基于巨磁电阻（GMR）的Allegro集成电路
基于巨磁电阻（GMR）的Allegro集成电路
布莱恩·卡杜根，
亚博棋牌游戏
摘要
亚博棋牌游戏Allegro MicroSystems是开发、制造和销售高性能产品的世界领导者集成电路包括高性能磁传感器。本白皮书提供了对巨磁电阻（GMR）效应的基本理解，以及Allegro如何在市场领先的集成电路中使用这项技术来满足当今的应用需求。
巨磁电阻效应
GMR效应是1988年由CNRS/Thales Physique联合会的Albert Fert和für Festkörperforschung Forschungszentrum Jülich GmbH研究所的Peter Grünberg发现的。这两个人都因此获得了2007年的诺贝尔奖。巨磁电阻效应的基本原理是基于电子自旋。在磁电阻中，电子散射率随电子自旋态和电子所处介质的磁取向的相互作用而增大或减小。电子散射增加了电子流的平均自由程，有效地改变了介质的电阻。总之，磁电阻是一个电阻，改变其电阻值在磁场的存在。
GMR传感器是通过制造一系列由不同磁性和非磁性材料制成的非常薄的层来制造的。这些材料的排列顺序和厚度使薄膜叠层（GMR叠层）在磁场作用下电阻发生变化。
随着时间的推移，GMR的进步导致了“自旋阀”型结构的发展，这就是Allegro在其最新集成电路中使用的结构。在自旋阀中，两个磁性层中的一个被视为“参考”并固定在其方向上，另一个被称为“自由”层，可与周围环境中的磁场自由对齐（见图1）。在典型的磁传感器应用中，这种磁场是由磁铁或电流产生的，称为B亚博尊贵会员应用程序整个本文件的其余部分。“旋转阀”如此命名，因为它类似于水龙头，水流与套管的旋转程度有关。GMR旋转阀的打开位置涉及当对准轨道层时（如图1中的方向A所示），其中电阻最低。当磁性层被抗对准时发生闭合位置（或低流量位置）（如图1中的方向B所示），其中电阻最高。对于“参考”和“自由”层之间的任何角度差，GMR换能器的电阻与该角度的余弦成比例。
r = R.最小+（右）最小- r.最大值)×cos（θ）
抗性变化的百分比称为MR％，或磁阻百分比。Allegro的GMR传感器通常在全范围的现场响应范围内的5％至8％。这种响应级别创建了比Allegro的霍尔效应传感器高出50倍的信号，从而使用GMR传感器而不是Hall效应传感器在IC中实现更高的信噪比。
GMR响应
GMR对应用场的本机响应（B应用程序)在电阻器的平面上（因此，模具表面或IC表面）与所施加磁场的角度的余弦成正比
现场。然而，巨磁电阻的电阻值并不总是表示磁场的强度。基本的GMR传感器更像是一个磁性角度传感器（如图1所示）。然而，在
在许多情况下，GMR传感器需要对一个轴上的磁场作出线性响应。为了产生这种线性响应，各向异性是从90度的“参考”层产生的
作用类似于另一个与外加磁场矢量相加的磁场（这个各向异性感应场，B安，在图2中用黄色箭头表示）。然后，响应在零磁场状态附近有一个线性区域。这种线性化响应的方法被用于许多Allegro的IC中。重要的是要注意在现场响应范围的任何一个极端出现的饱和响应。在线性应用中，指定最大工作范围以说明杂散磁场和要感测的磁刺激。GMR产品数据表可用于指示操作边界条件。值得注意的一点是，快板霍尔效应解决方案没有这样的本机饱和反应。Allegro的霍尔IC基于应用或电路条件具有饱和响应，而不是霍尔技术本身的结果。
GMR在IC应用中的应用
一般情况下，GMR电阻器被创建并放置在惠斯通电桥配置中。惠斯通电桥的一半（图3中的A和C元素）位于一个磁场条件下
