CN102859382A - 集成式磁力计及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种集成式磁力计，所述磁力计包括多个沉积在基本平坦的衬底表面上的多个多层磁电阻传感器，所述表面称为顶面，其特征在于：所述衬底的所述顶面具有至少一个具有多个斜面的腔或凸起，并且至少四个所述磁电阻传感器置于所述四个斜面上，所述斜面具有不同的取向且彼此成对相对，各传感器对外部磁场的一个分量灵敏，所述外部磁场分量平行于各传感器所置于的面。还提供了一种用于制造这样磁力计的方法。

Description

集成式磁力计及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有两轴或三轴的集成式磁力计，以及一种制造该集成式磁力计的方法。

背景技术

在现有技术中，已知制造基于多层磁阻传感器的集成式磁力计，该集成式磁力计利用了巨磁电阻效应或利用隧道磁电阻效应。例如，可参考以下的文献：

-M.Hehn,F.Montaigne和A.Schuhl“Magnétoresistance géante etélectroniquedespin（巨磁电阻和自旋电子学）”，[Giant magnetoresistance and spinelectronics]，Techniques de l’Ingénieur，E2 135，第一章和第二章；

-J.Daughton等，“Magnetic Field Sensors Using GMR Multilayer（利用GMR多层的磁场传感器）”，IEEE transactions on magnetics，第30卷，第6号，1994年11月；和

-M.Tondar等，“Picotesla field sensor design using spin-dependent tunnelingdevices（利用自旋依赖穿隧装置的Picotesla场传感器设计）”，Journal of AppliedPhysics（应用物理学杂志），第80卷，第11号，pp.6688-6690，1998年6月1日。

这些磁电阻传感器由一叠薄层制成，该薄层沉积在例如硅制成的平坦衬底上。

更准确地，如图1A所示，巨磁电阻（GMR）磁阻传感器由例如钴制成的两个磁层CM1和CM2组成，该两个磁层由例如铜制成的金属层CMET分隔，该金属层的厚度为纳米级。由于该底层CM2的磁化强度（磁矩）M₂对任何外部磁场（假设该外部磁场不是太强烈）不灵敏，因此底层CM2可以认为是“坚硬”的，然而，由于顶层CM1的磁矩M₁可以被中等强度的外部磁场改变，因此顶层CM1可以认为是“柔软”的。通过将“坚硬”层沉积在被称为阻挡层CB的反铁磁性层而实现该“坚硬”层的磁化。通过将“柔软”层退火至居里点，紧接着在具有合适方向的磁场的存在下冷却“柔软”层，而实现该“柔软”层的磁化。

平行于层CM1和层CM2测量的该结构的电阻，取决于M₁和M₂之间的角度θ的余弦。为了获得线性响应，在没有外部磁场的情况下，通常选择M₁和M₂相互垂直。

当外部磁场B应用于图1的结构时，该“柔软”层的磁矩M₁改变方向，并且角θ改变。首先，仅与M₁垂直的、且位于这些层的平面内的磁场B的分量作用于传感器的方向上。换句话说，当两个磁化强度M₁和M₂在没有磁场的情况下相互垂直时，该传感器仅对定向于“坚硬”层的磁化方向M₂上的磁场的分量灵敏。

在GMR传感器中，电流平行于这些层的平面流动。从而，这种传感器为狭窄且细长的带的形式，且在传感器的末端具有电极EL（图1B）。

第二种类型的传感器，隧道磁电阻（TMR）传感器也是由例如钴（Co）、铁（Fe）或钴铁（CoFe）的传导铁磁材料的两层EF1和EF2组成，该材料在“电极”中可相同或不同，该两层由例如氧化铝（Al₂O₃）或氧化镁（MgO）的绝缘体的薄层CI分隔，该薄层通常具有在0.8nm-5nm范围内的厚度。如同GMR传感器，底部电极EF2的磁化强度是固定的，然而顶部电极的磁化强度可被外部磁场改变。电子通过隧道效应穿过绝缘屏障的概率以及隧道结JT的电阻，取决于两个磁化层的磁化强度之间的角度θ的余弦。如同GMR传感器，当层EF1和层EF2的磁化作用在没有磁场的存在下垂直时，TMR传感器仅对沿着其“坚硬”电极的磁化方向定向的磁场分量灵敏。

