ITTO20101068A1 - Sensore di campo magnetico avente elementi magnetoresistivi anisotropi, con disposizione perfezionata di relativi elementi di magnetizzazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“SENSORE DI CAMPO MAGNETICO AVENTE ELEMENTI MAGNETORESISTIVI ANISOTROPI, CON DISPOSIZIONE PERFEZIONATA DI RELATIVI ELEMENTI DI MAGNETIZZAZIONEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un sensore di campo magnetico, in particolare comprendente elementi magnetoresistivi anisotropi.

Sensori di campo magnetico, in particolare sensori magnetici AMR, sono utilizzati in una pluralità di applicazioni e sistemi, ad esempio in bussole, in sistemi di rilevamento di materiali ferromagnetici, nel rilevamento di correnti, e in svariate altre applicazioni, grazie alla loro capacità di rilevare campi magnetici naturali (ad esempio il campo magnetico terrestre) e campi magnetici generati da componenti elettrici (quali dispositivi elettrici o elettronici e linee percorse da corrente elettrica).

In modo noto, il fenomeno della magnetoresistività anisotropa si verifica all’interno di particolari materiali ferromagnetici, che, quando sottoposti ad un campo magnetico esterno, subiscono una variazione di resistività in funzione delle caratteristiche del campo magnetico applicato. Solitamente, tali materiali vengono sagomati in sottili strisce (“stripes†) in modo da formare elementi resistivi, e gli elementi resistivi così formati vengono collegati elettricamente tra loro a formare una struttura a ponte (tipicamente un ponte di Wheatstone).

È noto inoltre realizzare sensori magnetici AMR con tecniche standard di microfabbricazione dei semiconduttori, come descritto ad esempio in US 4,847,584. In particolare, ciascun elemento magnetoresistivo può essere formato da un film di materiale magnetoresistivo, quale ad esempio il Permalloy (una lega ferromagnetica contenente ferro e nichel), depositato a formare una sottile striscia su un substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio.

Quando una corrente elettrica viene fatta scorrere attraverso un elemento magnetoresistivo, l’angolo Î ̧ tra la direzione di magnetizzazione di tale elemento magnetoresistivo e la direzione del flusso della corrente influenza il valore effettivo di resistività dello stesso elemento magnetoresistivo, così che, al variare del valore dell’angolo Î ̧, varia il valore di resistenza elettrica (in dettaglio, tale variazione segue una legge del tipo cos<2>Î ̧).

Ad esempio, una direzione di magnetizzazione parallela alla direzione del flusso di corrente risulta in un valore di resistenza al passaggio di corrente attraverso l’elemento magnetoresistivo massimo, mentre una direzione di magnetizzazione ortogonale alla direzione del flusso di corrente risulta in un valore di resistenza al passaggio di corrente attraverso l’elemento magnetoresistivo minimo.

I sensori magnetici AMR includono inoltre una pluralità di bobine integrate negli stessi sensori (tipicamente due bobine), cosiddette “set/reset strap†e “offset strap†, e atte a generare, quando percorse da una corrente di valore opportuno, un campo magnetico che si accoppia perpendicolarmente alla direzione di rilevamento dei sensori e, rispettivamente, lungo la direzione di rilevamento dei sensori; a questo riguardo, si veda ad esempio US 5,247,278.

La bobina di set/reset ha la funzione di variare, alternandolo, il verso di magnetizzazione degli elementi magnetoresistivi lungo una prima direzione predefinita (cosiddetto “easy axis†o EA). In uso, la variazione del verso di magnetizzazione à ̈ ottenuto applicando all’elemento magnetoresistivo, tramite la bobina di set/reset, un campo magnetico di valore opportuno per un breve periodo di tempo, tale da forzare arbitrariamente il verso dei dipoli magnetici dell’elemento magnetoresistivo lungo la prima direzione predefinita (operazione di “set†), e, in seguito, applicando all’elemento magnetoresistivo un secondo campo magnetico, analogo al precedente ma con verso opposto, in modo da forzare il verso dei dipoli magnetici dell’elemento magnetoresistivo ancora lungo la prima direzione predefinita, ma con verso opposto (operazione di “reset†). Le operazioni di set e reset hanno la funzione di portare ciascun elemento magnetoresistivo del sensore AMR in un rispettivo stato di unico dominio (“single domain state†) prima di operare il sensore AMR, ad esempio al fine di effettuare operazioni di rilevamento (“sensing†) di un campo magnetico esterno. Le operazioni di set e reset sono necessarie in quanto solo nello stato di unico dominio le proprietà fondamentali di linearità, sensitività (“sensitivity†), e stabilità degli elementi magnetoresistivi sono controllate e ripetibili. Le operazioni di set e reset summenzionate sono note e descritte in dettaglio ad esempio nel documento US 5,247,278.

La bobina di offset à ̈ solitamente utilizzata per operazioni di compensazione dell’offset presente nel sensore AMR (a causa di mismatch nei valori dei relativi componenti elettrici), operazioni di self-test, e/o operazioni di calibrazione del sensore AMR. In particolare, il valore delle grandezze elettriche in uscita dal sensore AMR sono, in presenza della bobina di offset, funzione sia del campo magnetico esterno da rilevare, sia del campo magnetico generato per effetto di una corrente circolante nella bobina di offset. La bobina di offset à ̈ formata da spire di materiale conduttivo, ad esempio metallo, disposte sullo stesso substrato su cui sono realizzati gli elementi magnetoresistivi del sensore e la bobina di set/reset (in strati metallici diversi), à ̈ elettricamente isolata dagli, e disposta in prossimità degli, stessi elementi magnetoresistivi. Il campo magnetico generato dalla bobina di offset à ̈ tale da forzare parzialmente l’orientamento dei dipoli magnetici di ciascun elemento magnetoresistivo lungo una seconda direzione predefinita (cosiddetto “hard axis†o HA), ortogonale alla prima direzione predefinita.

La figura 1 mostra, in vista dall’alto, un layout esemplificativo di un sensore integrato di campo magnetico 1 di tipo noto e comprendente una pluralità elementi magnetoresistivi, collegati tra loro in modo da formare un ponte di Wheatstone, ad esempio come descritto in US 5,247,278 e US 5,952,825, e fabbricati come ad esempio descritto in US 4,847,584.

Più in particolare, ciascun elemento magnetoresistivo ha una struttura di tipo Barber-Pole. La struttura Barber-Pole per elementi magnetoresistivi à ̈ nota. In questo caso, ciascun elemento magnetoresistivo à ̈ formato da una pluralità di sotto-elementi magnetoresistivi disposti sostanzialmente in linea tra loro e collegati gli uni con gli altri mediante elementi di connessione ad elevata conducibilità elettrica (ad esempio di alluminio, argento, o oro). Gli elementi di connessione sono disposti adiacenti, in contatto elettrico diretto, a ciascun sottoelemento magnetoresistivo ed inclinati di un certo angolo α (tipicamente, α=45°) rispetto all’asse di magnetizzazione spontanea dell’elemento magnetoresistivo.

Il sensore di campo magnetico 1 à ̈ formato su un substrato a semiconduttore 2 mediante procedimenti di microfabbricazione di tipo noto. Quattro elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, e 10, in forma di strisce di materiale ferromagnetico (ad esempio film sottili depositati comprendenti una lega Ni/Fe), in configurazione “Barber Poles†, sono disposti a formare un ponte di Wheatstone. Per ciascun elemento magnetoresistivo 4, 6, 8, 10, le strisce magnetoresistive che lo formano sono connesse in serie tra loro. Con riferimento alla figura 1, gli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 sono interconnessi tra loro e connessi a terminali (o “pads†) 21, 22, 23, 24, e 25. Il terminale 21 à ̈ collegato all’elemento magnetoresistivo 4 per mezzo di una pista conduttiva 11, e l’elemento magnetoresistivo 4 à ̈ collegato all’elemento magnetoresistivo 6 mediante una porzione conduttiva 17. La porzione conduttiva 17 à ̈ elettricamente collegata al terminale 22 mediante una rispettiva pista conduttiva 12. L’elemento magnetoresistivo 6 à ̈ quindi collegato all’elemento magnetoresistivo 10 mediante una porzione conduttiva 18, e la porzione conduttiva 18 à ̈ elettricamente collegata al terminale 23 mediante una rispettiva pista conduttiva 13. L’elemento magnetoresistivo 10 à ̈ interconnesso all’elemento magnetoresistivo 8 mediante una porzione conduttiva 16, e la porzione conduttiva 16 à ̈ elettricamente collegata al terminale 24 mediante una rispettiva pista conduttiva 14. Il terminale 25 à ̈ collegato all’elemento magnetoresistivo 8 mediante una porzione conduttiva 15.

