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，
雷竞技竞猜下载
摘要
雷竞技竞猜下载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雷竞技最新网址应用程序在本文件的其余部分。“旋转阀”之所以这样命名，是因为它类似于一个水龙头，在那里水流与龙头的旋转程度有关。GMR自旋阀的开启位置与磁性层何时对齐（如图1中方向a所示）有关，此时电阻最低。闭合位置（或低流量位置）发生在磁性层反对齐时（如图1中方向B所示），此时电阻最高。对于“参考”层和“自由”层之间的任何角度差，GMR传感器的电阻与该角度的余弦成正比。
R=R最小+（右）最小–右最大值)×cos（θ）
电阻变化的百分比称为磁电阻百分比。Allegro的GMR传感器通常具有5%至8%范围内的MR%，用于整个现场响应范围。这种响应水平产生了一个比Allegro的霍尔效应传感器高50倍的信号，使得使用GMR传感器而不是霍尔效应传感器的集成电路具有更高的信噪比。
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），元素B和D以指向右侧的方向感测场（在本例中处于平行状态，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雷竞技最新网址
信号，允许对各种磁刺激作出反应。
GMR的另一个应用是用于环形磁铁转速传感应用，如ABS或变速箱传感器。如图5所示，通过交替的南北磁化，形成了一个磁性材料环。GMR传感器雷竞技最新网址可放置在该材料下，使模具平面水平。A和C GMR元件以及B和D GMR元件之间的间距根据环形磁铁在其旋转循环中的位置产生由这些元件组感测到的不同磁场。当N（北极）极位于模具中心时，磁场指向左边的元件A和C，右边的元件B和D。这将在GMR上产生响应，如图3所示，GMR电桥产生最大正响应。当越过南极时，响应最大为负。在极间时，每个单元的电场大致相等，电桥的响应接近于0。当环形磁铁旋转时，这将导致传感器的正弦输出。通过计算随时间变化的输出阈值之间的时间，可以测量环形磁铁的速度。与传统霍尔传感器相比，GMR的更高灵敏度提供了更高的气隙传感能力，以及更高的输出重复性，以获得更高的速度输出精度。
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。
这种集成方法提供了许多优点，包括通过避免额外的管芯到管芯键合来提高可靠性，并且在集成载流线或相对于外部基准定位元件时允许更简单的总体设计。
将晶圆装入包装中
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 |
| 回应 | 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、更大的气隙雷竞技最新网址等）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。