CN105579860A - 带有集成磁性传感器的专用集成电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了带有磁性传感器元件和磁性存储元件的装置的方法和系统。该装置包括集成电路基板。至少含有永磁体的磁性传感元件的磁性传感器被安装在集成电路基板上。多个磁性存储元件安装在集成电路基板上，每个元件包含至少一个永磁体。

Description

带有集成磁性传感器的专用集成电路

技术领域

本发明总体涉及磁性传感器，并且更具体地，涉及具有存储器存储装置的磁性传感器。

背景技术

磁性传感器可以形成于半导体装置中。磁性传感器可以包括一个或更多个永磁体。磁性传感器可以与运动处理单元通信。运动处理单元可以包括处理器和存储器存储装置以用来存储或者检索临时的或者永久的数据。运动处理单元的组件可以形成为专用集成电路。制造附加的组件作为专用集成电路的一部分可以是有益的。

考虑到这些需要，产生了本公开。已经提供此简要概述以便本公开的本质可以被快速地理解。本公开的更完整的理解能够通过参考接下来的本公开的各种实施例的详细描述结合附图获得。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种具有磁性传感器元件和多个磁性存储元件的装置。该装置包括集成电路基板。磁性传感器至少具有一个包含永磁体的磁性传感器元件，该磁性传感器安装在集成电路基板上。多个磁性存储元件中的每个元件具有安装在集成电路基板上的至少一个永磁体。

在另一个实施例中，公开了一种提供装置的方法。该方法包括提供集成电路基板。磁性传感器安装在集成电路基板上，磁性传感器具有至少一个磁性传感器元件，磁性传感器元件具有永磁体。多个磁性存储元件中的每个元件具有安装在集成电路元件上的至少一个永磁体。

提供该简要概述以便快速地理解本公开的本质。本公开的更完整的理解能够通过参考接下来的本公开的各种实施例结合附图获得。

附图说明

参考附图描述若干实施例的前面的和其他特征。在这些图示中，相同的组件具有相同的参考标记。说明性的实施例旨在说明而不是限制本发明。这些图示包括以下附图：

图1示出根据本公开的一个方面的示例主机装置；

图1A示出根据本公开的一个方面的示例聚合器；

图2示出根据本公开的一个方面的示例磁性传感器；

图2A示出根据本公开的一个方面的磁性传感器的另一个示例结构；

图2B示出根据本公开的一个方面的图2的磁性传感器元件中的一个的永磁体的示例结构；

图2C示出根据本公开的一个方面的图2的另一个磁性传感器元件的永磁体的示例构造；

图2D示出根据本公开的一个方面在第一方向施加磁场后的一个磁性传感器元件的永磁体的磁性取向；

图2E示出根据本公开的一个方面在第二方向施加磁场后的另一个磁性传感器元件的永磁体的磁性取向；

图3示出根据本公开的一个方面的具有磁性存储阵列的示例存储器；

图3A示出根据本公开的一个方面的磁性存储阵列的示例磁性存储元件；

图3B示出描述根据本公开的一个方面的基于施加的磁场的磁隧道结元件的电阻变化关系的曲线图；

图4示出根据本公开的一个方面的在集成电路基板上的磁性传感器元件和磁性存储元件的示例结构；

图4A、4C和4D为根据本公开的一个方面的永磁体的交替形状；

图4B示出根据本公开的一个方面的具有高的宽长比的磁性薄膜的示例B-H曲线；

图5示出根据本公开的一个方面的示例MEMS装置的横截面。

具体实施方式

为了便于本公开的适合方面的理解，描述本公开的具有示例性运动处理单元的示例性主机装置。参照示例性运动处理单元，描述本公开的具有磁性存储装置的磁性传感器的适合方面的具体结构和操作。

现在，参照图1，其描述一个示例性主机装置100。主机装置100包括显示器102、应用处理器104、应用存储器106和运动处理单元108(有时称为MPU)，它们全都通过主机总线110通信。

MPU108包括处理器112，一个或更多个传感器114，综合专用集成电路116(有时称为综合ASIC)，它们全都通过MPU总线118与彼此通信。一个或更多个外部传感器120可以通过链路122与MPU108通信。MPU总线118可以配置为传输模拟信号和数字信号两者。本公开的综合ASIC116可以包括存储器124和磁性传感器126，它们的功能和特性随后会详细描述。存储器124的多个部分可以用来储存MPU108的操作期间生成的永久的和临时的值。例如，有关传感器的信息、取向信息、在操作期间产生的信号、执行各种操作的时间戳等，可以储存在存储器124的一部分中。