Si forma in questo modo una struttura a ponte resistivo di Wheatstone che realizza un sensore di campo magnetico 1 sensibile a componenti di campo magnetico aventi direzione perpendicolare alle strisce di materiale ferromagnetico che formano gli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10. Il terminale 21 à ̈ collegato al terminale 25, per formare un terminale comune in modo da collegare elettricamente l’elemento magnetoresistivo 4 e l’elemento magnetoresistivo 8.

In uso, una tensione di ingresso Vin à ̈ applicata tra il terminale 22 e il terminale 24. La lettura di tensione di uscita Vout à ̈ effettuata tra il terminale 21 (comune al terminale 25) e il terminale 23.

Con riferimento alla figura 1, il sensore di campo magnetico 1 comprende inoltre una prima striscia di materiale conduttore elettrico estendentesi sul substrato 2 e isolata da quest’ultimo mediante uno strato di materiale dielettrico (non mostrato in dettaglio in figura). Tale prima striscia di materiale conduttore elettrico forma un primo avvolgimento 19, di tipo planare, che si estende su un piano parallelo al piano su cui giacciono gli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10, elettricamente isolato dagli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10.

Il sensore di campo magnetico 1 comprende inoltre una seconda striscia di materiale conduttore elettrico, estendentesi sul substrato 2, e isolata da quest’ultimo e dal primo avvolgimento 19 mediante uno strato di materiale dielettrico (non mostrato in dettaglio in figura). Tale seconda striscia di materiale conduttore elettrico forma un secondo avvolgimento 20, di tipo planare, che si estende tra un terminale 20a e un terminale 20b su un piano parallelo al piano su cui giacciono gli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 e il primo avvolgimento 19, ed elettricamente isolato dagli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 e dal primo avvolgimento 19.

Il primo avvolgimento 19 à ̈ utilizzato quando à ̈ necessario generare un campo magnetico avente intensità nota interagente con il sensore di campo magnetico 1, ad con finalità di polarizzazione, calibrazione, e/o compensazione di eventuali offset dovuti alla presenza di campi magnetici esterni indesiderati. In quest’ultimo caso, l’effetto del campo magnetico generato dal primo avvolgimento 19 sul segnale di uscita Vout del sensore di campo magnetico 1 à ̈ quello di bilanciamento del segnale di uscita dovuto esclusivamente al campo esterno non desiderato, al fine di generare un’uscita di segnale zero.

In uso, quando il primo avvolgimento 19 viene percorso da corrente elettrica, viene generato un campo magnetico le cui linee di forza hanno direzione parallela al piano su cui giacciono gli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10, o comunque direzione perpendicolare alla direzione di sensibilità degli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10.

A causa della variabilità del processo di fabbricazione degli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10, tali elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 possono avere caratteristiche strutturali diverse tra loro. Questo genera un segnale di offset Voff, sovrapposto al segnale di uscita utile, intrinseco al sensore di campo magnetico 1, che causa una riduzione della sensibilità del sensore di campo magnetico 1 durante l’uso. Tale segnale di offset Voff può essere eliminato operando opportunamente il secondo avvolgimento 20. In maggior dettaglio, durante l’uso, vengono fatti scorrere nel secondo avvolgimento 20 impulsi di corrente con direzione opposta tra loro (polarizzando opportunamente i terminali 20a e 20b del secondo avvolgimento), in modo tale da generare rispettivi campi magnetici definiti da rispettive linee di campo aventi verso opposto tra loro. Tali campi magnetici sono di intensità tale da ri-orientare i dipoli magnetici degli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 secondo le linee di campo generate, in particolare con verso definito dal verso delle linee del campo magnetico generato.

In seguito ad un primo impulso di corrente (detto impulso di set) attraverso il secondo avvolgimento 20, viene generato un primo campo magnetico HS1tale da orientare i dipoli magnetici degli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 secondo un primo verso.

In seguito ad un secondo impulso di corrente (detto impulso di reset) attraverso il secondo avvolgimento 20, viene generato un secondo campo magnetico HS2(di intensità, ad esempio, uguale al primo campo magnetico HS1) tale da orientare i dipoli magnetici degli elementi magnetoresistivi 4, 6, 8, 10 in un secondo verso.

Il sensore AMR descritto con riferimento alla figura 1 richiede dunque, per essere correttamente operato, almeno due bobine (la bobina di set/reset e la bobina di offset).

La presenza di tali bobine complica il processo di fabbricazione del sensore AMR, e ne aumenta il costo di fabbricazione,in quanto richiede la predisposizione di maschere dedicate alla formazione di due differenti bobine su livelli metallici differenti e alla formazione di collegamenti metallici (“via holes†) attraverso la fetta (“wafer†) per portare l’alimentazione elettrica di polarizzazione di tali bobine.

Inoltre, la presenza di una pluralità di livelli metallici (almeno tre livelli metallici: uno per alloggiare la bobina di set/reset, uno per alloggiare la bobina di offset, e uno per alloggiare uno o più elementi magnetoresistivi) impatta sulle dimensioni del sensore AMR.

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire un sensore di campo magnetico esente dagli inconvenienti dei sensori di campo magnetico di tipo noto, precedentemente evidenziati.

Secondo la presente invenzione viene fornito un sensore di campo magnetico come definito nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra un sensore di campo magnetico di tipo AMR secondo l’arte nota;

- la figura 2 mostra un sensore di campo magnetico di tipo AMR secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 3 mostra un elemento magnetoresistivo utilizzabile nel sensore di figura 2 e provvisto di una struttura Barber-Pole;

- la figura 4 mostra un sensore di campo magnetico di tipo AMR secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 5 mostra uno schema elettrico di un ponte di Wheatstone formato dagli elementi magnetoresistivi appartenenti al sensore di figura 4;

- la figura 6 mostra un sensore di campo magnetico di tipo AMR secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 7 mostra un sensore di campo magnetico di tipo AMR secondo un’altra forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 8 mostra un sensore di campo magnetico di tipo AMR secondo un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione;

- le figure 9a-9d mostrano il sensore di campo magnetico di figura 8 in differenti modalità di utilizzo;

- la figura 10 mostra una vista in sezione esemplificativa di un sensore di campo magnetico di tipo integrato secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione della presente invenzione; e

- la figura 11 mostra una vista in sezione esemplificativa di un sensore di campo magnetico di tipo integrato secondo una forma di realizzazione alternativa rispetto a quella mostrata in figura 10.

La figura 2 mostra, in vista superiore e in forma schematica, un sensore di campo magnetico 30 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Il sensore di campo magnetico 30, a differenza del sensore di campo magnetico 1 di figura 1, comprende un generatore di campo magnetico 32, qui in particolare formato da strisce conduttive planare elettricamente connesse, configurato per effettuare sia l’operazione di set/reset che l’operazione di calibrazione/compensazione offset degli elementi magnetoresistivi (un solo elemento magnetoresistivo 34 à ̈ mostrato in figura) del sensore di campo magnetico 30. Il generatore di campo magnetico 32 può dunque essere operato indifferentemente con finalità di set/reset (come descritto con riferimento alla bobina 20 di figura 1) o con finalità di calibrazione in fase di test o compensazione dell’offset (come descritto con riferimento alla bobina 19 di figura 1), o contemporaneamente con entrambe le finalità di set/reset e calibrazione/compensazione offset.

Il generatore di campo magnetico 32 comprende una prima e una seconda porzione conduttiva 32a, 32b, elettricamente connesse mediante una porzione di collegamento elettrico 33. La prima e la seconda porzione conduttiva 32a, 32b giacciono sullo stesso piano XY e sono dunque complanari. In particolare, la prima e la seconda porzione conduttiva 32a, 32b sono di materiale metallico (ad esempio, alluminio, rame, oro, ecc.) e sono formate in uno stesso livello metallico. Ancora più in particolare, anche la porzione di collegamento elettrico 33 à ̈ di metallo ed à ̈ formata nello stesso livello metallico della prima e della seconda porzione conduttiva 32a, 32b.

La porzione conduttiva 32a comprende un primo terminale 32’ collegato ad un rispettivo terminale di un generatore di corrente 35; la porzione conduttiva 32b comprende un secondo terminale 32†collegato ad un altro terminale del generatore di corrente 35. In questo modo, in uso, una corrente ipscorre tra il primo terminale 32’ e il secondo terminale 32†, o viceversa.

