CN101427394B - 薄膜三轴磁通门及其实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄膜三轴磁通门，用来检测三个轴方向上的磁场的分量，该薄膜三轴磁通门包括：在平面上设置的两个条形的第一薄膜磁通门，用来检测在双轴方向上的磁场的水平分量；以及多个第二薄膜磁通门，其用来检测磁场的垂直分量，其中，第一薄膜磁通门以及多个第二薄膜磁通门中的每一个都包括用来施加能量的驱动线圈、用来检测电压的捡拾线圈和磁性薄膜，其中，多个第二薄膜磁通门基本上垂直于第一薄膜磁通门中的每一个，其中，多个第二薄膜磁通门中的每一个的磁性薄膜的长度比两个第一薄膜磁通门中的每一个的磁性薄膜的长度短，并且其中，多个第二薄膜磁通门中的每一个的两个端部比自身的中心部分宽。

Description

薄膜三轴磁通门及其实施方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量外部磁场的施加方向的薄膜磁通门，更具体的，涉及一种用于测量磁场的水平双轴分量(component)和垂直分量的薄膜三轴磁通门。

背景技术

磁通门是一种用于检测诸如地雷的含铁的被埋藏对象以及用于电子罗盘的磁场传感器。

磁通门的基本结构包括铁磁体、环绕铁磁体的驱动线圈、独立的捡拾(pickup)线圈、用于对驱动线圈施加交流电流的AC电源、以及如图1和图3所示的用于检测由捡拾线圈所感应的电压的伏特计。

下面将会说明磁通门的操作原理。当对于缠绕在铁磁体上的驱动线圈施加AC电流时，在线圈周围特别是在线圈中会产生时变感应磁场，并且通过时变感应磁场磁化铁磁体以使其变为具有N极和S极的电磁体。由于感应磁场具有根据时间而反转的时变，因此在线圈中设置的铁磁体的磁极也会根据时间而反转并且环绕磁通门的由铁磁体形成的磁场也会根据时间而变化。当时间按照图2和图5所示变化时，通过时变感应磁场产生感应电流并且在捡拾线圈中检测到电压波形或电压峰值。

图1说明了传统的三轴磁通门。传统的磁通门具有三个磁通门彼此相互垂直的结构，以便测量出诸如地磁的施加磁场的方向。如图1所示的磁通门按照如下方式操作。在双条型磁体上同时缠绕驱动线圈和捡拾线圈，即在x轴、y轴和z轴的轴向上都具有一对条型磁体。然后，输入三角波或正弦波到驱动线圈当中以便在不同方向上磁化两个条型磁体，并且读取出在两个条型磁体上同时缠绕的捡拾线圈处检测到的电压波形。图2(a)说明了施加到两个具有如图1(b)所示结构的条型磁通门的磁体A和B的输入电压波形。施加根据完全相同的驱动线圈输入的电流从而在不同方向上磁化磁体A和B。

图2(b)说明了在两个条型磁通门上缠绕的捡拾线圈处检测到的输出电压波形。由‘A’表示的实线输出波形是由磁体A产生的信号，以及由‘B’表示的点线输出波形是由磁体B产生的信号。两个条型磁通门的捡拾电压具有如图2(b)所示的不同极性。如图2(b)所示的输出电压近似于输入电压的原因在于传统的磁通门使用大型磁体，与使用半导体技术的本发明不同的是该大型磁体被制造为通过使用环氧(epoxy)将铁磁条与铁磁粉绑定在一起。由于磁体的磁特性很差并且磁体的磁性反转不佳，因此电特性只能类似于简单的变压器。传统产品具有当输入波是三角波时输出波也是三角波并且当输入波是正弦波时输出波也是正弦波的特性。

图2(b)所示的状态说明了在没有施加外部磁场时的输出信号。如图所示，当叠加(add)两个信号时，通过抵消具有不同极性的电压输出来获得‘0’伏特的状态。图2(c)所示的状态说明了在施加外部磁场时在传统磁通门中检测到的输出信号。在输出电压信号中产生相对的水平移动以便从‘0’伏特状态下产生新的输出电压/传统的磁通门具有x轴、y轴和z轴上都设置有两个条型磁通门的结构，并且当施加磁场时每个磁通门都产生新的输出电压。

发明内容

技术问题

具有操作原理和结构的传统磁通门存在的问题是由于在x轴、y轴和z轴都要形成两个条型磁体或磁性薄膜，磁通门占据的面积很大，以及由于具有大面积的磁通门需要设置在z轴方向上，在诸如需要平面电子罗盘的移动电话的电子产品中无法使用磁通门。此外，如图2所示，由于输出的信号具有变压器的形式，因此需要用于消除相互作用的信号的额外的信号处理电路，并且由于通过消除两个捡拾信号而获得的信号的幅值很小，因此需要用于去除噪声的大容量放大器。为了解决上述技术问题，对于磁通门的操作需要向磁通门流入大电流，即输出信号的放大。大电流需求的特点妨碍了在诸如需要小功率消耗的移动电话的移动设备中的磁通门的使用。