在一些例子中，MPU408作为集线器从不同的传感器收集信息，并且通过总线110把聚合的信息呈现给应用处理器104。例如，聚合器128可以聚合来自不同的传感器的信息并将聚合的信息呈现给应用处理器104。在一些例子中，可以实施一个或更多个功能模块以实现来自传感器的各种信息的聚合。如本领域技术人员能够理解的，这些功能模块可以作为硬件、软件或者硬件和软件的组合来实施。

在一些例子中，一个或更多个这样的功能模块可以作为存储在存储器124中的软件函数实施，其由处理器112执行。在一些例子中，这些功能模块中的一些可以作为存储在应用存储器106中的软件函数实施，其由应用处理器104执行。这些函数的结果可以报告回MPU108。

在一个例子中，MPU108被配置为通过总线110将有关主机装置100的取向的信息传递给应用处理器104。有关主机装置取向的信息可以储存在应用存储器106。主机装置上运行的一个或更多个应用程序可以利用存储的有关取向的信息以操控或更改显示器102上显示的信息。在一些例子中，基于有关取向的信息随时间的变化，有关取向的信息可以指示手势。在一些例子中，有关取向的信息可以指示参照固定位置的运动。

现在，参照图1B，描述了一个示例聚合器128。聚合器128可以包括集成模块130和传感器融合模块132。正如前面所描述的，传感器可以包括一个或更多个陀螺仪、加速计压力传感器、麦克风、光传感器、红外传感器、温度传感器、粒子传感器、触摸感应器、超声波传感器和指南针。在一些例子中，磁性传感器126可以被配置为指南针。陀螺仪的输出被馈送给集成模块130。集成模块130的输出(其指示陀螺仪的输出)以及加速计和指南针的输出都作为输入馈送给传感器融合模块132。产生作为传感器融合模块134的输出的聚合的传感器信息。在一些例子中，参照参考轴，聚合的传感器信息可以对应于指示装置的取向的信号。在一些例子中，参考轴可以对应于轴，该轴对应于地球的重力。如本领域技术人员能够理解的，这些功能模块中的一个或更多个可以作为存储在存储器124中的软件函数实施，其由处理器112执行。在一些例子中，这些功能模块中的一些可以作为存储在应用存储器106中的软件函数实施，其由应用处理器104执行。这些函数的结果可以报告回MPU108。

现在，参照图2，将描述一个示例磁性传感器126。磁性传感器126包括一个或更多个磁性传感器元件202、204、206和208。磁性传感器元件202、204、206和208被配置为使得磁性传感器元件的电阻由于外部磁场而发生变化。磁性传感器元件的电阻变化基于外部磁场的方向和广度。在一个例子中，外部磁场可以是地球磁场。每个磁性传感器元件可以耦合到电压源和开关元件，例如晶体管。基于施加到磁性传感元件的外部磁场，流过磁性传感器元件的电流将会发生变化。

在一些例子中，磁性传感器元件可以包括沿给定方向取向的钉扎层或永磁体。在本公开中，钉扎层和永磁体可以交换使用。在一些例子中，具有钉扎层的磁性传感器元件可以是巨磁阻传感器(或有时称为GMR传感器)。GMR传感器包括两个磁层和设置在两个磁层之间的导电层。在一些例子中，一个磁层可以是钉扎层。在一些其他例子中，具有钉扎层的磁性传感器元件可以是磁隧道结元件(有时称为MTJ元件)。MTJ元件的结构和操作将随后描述。有选择地配置磁性传感器元件以及测量电流变化能够有助于确定施加的外部磁场的方向。这个接下来将进一步解释。

磁性传感器元件202、204、206和208可以分别包括永磁体202’、204’、206’和208’。在一个例子中，磁性传感器元件202和206的永磁体202’和206’沿X轴取向。永磁体202’和206’的取向用箭头210和214示出。磁性传感器元件204和208的永磁体204’和206’沿与X轴正交的轴取向，例如Y轴。永磁体204’和208’的取向用箭头212和216示出。沿垂直于永磁体的取向的轴施加的外部磁场造成的最大量的电阻变化。例如，平行于永磁体的取向施加的磁场呈现了对于在永磁体取向的方向流动的电流的最大电阻。而且，垂直于永磁体取向施加的磁场呈现了对于在永磁体取向的方向流动的电流的最小电阻。