Ai fini della presente descrizione, la corrente ipcorrisponde alla corrente di set/reset iSRquando il generatore di campo magnetico 32 à ̈ operato al fine di effettuare operazioni di set e reset dell’elemento magnetoresistivo 34, ed alla corrente di calibrazione/compensazione offset iOFFquando l’elemento di polarizzazione magnetica à ̈ operato al fine di effettuare operazioni di calibrazione/compensazione offset.

Come mostrato in figura 2, nella prima porzione conduttiva 32a la corrente ipscorre in direzione parallela all’asse X, mentre nella seconda porzione conduttiva 32b la corrente ipscorre in direzione perpendicolare all’asse X. In questo modo, in corrispondenza di ciascuna delle porzioni 32a e 32b si genera un rispettivo campo magnetico B1e B2avente linee di campo orientate in direzione perpendicolare alla direzione di scorrimenti della corrente ip, e dunque orientate parallelamente all’asse Y e X, rispettivamente.

Il sensore di campo magnetico 30 comprende inoltre un elemento magnetoresistivo 34 disposto in corrispondenza della prima porzione conduttiva 32a in modo tale che un asse di magnetizzazione preferito (in particolare l’easy axis EA) dell’elemento magnetoresistivo 34 si estenda parallelamente alle linee di flusso del campo magnetico B1(lungo l’asse Y), e un asse di magnetizzazione secondario (in particolare l’hard axis HA) dell’elemento magnetoresistivo 34 si estenda parallelamente alle linee di flusso del campo magnetico B2(lungo l’asse X). In questo l’elemento magnetoresistivo à ̈ sottoposto ad una magnetizzazione sia lungo l’easy axis EA che lungo l’hard axis HA.

Ai fini della presente descrizione, la corrente ipcorrisponde alla corrente di set/reset iSRquando il generatore di campo magnetico 32 à ̈ operato al fine di effettuare operazioni di set e/o reset dell’elemento magnetoresistivo 34, ed alla corrente di calibrazione/compensazione offset iOFFquando il generatore di campo magnetico 32 à ̈ operato al fine di effettuare operazioni di calibrazione/compensazione offset.

L’elemento magnetoresistivo 34 del sensore di campo magnetico 30 ha, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, una struttura di tipo Barber-Pole, schematicamente illustrata in figura 3.

Ciascun elemento magnetoresistivo può essere formato come una singola striscia di materiale ferromagnetico (ad esempio film sottili depositati comprendenti una lega Ni/Fe), tipicamente in configurazione Barber Pole, o come una pluralità di sottoelementi di materiale ferromagnetico, ad esempio in forma di strisce (“strips†). Nel caso in cui ciascun elemento magnetoresistivo sia formato da una pluralità di sottoelementi di materiale ferromagnetico, tali sottoelementi sono collegati in serie tra loro.

L’elemento magnetoresistivo 34 à ̈ disposto elettricamente isolato dal generatore di campo magnetico 32 in un’area almeno parzialmente sovrastante, o sottostante, o prossima al generatore di campo magnetico 32, e comunque in modo tale da interagire con i campi magnetici B1e B2generati dalle porzioni 32a e 32b del generatore di campo magnetico 32 quando percorse dalla corrente iP.

La figura 3 mostra, in vista dall’alto, un elemento magnetoresistivo 34. L’elemento magnetoresistivo 34 comprende una porzione di materiale magnetoresistivo 41 (ad esempio, esempio una lega di nichel e ferro, più in particolare, Permalloy) in contatto ohmico con una struttura Barber-Pole 40, ad elevata conducibilità elettrica (ad esempio di metallo, quale alluminio, argento, oro, ecc.). Gli elementi della struttura Barber-Pole 40 sono inclinati di un certo angolo α (tipicamente, α=45°) rispetto all’asse di magnetizzazione spontanea dell’elemento magnetoresistivo (indicato in figura mediante il vettore M).

L’elemento magnetoresistivo 34 possiede porzioni terminali 34’ e 34†, in collegamento elettrico con la porzione di materiale magnetoresistivo 41, collegabili ad un circuito di polarizzazione e lettura 42, ti tipo noto. Il circuito di polarizzazione e lettura 42 à ̈ configurato per generare un flusso di corrente IMtra i terminali 34’ e 34†dell’elemento magnetoresistivo e leggere il valore di resistenza dell’elemento magnetoresistivo al passaggio della corrente (indicata mediante il vettore corrente IM). Per effetto della struttura Barber-Pole, il vettore corrente IM, indicativo del flusso di corrente tra elementi affacciati della struttura Barber-Pole 40, à ̈ orientato in modo tale da presentare un angolo α con il vettore di magnetizzazione M.

Un eventuale campo magnetico esterno, avente una componente di campo perpendicolare all’easy axis EA (e cioà ̈ parallela all’hard axis HA), applicato all’elemento magnetoresistivo 34, causa una rotazione del vettore di magnetizzazione M e una conseguente variazione del valore dell’angolo α. Questo causa di conseguenza una variazione della resistenza elettrica dell’elemento magnetoresistivo 34 (anche detto effetto magnetoresistivo) ed à ̈ rilevabile dal circuito di polarizzazione e lettura 42 acquisendo e analizzando un segnale di uscita prelevato alle porzioni terminali 34’ e 34†.

La porzione di connessione 33 può essere realizzata, ad esempio, come prolungamento della porzione conduttiva 32a e/o 32b.

La figura 4 mostra un sensore di campo magnetico 50 secondo un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione. Il sensore di campo magnetico 50 comprende, analogamente al sensore di campo magnetico 30, il generatore di campo magnetico 32 di tipo planare, qui in particolare formato da una striscia conduttiva planare comprendente una pluralità di porzioni conduttive (in particolare più di due porzioni conduttive) elettricamente connesse tra loro.

Il generatore di campo magnetico 32 à ̈ configurato per effettuare sia l’operazione di set/reset che l’operazione di calibrazione/compensazione offset degli elementi magnetoresistivi 34a-34d (quattro elementi magnetoresistivi collegati a formare un ponte di Wheatstone 38 sono mostrati in figura 4). Il generatore di campo magnetico 32 può dunque essere operato indifferentemente con finalità di set/reset o con finalità di calibrazione in fase di test o compensazione dell’offset, o contemporaneamente con entrambe le finalità di set/reset e calibrazione/compensazione offset.

Il generatore di campo magnetico 32 di figura 4 à ̈ analogo al generatore di campo magnetico 32 di figura 2 (elementi comuni sono indicati con gli stessi numeri di riferimento), ma comprende inoltre una terza porzione conduttiva 32c ed una quarta porzione conduttiva 32d. Il generatore di corrente 35 à ̈, secondo questa forma di realizzazione, collegato alla terza porzione conduttiva 32c. Quest’ultima comprende dunque il primo terminale 32’.

La terza porzione conduttiva 32c à ̈ collegata alla prima porzione conduttiva 32a mediante un porzione di collegamento 37; la prima porzione conduttiva 32a à ̈ collegata alla quarta porzione conduttiva 32d mediante una porzione di collegamento 39; e la quarta porzione conduttiva 32d à ̈ collegata alla seconda porzione conduttiva mediante una porzione di collegamento 42. La prima, la seconda, la terza, e la quarta porzione conduttiva sono collegate reciprocamente mediante rispettive porzioni terminali, cosicché, in uso, la corrente ipscorre attraverso di esse, dal terminale 32’ della terza porzione conduttiva 32c al terminale 32†della seconda porzione conduttiva 32b (o viceversa), attraverso la prima e la quarta porzione conduttiva 32a, 32d.

Come mostrato in figura 4, nella terza porzione conduttiva 32c, la corrente ipscorre in direzione parallela all’asse Y, mentre nella quarta porzione conduttiva 32d la corrente ipscorre in direzione perpendicolare all’asse X. In questo modo, in corrispondenza di ciascuna delle porzioni 32c e 32d si genera un rispettivo campo magnetico B3e B4avente linee di campo orientate in direzione perpendicolare alla direzione di scorrimento della corrente ip, e dunque orientate parallelamente all’asse X e Y, rispettivamente.

Il sensore di campo magnetico 50 comprende, a differenza del sensore di campo magnetico 30 di figura 2, quattro elementi magnetoresistivi 34a-34d collegati a formare il ponte di Wheatstone 38 (mostrato in figura 4 con linea tratteggiata). In particolare, gli elementi magnetoresistivi 34a e 34d sono disposti in corrispondenza della prima porzione conduttiva 32a, in modo tale che il loro easy axis EA sia parallelo alle linee di flusso del campo magnetico B1e il loro hard axis HA sia parallelo alle linee di flusso del campo magnetico B2. Gli elementi magnetoresistivi 34b e 34c sono invece disposti in corrispondenza della quarta porzione conduttiva 32d, in modo tale che il loro easy axis EA sia parallelo alle linee di flusso del campo magnetico B4e il loro hard axis HA sia parallelo alle linee di flusso del campo magnetico B3.