技术方案

为了解决现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种具有小尺寸以及对于设备操作消耗极小能量的薄膜三轴磁通门的基本结构、操作方法以及制造方法，从而可以在诸如移动电话的小型电子设备中使用三轴磁通门。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种薄膜三轴磁通门，用来检测三个轴方向上的磁场的分量，该薄膜三轴磁通门包括：两个被设置在平面上的条形的第一薄膜磁通门，用来检测在双轴方向上的磁场的水平分量；以及多个第二薄膜磁通门，用来检测磁场的垂直分量，其中，第一薄膜磁通门以及多个第二薄膜磁通门中的每一个都包括用来施加能量的驱动线圈、用来检测电压的捡拾线圈、和磁性薄膜，其中，多个第二薄膜磁通门垂直于第一薄膜磁通门中的每一个，其中，多个第二薄膜磁通门中的每一个的磁性薄膜的长度比两个第一薄膜磁通门中的每一个的磁性薄膜的长度短，并且其中，多个第二薄膜磁通门中的每一个的两个端部比其自身的中心部分宽。

磁性薄膜包括铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的Al₂O₃膜的堆叠结构、或铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的SiO₂膜的堆叠结构，其中，所述NiFe膜和所述Al₂O₃膜、或者所述NiFe膜和所述SiO₂膜交替地堆叠。

此外，本发明还提供了一种薄膜三轴磁通门的制造方法，该三轴薄膜磁通门包括至少两个用来检测在双轴方向上的磁场的水平分量的磁通门、以及用来在单个轴方向上检测磁场的垂直分量的第二磁通门，该方法包括如下步骤：(a)在平面上设置包含导电线圈层、磁性薄膜以及导电线圈层与磁性薄膜之间设置的绝缘薄膜的两个或更多的条形的第一磁通门，其中，所述导电线圈层包括用来施加驱动电流的驱动线圈和用来检测信号的捡拾线圈，其中，通过在硅基板上顺序地沉积下线圈、下绝缘薄膜、磁性薄膜、上绝缘薄膜、侧绝缘薄膜以及上线圈来形成所述导电线圈层；以及(b)设置包含导电线圈层、磁性薄膜、以及在导电线圈层与磁性薄膜之间设置的绝缘薄膜的磁通门，从而该磁通门垂直于平面，其中，导电线圈层包括用来施加驱动电流的驱动线圈和用来检测信号的捡拾线圈，其中，导电线圈层和磁性薄膜被分割为多块并且被设置在宽度方向上，其中，磁性薄膜中的每一个都包括彼此交替地堆叠的铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的Al₂O₃膜的堆叠结构。

 优选地，在下线圈薄膜上形成下绝缘膜，并且下绝缘膜包括交替地堆叠SiO₂膜和Al₂O₃膜的堆叠结构，其中，每层SiO₂膜的厚度的范围是从 

(0.2μm)到 

(2μm)并且每层Al₂O₃膜的厚度的范围是从 

(0.02μm)到 

(1μm)。

根据本发明，可以制造具有可被安装到诸如移动电话或PDA的小型便携式设备当中的小尺寸的三轴磁通门，并且可以制造利用小于5V的电源，特别是小于2V的电源来执行准确检测地表方向的电子罗盘。

附图说明

图1a和图1b是用于说明传统的双条型磁通门的基本结构的示意图；

图2a至图2c是用于说明从传统磁通门的捡拾线圈检测到的电压波形的例子的示意图；

图3a至图3c是用于说明根据本发明的单条型磁通门的基本结构的示意图；

图4a至图4c是用于说明根据本发明的薄膜磁通门的详细结构的示意图；

图5a至图5c是用于说明从根据本发明的薄膜磁通门的捡拾线圈检测到的电压波形的例子的示意图；

图6a至图6c是用于说明根据本发明的薄膜磁通门的操作处理的示意图；

图7是用于说明根据本发明的薄膜磁通门的供电方案和捡拾方案的示意图；

图8是用于说明薄膜磁通门中的磁体的磁特性的示意图；

图9是用于说明具有通用形式的磁性薄膜的磁特性的示意图；

图10是用于说明根据本发明的磁通门的磁性薄膜的磁特性的示意图；以及

图11是用于说明根据本发明的磁通门的磁性薄膜的形状的示意图。

最佳实施方式

薄膜三轴磁通门包括在三个方向上设置的三个条型薄膜磁通门，从而可检测磁场的水平分量和垂直分量，并且基于上述检测结果来检测出磁场的方向和地表的方向。

根据薄膜三轴磁通门，通过薄膜形式来制造用于检测每个方向上的磁场分量的磁通门。具体的，利用多个在其上缠绕有驱动线圈和捡拾线圈的磁性薄膜来制造用于检测磁场的垂直分量的磁通门，从而制造出可方便地安装在诸如移动电话的小型电子设备当中的平面类型的磁通门。