惠斯通电桥的另一半（元素B和D）位于另一个磁场条件下。理想情况下，这些条件呈现相等但相反的响应，从而允许电桥的最大输出信号。如图3中的蓝色箭头和文本所示，元素A和C以指向左侧的方向感测一个字段（在本例中处于反平行状态，表示为R）最大值在图1）中，元件B和D感测在右侧的方向上的场（在该示例中的并行状态下，表示为r最小在图1中）。结果是电阻器A和C将处于高电阻状态，而电阻器B和D将处于低电阻状态。差分输出将为正。
使用惠斯通电桥时，输出总是按应用的V进行缩放科科斯群岛，并且在没有施加磁场的情况下，将差分输出集中在0 V。然后，差分电桥输出将根据惠斯通电桥上施加磁场的方向正摆或负摆。这种电桥结构既可以消除温度效应，也可以提高对杂散磁场的抗扰度。
对于电流传感器，磁场在惠斯通电桥的A和C元件上的方向为一个方向，在惠斯通电桥的B和D元件上的方向为相反的方向（参见
图4）。惠斯通电桥的输出被送入一个差分放大器，然后通过Allegro的正常灵敏度和偏移校正电路，以及在模拟或数字领域可能更先进的信号处理电路。在导体未集成的其他应用中，GMR元件的物理空间分离用于影响微分亚博尊贵会员
信号，允许对各种磁刺激作出反应。
GMR的另一个申请用于环形磁体速度感测应用，例如ABS或变速器传感器。亚博尊贵会员使用交替的北极和南磁化产生磁性材料环，如图5所示。可以将GMR传感器放置在该材料下方，使得管芯的平面是水平的。A和C GMR元件和B和D GMR元件之间的间隔基于环磁体处于其旋转循环的位置，产生由这些元件的这些元件感测的不同磁场。当N（北）杆以芯片置于模具时，磁场指向左侧元件A和C以及右边的元素B和D.这将在GMR上创建响应，如图3所示，最大响应于GMR桥。当过度S（南）杆时，响应将最大负。当在极之间时，该字段大约相等，每个元件均相等，并且桥的响应接近0.这导致来自传感器的正弦输出，因为环磁体旋转。通过在输出中的阈值之间计数阈值之间的时间，可以测量环形磁铁的速度。与传统的霍尔传感器相比，GMR的敏感性较高，提供了更高的气隙传感能力，以及输出中的更高的重复性，以便在速度输出中更高的精度。
Allegro拥有单片GMR解决方案
许多销售GMR解决方案的供应商使用多芯片方法：一个“传感器”芯片和一个“接口”芯片。Allegro是极少数直接集成GMR技术的IC制造商之一
在他们的半导体晶圆上。
这种综合方法提供了许多优点，包括通过避免额外的管芯键合来改善可靠性，并且在整合电流承载线或定位元件与外部参考时，允许更简单的整体设计。
晶圆进入包裹
由于Allegro的GMR解决方案本质上是单片的，所以GMR IC晶片的管理方式与霍尔效应传感器IC晶片相同。将所制造的晶圆研磨成适合其封装的适当厚度，并将晶圆切割成适当的模具尺寸。在这一步之后，该部件被封装在Allegro的标准系列半导体IC封装中。
选择霍尔解决方案或GMR解决方案
GMR传感器比霍尔效应传感器有一些优点。然而，了解这些传感器的预期应用是非常重要的，因为在许多情况下，霍尔解决方案是更好的解决方案。
| 因子 | 大厅 | GMR（基于 示例（堆栈） |
| 敏感方向 | 通平面（1轴） | 平面内（2轴）， 通常1个主 |
| 响应 | 完全单轴线性 | 余弦型响应 在两个轴上 复杂的解释 |
| 灵敏度（本机） | 约10-20μV/G | 0.5-2毫伏/克 （50+X大厅） |
| 线性范围 | 不受限制 | ±55克 |
| 响应范围 | 不受限制 | ±100克 |
结论
Allegro新的集成GMR技术在设计师的工具箱中提供了一个额外的工具，用于处理新的应用程序，并在现有应用程序中扩展其IC的功能。GMR提供了改善信噪比、提高分辨率或降低给定解决方案所需的场电平（更小的磁铁、更大的气隙亚博尊贵会员等）的能力。此外，与通过平面敏感霍尔技术相比，通过对晶圆或IC表面进行面内传感，可以创建新的、更坚固的、差异化的磁性解决方案。Allegro将发布所有相关磁传感器IC产品组合的产品，以利用GMR技术提供的新功能。