因此，参考已知取向的外部磁场，例如地球磁场，磁性传感器元件202、204、206和208的永磁体的取向的布置能够检测出传感器的取向。例如，在配置为惠斯通电桥的电阻器桥中，每个磁性传感器元件可以表示电阻器，用来基于外部磁场测量通过该桥的电流。

如本领域技术人员能够理解的，磁性传感器元件202和206中的永磁体的取向是彼此相反的，如箭头210和214所示。类似地，磁性传感器元件204和208中的永磁体的取向也是彼此相反的，如箭头212和216所示。如本领域技术人员能够理解的，这个结构允许沿着X轴和Y轴检测外部磁场的方向。现在，参考图2A，其描述能够检测在垂直于X轴和Y轴的Z轴施加的磁场的磁性传感器126的一个示例结构。

现在，参考图2A，其描述也能够检测在Z轴施加的磁场的磁性传感器126的一个示例结构。磁性传感器126的结构与参考图2所描述的结构相似。在这个例子中，聚磁器218操作性地安装在磁性传感器元件202、204、206和208上方，使得在Z轴所施加的磁场Bz通过聚磁器218弯曲，从而在X轴和Y轴上提供施加的磁场Bz的一部分。磁性传感器元件202和206测量X轴和Y轴两个方向所施加的磁场。同样地，磁性传感器元件204和208测量Y轴和Z轴两个方向所施加的磁场。通过对磁性元件202、204、206和208所测量的值进行分解，测量施加在Z方向上的磁场。

尽管磁性传感器126被描述为参考图2的两轴传感器和参考图2A的三轴传感器，如本领域技术人员能够理解的，磁性传感器126可以被配置为仅具有一个磁性传感器元件，例如，用于检测外部电场存在或不存在。现在，参考图2B，将描述磁性传感器元件202和204的永磁体202’和204’的示例结构。之后，将参考图3B描述作为磁隧道结(MTJ)元件的磁性传感器元件的另一个示例结构。图2B示出了磁性传感器元件202的永磁体202’。永磁体202’具有至少一个铁磁层FM1222和一个反铁磁层AFM1224。铁磁层有时可以被称为FM层。反铁磁层有时可以被称为AFM层。

图2C示出了磁性传感器元件204的永磁体204’。永磁体204’具有至少一个铁磁层FM2226和反铁磁层AFM2228。

处于该温度或者高于该温度，反铁磁层失去钉扎相邻的铁磁层的磁化方向的能力，则该温度被称为此AFM层的阻挡温度(Tblock)。在低于阻挡温度的温度，首先施加外部磁场并且然后撤去，AFM/FM磁体的磁化方向不改变。在一个例子中，磁性传感器元件202的永磁体202’的AFM1224层的阻挡温度与磁性元件204的永磁体204’的AFM2228层的阻挡温度不同。在一个例子中，AFM1224层的阻挡温度Ta比AFM2228层的阻挡温度Tb高。

现在，参考图2D和2E，将描述磁性元件202和204的永磁体的示例取向。现在参考图2D，示出磁性传感器元件202，其中箭头232示出永磁体202’在第一方向的磁性取向。例如，沉积FM1和AFM1薄膜的交互层以形成磁性传感器元件202的永磁体202’。AFM1层的阻挡温度是Ta。将薄膜的温度提升至高于AFM层的阻挡温度Ta后，在永磁体202’的取向的期望方向上施加第一外部磁场(外部场1)。施加第一外部磁场后，温度被降低至低于阻挡温度Ta。此时，磁性传感器元件202的永磁体202’在第一方向被磁化，该方向对应于所施加的磁场的方向。在一个例子中，磁性感应器元件202的永磁体202’的磁性取向对应于x轴。

现在参考图2E，其示出磁性传感器元件202，其中箭头232示出永磁体202’在第一方向上的磁性取向。此外，还示出磁性传感器元件204，其中箭头234示出磁性传感器元件204的永磁体204’在第二方向的磁性取向。例如，沉积FM2和AFM2薄膜的交互层以形成磁性传感器元件204的永磁体204’。磁性传感器元件204的永磁体204’的AFM层的阻挡温度是Tb，其低于磁性传感器元件202的永磁体202’的AFM层的阻挡温度Ta。