现在参考所附附图来详细说明本发明。首先，将会说明传统磁通门和根据本发明的磁通门的配置方法和操作方法，随后，将会说明根据本发明的磁通门的制造方法和结构。此外，还会说明根据用于检测磁场的垂直分量的具有小尺寸的z轴磁通门的磁性薄膜的设计的产品的磁特性。

图3说明了使用根据本发明的新颖磁通门的电子罗盘。与现有技术中每个轴上的双条形磁通门不同，根据本发明的磁通门具有其中在x轴和y轴上都设置了在各轴上的单条型磁通门并且在z轴上设置了多个小型磁通门的结构。为具有薄厚度的电子罗盘而制造的磁通门具有哑铃或字母‘I’形状的磁体。图3(b)说明了用于测量磁场的水平分量的磁通门的形状，并且图3(c)说明了用于测量磁场的垂直分量的磁通门的单元设备的形状。用于测量磁场的垂直分量的划分的薄膜的长度小于用于测量磁场的水平分量的磁通门的长度，从而三轴磁通门的整体形状具有薄厚度。

图4是用于说明根据本发明的磁通门的三维示意图。通过使涂覆有薄膜16的硅基板15经过薄膜技术和刻蚀处理来制造本发明的磁通门。为了制造薄膜磁通门，在硅基板上设置的薄膜中刻蚀出用于形成线圈的下部(即，线圈的下半部)的凹槽(groove)，并且随后通过使用诸如铝的导体材料填充凹槽以形成下线圈17。随后，在下线圈上形成由绝缘膜环绕的磁体，并且最终形成上线圈18，从而下线圈和上线圈同时环绕薄膜磁体以形成驱动线圈和捡拾线圈。

在图4(b)中示出了根据本发明的磁通门的详细结构。图4(b)是沿着图4(a)的A-A’线看去的横截面图。为了制造薄膜磁通门，在去除其上具有用来通过光刻处理和蚀刻处理形成下线圈17的薄膜16的硅基板部分之后，填充作为导电层的铝。之后，形成在长度方向上暴露下线圈17的两端并且覆盖整个磁通门的下绝缘薄膜19。不在下线圈的两端形成绝缘薄膜的原因在于要构建在作为最终处理的上线圈的形成处理中连接端部的结构，从而绝缘薄膜环绕磁性薄膜。之后，形成具有小于下绝缘薄膜19的长度和宽度的铁磁薄膜20，并且随后形成用来防止在上线圈与铁磁薄膜之间的电短路的上绝缘薄膜21。接下来，形成用来防止在铁磁薄膜20的侧壁(sidewall)与上线圈薄膜18之间的电短路的侧绝缘薄膜22。之后，形成上线圈薄膜18，并且将上线圈的 端部的接线端连接到已经形成的下线圈的接线端来完成薄膜磁通门的制造处理。

为了形成本发明的薄膜磁通门，应该顺序形成下线圈17、下绝缘薄膜19、铁磁薄膜20、上绝缘薄膜21、侧绝缘薄膜22以及上线圈18。因此，为了确保具有防止破裂的机械特性，在制造每个薄膜时需要使用特定材料并且形成具有堆叠结构的铁磁薄膜20。

为了去除在整个薄膜磁通门中产生的应力，使用具有大于诸如Ta₂O₅、Al₂O₃、和TiO₂的绝缘薄膜的抗震强度的SiO₂作为下绝缘薄膜19的材料，从而最小化在根据薄膜形成的薄膜中的应力产生，优选地，为了保持优良的磁特性，下绝缘薄膜的厚度为大于等于 

更优选地，下绝缘薄膜的厚度的范围从 

(0.2μm)到 

(2μm)。

根据另一实施例，使下绝缘薄膜形成为双层薄膜。由于通过堆叠具有不同的热扩展系数的不同材料来制造薄膜磁通门的事实，会在薄膜磁通门中产生应力和破裂(crack)。根据实施例，可以抑制应力和破裂的生成并且可防止由于应力和破裂造成的磁性薄膜的磁特性变差，从而改善薄膜磁通门的整体性能。