在TMR传感器中，电流垂直于这些层的平面流动。从而，这样传感器以两个交叉的带的形式存在，该交叉的带由铁磁电极EF1和EF2构成，EF1和EF2由层CI分隔，如图2所示。

在磁电阻传感器中，不论磁电阻传感器为GMR型或TMR型，都存在消除偏移的问题，即，与磁场无关的电阻分量。该偏移量大，且取决于温度。

对于消除该偏移量的第一可能性，如图3A所示，在于将在共用衬底上的四个相同传感器R₁、R₁’、R₂和R₂’组合在一起，该四个传感器具有相互平行的灵敏度轴。这4个传感器连接以形成惠斯通电桥（Wheatstone bridge），该惠斯通电桥具有由传感器R₁和传感器R₂形成的第一臂，和由传感器R₁’和传感器R₂’形成的第二臂。该传感器R₂和传感器R₂’属于两个不同的臂，且在惠斯通电桥上占据相对的位置（即，没有相互直接连接），该传感器R₂和传感器R₂’由软质铁磁合金的磁屏蔽件BM覆盖。结果，仅电阻R₁和R₁’取决于外部磁场。如果惠斯通电桥的点C和点D与电源连接，则点A和点B之间的电势差与cos(θ)成比例，从而与可测量的外部磁场的分量成比例。对于全部的四个传感器没有必要全部相同：R₁和R₁’的电阻彼此相同就可以，同样，R₂和R₂’的电阻彼此相同就可以，且所有四个传感器的偏移量呈现出相同温度依存性就可以。

如图3B所示，用于消除偏移的第二解决方案在于对两个相同的传感器R和R’之间的电阻进行差动测量，传感器R和传感器R’对于特定的磁场分量（箭头A_R’A_R’）呈现出相反的信号响应。这种类型的两个传感器可呈现出具有相反的磁化强度的“坚硬”层。这可以不同的方式实现，具体地：

-通过将许多电线组合在衬底上，这些电线可以在不同的方向上局部施加磁场；或

-通过将多个传感器中的一个沉积在已知为人工反铁磁（AAF）的特定多层结构上，然后将该多层结构沉积在阻挡层上。该AAF结构由两个磁层构成，该两个磁层由引起这两个磁层之间的反铁磁偶合的金属隔板分隔。由于这种偶合，该两个磁层之间的磁化强度恒定地保持反平行排列：从而，使传感器的“坚硬”层在与阻挡层的磁矩相反的方向上极化。

图4为包括AAF的传感器的剖面图。由于AAF结构增加了传感器的传导性且因此降低了传感器的灵敏度，因此在GMR传感器中难以使用AFF结构。采用TMR传感器不会出现这个问题。

现有技术不能够制造具有三轴的集成式磁力计：在最好的情况下，沉积在平面衬底上的磁电阻传感器能够测量投射在衬底平面上的外部磁场的两个分量。在现有技术中，三轴磁力计通常以混合形式制造，使用不共面的至少两个衬底。这导致装置制造花费大，装置体积大且易碎，并且最重要的是现有的精确性被与组装磁力计相关的系统误差所限制。

可以制造具有单轴或两轴磁力计，但如上文所述，这需要执行相当复杂的技术以消除偏移量。

文献US2009/027048和US2008/169807描述了集成式三轴磁力计，该磁力计具有以两个不同的方向沉积在衬底的平坦表面上的磁电阻传感器，还具有沉积在斜面上的其他传感器，该斜面通过在所述表面上刻凹槽而获得。该沉积在平坦表面上的传感器用于测量在两个维度的磁场；而沉积在凹槽的斜面上的传感器则用于测量第三维度的磁场。如同零点漂移，消除偏移的问题仍完全存在。

