。翻转机构 的基本概念遵循传统的设计，也就是，翻转与靠近磁场感测元件的翻转导体层的导体条相关的各个电阻器的磁阻条的方向。因此，这种电阻器结构的磁场感测元件相互之间能够更加靠近，使得磁场感测元件变得更加均匀，材料杂质和制造缺陷同等地影响两个或更多个的电阻器，产生了如下的改进：
·R/θ关系曲线的线性度的改善，其中θ式要被测量的外部磁场与磁场感测元件的排列之间的角度，R式所述元件的电阻值；
·对温度变化和制造变化的敏感度的下降；
·惠斯通电桥结构的偏移电压V0ff的降低；
·更紧凑的设计和更小的芯片尺寸；
·由于杂散磁场的减少导致翻转线圈电感的下降；
·检测频率范围的增加；
·翻转电压、翻转电流I F和能量消耗的降低。
一般情况下，被设计来提供偏转磁场或者偏转磁性脉冲的磁活性导体条和用来电气导通所述磁活性导体条的导体条可以任意的形式被放置在两个子层上。根据优选的实施例，翻转导体可包括用来提供相关的磁场感测元件的偏转磁场的第一组磁活性导体条。第一组导体条可被布置在面向惠斯通电桥层侧边的第一翻转导体子层上。而且，磁场检测装置可包含至少一个用来提供所述第一组导体条的电气连接并被设置在至少一个第二翻转导体子层上的第二组导体条。这样，两个子层被设计为特定的技术目的：第一层包括用来产生偏转磁场的第一组导体条，第二层包括用来连接第一组导体条的第二组导体条，使得翻转电流能够产生翻转各个磁场感测元件的内部磁化状态的偏转磁场。优选地，第一磁活性子层的位置靠近惠斯通电桥的电阻器的磁场感测元件，使得很小的电流就能够产生足以翻转子电阻器的内部磁化状态的偏转磁场。第一组导体条和磁场感测元件之间的距离的下降降低了翻转过程中的能量消耗。
一般情况下，翻转导体提供与所述的磁场感测元件的内部磁场相平行或反向平行的磁场。例如，导体条可被设计为螺线管或圆筒形线圈。根据优选的实施例和以下的之前提到的实施例，所述第一组导体 条基本上垂直于所述磁场感测元件的纵向排列，所述第二组导体条基本上平行于所述磁场感测元件的所述纵向排列。导体条产生与沿着导体条的电流方向相垂直的磁场。因此，与磁场感测元件的长度方向相垂直的导体条能够产生与磁翻转元件的内部状态平行或者反向平行的偏转磁场，磁翻转元件是用来将垂直方向的导体条电连接到所述第一组垂直的导体条的所述第二子层触点的平行方向上的导体条。通孔或接合线形成两个子层之间的电连接。这样，能够实现紧凑且具有减小的几何尺寸的有效的导体线圈结构。
一般来说，所述第一翻转导体子层的导体条可以为方向最好与相关的磁场感测元件的内部磁化方向垂直的单个导体条。或者，所述导体条可以为U形、螺旋形或曲折形，并可包括与所述的内部磁化方向相平行的区域。这种单个的平行方向上的导体条，U形、螺旋形或曲折形导体条可以形成手指形，使得多个非连接的导体条能够相互啮合。根据前述的实施例，所述的第一组导体条可包含所述的垂直方向上的导体条的叉指式结构，用来为所述磁场感测元件的中间部分提供偏转磁场，和垂直的导体条，用来为所述的磁场感测元件的端部提供偏转磁场。叉指式结构中的电流方向相反的导体条相互邻近，提供了具有降低的电感和最小化的杂散磁场的紧凑设计。所述的第二子层的平行方向上的导体条连接第一组导体条的手指。
根据优选的实施例，所述第一组导体条可被设计和布置为使得每个磁场感测元件的两个端部具有比所述磁场感测元件的中间部分更强的偏转磁场。通过向磁场感测元件的两个端部施加强偏转磁场，和向磁场感测元件的中间部分施加较弱的偏转磁场，这样保证了磁场感测元件的翻转。通过向端部提供比中间部分更大的流过翻转导体的电流的电流密度，可在两个端部得到更强的偏转磁场。例如，让翻转导体条的端部宽度减小而让磁场感测元件的中间部分的宽度增加，或者设计带有导电剖面的翻转导体条，使得磁场感测元件的端部的翻转电流的密度增强，为磁场感测元件的内部磁化状态的稳定且可靠的翻转提供偏转磁场。
根据最好是与前述实施例相接合的另一优选实施例，所述第一组 导体条的至少一个导体条可包含至少一个被设计来提供电流分配的电流分配元件，最好是导电剖面或者非导电区域，尤其是凹部，使得在所述磁场感测元件的中间部分能够激励出均匀的偏转磁场，优选地式所述导体条适于翻转所述磁场感测元件的中间部分的内部磁化状态。该电流分配元件被设计来向磁场感测元件的中间部分提供均匀的电流分布。由于高度紧凑的设计，翻转导体包括多个粗糙的边缘。电流分配元件可以是提供均匀的偏转磁性电流分布的所述第一组导体条上的孔、凹部、或者非导电部分，优选的是位于磁场感测元件的中间部分。这样，可为中间部分提供均匀的偏转磁场，可选择地，电流分配元件可被设计来向磁场感测元件的端部提供增强的磁场。如果导体条由非理想的导电材料组成，那么电流分配材料也可包括在中间区域强制实现均匀电流分配并可选择地在磁场感测元件的两端实现增大的电流分布的导体剖面。