具体的，下绝缘薄膜19优选地具有首先形成SiO₂薄膜并且顺序形成Al₂O₃的双层结构。优选地，形成下绝缘薄膜的第一薄膜是具有大于诸如Ta₂O₅、Al₂O₃和TiO₂的绝缘薄膜的抗震强度以及比这些绝缘薄膜较软的SiO₂，以便降低薄膜中所产生的应力。优选地，SiO₂薄膜的厚度为大于等于 

更优选地，SiO₂薄膜的厚度的范围从 

(0.2μm)到 

(2μm)。优选地，形成下绝缘薄膜的第二薄膜是比SiO₂硬的Al₂O₃薄膜。使用Al₂O₃薄膜的缘故在于下绝缘薄膜19上形成的磁性薄膜在Al₂O₃薄膜上比在SiO₂薄膜上更优良。优选地，Al₂O₃薄膜的厚度为大于等于 更优选地，Al₂O₃薄膜的厚度的范围从 

(0.02μm)到 

(1μm)。

下绝缘薄膜19上形成的铁磁薄膜具有磁性薄膜特性所需的低抗磁力、高磁渗透性以及快速磁饱和等。也就是说，为了制造具有窄宽度和大方形(squareness)的磁滞回线(hysteresis loop)，通常作为磁性薄膜的NiFe薄膜交替地与SiO₂薄膜和Al₂O₃薄膜堆叠起来。根据本发明的一个实施例，形成用于制造薄膜磁通门的堆叠的磁性薄膜使其具有NiFe/Al₂O₃堆叠膜或NiFe/SiO₂ 堆叠膜的结构。优选地，NiFe铁磁膜的厚度范围从 

到 

并且Al₂O₃或SiO₂绝缘薄膜的厚度范围从 

到 

当形成具有上述厚度的铁磁薄膜和绝缘薄膜时，磁滞回线具有正方形的形状和窄宽度。为了使由薄膜磁通门产生的输出电压变大，也就是说为了增大磁体量，优选地需要形成三对或更多对的NiFe铁磁膜及Al₂O₃绝缘薄膜或是NiFe铁磁膜及SiO₂绝缘薄膜。形成图4(b)中所示的上绝缘薄膜21，以便防止铁磁薄膜与捡拾线圈之间产生短路，其中随着上绝缘薄膜的厚度减小堆叠的具有磁性反转的磁性薄膜与环绕堆叠的磁性薄膜的捡拾线圈之间的距离也随之减小。因此，当保持其它条件不变来制造磁通门时，随着上绝缘薄膜的厚度的降低可获得较大的输出峰值。相应地，为了从捡拾线圈读取输出，上绝缘薄膜的厚度的范围优选地从 

到 

(2μm)，并且方便地检测出具有从驱动电路中能够分析出的足够高的电压的输出信号。当上绝缘薄膜的厚度太薄时，会在磁性薄膜与捡拾线圈之间发生电短路，导致很难读取捡拾信号。

当上绝缘薄膜的厚度大于 (2μm)时，磁性薄膜与捡拾线圈之间的距离会随之增大，导致捡拾线圈中测量得到的峰值电压的减小和磁通门的性能降低。

图4(c)说明了根据本发明的z轴磁通门。z轴磁通门应该具有能够安装在诸如移动电话的移动设备当中的小长度。因此，根据本发明，设置有多个长度很短的磁通门，并且通过使用单个线圈或通过连接独立的线圈构建出的每个磁通门的驱动线圈和捡拾线圈，从而磁通门的驱动线圈和捡拾线圈作为互连的单个线圈来操作。当施加电流到根据本发明的驱动线圈时，在多个磁性薄膜中同时发生相同方向上的磁性反转，并且叠加多个薄膜磁通门的每一个中产生的捡拾电压以便在捡拾线圈中显现出捡拾电压。因此，获得了用于确定检测外部施加的电磁场所需的方向的足够大的孤立峰值的幅值。