In questo modo, in uso, le operazioni di set/reset sono effettuate mediante i campi magnetici B1(per il set/reset degli elementi magnetoresistivi 32a e 32d) e B4(per il set/reset degli elementi magnetoresistivi 32b e 32c); le operazioni di calibrazione/compensazione offset sono invece effettuate mediante i campi magnetici B2(per la calibrazione/compensazione offset degli elementi magnetoresistivi 32a e 32d) e B3(per la calibrazione/compensazione offset degli elementi magnetoresistivi 32b e 32c).

Risulta evidente che la seconda porzione conduttiva 32b deve essere disposta sufficientemente prossima agli elementi magnetoresistivi 32a e 32d affinché il campo magnetico B2abbia valore tale da consentire di effettuare l’operazione richiesta. Analogamente, la terza porzione conduttiva 32c deve essere disposta sufficientemente prossima agli elementi magnetoresistivi 32b e 32c affinché il campo magnetico 3 abbia valore tale da consentire di effettuare l’operazione richiesta. Ad esempio, considerando una corrente di offset iOFFcompresa tra 100 mA e 200 mA, la distanza d tra la terza porzione conduttiva 32c e il più vicino tra gli elementi magnetoresistivi 32b, 32c (in questo caso, l’elemento magnetoresistivo 32b) à ̈ compresa tra 2 Î1⁄4m e 50 Î1⁄4m, ad esempio pari a circa 10 Î1⁄4m. Tale valore di distanza à ̈ preferibilmente rispettato anche per quanto riguarda la distanza tra la seconda porzione conduttiva 32b e il più distante tra gli elementi magnetoresistivi 32a, 32d (in questo caso, l’elemento magnetoresistivo 32a). In ogni caso, il valore indicato per la distanza d à ̈ puramente indicativo e può variare per ragioni di ottimizzazione del layout.

Le porzioni di collegamento 37, 39, e 42 possono essere realizzate, ad esempio, in forma di striscia conduttiva, in particolare come prolungamento delle rispettive porzioni conduttive 32c, 32a, 32d (ad esempio come mostrato in figura 6).

Il ponte di Wheatstone 38 Ã ̈ mostrato in forma schematica in figura 5.

Con riferimento alla figura 5, gli elementi magnetoresistivi 34a-34d sono interconnessi tra loro e a terminali (o “pads†) 43-46. Il terminale 43 à ̈ elettricamente collegato all’elemento magnetoresistivo 34a, e l’elemento magnetoresistivo 34a à ̈ elettricamente collegato all’elemento magnetoresistivo 34d, con cui condivide il terminale 46. L’elemento magnetoresistivo 34d à ̈ elettricamente collegato all’elemento magnetoresistivo 34c, condividendo il terminale 45. L’elemento magnetoresistivo 34c à ̈ collegato all’elemento magnetoresistivo 34b con cui condivide il terminale 44. Si forma in questo modo una struttura a ponte resistivo di Wheatstone 38 che realizza un sensore di campo magnetico sensibile a componenti di campo magnetico aventi una componente parallela all’hard axis HA.

In uso, una tensione di ingresso VALÃ ̈ applicata tra il terminale 44 e il terminale 46. La lettura di tensione di uscita VOUTÃ ̈ effettuata tra il terminale 43 e il terminale 45.

In particolare, la struttura di rilevamento a ponte di Wheatstone 38 include elementi magnetoresistivi 34a-34d idealmente di pari valore di resistenza, e tali da formare coppie diagonali di elementi uguali, che, in uso, reagiscono in maniera tra loro opposta ai campi magnetici esterni, come mostrato schematicamente in figura (in cui IMindica la corrente elettrica che fluisce negli elementi magnetoresistivi e R il valore comune di resistenza).

Applicando una tensione di alimentazione VALin ingresso alla struttura di rilevamento a ponte, in presenza di un campo magnetico esterno BEXT, si verifica una variazione di resistenza ΔR degli elementi magnetoresistivi 34a-34d ed una corrispondente variazione del valore di caduta di tensione (“voltage drop†) sugli stessi elementi magnetoresistivi 34a-34d; infatti, il campo magnetico esterno BEXTdetermina una variazione della direzione di magnetizzazione degli elementi magnetoresistivi 34a-34d. Ne consegue uno sbilanciamento del ponte 35, che si manifesta come una variazione di tensione ΔV all’uscita del circuito a ponte 35. Siccome la direzione della magnetizzazione iniziale degli elementi magnetoresistivi à ̈ nota a priori, in funzione di tale variazione di tensione ΔV risulta dunque possibile risalire alla componente del campo magnetico esterno agente lungo la direzione di sensibilità del sensore magnetico (essendo dunque possibile, utilizzando tre sensori magnetici con direzioni di sensibilità tra loro ortogonali, determinare modulo e direzione dello stesso campo magnetico esterno).

In particolare, per rilevare lo sbilanciamento del ponte di Wheatstone 38 e generare un segnale di uscita indicativo delle caratteristiche del campo magnetico esterno da misurare, viene solitamente utilizzato un circuito (o front-end) di lettura, accoppiato all’uscita del ponte 35 ed includente, ad esempio, un amplificatore da strumentazione.

Eventuali disallineamenti (“mismatch†) nei valori di resistenza R degli elementi magnetoresistivi 34a-34d del ponte di Wheatstone 38 generano, come già detto, un segnale di offset Voff interno, che influisce sull’accuratezza del segnale di uscita Vout.

L’operazione di compensazione di offset eseguita generando un campo magnetico avente componenti parallele all’hard axis degli elementi magnetoresistivi 34a-34d ha la funzione di cancellare o quanto meno ridurre tale segnale di offset Voff.

La figura 6 mostra un sensore di campo magnetico 60 secondo un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione. In particolare, il sensore di campo magnetico 60 à ̈ un sensore biassiale, configurato per rilevare campi magnetici esterni lungo due direzioni ortogonali tra loro (lungo gli assi X e Y in figura 6).

Elementi comuni del sensore di campo magnetico 60 di figura 6 e del sensore di campo magnetico 50 di figura 4 non sono ulteriormente descritti e sono indicati con gli stessi numeri di riferimento.

Il sensore di campo magnetico 60 comprende otto elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64d, collegati tra loro a formare un primo ponte di Wheatstone 38 ed un secondo ponte di Wheatstone 65.

In particolare, il primo ponte di Wheatstone 38 à ̈ configurato per rilevare, in uso, campi magnetici esterni agenti lungo la direzione definita dall’asse X; il secondo ponte di Wheatstone 65 à ̈ configurato per rilevare, in uso, campi magnetici esterni agenti lungo la direzione definita dall’asse Y.

Gli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64d sono formati in modo noto, e hanno, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, una struttura di tipo Barber-Pole.

Il sensore di campo magnetico 60 comprende il generatore di campo magnetico 32 analogo a quello descritto con riferimento alla figura 4 (in figura 6 le porzioni di connessione 37, 39, 42 sono state illustrate in forma di pista conduttiva), e quindi qui non ulteriormente descritto.

Il generatore di campo magnetico 32 à ̈ configurato per effettuare sia l’operazione di set/reset che l’operazione di calibrazione/compensazione offset su tutti gli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64d. A questo fine, gli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64d e il generatore di campo magnetico 32 sono reciprocamente disposti in modo tale che i campi magnetici generati dalle porzioni conduttive 32a-32d quando percorse da una corrente iP, agiscano sugli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64d sia lungo l’asse di magnetizzazione preferito (l’easy axis EA) sia lungo l’asse di sensibilità (l’hard axis HA).

In questo modo, il generatore di campo magnetico 32 può essere utilizzato per effettuare sia le operazioni di set/reset che di compensazione offset e/o calibrazione.

Gli elementi magnetoresistivi 64a, 64d sono disposti in corrispondenza della e almeno parzialmente sovrapposti alla terza porzione conduttiva 32c, in modo tale che il loro easy axis si estenda in direzione dell’asse X. Gli elementi magnetoresistivi 64b, 64c sono disposti in corrispondenza della e almeno parzialmente sovrapposti alla quarta porzione conduttiva 32d, in modo tale che il loro easy axis si estenda in direzione dell’asse X.