根据优选的实施例，所述的电阻器可包括至少两个子电阻器形式的磁场感测元件，其中每个磁场感测元件包括旋转彩柱结构，旋转彩柱结构带有正向的或负向的旋转彩柱排列，取决于其与翻转导体的相关的垂直导体的电流方向的排列。这样，相邻的导体条和磁活性翻转导体子层将惠斯通电桥中的各个电阻器的一半数量的磁阻条（磁场感测元件）的磁化方向设定在一个方向上，而将另一半的磁化方向设定在另一方向，使得检测装置能够达到改进的线性度和提高的敏感度。例如，电阻器包括至少两个磁场感测元件，即带有串联连接的正向旋转彩柱结构的第一元件和负向旋转彩柱结构的第二元件。两个元件都被设置为与它们相应的磁活性翻转导体条相对应，使得它们的内部磁化能够相互反向的被翻转。因而，惠斯通电桥的Ua/H关系曲线被线性化，精确度和灵敏度得到提高。
根据优选的实施例，所述磁场感测元件的两个纵向端部都可为锥形，优选地为椭圆形。圆锥形，例如磁场元件的端部为窄的或细长的椭圆形，改善了所述元件的电连接并减小了翻转元件的内部状态所需的偏转磁场的强度。这样，可减小翻转结构的总体能量损耗。
一般地，惠斯通电桥层相对于所述的第一和第二翻转导体子层可 任意地设置。根据优选的实施例，所述的桥电阻器可被设置在惠斯通电桥层上，并且位于所述第一翻转导体子层的下方且最好是与第一翻转导体子层相邻。优选地，惠斯通电桥层也可被布置在所述第二翻转导体子层的内部，其中所述第二翻转导体子层的导体条和所述惠斯通电桥的磁场感测元件被设置在通一层上。或者，惠斯通电桥层可被夹持在所述第一和第二翻转导体子层之间，惠斯通电桥的磁场感测元件被设置在所述第一和第二子层之间。将惠斯通电桥层布置在所述第一翻转导体子层的顶部也是可能的。第一翻转导体子层应当被设置为靠近惠斯通电桥的磁场感测元件，以可靠地翻转其内部磁场。优选地，惠斯通电桥的磁场感测元件可位于第二子层的内部，其中第二组导体条基本上平行于磁场感测元件，这样减小芯片的体积，减短了导体条的长度，减小了电感，并改善了磁场感测元件与翻转导体的磁活性导体条的偏转磁场的耦合。磁场感测元件包含AMR材料条，例如坡莫合金，和与其连接并与AMR材料条的排列优选成45°的角度的高导电率材料的旋转彩柱结构。在旋转彩柱结构的加工过程中，可采用与旋转彩柱结构相同的材料来同时制造连接第二组翻转导体条和第一组翻转导体条的通孔。
根据优选的实施例，磁场检测装置可包括产生补偿外部磁场的补偿磁场的补偿导体，其中所述补偿导体被设置在至少一个补偿导体层上，优选地是位于所述惠斯通电桥层的顶部并与之相邻和/或与所述的翻转导体层交错排列。相比于翻转导体，补偿导体也可产生磁场，但是并不是平行于磁场感测元件的长度方向，而是与之垂直。补偿导体能够产生与将被检测的外部磁场的分量相平行的磁场，使得外部磁场能够得到补偿。补偿磁场可消除或校正外部磁场，并可被用于偏置磁场检测装置。有利的是，将惠斯通电桥层设置在所述的翻转导体层和所述的补偿导体层之间，使得每个层的磁活性部分能够靠近磁场感测元件。因此，采用减少的电能就能够产生偏转磁场以及补偿磁场。补偿导体层和翻转导体层可包括两个或更多的子层。有利的是，两个导体层的子层可相互错开，使得两个层的子层相互交替地被布置。
除了前述的实施例，有利的是，将所述补偿导体的多个导体条布 置在所述补偿导体层的至少两个不同的补偿导体子层上，不同子层的导体条可通过通孔相互电气耦合，使得提供补偿磁场的第一组补偿导体被设置在所述第一补偿导体子层上，为所述第一组补偿导体条提供电气连接的第二组补偿导体条被布置在所述第二补偿导体子层上。所述第一组补偿导体条可被布置在所述的惠斯通电桥层的上方并与之相邻，而位于所述第一补偿导体子层的下方。优选地，第一补偿导体子层的磁活性导体条被放置为靠近惠斯通电桥层的电阻器。而且，有利的是，将第二补偿导体子层放置为远离惠斯通电桥层，使得由第二组补偿导体条的补偿导体条产生的磁场不对惠斯通电桥电阻器的补偿磁场造成不良影响。