为了详细说明根据本发明的三轴薄膜磁通门的操作方案，将会参考图5和图6说明单条型磁通门的操作方案，并且随后说明对于垂直磁场测量以及测量结果的特别设计的需求的缘故。

图5(a)说明了当没有施加外部磁场时的输入信号和输出信号。图5(a)的电信号说明了当磁通门被用作电子罗盘时在东西方向设置磁通门的长度方 向。当磁通门的长度方向被布置在东西方向时，使用‘A’(单位：时间，毫秒)来表示(+)与(-)峰值电压之间的距离。当外部磁场施加到磁通门的周围时(例如，当旋转磁通门以使其处于南北方向上形成的地球磁场的影响之下)，通过从磁体生成的时变磁场与外部磁场的矢量和，环绕磁通门生成新的感应电场。相应地，图5(b)的例子(当磁通门朝向南时)中的峰值之间的距离增大到‘B’，并且图5(c)的例子(当磁通门朝向北时)中的峰值之间的距离减小到‘C’。当施加外部磁场时，会出现电压峰值向左或向右偏移的峰值偏移(peak shift)现象。因此，当如图5所示除地球磁场以外不施加外部磁场时，通过分析在捡拾线圈处检测到的电压的峰值偏移的程度，可以正确地确定外部磁场的存在及其方向。在根据本发明的磁通门的输出信号中出现孤立的输出的缘故在于，与通过使用用于制造磁通门的半导体薄膜技术的体积庞大的组装产品相比较，磁体与环绕磁体的线圈之间的距离被减小，并且相应地，通过对驱动线圈施加小电流可方便地获得具有薄厚度的磁性薄膜的磁化和磁性反转，并且与体积庞大的组装产品相比较，通过捡拾线圈可准确地读取出小电压的产生。

图6是用于说明图5中所示的孤立的或独立的输出电压的峰值的原理的示意图。通过用于检测输出信号的捡拾线圈的独立峰值的出现与构成薄膜磁通门的磁性薄膜的磁特性紧密相关。当用于磁通门而制造的磁性薄膜的磁特性具有图5所示的磁滞回线的形式时，根据输入周期，输入到磁通门的驱动线圈中的三角波或正弦波被交替地将磁场施加到在条型磁通门的磁性薄膜的长度方向上由驱动线圈环绕的磁体。也就是说，磁场被从左侧方向和从右侧方向上交替地施加到磁体。

输入的交流电流使得磁体具有例如图6(a)中的从(1)到(7)所示的磁特性。也就是说，磁体通过输入的交流电流示出了磁滞特性。图6(a)中的点线表示当不施加诸如地球磁场的外部磁场时的磁特性，而图6(b)中的点线表示当不施加诸如地球磁场的外部磁场时所出现的电压峰值的位置。出现独立峰值的缘故在于输出电压与随着时间变化的磁值成比例，即d(M)/dt。图6(a)中的实线表示当磁场被从右侧施加到垂直设置的条型磁通门时的磁特性。当从右侧施加诸如地球磁场的DC分量的磁场时，磁滞回线向左侧偏移。因此， 当从右侧施加外部磁场时，在小于当不施加磁场的时间内产生(+)输出电压的峰值，并且由于在随后时间产生的磁滞回线之后减小磁值的位置处产生(-)输出电压，因此输出峰值之间的距离大于当不施加磁场时输出峰值之间的距离。图6(c)和(d)说明了当从水平设置的条型磁通门的左侧施加外部磁场时的输出峰值。与上面的相反，减小了输出峰值之间的距离。

使用单个磁条来制造与传统磁通门相反的根据本发明的三轴磁通门的缘故在于，利用磁性薄膜技术，通过使用具有窄宽度和小方形的磁滞回线的铁磁薄膜在磁场(H)的微小变化当中可能出现磁性反转。当磁滞回线的梯度减小时，也就是说，当在宽范围内出现了磁性反转时，输出信号波形不会出现作为独立峰值而是出现作为具有小峰值和大宽度的信号。在传统磁通门中使用的铁磁体不会具有如图6所示的方形的磁滞回线，而是具有根据施加磁场的细长而扁平的形状。由于在磁性反转期间从-M变到+M需要很长时间，因此不会出现孤立的电压峰值并且作为一种变压器动作以便检测到图2(a)中所示的不同形状的三角波或正弦波。

由于本发明提供了图5和图6所示的输出信号，也就是说，由于根据本发明的磁通门具有产生独立的电压峰值的结构，因此通过检测由三轴磁通门中的每个轴产生的输出电压峰值并且计算在每个磁通门的长度方向上施加的外部磁场的幅值，能够测量出外部施加的磁场的方向。

通过读取根据地球磁场(随地区变化的总量大约为0.5高斯)的每个磁通门的输出峰值的偏移来执行方向测量。磁通门响应在条的长度方向上施加的磁场。磁场是一个矢量，并且磁通门检测出在条的长度方向上施加的分量。因此，例如当在x轴磁通门的长度方向上(即，在x轴方向上)施加地球磁场时，x轴设备产生0.5高斯的峰值偏移，并且由于在y轴和z轴设备的长度方向上没有施加磁场，y轴和z轴设备不会产生任何的峰值偏移。也就是说，当在x轴设备上出现0.5高斯的峰值偏移并且在y轴和z轴设备上没有出现峰值偏移时，可以确定地球磁场的方向在x轴方向。