发明内容

本发明设法克服了以上提到的现有技术的缺陷。

使该目的实现的本发明一方面在于根据权利要求1的集成式磁力计，该集成式磁力计包括：多个沉积在基本平坦的衬底的顶面上的多层磁电阻传感器，所述磁力计的特征在于：

-该衬底的所述顶面具有至少一个具有多个斜面的腔或凸起；和

-至少四个所述的磁电阻传感器沉积在四个所述的斜面上，该斜面具有不同的取向且成对相对，各传感器对外部磁场分量灵敏，所述分量平行于所述传感器沉积的面。

本发明的磁力计的有利实施例构成了从属权利要求的主题。

本发明的另一方面为一种制造如上所述的磁力计的方法，所述方法包括：

-第一步，在所述衬底的所述顶面中或上制造所述腔或每个腔、或所述凸起或每个凸起；

-第二步，通过连续的沉积和光刻操作制造所述多层磁电阻传感器；和

-第三步，利用施加的外部磁场退火，以确定以这个方式制造的传感器的灵敏度轴。

具体地，本发明的执行步骤包括：

-所述第一步可通过所述衬底的各向异性刻蚀而实现，该衬底必须为单晶体类型；

-所述第二步可包括至少一个将均匀的树脂层沉积在所述衬底的表面的操作，该沉积操作或每个沉积操作通过喷涂或蒸发所述树脂而实现。

附图说明

阅读以下通过示例给出的附图所做的描述，将得出本发明的其他特征、细节和优点，其中：

-图1A、图1B、图2、图3A、图3B和图4，如上所述，示出现有技术中已知的集成式磁电阻传感器；

-图5A和图5B分别为通过单晶体硅衬底的各向异性刻蚀得到的截棱锥形式的凸起的正视图和剖面图，其中GMR型磁电阻传感器沉积在该截棱锥的面上；

-图6为基于GMR型传感器的单轴磁力计的剖面图；

-图7为同样基于GMR型传感器的、本发明的实施例中的双轴磁力计的俯视图；

-图8为同样基于GMR型传感器的、本发明的另一实施例中的三轴磁力计的俯视图；

-图9为基于TMR型传感器的、本发明的另一实施例中的三轴磁力计的俯视图；

-图10为与加速计集成在一起的本发明的磁力计的正视图；

-图11为根据本发明方法制造磁力计的各种步骤的简要示图；

-图12为包括磁通集中器的本发明变型的磁力计的俯视图；

-图13A和图13B为通过将多个图7所示类型的磁力计顺序连接在一起而构成的各个磁力计的俯视图。

具体实施方式

图5A和图5B涉及沉积在截棱锥形式的凸起P的面上的单个GMR型磁电阻传感器R₁，该截棱锥通过具有对应于晶体平面100的表面的单晶体硅衬底S的各向异性刻蚀而制造。在这种情形下，所述棱锥的四个面对应于平面111，并且相对于所述衬底的表面以θ=54.7°的角倾斜。在Chii-Rong Yang等的论文“Studyon anisotropic silicon etching characteristics in various surfactant-added tetramethylammonium hydroxide water solutions（关于在添加不同表面活性剂的四甲基氢氧化铵水溶液中的各向异性刻蚀特征的研究）”J.Micromech.Microeng.（《微型机械与微型工程学报》）15，2028（2005））中，对制造这种类型的凸起以及相同地具有截棱锥形状的腔进行了描述。

在图中，M₁表示R₁的（柔软）灵敏层的磁矩，M₂表示坚硬层的磁矩，且A_R1表示传感器的检测轴，该检测轴与M₂平行。衬底S的表面平行于xy平面且垂直于z轴。B_x、B_y和B_z分别为沿着x轴、y轴和z轴的、待测量的外部磁场的分量。

已知电流在平行于y轴的方向上流过传感器R₁；测量该传感器R₁两端的电压V₁用于确定该传感器R₁的电阻，该电阻是B_x和B_z的函数，而不是B_y的函数。在该传感器的线性响应限制中，其输出信号通过下式给出：