或者，第二组补偿导体子层可位于惠斯通电桥层的下方，使得惠斯通电桥层被夹持在第一组和第二组补偿导体子层之间，借此，由第二组补偿导体条的导体条所产生的磁场有助于第二组补偿导体条所产生的补偿磁场。在优选的实施例中，第二翻转导体子层的一组导体条被设置与代表芯片基板表面上的磁场感测元件的AMR材料条相平行。第一补偿导体子层的一组导体条被布置在该层的顶部。随后设置第一翻转导体子层的一组翻转导体条，此后在芯片层结构的顶部上布置第二补偿导体子层的一组补偿导体条。这些子层可通过通孔连接。因而，补偿导体条和翻转导体条的交替子层的交错结构提供了紧凑的、高度灵敏且能量效率高的磁场检测装置。该实施例建议将之前提到的多翻转导体层结构的概念转移到多补偿导体层结构。这样，与翻转导体概念相关的优势和改进也适用于补偿导体。
根据优选的实施例，所述翻转导体和/或所述补偿导体的至少一部分基本上被设置为U形、螺旋形和/或曲折形。所有的这些结构都包括可被指派激活磁性和电连接翻转导体和/或补偿导体的导体条的垂直方向和平行方向上的元件。所有的结构为磁活性导体条提供了相对的磁场并能够以紧凑的形式来实现。这些结构也可以被组合，即，子层可包括U形和螺旋形的、U形和曲折形的或以其他方式组合的导体条。
根据优选的实施例，所述翻转导体和/或所述补偿导体的材料具有高导电率，优选地包括铜，铝，银，金或它们的合金，并且优选地 与形成旋转彩柱结构的材料相同。即使采用电池驱动设备的低电压，高导电率导体能够产生高电流，使得能够产生足够大的磁场。让旋转彩柱结构和导体条采用相同的材料，降低了制造上的复杂性，并且可同时制造旋转彩柱结构和导体条。
一般地，单个翻转导体被设置来同时翻转惠斯通电桥的所有的磁场感测元件。根据优选的实施例，两个或更多个的电气分离的翻转导体被提供来独立地翻转桥电阻器的至少一个磁场感测元件的磁化状态。两个独立的翻转导体实现了一半的磁场感测元件的独立翻转。两个翻转导体能够产生惠斯通电桥电阻器的磁场感测元件的四个不同的翻转状态，使得惠斯通电桥的灵敏度可被开启或关闭。这样允许了对桥的偏移电压的测量，以及进行桥的自测。偏移电压可用来进一步改善磁场检测装置的精度。
上面列出的实施例包括一些非限制性的示例。例如，翻转导体结构和补偿导体结构的概念可以被组合、合并或者相互转移。电阻器可包括至少一个或者多个串联连接的磁场感测元件，优选AMR条带。每个电阻器的磁场感测元件的旋转彩柱结构布局可以是相同的或者交替的，取决于翻转导体的布局。翻转导体子层可以是堆叠的或者可以夹持惠斯通电桥层。优选地，惠斯通电桥层被设置在翻转导体的第二子层内。补偿导体层可被堆叠在翻转导体层的顶部或者下方。优选地，翻转导体层和补偿导体层夹持所述惠斯通电桥层。
附图说明
在下文中，将参考附图来更详细地描述本发明。这些示意性的附图仅用于说明，而不以任何方式限制本发明的范围。这些附图中：
图1示意性地示出了AMR的概念和电阻值关于无旋转彩柱结构的磁场感测元件的外部磁场的角度的依赖关系；
图2示出了与图1中的旋转彩柱结构相关的效果；
图3示出了当前技术水平的不带有翻转导体的磁场检测装置的惠斯通电桥结构的示意图；
图4示出了带有翻转导体的磁场检测装置的不同的示意图，其中 所述惠斯通电桥电阻器由单个的磁场感测元件，多个磁场感测元件和多个翻转导体组成；
图5示出了当前技术的带有翻转导条结构的不同的磁场检测装置；
图6原理性地示出了带有多层翻转导体的磁场检测装置的第一实施例；
图7示出了图6中的翻转导体层的单个子层；
图8示出了带有磁场感测元件的叉指式装置的磁场检测装置的第二实施例；
图9原理性地示出了带有第一子层的曲折形和U形的翻转导体的磁场检测装置的另一实施例；
图10显示了图9中的翻转导体层的单个子层；
图11原理性地示出了磁场检测装置的另一实施例的带有U形翻转导体结构的子层结构；
图12示出了带有翻转导体和补偿导体结构的磁场检测装置的另一实施例；
图13显示了图12中的翻转导体层和补偿导体层的单个子层；
图14示出了磁场检测装置的另一实施例的翻转导体层、补偿导体层和惠斯通电桥层的三维结构的示意图。
具体实施方式