也就是说，使用独立研发的软件来读取在任意方向上施加的地球磁场所产生的在x轴、y轴和z轴磁通门的长度方向上施加的所施加的磁场的幅值并且确定此所施加的磁场的方向。

另一方面，本发明涉及以芯片形式制造磁通门，从而用于操作x轴、y轴和z轴磁通门所需的输入电压不会同时施加到x轴、y轴和z轴磁通门，而是利用如图7所示的电源选择器使输入交流电流顺序地施加到x轴、y轴和z轴磁通门。也就是说，当电流被施加到x轴磁通门时，电流不会被施加到y轴和z轴磁通门，从而防止在x轴磁通门的操作期间内所产生的x轴磁场影响y轴和z轴磁通门的操作。当电流被同时施加到x轴、y轴和z轴磁通门时，成为电磁石的磁通门彼此之间施加磁场，从而产生会妨碍电子罗盘的操作的输出峰值偏移。

另一方面，每个磁通门的捡拾线圈可连接到用来读取输出信号的独立的伏特计。同时，如图7所示，选择器可连接到磁通门的输出接线端以按照与顺序输入到三个磁通门相同的次序选择输出并且分析在x轴、y轴和z轴磁通门中顺序产生的电压峰值之间的距离从而获取表面上的方向。

图8说明了在电磁体中产生的磁化现象，用于说明为了测量磁场的垂直分量需要哑铃形状的磁性薄膜的原因。

当对薄膜磁通门施加交流电流时，电流在如图8(a)所示的‘1’和‘2’表示的方向上交替地流过。当在图8(a)中的‘1’表示的方向上流过电流时，形成如图8(b)所示的铁磁体的磁化方向。当在图8(a)中的‘2’表示的方向上流过电流时，形成如图8(c)所示的铁磁体的磁化方向。当在短时间内发生这种现象，就会出现如上所述的独立的电压峰值，其中铁磁体中产生的磁化状态如图8(d)所示。当施加到驱动线圈的电流产生了如图8(d)所示的线圈中的磁场时，在线圈中设置的磁体的磁化方向指向形成了N极的左端。当磁体的左端是N极时，由于磁体变为磁铁，磁体的内部和外部都产生了退磁场(demagnetization field)Hd。由于磁体的端部的磁化方向不同于磁体的中心部分的磁化方向，这妨碍了在单方向上磁铁的整个形成。因此，在磁体的形成时刻产生了在相反方向上的磁化，从而分散了磁体的端部的磁化，导致磁通门的端部不能对于根据极性反转的电压峰值的形成产生贡献。图8(e)说明了在单个方向上磁化的磁条的磁场(即，永久磁场)的形状。如图所示，由于磁体中产生的退磁场的缘故，磁化方向恒定的部分局限于中心部分。

图9说明了根据在磁通门中使用的磁体的尺寸和形状的磁性可反转的部 分，以及当使用相关设计的磁体时出现的磁体或磁性薄膜的磁滞回线。如图9(a)所示，当使用拉长的磁体时，可获得使磁性反转旋转了180°的区域以帮助实现磁性反转。因此获得具有如图9(g)中的(a-1)所示的小宽度和方形的磁滞回线。当减小磁体的长度时，也就是说，当在用于测量磁场的垂直分量的磁通门中使用了小磁体时，减小了可磁性反转的部分并且增大了退磁场的效应以加宽磁滞回线并且减小磁滞回线的梯度。当加宽了磁滞回线时，应该对于构成磁通门的磁体施加大于5高斯的强磁场，从而得到独立的电压峰值。这意味着应该对于磁通门施加大于10伏特的大电压用来提供大电流的。诸如移动电话的移动设备的局限之一是在低操作电压下设备可以被操作。对处于低操作电压的磁通门的操作，不可能仅通过减小磁通门的尺寸来相应地解决。图9(c)说明了为减小退磁场而通常被用作磁性薄膜的椭圆形磁性薄膜。在这个例子中，可物理去除产生退磁场的磁体部分，从而磁体的磁化方向会在一个方向上被反转。然而，缺少退磁场同时意味着当在一个方向上磁化磁体时磁体的能量是稳定的。因此，很难使用高频的交流电流来连续地在左右方向上或相反方向上磁化磁体。图9(c)的椭圆体的磁性反转示出了具有如图9(g)中的(d-1)所示的窄宽度的磁滞回线，而处于磁性反转的中心处的抗磁力大于2.5高斯。因此，操作需要高电压，导致在移动电话的电子罗盘中不能被使用。