In uso, il campo magnetico B1, generato dalla prima porzione conduttiva 32a, à ̈ parallelo all’easy axis EA degli elementi magnetoresistivi 34a, 34d, ed à ̈ altresì parallelo all’hard axis HA degli elementi magnetoresistivi 64a, 64d. Il campo magnetico B2, generato dalla seconda porzione conduttiva 32b, à ̈ parallelo all’easy axis EA degli elementi magnetoresistivi 64b, 64c, ed à ̈ altresì parallelo all’hard axis HA degli elementi magnetoresistivi 34a, 34d. Il campo magnetico B3, generato dalla terza porzione conduttiva 32c, à ̈ parallelo all’easy axis EA degli elementi magnetoresistivi 64a, 64d, ed à ̈ altresì parallelo all’hard axis HA degli elementi magnetoresistivi 34b, 34c. Infine, il campo magnetico B4, generato dalla quarta porzione conduttiva 32d, à ̈ parallelo all’easy axis EA degli elementi magnetoresistivi 34b, 34c, ed à ̈ altresì parallelo all’hard axis HA degli elementi magnetoresistivi 64b, 64c.

Gli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64db sentono pertanto, in uso, sia un campo magnetico longitudinale (lungo il rispettivo easy axis EA) che un campo magnetico trasversale (lungo il rispettivo hard axis HA). Il campo magnetico longitudinale à ̈ utilizzato per le operazioni di set e reset degli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64db; il campo magnetico trasversale à ̈ utilizzato per le operazioni calibrazione e/o compensazione offset (e in generale le operazioni eseguite dalla bobina di offset in sensori AMR di tipo noto) degli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64db.

Affinché i campi magnetici locali B1-B4siano tali da consentire di effettuare correttamente le operazioni di calibrazione/compensazione dell’offset degli elementi magnetoresistivi 34a-34d e 64a-64db posti a distanza d dalle porzioni 32a-32d che li generano, si può agire minimizzando tale distanza d (come già discusso con riferimento alla figura 4) o incrementando i valori dei campi magnetici generati. Per minimizzare i consumi la prima soluzione à ̈ preferibile.

La figura 7 mostra una ulteriore forma di realizzazione di un sensore di campo magnetico 66 secondo la presente invenzione.

Il sensore di campo magnetico 66 comprende un generatore di campo magnetico 67, qui in particolare formato da una prima e una seconda striscia conduttiva planare 67a, 67b elettricamente accoppiate in una porzione di intersezione 68. In corrispondenza della porzione di intersezione 68 à ̈ disposto un elemento magnetoresistivo 34 (ad esempio del tipo mostrato e descritto in figura 3), con l’easy axis EA parallelo all’asse Y e l’hard axis HD parallelo all’asse X.

L’elemento magnetoresistivo 34 può essere formato come una singola striscia di materiale ferromagnetico (ad esempio film sottili depositati comprendenti una lega Ni/Fe), tipicamente in configurazione Barber Pole, o come una pluralità di sottoelementi di materiale ferromagnetico, ad esempio in forma di strisce (“strips†). Nel caso in cui ciascun elemento magnetoresistivo sia formato da una pluralità di sottoelementi di materiale ferromagnetico, tali sottoelementi sono collegati in serie tra loro.

Il generatore di campo magnetico 67 à ̈ configurato per effettuare sia l’operazione di set/reset che l’operazione di calibrazione/compensazione offset dell’elemento magnetoresistivo 34. Il generatore di campo magnetico 67 può dunque essere operato indifferentemente con finalità di set/reset (come descritto con riferimento alla bobina 20 di figura 1) o con finalità di calibrazione in fase di test o compensazione dell’offset (come descritto con riferimento alla bobina 19 di figura 1), o contemporaneamente con entrambe le finalità di set/reset e calibrazione/compensazione offset.

La prima e la seconda striscia conduttiva 67a, 67b giacciono sullo stesso piano XY e sono dunque complanari. In particolare, la prima e la seconda striscia conduttiva 67a, 67b sono di materiale metallico (ad esempio, alluminio, rame, oro, ecc.) e sono formate in uno stesso livello metallico.

La prima striscia conduttiva 67a comprende un primo terminale 67a’ ed un secondo terminale 67a†, disposti ad estremità opposte, lungo l’asse X, della prima striscia conduttiva 67a, ed accoppiabili ad un generatore di corrente (non mostrato); analogamente, la seconda striscia conduttiva 67b comprende un primo ed un secondo terminale 67b’, 67b†disposti ad estremità opposte, lungo l’asse Y, della seconda striscia conduttiva 67b, ed accoppiabili ad un generatore di corrente (non mostrato). In questo modo, in uso, una corrente di set/reset iSRpuò essere fatta fluire tra i terminali 67a’ e 67a†parallelamente all’asse X (in entrambi i versi), generando un campo magnetico di set/reset BSRavente linee di flusso parallele all’easy axis EA dell’elemento magnetoresistivo 34; e una corrente di calibrazione/compensazione offset iOFFpuò essere fatta fluire tra i terminali 67b’ e 67b†parallelamente all’asse Y (in entrambi i versi), generando un campo magnetico BOFFavente linee di flusso parallele all’hard axis HA dell’elemento magnetoresistivo 34.

L’elemento magnetoresistivo 34 à ̈ disposto elettricamente isolato dal generatore di campo magnetico 67 in un’area almeno parzialmente sovrastante, o sottostante, alla porzione di intersezione 68, e comunque in modo tale da sentire i campi magnetici BSRe BOFFgenerati dalle strisce conduttive 67a, 67b quando percorse da un impulso di corrente iSRe, rispettivamente, iOFF.

Durante l’operazione di set/reset, i terminali 67a’ e 67a†della prima striscia conduttiva 67a sono collegati ad un generatore di corrente per far fluire la corrente iSR, e i terminali 67b’ e 67b†della seconda striscia conduttiva 67b sono mantenuti ad alta impedenza; viceversa, durante l’operazione di calibrazione/compensazione offset, i terminali 67b’ e 67b†della seconda striscia conduttiva 67b sono collegati ad un generatore di corrente per far fluire la corrente iOFF, e i terminali 67a’ e 67a†della prima striscia conduttiva 67a sono mantenuti ad alta impedenza.

La polarizzazione delle strisce conduttive 67a, 67b per le operazioni di set e reset avviene con una corrente iSRtipicamente compresa tra 200 mA e 1 A; le operazioni di calibrazione sono tipicamente effettuate generando una corrente iOFFtipicamente compresa tra 5 mA e 50 mA. Tuttavia, sulla base della tipologia degli elementi magnetoresistivi utilizzati, tali valori possono essere differenti, maggiori o minori degli intervalli indicati.

La figura 8 mostra una ulteriore forma di realizzazione di un sensore di campo magnetico 70 secondo la presente invenzione.

Secondo la forma di realizzazione di figura 8, il generatore di campo magnetico à ̈ analogo al generatore di campo magnetico descritto con riferimento alla figura 7, ma comprende una pluralità (in particolare più di due) di elementi conduttori, ad esempio nella forma di strisce conduttive (“conductive strips†) complanari, ad esempio di metallo, formate nello stesso livello metallico. Le strisce conduttive si estendono lungo direzioni X e Y ortogonali tra loro e si intersecano in punti di intersezione, formando una griglia 99.

Le operazioni di set/reset e calibrazione/compensazione offset degli elementi magnetoresistivi del sensore di campo magnetico 70 sono eseguite polarizzando opportunamente la griglia 99 di strisce conduttive.

Il sensore di campo magnetico 70 comprende, in particolare, sei strisce conduttive 112a-112f, disposte a formare la griglia 99. Le strisce conduttive 112a-112c si estendono lungo una direzione principale di estensione parallela all’asse X, mentre le strisce conduttive 112d-112f si estendono lungo una direzione principale di estensione parallela all’asse Y.

In corrispondenza di alcuni tra i punti di intersezione delle strisce conduttive 112a-112f sono disposti, a coppie, elementi magnetoresistivi 114a-114d (collegati tra loro a formare un primo ponte di Wheatstone 115, in cui i collegamenti sono mostrati in figura con linea piena) ed elementi magnetoresistivi 116a-116d (anch’essi collegati tra loro a formare un secondo ponte di Wheatstone 117, in cui i collegamenti sono mostrati in figura con linea tratteggiata). In particolare, gli elementi magnetoresistivi 114a e 114d sono disposti all’intersezione tra le strisce conduttive 112a e 112e, e sono orientati in modo tale che il loro easy axis EA sia ortogonale alla direzione principale di estensione della striscia conduttiva 112a (cioà ̈ ortogonale all’asse X), e il loro hard axis HA sia ortogonale alla direzione principale di estensione della striscia conduttiva 112e (cioà ̈ ortogonale all’asse Y).