图1a和图1b示意性地示出了AMR的概念和电阻关于无旋转彩柱结构16的磁场感测元件10的外部磁场14的角度的从属关系。磁致电阻是当外部磁场被施加到材料上时其电阻值就改变的属性。所谓的各向异性磁致电阻效应（AMR）是磁场感测元件10的特性，其中电阻值取决于电流方向和磁场M方向之间的角度θ。这种效应能够在狭窄的（w）、薄（t）且长（l）的坡莫合金片中观察得到，其中l>>w>>t。坡莫合金是81％Ni和19％的铁构成的合金。当电气感测电流与磁场M的方向平行时，元件10的电阻R具有最大值R=，当磁场M垂直于电流方向时，电阻R具有最小值R┴。由于磁场导致的原子的电子 自旋排列的失真产生了这种效应。坡莫合金磁场感测元件10具有通常与AMR感测元件的纵向方向和通过感测元件10的电流相对齐的内部磁化M012。在下文中，假定磁化M被分成与内部磁化M0以及感测电流相平行的分量HP，和与感测电流及内部磁化M012相垂直的分量HE14，由此进一步假定︱M0︱>>︱HP︱,使得HP在之后可被忽略。考虑与磁化M012相平行的电流，下面的关系式成立：R=R⊥+（R=-R⊥）COS2(θ)，采用arctan(θ)表示外部的垂直磁场分量HE14和内部磁化M012的幅值比，如图1b中所示。如果︱HE︱等于︱M0︱（θ～45°），感测元件10的阻值灵敏度就被最大化，如果︱M0︱>>︱HE︱且︱M0︱<<︱HE︱（θ～0°或90°），其就被最小化。
图2a和图2b示出了带有用来提高外部磁场灵敏度的旋转彩柱结构16的图1中的进一步改进的磁场感测元件，使得当︱M0︱>>︱HE︱（θ～0°）时实现电阻值的灵敏度的最大化。从图1中的磁阻条纹元素开始，理想的是，相对于内部磁化M0，磁场感测器10的欧姆电阻对感测磁场HE的微小的磁化变化敏感。对于较小的HE值，带有θ＝arctan(HE/M0)的R/θ关系曲线是平的，所以一般的AMR传感器都装配有所谓的旋转彩柱结构16。旋转彩柱结构16包括由铂，铜，铝，银或金制成的足够小的导电条，导电条以与电流成45°角连接到可磁化材料（例如坡莫合金），从而迫使45°倾斜的电流53流过元件10，如图2a所示。这样，R/θ关系曲线就朝很小的HE变化就导致线性电阻值的变化的线性区域转移，使得R=R⊥+（R=-R⊥）COS2（θ±45°）成立。从图2a和2b可以看出，R/θ关系曲线的斜率取决于旋转彩柱排列和内部磁场M0的方向关于感测磁场HE的角度。从以上可以看出，电阻变化的斜率取决于旋转彩柱角度26，28的方向和磁场M0相对于感测磁场HE14的排列。
图3示出了用来感测磁场分量HE14的幅值的磁场检测装置的惠斯通电桥结构18的示意图。惠斯通电桥18包括作为桥式电阻器20的四个磁场感测元件10，桥式电阻器20带有正向和负向角度26，28的旋转彩柱结构16。图3b示出了当电压Vss/Gnd被施加到惠斯通电桥18时的惠斯通电桥18的Ua/H关系。为了以极高的灵敏度感测外 部磁场HE14，包含一个或者多个感测元件10的四个磁场感测电阻器20R1，R2，R3和R4通常被布置在这样的惠斯通电桥18中，其中惠斯通电桥的两个臂的电阻值的不对称会导致桥上的电压差Ua。由于温度漂移、生产公差和其它因素的影响，即使没有感测磁场HE14，剩余偏移电压Uoff也不能完全为零。为了检测所有三个维度上的矢量磁场，必须将三个磁场检测装置组合起来。
为了消除不期望的偏移电压Uoff，开发了交替地翻转内部磁场的翻转的概念，这种翻转建议借助强有力的外部偏转磁场Hflip，对磁场感测元件10的内部磁场M012周期性地翻转，使得惠斯通电桥18的两个翻转状态之间的差分值ΔUa可被用来确定外部磁场HE14的幅度。外部偏转磁场Hflip周期性地翻转桥电阻器20R1，R2，R3和R4的单个磁场感测元件10的内部磁场M012。偏转磁场的一般性的强度为。如图3b所示，在每次翻转步骤之后，惠斯通电桥18的输出值ΔUa依据R/θ关系曲线围绕Uoff对称地变化，而独立于两个翻转的磁化状态Hflip。传感器信号Ua为交流传感器信号，其中感测电路消除了静态偏移值Uoff，并且依赖于ΔUa而确定HE的强度。
过去的几年中，讨论的目标是基于所述的旋转彩柱和翻转的概念的各种AMR传感器的设计。图4以示例性的和抽象的表达形式示出了不同的带有翻转导体30的磁场检测装置50的基本概念，其中，惠斯通电桥电阻器20包括一个或多个磁场感测元件10，即子电阻器22，，和一个翻转导体30或两个电气隔离的的翻转导体30-1，30-2。