图10说明了在用来测量磁场的垂直分量的磁通门(即，z轴磁通门)中使用的磁体的形状。根据本发明的磁体的形状或设计是哑铃形状或字母‘I’形状。在小于1毫米的磁体的例子中，与具有2.5高斯的抗磁力的传统椭圆形磁体相比较，处于磁性反转的中心的抗磁力为小于1.5高斯。需要较小抗磁力的原因在于，当施加外部磁场时，磁通门的独立的电压峰值向左和向右偏移，并且当偏移范围大于可通过磁通门能够检测到的范围时，也就是说，当偏移范围超过可检测范围时，电压峰值也会超过可检测范围的边界，从而消失。例如，当输入到磁通门的输入电压是2伏特并且通过驱动线圈产生的磁场是2高斯时，由于倘若施加±0.5高斯(地球磁场的量)的磁力则具有1高斯的磁力的磁体从0.5高斯变化到1.5高斯，因此可检测到独立的峰值的距离。然而，当使用具有2高斯的磁力的磁体时，由磁体产生的电压峰值会被偏移大于2高斯(由薄膜磁通门产生的磁场)的距离，因而峰值会消失并且用来测量方向所需 的测量参考点也会消失。图10(a)中的(f)说明了作为具有仅为1毫米的短长度的磁通门传感器所使用而发明的关于磁体的设计，其中尽管传感器具有不同设计，仍会产生方形的并且具有减小宽度的抗磁力的磁滞回线，并且尽管磁性薄膜的长度很短，仍可提供适用于薄膜磁通门的小抗磁力。当磁体具有图10的磁体形状，也就是说，当磁体的端部的宽度大于其中心部分时可以减小整体抗磁力的原因在于，此时形成的磁极(N极或S极)可以分布在宽范围内，从而分散在磁体的长度方向上产生的退磁场，也就是说，将磁场分布在宽范围内，从而减小在磁体的长度方向上产生的退磁场。

图11说明了用于最小化平行设置的薄膜磁通门的每一个磁通门中产生的磁场效应的设计。当从如图11(a)所示的捡拾线圈的C-C’方向上对在哑铃形状的薄膜磁通门上缠绕的驱动线圈施加电流时，在驱动线圈中产生的磁场朝下并且在驱动线圈中设置的磁性薄膜的磁化方向也朝下。同时，在磁通门设备外部产生如图11(a)中的点线所示的磁场，其中在与需要磁化的磁通门相反的方向上施加该磁通门设备，从而影响磁通门的磁化和磁化反转。

为了防止这种问题，根据本发明的另一个实施例，使用了具有大于空气的磁渗透性1000多倍的NiFe/Al₂O₃堆叠膜或NiFe/SiO₂堆叠膜，从而将铁磁薄膜配置为闭环电路，也就是说，将铁磁薄膜配置为具有罗马字符‘III’的形状，以便消除由于铁磁薄膜的磁化所引起的外部磁场的产生。可不受相互干扰而独立地操作由用来测量磁场的垂直分量的薄膜磁通门构成的根据上一个实施例的多个磁通门。图11(c)说明了用来测量图11(b)所示的磁场的垂直分量的磁通门的形状。

可通过参考图3和图4说明的方法来制造根据本发明的磁通门。然而，由于三轴磁通门的关键特征在于用来检测磁场的垂直分量的磁通门使用了多个短小的薄膜，因此通过除图3和图4所示的方法之外的其它方法来制造磁通门时也应该落入本发明的保护范围之内。

根据用来检测磁场的垂直分量的磁通门，为了磁化在宽度方向上设置的多个短小薄膜以具有相同形式的感应磁场，环绕多个短小薄膜设置的驱动线圈被电连接以成为单个驱动线圈，从而使用如图3所示的单个驱动线圈来磁化多个短小薄膜。

尽管已经参考优选实施例和附图特别地示出并且说明了本发明，本领域技术人员应该理解的是在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下可实现对于形式和细节的各种变化。

工业应用性

根据本发明，可以制造具有可被安装到诸如移动电话或PDA的小型便携式设备当中的小尺寸的三轴磁通门，并且可以制造利用小于5V的电源，特别是小于2V的电源来执行准确检测地表方向的电子罗盘。

Claims (15)

1.一种薄膜三轴磁通门，用来检测三个轴方向上的磁场的分量，所述薄膜三轴磁通门包括：

两个被设置在平面上的条形的第一薄膜磁通门，用来检测在双轴方向上的磁场的水平分量；以及

多个第二薄膜磁通门，用来检测磁场的垂直分量，

其中，所述第一薄膜磁通门以及多个所述第二薄膜磁通门中的每一个都包括用来施加能量的驱动线圈、用来检测电压的捡拾线圈和磁性薄膜，并且

其中，多个所述第二薄膜磁通门垂直于所述第一薄膜磁通门中的每一个，其中，多个所述第二薄膜磁通门中的每一个的磁性薄膜的长度比两个所述第一薄膜磁通门中的每一个的磁性薄膜的长度短，并且其中，多个所述第二薄膜磁通门中的每一个的两个端部比其自身的中心部分宽。