Gli elementi magnetoresistivi 114b e 114c sono disposti all’intersezione tra le strisce conduttive 112c e 112e, e sono orientati come gli elementi magnetoresistivi 114a, 114d, cioà ̈ in modo tale che il loro easy axis EA sia ortogonale alla direzione principale di estensione della striscia conduttiva 112a, e il loro hard axis HA sia ortogonale alla direzione principale di estensione della striscia conduttiva 112e.

In uso, per le operazioni di set/reset, una corrente iSRscorre nella striscia conduttiva 112a e 112c nella direzione definita dall’asse X (con versi opposti per le operazioni di set e reset), generando un campo magnetico BSRavente componenti di campo lungo l’asse Y; per le operazioni di calibrazione/compensazione offset, una corrente iOFFscorre nella striscia conduttiva 112e nella direzione definita dall’asse Y, generando un rispettivo campo magnetico BOFFavente componenti lungo l’asse X.

Poiché gli elementi magnetoresistivi 114a-114d appartengono allo stesso ponte di Wheatstone 115, le operazioni di set/reset sono effettuate contemporaneamente per tutti gli elementi magnetoresistivi 114a-114d (situazione illustrata in figura 9a) polarizzando opportunamente le strisce conduttive 112a e 112c. Le altre strisce conduttive 112b e 112d-112f sono mantenute ad alta impedenza.

Inoltre, poiché gli elementi magnetoresistivi 114a-114d condividono la stessa striscia conduttiva 112e, anche l’operazione di calibrazione/compensazione offset à ̈ effettuata contemporaneamente per tutti gli elementi magnetoresistivi 114a-114d (situazione illustrata in figura 9b) polarizzando opportunamente la striscia conduttiva 112e. Le altre strisce conduttive 112a-112d e 112f sono mantenute ad alta impedenza.

Analogamente, gli elementi magnetoresistivi 116a e 116d sono disposti all’intersezione tra le strisce conduttive 112b e 112f, mentre gli elementi magnetoresistivi 112b e 112c sono disposti all’intersezione tra le strisce conduttive 112b e 112d, e condividono dunque la striscia conduttiva 112b. Gli elementi magnetoresistivi 116a-116d sono orientati in modo tale che il loro easy axis EA sia ortogonale alla direzione principale di estensione della rispettiva striscia conduttiva 112d, 112f (cioà ̈ ortogonale all’asse Y), e il loro hard axis HA sia ortogonale alla direzione principale di estensione della striscia conduttiva 112b (cioà ̈ ortogonale all’asse X).

In uso, per le operazioni di set/reset, una corrente iSRscorre nelle strisce conduttive 112d e 112f, nella direzione definita dall’asse Y (con versi opposti per le operazioni di set e reset), generando un rispettivo campo magnetico BSRlungo l’asse X tale da forzare l’orientamento dei dipoli magnetici degli elementi magnetoresistivi 116a-116d; per le operazioni di calibrazione/compensazione offset, la corrente iOFFscorre nella striscia conduttiva 112b nella direzione definita dall’asse X, generando un rispettivo campo magnetico BOFFlungo l’asse Y.

Poiché gli elementi magnetoresistivi 116a-116d appartengono allo stesso ponte di Wheatstone 117, le operazioni di set/reset sono effettuate contemporaneamente per tutti gli elementi magnetoresistivi 116a-116d (situazione illustrata in figura 9c) polarizzando opportunamente le strisce conduttive 112d e 112f. Le altre strisce conduttive 112a-112c e 112e sono mantenute ad alta impedenza.

Inoltre, poiché gli elementi magnetoresistivi 116a-116d condividono la stessa striscia conduttiva 112b, anche l’operazione di calibrazione/compensazione offset à ̈ effettuata contemporaneamente per tutti gli elementi magnetoresistivi 116a-116d (situazione illustrata in figura 9b) polarizzando opportunamente la striscia conduttiva 112b. Le altre strisce conduttive 112a e 112c-112f sono mantenute ad alta impedenza.

La polarizzazione delle strisce conduttive per le operazioni di set e reset avviene con una corrente iSRtipicamente compresa tra 200 mA e 1 A; le operazioni di calibrazione sono tipicamente effettuate generando una corrente iOFFtipicamente compresa tra 5 mA e 50 mA. Tuttavia, sulla base della tipologia degli elementi magnetoresistivi utilizzati, tali valori possono essere differenti, maggiori o minori degli intervalli indicati.

Le forme di realizzazione delle figure 7 e 8 sono vantaggiose rispetto alle forme di realizzazione delle figure 2, 4 e 6 in quanto sono più efficienti e richiedono correnti di compensazione dell’offset iOFFinferiori.

Secondo una forma di realizzazione alternativa, non mostrata in figura, il sensore di campo magnetico 70 di figura 8 comprende il solo ponte di Wheatstone 115. In questo caso, le strisce conduttive 112b, 112d, 112f non sono necessarie e il sensore così formato à ̈ un sensore monoassiale, sensibile a campi magnetici esterni aventi linee di forza lungo l’asse X.

Secondo un’ulteriore forma di realizzazione, non mostrata in figura, il sensore di campo magnetico 70 di figura 8 comprende il solo ponte di Wheatstone 117. In questo caso, le strisce conduttive 112a, 112c, 112e non sono necessarie e il sensore così formato à ̈ un sensore monoassiale, sensibile a campi magnetici esterni aventi linee di forza lungo l’asse Y.

Indipendente dalla forma di realizzazione del sensore di campo magnetico, quest’ultimo può essere formato in forma integrata in un chip ASIC o su una piastrina separata dal chip ASIC e collegata con il chip ASIC mediante connessioni a bump. Il chip ASIC comprende, in modo noto, una pluralità di componenti elettronici attivi e/o passivi integrati nel substrato. In particolare, i componenti elettronici formano un circuito per l’alimentazione e/o la lettura in un sensore di campo magnetico (ad esempio il circuito 42 delle figure 2 e 3). Il circuito ASIC à ̈ configurato per alimentare agli elementi magnetoresistivi (in particolare ai terminali di ingresso di ciascun ponte di Wheatstone) un segnale di ingresso VALatto a polarizzare gli elementi magnetoresistivi del sensore di campo magnetico. Il circuito ASIC à ̈ inoltre configurato per leggere un segnale di uscita VOUTgenerato dagli elementi magnetoresistivi (in particolare ai terminali di uscita di ciascun ponte di Wheatstone) in risposta al segnale di ingresso VALe ad un (eventuale) campo magnetico esterno da rilevare.

Il circuito di ASIC di alimentazione e lettura à ̈ di tipo noto e comprende, ad esempio, front end differenziali o fully differential resistivi o switch capacitor, o comunque qualsiasi circuito noto in letteratura atto a leggere segnali differenziali generati da un ponte di Wheatstone.

Come detto, secondo una forma di realizzazione, il sensore di campo magnetico (comprendente gli elementi magnetoresistivi e il generatore di campo magnetico) à ̈ formato in forma integrata in un substrato diverso dal substrato del chip ASIC, ed à ̈ collegabile al circuito ASIC mediante bumps. A tal fine, il substrato del circuito ASIC e della piastrina che porta il sensore di campo magnetico presentano sulla superficie una rispettiva pluralità di terminali o “pads†configurati per agire come interfaccia tra il circuito ASIC e gli elementi magnetoresistivi e la bobina.

Secondo un’ulteriore forma di realizzazione, il generatore di campo magnetico e gli elementi magnetoresistivi sono formati in forma integrata in rispettivi livelli metallici superiori del chip ASIC. Ad esempio, gli elementi magnetoresistivi sono formati nell’ultimo livello metallico del chip ASIC e il generatore di campo magnetico à ̈ formata nel livello metallico immediatamente sottostante. Secondo questa forma di realizzazione non sono necessari bumps o altri elementi di connessione tra piastrine, con il vantaggio di ridurre le capacità parassite.

Questa ultima forma di realizzazione à ̈ mostrata esemplificativamente nelle figure 10 e 11, alternative tra loro.

La figura 10 mostra una vista in sezione di una porzione di una piastrina 200 comprendente un sensore di campo magnetico secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione della presente invenzione.

