CN101540337B - 磁性传感器和移动信息终端设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性传感器和移动信息终端设备，该磁性传感器包括：衬底，该衬底具有平表面和多个倾斜表面；多个软磁膜，每个所述软磁膜设置在不同一个倾斜表面上，并且根据磁场的强度被磁化；以及多个探测器件，每个探测器件设置在所述平表面上，包括自由层和被固定层，并且被构造成根据自由层和被固定层的磁化而产生探测输出。每个软磁膜与不同一个探测器件的自由层磁性耦合；且各个所述探测器件的被固定层具有彼此不同的磁化方向。

Description

磁性传感器和移动信息终端设备

技术领域

本发明旨在一种磁性传感器，该磁性传感器利用简单方法探测在衬底平面外方向(如Z方向)上取向的磁场矢量分量，并涉及一种包含这种磁性传感器的移动信息终端设备。

背景技术

专利文件1是这种传统技术的一个示例。根据在专利文件1中公开的设备，在GMR装置中，坡莫合金膜等设置在各向异性蚀刻的Si衬底的倾斜表面上，以便探测出在Z方向上的磁场分量。与设置在衬底平表面上的另一个传感器一同利用这种结构，所公开的设备能够探测到三轴方向上(X、Y和Z方向上)的磁场强度。

专利文件1：日本专利申请公开说明书2004-354182

根据专利文件1的技术，传感器单元需要设置在倾斜表面上，以便探测在平面外方向，如Z方向上取向的磁场矢量分量。但是，出于制造的原因，磁阻器件的性能受到倾斜表面的平面度和粗糙度的严重影响。因此，传统技术需要一种使得衬底具有处于优良条件下的倾斜表面的制造方法，而且在倾斜表面上形成器件方面遗留很多问题。从而，根据传统技术，难于提供一种有利的磁性传感器。

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在提供一种能够探测在Z方向上取向的磁场矢量分量的磁性传感器，所述Z方向不同于平表面(plane surface)方向，即使在所有的传感器单元设置在平表面上的情况下。该磁性传感器采用公知的平表面原型磁性传感器单元并且仅仅具有一个简单的额外步骤。本发明还旨在提供一种包含这种磁性传感器的移动信息终端设备。

本发明的一个实施方式具有如下结构。即：该结构包括自由层和被固定层(pinned layer)，在TMR器件的情况下，绝缘层设置在自由层和被固定层之间。在GMR器件的情况下，具有非磁性金属并且利用磁阻效应的探测器件设置在衬底的平表面上。该衬底具有沟槽或突起，并且该沟槽或突起具有靠近所述探测器件设置的倾斜表面。与自由层磁性耦合的软磁层在衬底的平表面上连续设置直到倾斜表面。软磁层和探测器件一同形成一个单轴磁性传感器。

适当地提供多个单轴磁性传感器。当在磁场中进行热处理时，磁场大致垂直于衬底施加，并且每个软磁层弯曲所施加的磁场，使得所施加的磁场取向为相应被固定层的磁场施加方向。被固定层的磁化方向根据被固定层的磁场施加方向来建立。倾斜表面的角度可以变化，并且每个被固定层能够具有彼此不同的磁化方向。在磁场中进行热处理时形成的被固定层的磁化方向是磁性传感器探测磁场分量的基础。通过设定多个被固定层的磁化方向，提供了能够探测多轴分量的磁性传感器。

根据特定探测方法，该方法由本发明一个实施方式的磁性传感器所使用，利用甚至在衬底的平表面上的探测器件的自由层来探测在三维磁场矢量中相对于衬底的平表面水平的磁场分量。由于连续设置在倾斜表面上并与自由层磁性耦合的软磁层由平行于倾斜表面的磁场分量所磁化，磁性耦合的自由层也被磁化。于是，探测器件在阻抗方面出现变化，由此能够探测Z方向杀过那的磁场分量。从而，即使探测器件设置在平表面上，由于设置在倾斜表面上的软磁层，垂直于衬底平表面的Z方向矢量分量也能够被探测。因此，可以使得平表面上的探测器件能够作为三轴(X、Y和Z)传感器工作。