2.根据权利要求1所述的薄膜三轴磁通门，其中，

所述磁性薄膜包括铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的Al₂O₃膜的堆叠结构、或铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的SiO₂膜的堆叠结构，其中，所述NiFe膜和所述Al₂O₃膜、或者所述NiFe膜和所述SiO₂膜交替地堆叠。

3.根据权利要求1所述的薄膜三轴磁通门，其中，

多个所述第二薄膜磁通门的所述磁性薄膜的形状包括‘I’形状以及具有彼此连接的突出部的‘III’形状。

4.根据权利要求1所述的薄膜三轴磁通门，其中，

在磁性薄膜上缠绕的所述驱动线圈彼此相互连接并且在磁性薄膜上缠绕的所述捡拾线圈彼此相互连接，从而单个驱动线圈和单个捡拾线圈缠绕到所述磁性薄膜上。

5.根据权利要求4所述的薄膜三轴磁通门，其中，

能量被施加到所述第一薄膜磁通门以及多个所述第二薄膜磁通门中的每一个的驱动线圈，并且通过分析在所述捡拾线圈处检测到的电压的峰值偏移程度而确定外部磁场的存在及其方向。

6.根据权利要求5所述的薄膜三轴磁通门，其中，

通过单个电源向所述第一薄膜磁通门和多个所述第二薄膜磁通门顺序地提供驱动电流，

其中，通过计算所述第一和第二薄膜磁通门处产生的三种类型的捡拾信号之间的距离来获得方向，所述捡拾信号是通过连接到条形的第一薄膜磁通门与多个所述第二薄膜磁通门的单个伏特计顺序地检测出的。

7.一种薄膜三轴磁通门的制造方法，所述三轴薄膜磁通门包括至少两个用来检测在双轴方向上的磁场的水平分量的第一磁通门、以及用来在单个轴方向上检测磁场的垂直分量的第二磁通门，所述方法包括如下步骤：

(a)在平面上设置包含导电线圈层、磁性薄膜以及导电线圈层与磁性薄膜之间设置的绝缘薄膜的两个或更多的条形的第一磁通门，其中，所述导电线圈层包括用来施加驱动电流的驱动线圈和用来检测信号的捡拾线圈，其中，通过在硅基板上顺序地沉积下线圈、下绝缘薄膜、磁性薄膜、上绝缘薄膜、侧绝缘薄膜以及上线圈来形成所述第一磁通门；以及

(b)设置包含导电线圈层、磁性薄膜、以及在导电线圈层与磁性薄膜之间设置的绝缘薄膜的第二磁通门，从而所述第二磁通门垂直于平面，其中，所述导电线圈层包括用来施加驱动电流的驱动线圈和用来检测信号的捡拾线圈，其中，所述导电线圈层和所述磁性薄膜被分割为多块并且被设置在宽度方向上，

其中，所述磁性薄膜中的每一个都包括彼此交替地堆叠的铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的Al₂O₃膜、或铁磁材料的NiFe膜和绝缘材料的SiO₂膜的堆叠结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

步骤(b)包括电连接在磁性薄膜周围设置的驱动线圈，从而磁化在宽度方向上设置的磁性薄膜以使其具有相同形式的感应磁场。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，

通过在硅基板上形成凹槽并且利用导电材料填充所述凹槽，来形成所述下线圈。

10.根据权利要求7所述的方法，其中，

在所述下线圈上形成下绝缘薄膜，并且所述下绝缘薄膜包括彼此交替地堆叠的SiO₂膜和Al₂O₃膜的双层堆叠结构，其中，每层SiO₂膜的厚度的范围是从

(0.2μm)到(2μm)并且每层Al₂O₃膜的厚度的范围是从

(0.02μm)到(1μm)。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，

每层磁性薄膜都包括铁磁材料的NiFe膜与绝缘材料的Al₂O₃膜或SiO₂膜彼此交替地堆叠的堆叠结构，其中，每层NiFe膜的厚度范围是从

到

并且每层Al₂O₃膜或SiO₂膜的厚度范围是从

到

12.根据权利要求11所述的方法，其中，

所述磁性薄膜包括至少三层NiFe/Al₂O₃堆叠膜或NiFe/SiO₂堆叠膜。

13.根据权利要求7所述的方法，其中，

上绝缘薄膜的厚度的范围是从到

(1μm)。

14.根据权利要求7所述的方法，其中，

所述步骤(b)中的磁性薄膜的两个端部比自身的中心部分宽。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，

所述步骤(b)中的磁性薄膜的形状包括‘I’形状以及具有彼此连接的突出部的‘III’形状。

Images