La piastrina 200 comprende uno strato 201, di interfaccia verso l’esterno, ad esempio ottenuto mediante tecnica di passivazione. Lo strato di passivazione 201 (es., di ossido di silicio con spessore di alcuni micrometri) alloggia eventuali connessioni conduttive 201’ e 201†(ad esempio pad conduttivi di metallo).

Al di sotto dello strato di passivazione 201, si estende uno strato di isolamento 203. Lo strato di isolamento 203 à ̈ di materiale dielettrico (es., ossido di silicio) e alloggia una pluralità di vias (non mostrate). Oltre lo strato di isolamento 203, si estende uno strato 205 comprendente ossidi e metalli, alloggiante connessioni conduttive 205’ e 205†(con riferimento alla figura 3, le connessioni 205’ e 205†sono, ad esempio, le connessioni che collegano il circuito di polarizzazione e lettura 42 con i terminali 34’ e 34†dell’elemento magnetoresistivo 34). Lo strato 205 alloggia inoltre gli elementi magnetoresistivi (un solo elemento magnetoresistivo 34 à ̈ indicato esemplificativamente in figura). L’elemento magnetoresistivo 34 comprende la porzione di materiale ferromagnetico 41 (come detto, tipicamente di una lega di Ni/Fe, con spessore di alcune decine di nanometri) e la struttura Barber-Pole 40 (ad esempio, di rame, con spessore alcune centinaia di nanometri). La porzione di materiale ferromagnetico 41 e la struttura Barber-Pole 40 sono tra loro in contatto ohmico.

Al di sotto dello strato 205 si estende un secondo strato di isolamento 207, di materiale dielettrico, che alloggia una o più vias conduttive (non mostrate in figura).

Quindi, al di sotto secondo strato di isolamento 207 si estende uno strato metallico 209, che alloggia il generatore di campo magnetico 32. Il generatore di campo magnetico 32 ha, ad esempio, spessore compreso tra alcune centinaia di nanometri e alcuni micrometri. Lo strato metallico 209 può alloggiare inoltre ulteriori elementi di connessione e/o piste metalliche, per formare collegamenti tra gli strati superiori e gli strati inferiori.

Al di sotto del secondo strato metallico possono essere presenti ulteriori strati di isolamento e strati metallici (indicati genericamente nel complesso con il numero di riferimento 210) ed un substrato 211, in cui sono realizzati generici componenti elettronici (ad esempio, il circuito di polarizzazione e lettura 42, il generatore di corrente 35), nonché tutta la circuiteria di supporto alla lettura del sensore quale ad esempio, front end per la lettura, ADC, generatori di riferimento di corrente e di tensione logica di controllo, filtri, memorie (genericamente indicati con il numero di riferimento 214).

La figura 11 mostra una vista in sezione di una porzione di una piastrina 300 secondo una forma di realizzazione alternativa a quella di figura 10. La piastrina 300 alloggia un sensore di campo magnetico secondo una qualsiasi delle forme di realizzazione della presente invenzione.

La piastrina 300 comprende uno strato 301, di interfaccia verso l’esterno, ad esempio ottenuto mediante tecnica di passivazione. Lo strato di passivazione 301 (es., di ossido di silicio con spessore di alcuni micrometri) alloggia eventuali connessioni conduttive 301’ e 301†(ad esempio pad conduttivi di metallo).

Al di sotto dello strato di passivazione 301, si estende uno strato di isolamento 303. Lo strato di isolamento 203 à ̈ di materiale dielettrico (es., ossido di silicio) e alloggia una pluralità di vias (non mostrate). Oltre lo strato di isolamento 303, si estende uno strato metallico 305, che alloggia il generatore di campo magnetico 32. Il generatore di campo magnetico 32 ha, ad esempio, spessore compreso tra alcune centinaia di nanometri e alcuni micrometri. Lo strato metallico 305 può alloggiare inoltre ulteriori elementi di connessione e/o piste metalliche, per formare collegamenti tra gli strati superiori e gli strati inferiori (non mostrati).

Al di sotto dello strato metallico 305 si estende un secondo strato di isolamento 307, di materiale dielettrico, che può alloggiare una o più vias conduttive (non mostrate).

Quindi, al di sotto del secondo strato di isolamento 307, si estende uno strato 309 comprendente ossidi e metalli, ed in particolare alloggiante connessioni conduttive 309’ e 309†(con riferimento alla figura 3, tali connessioni 309’ e 309†sono, ad esempio, le connessioni che collegano il circuito di polarizzazione e lettura 42 con i terminali 34’ e 34†dell’elemento magnetoresistivo 34).

Lo strato 309 alloggia inoltre gli elementi magnetoresistivi (un solo elemento magnetoresistivo 34 à ̈ indicato esemplificativamente in figura). L’elemento magnetoresistivo 34 comprende la porzione di materiale ferromagnetico 41 (come detto, tipicamente di una lega di Ni/Fe, con spessore di alcune decine di nanometri) e la struttura Barber-Pole 40 (ad esempio, di rame, con spessore alcune centinaia di nanometri). La porzione di materiale ferromagnetico 41 e la struttura Barber-Pole 40 sono tra loro in contatto ohmico.

Al di sotto dello strato 309 possono essere presenti ulteriori strati di isolamento e/o strati metallici (indicati genericamente nel complesso con il numero di riferimento 310) ed un substrato 311, in cui sono realizzati generici componenti elettronici (ad esempio, il circuito di polarizzazione e lettura 42, il generatore di corrente 35), nonché tutta la circuiteria di supporto alla lettura del sensore quale ad esempio, front end per la lettura, ADC, generatori di riferimento di corrente e di tensione logica di controllo, filtri, memorie (genericamente indicati con il numero di riferimento 214).

Alternativamente, Ã ̈ anche possibile formare gli elementi magnetoresistivi e il generatore di campo magnetico in strati diversi da quelli mostrati, superiori o inferiori.

Da un esame delle caratteristiche del trovato realizzato secondo la presente invenzione sono evidenti i vantaggi che essa consente di ottenere.

In particolare, Ã ̈ richiesto un singolo livello metallico per la formazione del generatore di campo magnetico per le operazioni di set, reset, calibrazione, test, compensazione offset, ecc., consentendo di ridurre le maschere necessarie alla fabbricazione del sensore di campo magnetico, e riducendo di conseguenza i costi di fabbricazione.