V₁=V₀+S[B_zsinθ+B_xcosθ]

其中，S为传感器的灵敏度，V₀为传感器的偏移量，即，在没有磁场存在的情况下的输出电压。

由于传感器的偏移，很难将电压测量值与磁场分量的值联系起来，因此图5的装置具有有限的作用。

图6示出一种装置，其中两个相同的传感器R₁和传感器R₃沉积在棱锥P的两个相对的面上。输出信号V₁和输出信号V₂可确定B_x，这可消除偏移量V₀：

$B_x=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}\frac{V_1-V_3}{S}$

相反，分量B_z的测量值取决于该偏移量：

$B_z=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}\frac{V_1+V_3-2V_0}{S}$

为了消除影响分量B_z的测量值的偏移，可以将如图3所述类型的、安装在惠斯通电桥中的两组4个传感器替代传感器R₁和传感器R₃。在变型中，可以将具有平行的灵敏度轴和相反的灵敏度S的成对传感器代替所述传感器，如上所述。

图7示出了本发明实施例中的装置，其中四个相同的传感器R₁、R₂、R₃和R₄沉积在棱锥P的四个面上，它们的灵敏度轴A_R1、A_R2、A_R3和A_R4指向该棱锥的尖端。该磁力计可用于确定B_x和B_y，因而提供了“范围”：

$B_x=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}\frac{V_1-V_3}{S}$

$B_y=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}\frac{V_2-V_4}{S}$

如果仅寻找在xy平面内的磁场的方向，则不需要灵敏度S的知识。

同图6一样，为了测量B_z，需要用图3所示的类型的惠斯通电桥电路或成对的传感器代替传感器R₁、R₂、R₃和R₄，该成对的传感器具有平行的灵敏度轴和相反的灵敏度S。

图8示出了在本发明的另一实施例中的装置，本发明的另一实施例与第一实施例不同之处在于，位于相对取向的两个面上的传感器成倍增加以形成成对的相同的单独传感器：R₁、R₁’和R₃、R₃’。这四个单独的传感器在如图所示的惠斯通电桥中连接。电压V_AB与B_x成正比，由于不再需要任何放大和可能将测量的电压信号的分量V₀转化成数字形式，从而简化了用于处理测量值的电子电路且使动态范围增加。

也可在凸起P的其他两个面上实现电桥结构，从而获得指示磁场分量B_y的信号。

图9示出了在本发明的又一实施例中的装置，该装置与图7的装置不同之处在于，传感器R₂和R₄包括各自的、灵敏度互换的AAF结构（箭头A_R2和A_R4偏离棱锥P的尖端）。下式给出了磁场的3个分量：

$B_x=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}\frac{V_1-V_3}{S}$

$B_y=\frac{1}{2\cos \mathrm{\θ}}\frac{V_2-V_4}{S}$

$B_z=\frac{1}{4\sin \mathrm{\θ}}\frac{V_1+V_3-(V_2+V_4)}{S}$

这意味着完全消除了偏移V₀。

为了制造如图9所示类型的磁力计，当沉积AAF结构的同时，遮挡将传感器R₁和R₃在其上沉积的区域是足够的。如上所述，与GMR传感器相比，这种解决方案更适合于TMR传感器（图9所示）。如上所述，还有一种使用AAF结构的替代方案：为此，可在衬底上制作许多电力线路以在不同的方向上局部应用磁场。

为了增加本发明的磁力计的灵敏度，可在倾斜的面上提供磁通集中器CF，该斜面承载了磁电阻传感器。各磁通集中器由高磁导率的软质磁性材料（如坡莫合金材料）的两个平坦部分构成，这两个部分具有梯形形状且通过他们的短基部相对，这两个部分的高度平行于磁电阻传感器的灵敏度轴（从而指向棱锥的基部）。这两个部分在它们的小基部之间的区域中聚集了磁场的磁通线，该区域为传感器所在的地方。图12示出了这种变型。