附图说明

图1A和1B示出本发明第一实施方式的结构；

图2示出传感器所使用的磁阻曲线；

图3A和3B示出本发明一个实施方式的磁性传感器的工作方式；图4示出磁场的方向和角度(ρ、

和θ)之间的关系；

图5A到5C示出在不同平面中，磁性传感器单元K、M和L的输出的角度相关性；

图6示出利用本发明一个实施方式的磁性传感器形成桥接电路的示例；

图7示出本发明第二实施方式的结构；

图8A到8C示出本发明第三实施方式的结构；

图9A和9B示出本发明第四实施方式的结构；以及

图10示出本发明第五实施方式的结构。

具体实施方式

下面参照附图描述实施本发明的最佳方式。

图1A和1B示出第一实施方式的磁性传感器的结构。图1A是俯视图，而图1B为沿着线AB的横截面图。在图1A和1B中，附图标记1表示Si衬底；附图标记2是衬底上的倾斜表面；附图标记3a到3d表示设置在衬底1的平表面上的四个TMR器件(隧道效应磁阻器件)；附图标记4表示坡莫合金膜；而附图标记5表示形成在倾斜表面2的底部的沟槽。

每个TMR器件3包括由绝缘层分隔的自由层和被固定层。自由层的易磁化方向(实线)以直角与被固定层的磁化方向(虚线)相交。即，每个TMR器件3a到3d的自由层的易磁化方向沿着TMR器件的纵向取向。根据图1，至于每个被固定层的磁化方向，它在TMR器件3a内从左向右取向；在TMR器件3b中从底向顶取向；在TMR器件3c中从右向左取向；且在TMR器件3d中从顶向底取向。

自由层的易磁化方向与被固定层的磁化方向以直角相交的原因在于磁体的线性磁阻可以通过探测磁体的难磁化方向来获得。图2示出传感器所使用的磁阻曲线。于是，自由层的难磁化方向是传感器的探测方向(磁阻轴线)。被固定层和自由层的磁化方向的垂直相交可以通过如下过程实现：首先，由事先在磁场中退火而产生被固定层的磁化；然后将被固定层的磁化方向和自由层的磁化方向布置成彼此垂直；并以降低的温度执行退火过程，其中在该降低的温度下被固定层的磁化不会造成变化。要指出的是：向被固定层施加磁化磁场的方向是垂直于衬底的方向，如图1所示。

在每个TMR器件3中，如果自由层的磁化方向沿着其难磁化方向取向并且也平行于被固定层的磁化方向，那么将流动大的隧道电流，由此TMR器件3具有低阻抗。另一方面，如果自由层的磁化方向与被固定层的磁化方向反平行，将流动着减小的隧道电流，由此TMR器件3具有高阻抗。在其他情况下，相对于被固定层和自由层的磁化的相对角度，阻抗呈现出正弦曲线特性。

在衬底1内，在靠近TMR器件3设置的倾斜表面2的底部设置沟槽5。相对于每个TMR器件3，与TMR器件3的自由层磁性耦合的坡莫合金膜(软磁层)4连续在衬底1的平表面和倾斜表面2上设置。一组TMR器件3和坡莫合金膜4形成一个单轴磁性传感器单元。根据本实施方式，适当地提供多(四)个单轴磁性传感器单元，以便形成三轴(X、Y和Z)磁性传感器。

下面描述本实施方式的三轴磁性传感器的制造过程。利用KOH溶液，通过光刻形成的开口在Si(100)衬底上进行各向异性蚀刻。并且倾斜表面2设置成形成四面体的倒金字塔结构，该结构具有(111)表面。随后，通过多靶高真空溅射装置，在Si衬底1上依次沉积各层TMR(隧道效应磁阻)器件3。对于自由层，使用这样的材料，即该材料可以使得它的磁场被探测到。例如，在利用地磁探测用的三轴磁性传感器的情况下，坡莫合金(Ni80Fe20)等可以用作自由层。在采用三轴磁性传感器作为编码器的情况下，可以使用CoFe等。然后提供用于TMR器件3的保护层，并且形成接触孔。在这些接触孔中，形成在每个自由层底部的接触孔用于提供磁性耦合。

坡莫合金膜(软磁膜)4是通过在倾斜表面2上使用掩模由溅射装置形成的。溅射装置不必是高真空溅射装置。然后，也可以利用掩模技术通过溅射形成电极，由此完成三轴磁性传感器。取代使用掩模技术，也可以采用光刻技术。在每种技术中，与探测器件(即，TMR器件3)的形成相比，可以使用任何相关的设计规则来进行成型工作以便获得更好的生产率。换句话说，由于用于对准的规则不是刚性的，用于成型操作的工艺水平可以相当于普通平表面原型器件的，这实现了低成本试生产。

坡莫合金、镍铁钼超导磁合金等适用于设置在倾斜表面2上的软磁膜4。或者非晶形膜，如CoZrNb可以用以代之。通常对于平行于膜平面进入软磁膜4的磁场获得最大灵敏度。因此，通过将设置在倾斜表面2上的软磁膜4与相应探测器件3的自由层耦合，可以导引磁通量使得对于平行于倾斜表面2上的软磁膜4的磁场获得最大灵敏度。由此，能够实现在与探测器件3的层平面垂直的方向上的探测。于是，通过将这种传感器结构与其他磁性传感器单元相组合，可以形成三轴磁性传感器。