在将薄膜的温度提升至高于磁性传感器元件204的永磁体204’的AFM2层的阻挡温度Tb，但是低于磁性传感器元件202的永磁体202’的AFM1层的阻挡温度Ta后，在磁性传感器元件204的永磁体204’的取向的期望方向上施加第二外部磁场(外部场2)。施加第二外部磁场之后，温度被降低至低于阻挡温度Tb。此时，磁性传感器元件204的永磁体204’在第二方向被磁化，该方向对应于所施加的磁场的方向。在一个例子中，磁性感应器元件204的永磁体204’的磁性取向对应于y轴。

如本领域技术人员能够理解的，由于磁性感应器元件202的永磁体202’的AFM1层的阻挡温度Ta高于磁性感应器元件204的永磁体204’的AFM2层的阻挡温度Tb，即使对磁性感应器元件202的永磁体202’被暴露于施加的第二方向上的第二磁场，磁性感应器元件202的永磁体202’的磁性取向仍保持在第一方向。

磁性感应器元件202的永磁体202’的示例AFM1222层材料可以是镍锰(NiMn)合金，其具有大约350摄氏度的阻挡温度Tblock。磁性感应器元件204的永磁体204’的示例AFM2226层材料可以是铁锰(FeMn)合金，其具有大约170摄氏度的阻挡温度Tblock。例如，通过将FM1/AFM1层的温度提升至高于350摄氏度并在第一方向施加磁场，具有NiMnAFM1层的磁性感应器元件202的永磁体202’可以在第一方向被磁化。通过将FM2/AFM2层的温度提升至高于阻挡温度Tb但是低于阻挡温度Ta并且在第二方向施加磁场，具有FeMnAFM2层的磁性感应器元件204的永磁体204’可以在第二方向被磁化。例如，通过将磁性薄膜堆叠的温度提升至大约250摄氏度。

在一个例子中，可以形成多个FM层和AFM层的交互层。例如，每个AFM层和FM层的厚度可以在10埃到1000埃的范围内。在一些例子中，交互AFM和FM层的总厚度可以在大约0.1微米到大约1.5微米的范围内。

现在，参考图3，将描述本公开的一个示例存储器124。在一个例子中，存储器124包括磁性存储阵列300，其具有多个磁性存储元件302。磁性存储元件302可以配置成磁隧道结(MTJ)元件。提供多个行导体304和列导体306。一对行导体304和列导体306被配置为操作性地耦合到磁性存储元件502中的一个。每个行导体304在一端耦合至行开关元件308以及在另一端耦合至行电源电压Vr。每个列导体306在一端耦合至列开关元件310以及在另一端耦合至列电源电压Vc。在一些例子中，行电源电压Vr和列电源电压Vc可以相同。在一些例子中，行开关元件308和列开关元件310可以是晶体管。如本领域技术人员能够理解的，选择性地打开行开关元件308和列开关元件310，一个磁性存储元件302将耦合至对应的行导体304和列导体306。

现在，参考图3A，其描述了一个示例MTJ元件330。在一个例子中，磁性存储元件302被配置成MTJ元件330。该MTJ元件由两个磁层形成，这两个磁层被薄的绝缘层320分隔开。其中一个磁层称为钉扎层322，而另一个磁层称为自由层324。为了制造永磁体，钉扎层322在预定义的方向取向。在一个例子中，钉扎层322可以包括交互FM和AFM层。如本领局技术人员能够理解的，钉扎层322的FM层与绝缘层320接合。

自由层324可以在与钉扎层322相同的方向或者与钉扎层322相反的方向选择性取向。当自由层324在与钉扎层322相同的方向取向时，MTJ元件的电阻将会小于当自由层324在与钉扎层322相反的方向取向时的电阻。MTJ元件电阻的这种差别可以有利地用于指示比特的两种状态，从而生成二进制存储元件。在一个例子中，如前所述，开关元件(例如，晶体管)可以与MTJ元件串联耦合，从而根据MTJ的电阻确定存储比特的状态。有时这些MTJ存储元件被称为磁阻或MR存储元件。

可以用不同的方法转换自由层324的取向。在一些例子中，给自由层324施加外部磁场以将自由层324的取向方向从一个取向转变到另外一个取向。在这个例子中，钉扎层322被构造成使得钉扎层322的取向不会通过向自由层324施加外部磁场而改变。而且，钉扎层322和自由层324的取向在室温下是稳定的。这些类型的MTJ元件有时被称为磁场转换MTJ，这种MTJ的阵列称为磁场转换的MRAM。