图13A和图13B示出由上文所述的多个（特指4个）单独的磁力计MM1至MM4构成的“复合”磁力计，其中相应的传感器，即，具有相互平行的灵敏度轴的传感器顺序连接在一起。这可能增加信噪比；当使用TMR传感器时，这还减少了隧道结故障的风险。各个磁力计必须以相互紧邻的方式（几毫米或更好，优选地1毫米或更少）布置，以处于相同的磁场。为了使图13A更具可读性，图13A示出了简化的构造，其中各单独的磁力计中的仅一个传感器与其它磁力计的相应的传感器顺序连接；图13B示出了这种构造，其中各单独的磁力计的四个分支有助于顺序连接。当然，各个磁力计的数目可以不是四；各个磁力计不必必须成一直线；作为示例，磁力计可以矩阵形式布置。

基于使用互相相同的传感器（若有的话，忽略具有相反符号的灵敏度S），参考实施例，以上描述了本发明。这不是必须的限制，并且由多个不同的磁电阻传感器构成的磁力计不被排除在本发明的范围外。然而，由于可以减少系统误差，因此优选地使用相同的传感器。各种传感器有利的是单片集成在一起的，从而特别地可确保各种传感器的特征基本上相同。为了相同的目的，优选地使传感器彼此紧邻；通常，本发明的给定磁力计的所有传感器应在半径为1毫米或更小的范围内，且优选地，半径为100微米或更小的范围内，更优选地，半径为50微米或更小的范围内。

上文参考基于使用棱锥形状的腔或凸起的实施例，描述了本发明。然而，这不是必须的限制；重要的是：至少四个磁电阻传感器沉积或更一般地布置在四个斜面上，该斜面具有相互不同的取向且斜面两两相对。棱锥，任选地，截棱锥，具有满足这种条件的四个面。在变型中，可利用不平行的（优选地垂直的）两个V形的槽，如形成V字形。

图10为图9所示的类型的磁力计MM的正视图，磁力计MM与具有悬梁的微机电加速计AM共同集成，该微机电加速计沿着z轴灵敏。当装置处于停止时，加速计测量沿着z轴的重力g导致的加速分量，从而可确定所述z轴相对垂线的倾斜的角度。这可能确定磁场B的分量，该磁场B的分量平行且垂直于本地垂线。显然地，可使用具有单轴或三轴的不同类型的加速计。

通过利用微电子学中常用的技术而沉积在衬底S上的导体线路，本发明的磁力计通常与电子处理器电路连接。该电路可以为数字的、模拟的、或数字/模拟混合型，用于执行电阻测量且处理这些测量结果，以确定磁场所寻找的分量。有利地，该电路可被集成到衬底S上。

图11A至图11D为示出用于制造本发明的磁力计的本发明的方法的不同步骤的高度概略图。

第一步为通过化学侵蚀各向异性刻蚀硅表面100，以露出以54.7°倾斜的更致密的平面111。图11A示出了由一层树脂RL覆盖的衬底S，该衬底具有形成在树脂中的开口以使该衬底的表面可被化学侵蚀。图11B示出了具有截棱锥形状的腔CP，该腔CP在各向异性刻蚀操作的结尾且在树脂已经去除后得到。在变型中，通过去除正方形区域或矩形区域之外的区域的树脂，可以得到具有相同形状的凸起。在现有技术中已知该步骤，并且在上文提到的Chii-Rong Yang等的论文中进行具体描述。

第二步为：利用传统的沉积和光刻操作，制造磁电阻传感器且电力连接该磁电阻传感器。存在的一个困难为：平板印刷操作需要均匀的树脂层以沉积在所述腔或凸起的斜面上。传统的旋涂技术由于不能覆盖斜面，因此是不合适的。此外，还存在旋涂技术或树脂蒸发技术，该技术可使均匀的树脂层在斜面上平坦。例如，可参考以下的公开出版物：