图4a示出了带有集成的翻转线圈30的磁场检测装置50，其中，每个电磁感测元件10利用交替的旋转彩柱结构16、26和28形成电阻器R1、R2、R3和R420。相对于惠斯通电桥16的下部的磁场感测元件10R2，R3，惠斯通电桥16的上部的磁场感测元件R1，R410暴露于相反方向上的偏转磁场Hflip，使得R1，R410在一个方向上被磁化，而R2，R310在相对的方向上（参见Hflip方向的点划线和虚线箭头）被磁化。偏转磁场Hflip由翻转电流IF产生，它可以是流过导体30的电流脉冲，包括形成为螺旋形的多个导体条32。与磁场感测 元件10的方向垂直的导体条32根据安培法则产生所述的偏转磁场Hflip，与磁场感测元件10的长度方向平行的导体条32提供了磁活性导体条32之间的电气连接。因此，实现了R/θ关系曲线的翻转，使得偏移电压Uoff可以消除，并提供了具有小尺寸的集成翻转线圈的紧凑型传感器结构。
1993年，德国微观结构技术和光电研究所（IMO）的Wetzlar提出了如图4b中所示的检测装置50，其中每个桥电阻器R1，R2，R3，R420被分成至少两个电阻子单元a和b，每个子单元包括具有交替的旋转彩柱结构16，26，28的子结构22－1或22－2作为磁场感测元件10。每个子电阻器22－1或22－2（R1a,R1b...）被暴露在由翻转电流IF所产生的翻转导体30的偏转磁场Hflip的相对部分中，以进一步降低由感测元件10的生产公差或合温度变化导致的传感器偏移，和实现电阻器20的更加紧凑的布置，从而实现更小的芯片尺寸。
图4c中示意性地示出了图4b中的磁场检测元件设备50的进一步的发展，其中翻转导体30被分隔为两个独立的翻转导体部件30-1和30-2。每个电阻器20被分为四个子电阻器22-1至22-4。两个导体部件30-1、30-2单独地且独立地为每个子电阻器22-1，22-2，22-3和22-4调整偏转磁场Hflip。每个电阻器20的一半子电阻器22覆盖两个电气隔离的翻转导体部件30-1和30-2中的一个。依据两个翻转电流IF1，IF2之间的相互关系，可设定“正常”翻转模式（平行电流）和“失活”模式（相对电流），这样能够让检测装置50进行自校准：两个翻转导体30-1,30-2能够提供四个不同的翻转状态（参见+/-/0/0Hflip状态），从而在相对翻转电流IF（Hflip0/0）的情况下，几乎消除（失活）了惠斯通电桥的敏感度，输出信号代表偏移电压UOFF。
图5示出了带有目前技术水平的翻转导体结构的作为传感器芯片布局的不同的磁场检测装置50。图5a示出了当前技术现状的包含惠斯通电桥18的第一磁场检测装置52，其中每个桥电阻器20包含子电阻器22形式的四个磁场感测元件10。电阻器20为串联连接的，且以蜿蜒的形式布置，从而在两个电阻器20之间的连接点处，接触焊盘40（Ua,Vcc,Gnd）能够接触图3所示的惠斯通电桥结构18。在 惠斯通电桥18的下部，设置了接地Gnd和电源电压Vcc的电源焊盘40。上部的接触焊盘40能接入到惠斯通电桥的传感器电压Ua来测量电压差ΔUa。惠斯通电桥18被布置在单个翻转导体层的顶部，其中曲折形状的翻转导体30被布置使得可通过接触焊盘40流通的翻转电流IF能够流过翻转导体30的接触条带，生成第二方向或者第三方向上的偏转磁场Hflip。翻转导体30被布置在单个层上，确定总体芯片结构的尺寸并提供惠斯通电桥18所占据的空间。在另外的电气绝缘的层上布置了为外部磁场提供电气补偿场的补偿导体60，补偿导体也被设计为蜿蜒的形式，其曲折的斜坡的数量为惠斯通电桥18的桥电阻器20的曲折斜坡的数量的两倍。补偿导体60基于与翻转导体30相同的原理，但是借助补偿电流Ic产生磁场，补偿电流Ic与磁场感测元件10的纵向并不对齐，而是与其垂直，这样叠加或补偿将被测量的外部磁场HE14，而不会影响内部磁场M0。
图5b示出了当前技术中的同样包含惠斯通电桥18的类似的磁场检测装置52，其中每个桥电阻器20由四个磁场感测元件10构成，磁场感测元件由子电阻器22形成。这种检测装置50包含位于芯片50的单独的一个层上的磁场翻转导体30，其中导体条32以相当复杂的交错的曲折形式被布置。翻转导体30的电导体32具有接触焊盘40，通过接触焊盘可耦合和提取翻转电流脉冲IF。利用不同层上的连接通孔42，下部的接触焊盘40耦合到翻转导体30的导体条，连接通孔为两个层之间的导电通孔和用来连接焊盘40和翻转导体30的第一导体条32的短的导体条。