根据上述实施方式，在倾斜表面的底部设置沟槽；但是，用在金字塔(突出的(projected))结构的倾斜表面也可以实现类似的磁性传感器。另外，也可以用倒置或非倒置三方锥、倒置或非倒置多面体上的倾斜表面实现类似的结构。

对于被固定层的磁化，磁化磁场施加到垂直于衬底的平表面的方向上。于是，通过倾斜表面上的每个软磁膜，磁通量被弯曲，因此，相对于被固定层的磁化方向，可以将相应自由层的磁化沿着理想方向取向。因此，通过每个软磁膜，在竖直方向上的磁通量可以在衬底1的平表面方向上重新定向，由此能够探测每个磁场矢量分量。

图3到5示出本实施方式的磁性传感器的工作。图3A是在X-Y平面内的俯视图，而图3B是沿着线AB的图3A的横截面图(在Z-X平面内)。图3A的每个附图标记K、L和M表示TMR器件3和坡莫合金膜4的集成磁性传感器单元。下面描述使用三个这种磁性传感器单元(这三个磁性传感器单元实现三轴探测)的示例。

当外部磁场在Z方向上存在时，磁通量的流动被倾斜表面2上的坡莫合金膜4所改变，且磁通量到达TMR3，如图3B所示。于是，在磁性传感器单元M中的TMR器件3的自由层的磁化方向被改变成遵循相应的被固定层的磁化方向。类似的，在每个磁性传感器单元K和L中自由层的磁化方向被改变成遵循相应被固定层的磁化方向。结果，每个TMR器件3能够探测磁场的Z轴分量。磁通量的流动最初沿着Z方向取向，这通常难于探测。但是，磁通量的流动被设置在倾斜表面上的坡莫合金膜所改变，于是可以被探测到。

以下描述由坡莫合金膜改变的流动方向随着磁通量的方向不同而不同，并于是能够实现三轴探测。

图4示出磁场的方向和角度(ρ、

和θ)之间的关系。图4也示出磁场和相对于磁性传感器单元K和M的角度的位置关系。附图标记α是倾斜表面2的倾斜角，例如54.7°、30°或60°。

图5A示出磁性传感器单元K、M和L的输出(Hk、Hm和Hl)与X-Z平面内的角度ρ的角度相关特性。图5B示出磁性传感器单元K、M和L的输出(Hk、Hm和Hl)与Y-Z平面内的角度

的角度相关特性(传感器单元M和单元K的输出重叠)。图5C示出磁性传感器单元K、M和L的输出(Hk、Hm和Hl)与X-Y平面内的角度θ的角度相关特性。

一旦获得Hk、Hm和Hl值，在X、Y和Z放下给您上的磁场分量可以从以下表达式中获得：

Hx＝-A*Hk/2cosα+B*Hm/2cosα；

Hy＝-A*Hk/2cosα+C*Hl/cosα-B*Hm/2cosα；以及

Hz＝A*Hk/2sinα+B*Hm/2sinα，

其中，A、B和C是根据灵敏度和角度校正的校正值，并且基于图5A到5C所示的输出和角度ρ、

和θ计算。

一旦获得Hx、Hy和Hz，可以将特定方向表示为立体角，因此，可以确定在特定方向上的磁场。这允许例如其上安装该磁性传感器的信息终端相对于地磁的方向被确定。

图6示出利用本实施方式的磁性传感器单元形成的桥接电路的示例。相对的磁性传感器单元连接到相同的差动电桥电路，并且减少了噪声分量。另外，差动电桥电路的输出的和以及差被计算出，以便获得每个轴(X、Y和Z)的信号。桥接电路具有全桥或半桥结构。要指出的是，例如，桥接电路可以通过提供多个磁性传感器单元K(或者大致类似于磁性传感器K)来形成，并且可以获得减少噪声分量的效果。

(b)第二实施方式

图7示出本发明第二实施方式的结构。类似于第一实施方式，作为TMR器件等的探测器件3a到3d设置在衬底1的平表面上。软磁膜4设置在倾斜表面2上。每个探测器件3a到3d的被固定层的磁化在垂直于相应倾斜表面2的方向上产生，如图7所示。随后，磁场施加成使得每个自由层的易磁化方向在垂直于相应被固定层的磁化方向的方向上产生。磁场在大致平行于探测器件的层平面的方向上施加，并且以接近于探测器件的纵向的方向角的均分的方向角取向，其中每个探测器件具有矩形形状。