在一些例子中，不使用磁场，而是通过使用流过MTJ的自旋极化电流，执行自由层324的取向方向的转换。这些类型的MTJ阵列有时被称为STTMRAM，其中STT表示自旋转移力矩。有时，这些类型的MTJ阵列也可以被称为自旋转移转换MRAM。

在另一个例子中，转换自由层324的取向方向使用热辅助执行。在这个例子中，在转换自由层324的取向之前，MTJ被短暂地加热。例如，通过施加外部磁场，可以执行自由层324的取向的转换。自由层324的取向转换之后，移除施加的热量。在这个例子中，钉扎层322被构造成使得钉扎层322的取向不会通过向自由层324施加热或外部磁场而被改变。此外，钉扎层322和自由层324的取向在室温下是稳定的。

现在，参考图3B，其描述作为磁性传感器元件的MTJ元件330的示例结构和操作。图3B示出描述基于施加的外部磁场B的MTJ元件330的电阻变化关系的曲线图332。在曲线图332中，X轴表示施加的磁场B。Y轴示出对应的电阻R。线334示出基于施加磁场B的MTJ元件的电阻。根据磁场的取向，所施加的磁场被示出为在X轴上0点的正向或者反向。例如，当施加磁场B为0时，MTJ元件的电阻是N欧姆。当施加磁场为正且在范围B3时，MTJ元件的电阻基本恒定在H欧姆的值。当施加磁场为负且在范围B1时，MTJ元件的电阻基本恒定在L欧姆的值。当施加磁场在范围B2时，MTJ元件的电阻从低电阻L欧姆到高电阻H欧姆变化。

如本领域技术人员能够理解的，在一些例子中，MTJ元件330可以配置为充当磁性传感器元件，从而在BR的操作范围内感测所施加的磁场，其中MTJ元件的电阻基于施加的磁场发生变化，例如，在线334的R1-R2部分。在一些例子中，参考图2所描述的磁性传感器元件202、204、206和208可以可替代地配置为MTJ元件从而感测所施加的磁场。在一些例子中，配置为磁性传感器元件的MTJ元件可以是磁场转换MTJ。

在一些例子中，MTJ元件330可以被配置为充当磁性存储元件，如前面参考图3A所述。例如，在一些例子中，通过在范围B1内施加磁场从而储存第一状态，而通过在范围B2内施加磁场从而储存第二状态。如前所述，如果自由层的取向与钉扎层的基本相同，那么MTJ元件的电阻将会为低。这种低阻态可以用于指示其中一个状态，例如第一状态。类似地，如果自由层的取向与钉扎层的基本相反，那么MTJ元件的电阻将会为高。这种高阻态可以用于指示其中一个状态，例如第二状态。

如本领域技术人员能够理解的，磁性传感器126和磁性存储器元件124都具有在其构造期间形成的磁层。另外，磁性传感器126和磁性存储器元件124的一层或更多层都具有在特定方向取向的永磁体。在一些例子中，磁性传感器元件和磁性存储器元件可以是MTJ元件。在综合ASIC116中构建磁性传感器126和磁性存储器元件124两者可以是有利的。示例综合ASIC116将进一步参考图6描述。

图4示出了一个示例综合ASIC116。综合ASIC116包括集成电路基板402。集成电路基板402可以是硅基板，其可以用于形成一个或更多个电子电路，使用例如CMOS技术。在一个例子中，磁性传感器126和存储器124形成在集成电路基板402上。例如，存储器124的磁性存储元件302形成在集成电路基板402上。此外，磁性传感器126中的磁性传感器元件202、204、206和208也可以形成在集成电路基板402上。磁性存储元件302的结构可以与参考图3和图3A所述的类似。磁性传感器元件202、204、206和208的结构与参考图2、图2A、图2B、图2C、图2D、图2E和图3B所述的类似。

如本领域技术人员能够理解的，在一个例子中，磁性存储元件302的钉扎层322可以被构造成与磁性传感器元件202或204中的一个的永磁体类似，如前所述。在一个例子中，钉扎层322可以包括交互FM层和AFM层。在一个例子中，钉扎层322可以与磁性传感器元件202的永磁体202’类似，其中具有交互FM1层和AFM1层。因此，在形成磁性元件202的永磁体202’时，磁性存储元件302的钉扎层322也可以形成。在这个例子中，磁性存储元件302的钉扎层322的取向将对应于磁性传感器元件202的永磁体202’的取向。当磁性元件204的永磁体204’形成时，由于AFM2层的阻挡温度较低，磁性存储元件302的钉扎层322的磁性取向不受影响。