图5c中描述了图5b中的磁场检测装置52的进一步修正形式。惠斯通电桥18包括四个电阻器20，每个电阻器20由两个作为子电阻器22的磁场感测元件10组成。四个桥电阻器20电气串联连接，并以曲折的形式设置在螺旋式缠绕的磁场翻转导体30上。两个磁场感测元件10，也就是各个电阻器20的子电阻器22，位于翻转导体30的水平对齐的导体条32的顶部。各个电阻器20的第一磁场感测元件10（子电阻器22）设置在产生向上的偏转磁场Hflip翻转导体30的磁活性导体条32（水平方向的导条32）的顶部，第二元件10设置在产 生方向向下的磁场Hflip的磁活性导体条32的顶部。翻转导体30连接导接触焊盘40并具有螺旋外形。流过翻转导体30的翻转电流IF产生偏转磁场Hflip。螺旋的中心处的终端导条32通过位于后续层上的通孔42和导体条连接待接触焊盘40。在图5c的右侧，示出了翻转导体结构30以及连接导体和通孔42。
图6示出了根据本发明的磁场检测装置50的第一实施例。磁场感测芯片50包括惠斯通电桥18，其中每个桥电阻器20包含两个子电阻器22，子电阻器22被设计为带交变的旋转彩柱结构16，26，28的磁场感测元件10。惠斯通电桥18被布置在装置50的第一层。惠斯通电桥18连接到4个接触焊盘40，用来为惠斯通电桥18提供电能Vcc，GND，并从焊盘Vo检测由外部磁场HE14产生的电压差ΔVo。惠斯通电桥18被布置在翻转导体层18的顶部，翻转导体层包含两个子层38-1和38-2。
图7a到图7c描述了单个子层的详细示图。翻转导体30被配置在翻转导体层30上，并可通过接触焊盘40连接，为导体线圈注入翻转电流从而产生偏转磁场Hflip。翻转导体30整体设计为双螺旋形，其中产生在磁场感测元件10的对齐方向上的偏转磁场Hflip的水平方向的导体条32被设置在第一子层38-1中，如图7b中所示。子层38-1的水平方向的磁活性导体条32形成了产生偏转磁场Hflip的第一组导体条34。第一组导体条34的导体条32连接到垂直方向上的连接导体条32，该垂直方向上的连接导体条形成用于电连接第一组导体条34的导体条32的第二组导体条36并设置在第二子层38－2上，如图7c所示。两组导体条34，36通过两个子层38-1，38-2之间的通孔42电连接。因而，翻转电流IF能够通过第一和第二子层38-1,38-2的分段导体条32流通。第一组导体条34包括设置在磁场感测元件10的端部的导体条32，其相比于设置在磁场感测元件10的中间部分80的导体条34，具有更小的宽度。这样，相对于感测元件10的中间部分80，在磁场感测元件10的端部82能够产生增强的偏转磁场Hflip。因而，翻转电流IF可以降低，磁翻转导体30的电感可被减小，实现了感测元件10的内部磁场M0的可靠偏转。并且由于减弱的杂散磁 场，更低的电感和更高的翻转频率，实现了时间分辨率的增加，因为在固定的时间间隔内可以进行更多次数的测量。与磁场感测元件10的中间部分80相关联的第一组导体条34的导体条32包括被设计来在导体条32上均匀地分配翻转电流IF的非导电区域56中的电流分配元件44。电流分配元件44提供均匀的电流分配，使得在磁场感测元件10的中间部分产生增强的均匀偏转磁场Hflip，在磁场感测元件10的端部82产生增强的偏转磁场Hflip。电流分配元件44有助于降低磁翻转电流IF的幅值，并以最优化翻转机构和减少电能损耗的方式形成电流分配图。
图7a的示意性地示出了设置在翻转导体层38上的翻转导体30的布局。翻转导体30通过接触焊盘40可电气连接，翻转电流IF能够流入翻转导体30并能从翻转导体30流出。产生偏转磁场的在图7b中示出的第一组导体条32设置在第一子层38－1上，并连接到图7c中显示的设置在第二子层38－2上的第二组导体条32。矩形电流分配元件44和多边形的凹部被设置在与磁场感测元件10的中间部分80相关联的相对宽的导体条上。通孔40提供了第一和第二子层的导体条32之间的电气连接。第二子层38－2可以设置在第一子层38－1的顶部，并也可包括惠斯通电桥18形式的桥电阻器20，其子电阻器22包含磁场感测元件10。因此，整体的传感器芯片结构50包括两个子层，即底层38-1和和顶层38-2，其中第二子层38-2还包括惠斯通电桥层70。这种布局提供了非常紧凑的芯片设计，具有增强的磁场灵敏度和更低的能量消耗的。