也就是说，根据图7的实施方式，探测器件的纵向的方向角是0度和90度(基准角)。于是，这些方向角的均分、45度或者仅仅均分的角度是磁场施加的最优方向。用于磁场施加的角度在需要时可以在0度和90度之间变化。

(c)第三实施方式

图8A到8C示出本发明第三实施方式的结构。图8A示出TMR器件的分层结构的一个示例。TMR器件包括自由层、绝缘层、磁性层(被固定层)、反铁磁体和衬底。本发明不局限于TMR器件，并且可以使用其他磁阻器件，如GMR(巨磁阻)器件(图8B)，包括非磁性金属层取代隧道效应层；或者竖直GMR器件(图8C)，该竖直GMR器件相对于层平面电流竖直穿过。每个探测器件可以根据目标磁场强度、所需的磁场变化率以及信号处理电路所需的阻抗来选择。

(d)第四实施方式

图9A和9B示出本发明第四实施方式的结构。第四实施方式示出根据本发明一个实施方式的磁性传感器和信号处理IC电路形成在衬底上的示例。图9A是俯视图，而图9B是沿着线CD的横截面图。在图9A和9B中，附图标记11表示衬底；附图标记12表示具有倾斜表面的沟槽；附图标记13a到13d表示TMR器件；附图标记14表示坡莫合金膜(软磁膜)；而附图标记15表示信号处理IC。在根据第四实施方式的磁性传感器中，TMR器件13a到13d围绕信号处理IC 15的周边设置，使得TMR器件13a和13b的纵向垂直于TMR器件13c和13d的纵向。第四实施方式的磁性传感器的操作与第一实施方式的相同。

根据第四实施方式，沟槽12单独提供，该沟槽在每个探测器件的尺寸方面允许更大的柔性。根据本发明一个实施方式的磁性传感器具有如下的优点：由于矩形形状，每个探测器件容易呈现出它的特性，并且由于形状各向异性，它的自由层的易磁化方向易于沿着探测器件的纵向产生。为了使得所有的磁性传感器具有相等的灵敏度，通常有利地是将它们形成为具有恒定面积的相同形状等。从加工效率角度来看这也是优选的。于是，如图9A所示，在外边缘上设置磁性传感器单元，每个磁性传感器单元具有矩形形状，在其纵向上较大拉伸。由于设置两个单独的沟槽，且每个沟槽分配两个磁性传感器单元，该探测器件需要较小的面积。另外，这种结构在衬底的中心提供一个大的平坦的区域，这可以用于容纳用于磁性传感器、磁性传感器之外的传感器，如加速度传感器和陀螺传感器、普通控制IC等。从而，可以有效利用衬底的区域。

在本实施方式中，每个沟槽设置在倾斜表面的底部，如在第一实施方式中；但是，用金字塔(突出的)结构上的倾斜表面，可以实现类似的磁性传感器。另外，也可以用倒置或非倒置三方锥、倒置或非倒置多面体等上的倾斜表面实现类似的磁性传感器。对于矩形磁性传感器单元的尺寸，有效的尺寸比为L/W≥6，其中L是长边(纵向上)的长度，而W是短边的长度。实际中，如果L/W≤1000，该制造工作不需要特殊的加工技术。但是，L/W≤100更优选。本发明的磁性传感器单元不局限于矩形形状，而是可以具有局部椭圆形状或者可以是椭圆或圆形。而且，在具有整体椭圆形状或者局部椭圆形状的情况下，主轴A和副轴B之间的比(以及总体上长边A和短边B之间的比)优选的为6≤A/B(A’/B’)≤100，如同矩形形状的情况一样。

(e)第五实施方式

图10示出本发明第五实施方式的结构。第五实施方式说明了根据本发明一个实施方式的磁性传感器安装到移动电话上的示例。在这个示例中，磁性传感器设置在其显示屏幕的后面，并且即使在移动电话折叠时(移动电话沿虚线可折叠)显示差别很小；但是，对于不可折叠的移动电话，也可以充分实现效果。本发明一个实施方式的磁性传感器允许尺寸减小，并且不受安装位置的限制。于是，本发明一个实施方式的磁性传感器可以安装到移动信息终端，如移动电话上。

本申请基于2008年3月18日提交的日本专利申请第2008-069507号，其内容通过引用结合于此。

Claims (13)