Nga P Pham等的“spray coating of photoresist for pattern transfer on hightopography surfaces（用于高地形表面上的图形传递的光阻材料的旋涂）”，J.Micromech.Microeng（微型机械与微型工程学报），2005，15：691-697；Vijav Kumar Singh“Deposition of thin and uniform photoresit onthree-dimensionalsstructures using fast flow in spray coating(利用旋涂中的快速流动在三维结构上沉积薄且均匀的光阻材料)”，J.Micromech.Microeng.（微型机械与微型工程学报）2005，15：2339-2345；和

T.Ikehara,R.Maeda.“Fabrication of accurately vertical sidewall for optical switchapplications using deep RIE and photoresist spray coating(利用反应离子深刻蚀和光阻材料旋涂制造用于光开关应用的精确竖直的侧壁)”，Microsyst.Technol.(微系统技术)，2005,12：98-103.

图11C示出了通过旋涂而沉积的树脂层RL’。

在外部磁场B_R存在的情况下进行的退火，在传感器制造后或在传感器制造期间进行，以使阻挡层和该“柔软”层（图11D）极化。

Claims (16)

1.一种集成式磁力计，包括多个沉积在基本平坦的衬底（2）的顶面上的多层磁电阻传感器（R₁、R₂、R₃和R₄），其特征在于：

-所述衬底的所述顶面具有至少一个腔或凸起（P，CP），所述腔或凸起具有多个斜面；并且

-至少四个所述磁电阻传感器沉积在四个所述斜面上，所述斜面具有不同的取向，且所述斜面成对相对，各传感器对平行于所述传感器沉积的面的外部磁场分量灵敏。

2.如权利要求1所述的集成式磁力计，其中，所述衬底为单晶体类型，特别是硅类型，所述斜面对应于所述衬底的晶体平面。

3.如上述任一项权利要求所述的集成式磁力计，其中，所述腔或所述凸起具有棱锥或截棱锥的形状，且具有正方形或矩形的基部。

4.如权利要求3所述的磁力计，其中，所述传感器的灵敏度轴（A_R1、A_R2、A_R3和A_R4）指向或偏离所述棱锥的尖端。

5.如上述任一项权利要求所述的集成式磁力计，其中，各所述传感器由两个相同的单独传感器构成，并且其中，沉积在具有相对取向的面上的所述单独传感器在惠斯通电桥电路中连接。

6.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，其中所述传感器是相同的。

7.如权利要求1至5中的任一项所述的磁力计，其中，除了安装在两个相对的面上的传感器具有符号相反的敏感度外，所述传感器是相同的。

8.如权利要求1至6中的任一项所述的磁力计，其中，各所述传感器由四个相同的连接在惠斯通电桥中的单独传感器构成，磁屏蔽件（BM）沉积在多个所述单独传感器中的两个传感器的上方，所述两个传感器在所述惠斯通电桥中占据相对位置。

9.如权利要求1至6中的任一项所述的磁力计，其中，各所述传感器由两个单独传感器（R和R’）构成，所述两个单独传感器除了具有符号相反的灵敏度之外是相同的。

10.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，所述多层磁电阻传感器选自：

-巨磁电阻传感器；和

-隧道磁电阻传感器。

11.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，至少一个微机电类型的加速计（AM）集成在所述衬底上。

12.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，所述磁力计专有地包括设置在所述斜面上的磁电阻传感器。

13.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，所述磁电阻传感器设置在半径小于1毫米或等于1毫米的范围内，并且，优选地，设置在半径小于或等于100微米的范围内。

14.一种用于制造如上述任一项权利要求所述的磁力计的方法，所述方法包括：

-第一步：在所述衬底的所述顶面中或所述顶面上制造所述腔或所述凸起；

-第二步：通过连续沉积和光刻操作制造所述多层磁电阻传感器；

-第三步：利用施加的外部磁场退火，以确定以这个方式制造的传感器的灵敏度轴。

15.如权利要求14所述的制造方法，其中，所述第一步通过对所述衬底的各向异性刻蚀而实现，该衬底为单晶体类型。

16.如权利要求14或15所述的制造方法，其中，所述第二步包括至少一个将均匀的树脂层（RL’）沉积在所述衬底的表面上的操作，所述沉积操作通过喷涂或蒸发所述树脂而实现。

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