在一个例子中，磁性存储元件302的自由层324可以包括交互FM层和AFM层。在一些例子中，自由层324的AFM层可以被选择从而使得AFM层的阻挡温度比AFM1层和AFM2层两者的阻挡温度小。

现在参考图4A，其示出以条纹形状沉积的示例性磁性传感器元件202模。例如，磁性传感器元件202具有长边412和短边414。薄膜的宽高比Ar定义为短边414的宽度与长边412的长度相比。例如，宽长比Ar为1∶1指示正方形，其中长边412的长度和短边414的宽度相同。类似地，宽长比Ar为1∶10指示窄的矩形，其中长边412的长度是短边414的宽度的10倍.

当在第一方向施加磁场时，磁化优选地沿着对应于沉积的薄膜的细长部分的轴发生。这个现象称为形状的各向异性。例如，对于示出的长条纹图形，磁化可以沿着轴a-a’发生，在长条纹图形中，其为最长可能距离。然而，对于长条纹图形，优选的磁化方向沿着轴b-b’。如本领域技术人员能够理解的，优选的轴b-b’基本平行于条纹图形的长边。

在与条纹图形的长边基本平行的方向实现磁化的一个方法是使得沉积的薄膜具有高的宽长比，例如宽长比Ar在1∶10或者更高的范围内。然而，当使用高的宽长比条纹图案时，例如宽长比为大约1∶10或者更高，磁性薄膜的矫顽力Hc增大。

例如，参考图4B，其示出具有高的宽长比Ar的磁性薄膜的示例性B-H曲线416。在这个例子中，磁性薄膜的矫顽力(Hc)相当大。在这个例子中，薄膜的高的宽长比Ar引起矫顽力的增大。随着矫顽力的增大，在整个感测磁场范围(Hsense)内，我们不再能够保持期望的磁场，因为磁性薄膜的磁滞环线与整个磁场范围重叠。

在一些实施例中，具有形成磁性传感器元件的永磁体的磁条纹可以是优选的，例如具有长边和短边的磁性传感器元件202、204、206和208的永磁体，其中具有成形的短边。短边可以被成形为使得沿着长边的最长距离基本上沿着磁条纹图形的中心。具有这种结构的示例磁条图形在图4C和图4D中示出。

参考图4C，永磁体(例如，磁性传感器元件202的永磁体202’)具有长边412。短边414具有等腰三角形的形状。沿着长边的最长距离基本上沿着磁条纹图形的中心，例如沿着轴c-c’，穿过等腰三角形的顶点。如前所述，当在基本上沿着轴c-c’的方向向磁性传感器元件202的永磁体施加磁场时，永磁体的磁化取向将基本上沿着轴c-c’。

现在，参考图4D，永磁体(例如，磁性传感器元件202的永磁体202’)具有长边412和短边414。在这个例子中，短边414具有对称凸抛物线的形状。沿着长边的最长距离基本上沿着磁条纹图形的中心，例如沿着轴d-d’。如前所述，当在基本上沿着轴d-d’的方向向磁性传感器元件202的永磁体202’施加磁场时，磁性元件202的永磁体202’的磁化取向将基本上沿着轴d-d’。

如本领域技术人员能够理解的，当形成磁性传感器元件202、204、206和208的永磁体时，利用形状的各向异性，磁化方向上的任何可能的不对准或偏移都可以被最小化。磁性存储元件302也可以利用形状的各向异性被类似地构造。另外，使用FM/AFM层的交互层，例如，如参考图2B和2C所述，允许使用具有较小宽长比Ar的磁条纹图案，例如宽长比Ar在大约1∶1到大约1∶5的范围内。

现在，参考图5，其描述了一个示例性MEMS装置500。MEMS装置500包括MEMS基板501和集成电路基板526。MEMS基板501包括操作层(handlelayer)502和装置层(devicelayer)504。融合接合层506接合操作层502和装置层504，从而形成上部腔体508，其由操作层502的下侧510和装置层504的上侧512限定。