Risulta infine chiaro che al trovato qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sensore di campo magnetico integrato (30; 50; 60; 67; 70) atto a rilevare un campo magnetico esterno (BEXT), comprendente una prima struttura magnetoresistiva (34; 38; 65; 115; 117) di rilevamento di detto campo magnetico esterno, la prima struttura magnetoresistiva includendo primi mezzi magnetoresistivi (34; 34a-34d; 114a-114d; 116a-116d) aventi un asse principale di magnetizzazione (EA) ed un asse secondario di magnetizzazione (HA) ortogonali tra loro, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un generatore di campo magnetico (32; 67; 99), includente una prima porzione (32a; 67a; 112a) configurata per generare un primo campo magnetico (BSR; B1) avente linee di campo lungo una prima direzione di campo (Y), e una seconda porzione (32b; 67b; 112e), complanare e connessa alla prima porzione (32a, 67a; 112a), configurata per generare un secondo campo magnetico (BOFF; B2) avente linee di campo lungo una seconda direzione di campo (X), i primi mezzi magnetoresistivi essendo configurati in modo tale che l’asse principale di magnetizzazione (EA) si estende parallelamente alla prima direzione di campo (Y), e l’asse secondario di magnetizzazione (HA) si estende parallelamente alla seconda direzione di campo (X).
2. 2. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui i primi mezzi magnetoresistivi comprendono un singolo elemento magnetoresistivo (34).
3. 3. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui i primi mezzi magnetoresistivi comprendono primi, secondi, terzi e quarti elementi magnetoresistivi (34a-34d; 114a-114d) collegati tra loro a formare un primo ponte di Wheatstone (55; 115).
4. 4. Sensore secondo la rivendicazione 1, in cui la prima porzione (32a; 67a; 112a) del generatore di campo magnetico (32; 67; 99) e la prima struttura magnetoresistiva di rilevamento (34; 38; 65; 67; 115; 117) giacciono su un rispettivo primo e secondo piano di giacenza, paralleli tra loro, e si estendono a distanza e almeno parzialmente allineati lungo una direzione (Z) ortogonale a detti primo e secondo piano di giacenza.
5. 5. Sensore secondo la rivendicazione 4, in cui la seconda porzione (32b) del generatore di campo magnetico (32) Ã ̈ disposta ad una distanza (d), lungo una direzione parallela a detti piani di giacenza, compresa tra 2Î1⁄4m e 50Î1⁄4m dalla prima struttura magnetoresistiva di rilevamento, in modo tale che il secondo campo magnetico (B2) Ã ̈ applicato ai primi mezzi magnetoresistivi.
6. 6. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il generatore di campo magnetico (32) comprende un primo terminale di conduzione (32’) elettricamente connesso a detta prima porzione (32a), ed un secondo terminale di conduzione (32†) elettricamente connesso a detta seconda porzione (32b), il primo (32’) ed il secondo (32†) terminale di conduzione essendo polarizzabili in modo da generare in dette prima e seconda porzione una corrente elettrica (ip) lungo una rispettiva prima e seconda direzione di conduzione, detta prima direzione di campo essendo ortogonale alla prima direzione di conduzione, detta seconda direzione di campo essendo ortogonale alla seconda direzione di conduzione.
7. 7. Sensore secondo la rivendicazione 3, in cui il generatore di campo magnetico include una terza porzione (32c) configurata per generare un terzo campo magnetico (B3) avente linee di campo lungo la seconda direzione di campo, e una quarta porzione (32d) configurata per generare un quarto campo magnetico (B4) avente linee di campo lungo la prima direzione di campo, la prima, la seconda, la terza e la quarta porzione (32a-32d) essendo tra loro complanari e connesse, e in cui i primi e i secondi elementi magnetoresistivi (34a, 34d) e la prima porzione (32a) sono reciprocamente disposti in modo tale che il primo campo (B1) Ã ̈ applicato ai primi e ai secondi elementi magnetoresistivi lungo il loro asse principale di magnetizzazione (EA); i primi e i secondi elementi magnetoresistivi (34a, 34d) e la seconda porzione (32b) sono reciprocamente disposti in modo tale che il secondo campo (B2) Ã ̈ applicato ai primi e ai secondi elementi magnetoresistivi lungo il loro asse secondario di magnetizzazione (HA); i terzi e i quarti elementi magnetoresistivi (34b, 34c) e la quarta porzione (32d) sono reciprocamente disposti in modo tale che il quarto campo (B4) Ã ̈ applicato ai terzi e i quarti elementi magnetoresistivi lungo il loro asse principale di magnetizzazione (EA); e i terzi e i quarti elementi magnetoresistivi (34b, 34c) e la terza porzione (32c) sono reciprocamente disposti in modo tale che il terzo campo (B3) Ã ̈ applicato ai terzi e i quarti elementi magnetoresistivi lungo il loro asse secondario di magnetizzazione (HA).
8. 8. Sensore secondo la rivendicazione 7, in cui i primi, i secondi, i terzi e i quarti elementi magnetoresistivi (34a-34d) si estendono su un primo piano di giacenza, la prima e la quarta porzione (32a, 32d) si estendono su un secondo piano di giacenza parallelo al e a distanza dal primo piano di giacenza lungo una direzione ortogonale al primo e al secondo piano di giacenza, detti primo e secondo elemento magnetoresistivo (34a, 34d) essendo almeno parzialmente allineati alla prima porzione (32a) lungo detta direzione ortogonale, e detti terzo e quarto elemento magnetoresistivo (34b, 34c) essendo almeno parzialmente allineati alla quarta porzione (32d) lungo detta direzione ortogonale.
9. 9. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima e la seconda porzione (32a, 32b) comprendono strisce di materiale conduttivo elettricamente collegate tra loro, detta prima e seconda porzione formando una linea poligonale (“poligonal chain†) aperta.
10. 10. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui la prima porzione (67a; 112a) e la seconda porzione (67b; 112e) del il generatore di campo magnetico (67; 99) sono tra loro elettricamente accoppiate in una prima zona di intersezione (68), la prima struttura di rilevamento (115) essendo almeno parzialmente disposta in corrispondenza di detta prima zona di intersezione (68) ed elettricamente isolata dalla prima (67a; 112a) e dalla seconda (67b; 112e) porzione.
11. 11. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, 10, in cui la prima porzione (67a; 112a) del generatore di campo magnetico (67; 99) comprende un primo e un secondo terminale di conduzione (67a’, 67a†), e la seconda porzione (67b; 112e) del generatore di campo magnetico (67; 99) comprende un terzo e un quarto terminale di conduzione (67b’, 67b†), il primo e il secondo terminale di conduzione essendo polarizzabili in modo da generare in detta prima porzione (67a; 112a) una corrente elettrica (iSR) che fluisce (“flowing†) lungo una prima direzione di conduzione (X), il terzo e il quarto terminale di conduzione essendo polarizzabili in modo da generare in detta seconda porzione (67b; 112e) una corrente elettrica (iOFF) che fluisce lungo una seconda direzione di conduzione (Y) ortogonale alla prima direzione di conduzione (X), detta prima direzione di campo essendo ortogonale alla prima direzione di conduzione, detta seconda direzione di campo essendo ortogonale alla seconda direzione di conduzione.
12. 12. Sensore secondo la rivendicazione 10, in cui il generatore di campo magnetico (99) comprende una terza porzione (112c), complanare alla prima e alla seconda porzione (112a, 112e) e configurata per generare un terzo campo magnetico avente linee di campo lungo la prima direzione di campo (Y), la terza porzione (112c) estendendosi parallelamente alla prima porzione (112a) ed intersecando la seconda porzione (112e) in una seconda zona di intersezione, e in cui i primi, i secondi, i terzi e i quarti elementi magnetoresistivi (34a-34d) si estendono su un primo piano di giacenza, la prima, la seconda e la terza porzione (112a, 112e, 112c) si estendono su un secondo piano di giacenza parallelo al e a distanza dal primo piano di giacenza lungo una direzione ortogonale al primo e al secondo piano di giacenza, detti primo e secondo elemento magnetoresistivo (34a, 34d) essendo almeno parzialmente allineati lungo detta direzione ortogonale alla prima zona di intersezione, e detti terzo e quarto elemento magnetoresistivo (34b, 34c) essendo almeno parzialmente allineati lungo detta direzione ortogonale alla seconda zona di intersezione.
13. 13. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una seconda struttura magnetoresistiva di rilevamento (65; 117) di detto campo magnetico esterno, la seconda struttura magnetoresistiva di rilevamento comprendendo secondi mezzi magnetoresistivi (62a-62d; 116a-116d) aventi un proprio asse principale (EA) ed un proprio asse secondario (HA) di magnetizzazione, detti secondi mezzi magnetoresistivi essendo configurati in modo tale che i propri assi principale (EA) e secondario (HA) di magnetizzazione si estendono ortogonalmente agli assi principale (EA) e secondario (HA) di magnetizzazione dei primi mezzi magnetoresistivi (34a-34d; 114a-114d) della prima struttura di rilevamento (34; 55).
14. 14. Sensore secondo le rivendicazioni 4 e 13, in cui i secondi mezzi magnetoresistivi (62a-62d; 116a-116d) comprendono un singolo elemento magnetoresistivo complanare alla prima struttura magnetoresistiva di rilevamento e disposto a distanza da e almeno parzialmente allineato, lungo detta direzione ortogonale, al generatore di campo magnetico (32; 99).
15. 15. Sensore secondo la rivendicazione 4 e 13, in cui i secondi mezzi magnetoresistivi (62a-62d; 116a-116d) comprendono un quinto, un sesto, un settimo, e un ottavo elemento magnetoresistivo, complanari alla prima struttura magnetoresistiva di rilevamento e collegati tra loro a formare un secondo ponte di Wheatstone (65; 117), detti quinto, sesto, settimo, e ottavo elemento magnetoresistivo essendo disposti a distanza da e almeno parzialmente allineati, lungo detta direzione ortogonale, al generatore di campo magnetico (32; 99).
16. 16. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un circuito di alimentazione (42) della prima struttura magnetoresistiva di rilevamento, configurato per generare un flusso di corrente elettrica tra terminali di conduzione (34’, 34†) di detta prima struttura magnetoresistiva di rilevamento; ed un circuito di lettura (42), configurato per rilevare una variazione del valore di resistenza elettrica dei primi mezzi magnetoresistivi di detta prima struttura di rilevamento al passaggio di detto flusso di corrente elettrica.
17. 17. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il generatore di campo magnetico (32; 99) Ã ̈ operabile per effettuare operazioni di set, reset, calibrazione, compensazione offset dei primi mezzi magnetoresistivi.
18. 18. Sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i primi mezzi magnetoresistivi comprendono un corpo di materiale ferromagnetico (41) ed una struttura di tipo Barber-Pole (40).