图8示出了带有桥电阻器20的叉指（interdigital）结构24的磁场检测装置50的第二实施例。翻转导体装置30与图6，7中所示的实施例的翻转导体类似。惠斯通电桥18包括4个电阻器20，每个电阻器20包括多个形成子电阻器22的磁场感测元件10。每个电阻器20的磁场感测元件10是串联连接的，带有交变的旋转彩柱结构26，28的两个感测元件10被设置在产生相反的偏转磁场Hflip的翻转导体30的第一子层38-1的磁活性导体条32上。每个电阻器20的串联连接的元件10以曲折的方式布置，使得形成交叉手指型结构。两个电阻 器20的叉指相互作用，使得桥电阻器20形成为叉指结构24，其中相邻电阻器的磁性元件10被布置为相互靠近。由于桥电阻器20的感测元件的紧凑布局，材料不纯、缺陷或温度变化以等同的方式影响两个电阻器，从而提高了检测装置的稳定性和精度。
图9示出了磁场检测装置的另一实施例，其中翻转导体30是双迂回的并包括U形导条32。在该芯片结构50中，接触焊盘40被布置在芯片布局的连接测，桥电阻器18的独立的感测元件10沿着该双迂回翻转导体30以串联连接的方式布置。每个电阻器20包含带有交变旋转彩柱结构26，28的四个磁场感测元件10，它们位于产生相反的偏转磁场的翻转导体30的磁活性导体条32组34的顶部。
图10具体描述了图9中的翻转导体结构50。图10a揭示了图10b中示出的子层38-1和图10c中是示出的子层38-2上的翻转导体30的结构。翻转导体层38-1上的水平方向上的第一组导体条32，34以曲折的形式被布置，并包括与磁场感测元件10的端部82相关的U形导体条。为了向与磁场感测元件10的中间部分80相关的导体条32提供均匀的电流，设置了圆形或者椭圆形的非导电凹部58。电流分配元件44使得翻转电流IF的电流密度均匀化，从而为磁场感测元件10的中间部分80提供均匀的偏转磁场Hflip。惠斯通电桥层70的AMR感测元件10与垂直方向上的第二组翻转导体32，36的导体条36一起被布置在第二子层38-2上。这两组导体条34，36由通孔42电连接。
图11示出图9中所示的芯片结构的翻转导体30的替代性结构。图11a示出了翻转导体层38的翻转导体30的整体外形。图11b中的第一子层38-1只包括水平方向上的磁活性导体条32，34，而图11c中示出的第二子层38-2只包含垂直方向上的导体条32，36。有利的是磁场感测元件10（未示出）被设置在与第二组翻转导体条36相同的如图11c所示的层上。两个子层38-1和38-2的导体条由通孔连接。子层38-2被设置在子层38-1的上方，并还可以包含未示出的惠斯通电桥70的感测元件10。与磁场感测元件10的中间部分80相关的一组导体条34的磁活性导体条32包含导电剖面54，相对于与磁场感 测元件10的端部82相关的导体条32，该剖面产生减弱的偏转磁场。相比于图9中的翻转导体设计，虽然连接通孔42的数量增加了，但是由于垂直方向和水平方向上的导体条34，36的严格分离，所以芯片的总体尺寸得以进一步的减小。
图12示出了磁场检测装置50的另一实施例，其带有设置在惠斯通电桥层70的顶部和下方的堆叠层38，6β上的翻转导体30和补偿导体60。翻转导体的布置类似于图6中所描述的翻转导体的实施例。检测装置50适于感测第一方向上的磁场分量HE，并包含依据偏转磁场Hflip的方向可在第二或第三方向上磁化的磁场感测元件10。图13示出了检测装置50的翻转导体30和补偿导体60的层布局。
图13a示出了图12中所示的芯片设计的导体条32的结构，其包括翻转导体30的在图13d中示出的翻转导体子层38-1和在图13e中示出的子层38-2，以及补偿导体60在图13b中示出的子层62-1和在图13c中示出的子层62-2。补偿导体60以及翻转导体30分别包含两个子层38-1，38-2和62-1，62-2，其中第一组磁活性导体条34，36分别设置在第一子层38-1，62-1上，分别用来电导通第一组导体条34，36的第二组导体条36，38被设置在第二子层38-2，62-2上。子层38-1，38-2和62-1，62-2彼此顶部堆叠，或者可夹持惠斯通电桥层70。接触焊盘40围绕电导通惠斯通电桥18、翻转导体30和补偿导体60的层堆叠组件。补偿导体60被设计为生成补偿外部磁场HE14的补偿磁场，其中补偿磁场的方向垂直于磁场感测元件10（未示出）的长度布局方向。有利的是所述的磁场感测元件10（未示出）能够平行于翻转导体子层38-2的第二组翻转导体条36被设置在图13e中所示的层上。由于翻转导体30的子层概念也可被应用于补偿导体60，所以能够想到的且有利的是将翻转导体30设置在单个层上，并将补偿导体60的两组导体条66，68设置在两个子层62-1,62-2上，从而将本发明的优势传递到补偿导体层结构60。