1.一种磁性传感器，包括：

衬底，该衬底具有平表面和沟槽，该沟槽包括多个倾斜表面；

多个软磁膜，每个所述软磁膜设置在不同一个倾斜表面上，并且根据磁场的强度被磁化；以及

多个探测器件，每个探测器件设置在未包括在所述沟槽内的所述平表面上，包括自由层和被固定层，并且被构造成根据所述自由层和被固定层的磁化而产生探测输出；

其中，每个软磁膜与不同一个探测器件的自由层磁性耦合；且

各个所述探测器件的被固定层具有彼此不同的磁化方向。

2.如权利要求1所述的磁性传感器，其中，每个自由层由于形状各向异性具有沿着其纵向的易磁化方向，且每个被固定层的磁化方向大致垂直于相应一个自由层的易磁化方向。

3.如权利要求1所述的磁性传感器，其中，每个被固定层的磁化方向垂直于相应一个自由层的纵向，且每个自由层具有通过以大致接近如下角度值的一个角度施加磁场而产生的易磁化方向，在坐标系的平面上，所述角度值是纵向的方向角和参考坐标轴的方向角的均分。

4.如权利要求1所述的磁性传感器，其中，在热处理中，所述被固定层通过施加基本上垂直于所述衬底的平表面的磁场而被磁化使得具有所述磁化方向。

5.如权利要求2所述的磁性传感器，其中，在热处理中，所述被固定层通过施加基本上垂直于所述衬底的平表面的磁场而被磁化使得具有所述磁化方向。

6.如权利要求3所述的磁性传感器，其中，在热处理中，所述被固定层通过施加基本上垂直于所述衬底的平表面的磁场而被磁化使得具有所述磁化方向。

7.一种磁性传感器，包括：

多轴磁性传感器单元；

被构造成具有预定功能的集成电路；以及

衬底，在该衬底上设置所述多轴磁性传感器单元和集成电路，并且所述衬底具有平表面和沟槽，该沟槽包括多个倾斜表面，

其中，所述多轴磁性传感器单元包括多个单轴磁性传感器，每个单轴磁性传感器包括：软磁膜，该软磁膜设置在不同一个倾斜表面上并且根据磁场强度被磁化；以及探测器件，该探测器件设置在未包括在所述沟槽内的所述平表面上，包括自由层和被固定层，并且被构造成根据自由层和被固定层的磁化而产生探测输出；

所述软磁膜与所述探测器件的自由层磁性耦合；

所述被固定层的磁化方向不同于多轴磁性传感器单元中所包括的其他单轴磁性传感器的被固定层的磁化方向；并且

所述多个单轴磁性传感器设置在所述集成电路的周边。

8.如权利要求7所述的磁性传感器，其中所述磁性传感器是单体的。

9.如权利要求1所述的磁性传感器，其中，每个探测器件是作为TMR器件和GMR器件中的一种的磁阻器件。

10.如权利要求3所述的磁性传感器，其中，每个探测器件是作为TMR器件和GMR器件中的一种的磁阻器件。

11.如权利要求7所述的磁性传感器，其中，每个探测器件是作为TMR器件和GMR器件中的一种的磁阻器件。

12.一种移动信息终端设备，该设备具有磁性传感器，该磁性传感器包括：

衬底，该衬底具有平表面和沟槽，该沟槽包括多个倾斜表面；

多个软磁膜，每个所述软磁膜设置在不同一个倾斜表面上，并且根据磁场的强度被磁化；以及

多个探测器件，每个探测器件设置在未包括在所述沟槽内的所述平表面上，包括自由层和被固定层，并且被构造成根据自由层和被固定层的磁化而产生探测输出；

其中，每个软磁膜与不同一个探测器件的自由层磁性耦合；且

各个所述探测器件的被固定层具有彼此不同的磁化方向。

13.一种移动信息终端设备，该设备具有磁性传感器，该磁性传感器包括：

多轴磁性传感器单元；

被构造成具有预定功能的集成电路；以及

衬底，在该衬底上设置所述多轴磁性传感器单元和集成电路，并且所述衬底具有平表面和沟槽，该沟槽包括多个倾斜表面，

其中，所述多轴磁性传感器单元包括多个单轴磁性传感器，每个单轴磁性传感器包括：软磁膜，该软磁膜设置在不同一个倾斜表面上并且根据磁场强度被磁化；以及探测器件，该探测器件设置在未包括在所述沟槽内的所述平表面上，包括自由层和被固定层，并且被构造成根据自由层和被固定层的磁化而产生探测输出；

所述软磁膜与所述探测器件的自由层磁性耦合；

所述被固定层的磁化方向不同于多轴磁性传感器单元中所包括的其他单轴磁性传感器的被固定层的磁化方向；并且

所述多个单轴磁性传感器设置在所述集成电路的周边。

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