最后，图14示出了如图12中所示的三维磁传感器芯片装置50的原理图和分解截面图，其包括如图13所示的基板64上的翻转导体层30、补偿导体层60和惠斯通电桥层70。这种芯片布局的三维表示 纯粹是为了示例说明，而不代表任何实际的尺寸。在基板64上，四个桥电阻器20的磁场感测元件10被布置在惠斯通电桥层70上，其包括AMR材料条带48，例如坡莫合金条带和由诸如金或者铜的高导电率材料制成的旋转彩柱结构16。惠斯通电桥18的四个电阻器20覆盖磁场检测装置50的主基片区域。每个电阻器20包含多个子电阻器22，其中每个子电阻器22作为磁场感测元件10。每个磁场感测元件10包含AMR材料条带48，例如顶面上的坡莫合金条带和由高导电率材料制成的旋转彩柱结构16。在其上设置由磁场感测元件10的同一惠斯通电桥层70上，布置了第二翻转导体子层30，38-2，参见图7c，10c，11c或图13e中所示的类似结构，其包含用来电连接第一组导体条34的导体条34的第二组导体条32，36。第二组导体条36和旋转彩柱结构16的金属化处理可以是相同的，并可并行制造。参见图13b的结构，在所述的组合层70，38-2的顶部，包含第一组补偿导体条66的第一补偿导体子层62-1被设置为使得可产生补偿外部磁场HE的补偿磁场。再次参照图13d，在第一补偿导体子层62-1的顶部，设置了包含第一组磁活性翻转导体条34的第一翻转导体子层38-1。第一组34翻转导体30通过导体元件42连接到第二组36磁翻转层38，导体元件42最好能够被设置为平行于第一组补偿导体条66的导体条32。最后，参见图13c，包含第二组导体条68的第二补偿导体子层62-2被布置在第一翻转导体子层38-1的顶部，第二组导体条用来连接第一补偿导体子层60-1的第一组磁活性导体条66。第一组和第二组补偿导体条66，68的导体条32由未示出的通孔连接。交错设计的子层38-1,38-2,62-1,62-2提供了具有最小的杂散磁场去和很低的阻抗的高度集成且紧凑的芯片设计，这种芯片能够以很低的功率消耗在高频率和增强的灵敏度状态运行。
由于磁场感测元件10和翻转导体30的外形，每个传感器芯片50的翻转线圈30的电阻可以降低到1Ω，使得偏转磁场Hflip能够由小于1.5V的电压VF、200mA的电流IF来产生。翻转导体30的特别设计在元件10的两端产生了增强的磁场Hflip，而在元件10的中间部分80产生较小的磁场Hflip，使得内部磁化M可由总体减弱的磁场强度 Hflip来翻转。而且，每个元件10的端部82的直径的减小允许应用减弱的磁场Hflip来可靠的翻转内部磁场M0。这种改善的设计提供了很小的且紧凑的传感器芯片结构50，其可以被放大到3D传感器芯片，并可由便携式设备的1.2V可充电电池分配的相对低的电压驱动。本发明并不局限于上述示例，在所附的权利要求的范围内可以自由地变化。
附图标记
10  磁场感测元件
12  内部磁化强度M
14  外部磁场
16  旋转彩柱结构
18  惠斯通电桥
20  桥电阻器
22  桥子电阻器
24  叉指式电阻器子元件结构
26  正角度的Barperpole结构
28  负角度的Barperpole结构
30  翻转导体
32  导体条
34  用于翻转磁场的第一组翻转导体条
36  用于电连接的第二组导体条
38  翻转导体层
40  接触焊盘
42  通孔
44  电流分配元件
46  磁场感测元件之间的电连接
48  AMR材料条带
50  磁场检测装置
52  当前技术的磁场检测装置
54  电流密度分布
56  导电剖面
58  凹部
60  补偿导体
62  补偿导体层
64  基板
66  用于补偿磁场的第一组补偿导体条
68  用于电连接的第二组补偿导体条
70  惠斯通电桥层
72
74
76
78
80  磁场感测元件的中间部分
82  磁场感测元件的端部