现在参考装置层504，多个支架514结构，例如通过深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，形成在装置层504上。图5还示出了沟道图案520-1和520-2，驱动器522、装置焊盘524、集成电路基板526、IC焊盘528和密封环530。在一些例子中，密封环530可以是导电金属密封。通过在装置层504上形成多个沟道图案520-1和520-2，例如使用DRIE工艺，创建可移动驱动器522。驱动器522可配置成传感器，例如用于测量加速度、角旋转等。接下来，装置焊盘524，优选地由锗合金制成，在装置层504上沉积和图案化。

集成电路基板526包括一个或更多个电子电路，其与形成在装置层504上的各种传感器通信。集成电路基板526也可以包括存储器124和磁性传感器126。在一些例子中，处理器112和总线118也可以形成在集成电路基板526上。IC焊盘528，优选地由锗合金制成，在集成电路基板526上沉积和图案化。IC焊盘528耦合到装置焊盘524以提供到形成在装置层504上的各种传感器的通信路径。例如，装置焊盘524可以导电地与IC焊盘528接合。

支架514-1围绕形成在装置层504上的各种装置。在支架514-1上形成密封圈530以接合装置层504和集成电路基板526，例如，用于密封形成在装置层504上的各种装置。支架514-1的高度以及密封环530限定下部腔体532的高度。

尽管相对于本发明的优选实施例当前考虑的内容描述了本发明的实施例，但是应当理解的是，本发明不限于上面所描述的实施例。相反地，在附加权利要求的精神和范围内，本发明旨在涵盖各种修改和等效布置。

Claims (48)

1.一种装置，包括：

集成电路基板；

磁性传感器，所述磁性传感器至少含有一个磁性传感器元件，所述磁性传感器元件包含永磁体，所述磁性传感器安装在所述集成电路基板上；以及

多个磁性存储元件，每个磁性存储元件含有至少一个永磁体，所述多个磁性存储元件安装在所述集成电路基板上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁性传感器中至少包括一对磁性传感器元件，其中一个所述磁性传感器元件的所述永磁体的取向与另一个所述磁性传感器元件的所述永磁体的取向正交。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述磁性存储元件包括钉扎层、绝缘层和自由层，其中所述钉扎层被配置为具有固定取向的永磁体，并且所述自由层被配置为在第一取向和第二取向之间转换。

4.根据权利要求3所述的装置，其中施加外部磁场以选择性地转换所述自由层的取向。

5.根据权利要求3所述的装置，其中自旋极化电流通过所述磁性存储元件以选择性地转换所述自由层的取向。

6.根据权利要求4所述的装置，其中在施加所述外部磁场之前，选择性地加热所述自由层。

7.根据权利要求3所述的装置，其中所述多个磁性存储元件的所述钉扎层被形成为具有与所述磁性传感器元件中的所述永磁体的取向基本上相同的取向。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述磁性传感器元件中的所述永磁体和所述磁性存储元件的所述钉扎层包括一对铁磁层即FM层和反铁磁层即AFM层。

9.根据权利要求3所述的装置，其中所述磁性传感器元件包括钉扎层、绝缘层和自由层，其中所述钉扎层被配置为具有固定取向的永磁体，并且所述自由层被配置为使得当外部磁场施加在所述磁性传感器元件上时，所述磁性传感器元件的电阻发生变化。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述磁性传感器元件的电阻的变化指示所施加的磁场的方向。

11.根据权利要求2所述的装置，其中所述磁性传感器元件中的所述永磁体至少包含一对铁磁层即FM层和反铁磁层即AFM层，其中一个所述磁性传感器元件的所述AFM层的阻挡温度比另一个所述磁性传感器元件的所述AFM层的阻挡温度高。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，通过以大于较高的阻挡温度的温度，在第一方向上施加外部磁场，所述磁性传感器元件的所述永磁体中的一个在所述第一方向上被磁化。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，通过以大于具有较低阻挡温度的AFM层的所述较低阻挡温度但是小于具有较高阻挡温度的AFM层的阻挡温度的温度，在第二方向上施加另一个外部磁场，所述磁性元件的所述永磁体中的另一个在所述第二方向上被磁化。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述永磁体被形成为具有长边和短边的条纹图案，所述条纹图案的宽度和长度的比值限定了宽长比，其中所述宽长比在1∶1到1∶5的范围内。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述短边被成形为使得沿着所述长边的最长距离基本上沿着所述条纹图案的中心。

16.根据权利要求14所述的装置，其中所述短边具有对称凸抛物线的形状。

17.根据权利要求14所述的装置，其中所述短边具有等腰三角形的形状。

18.根据权利要求8所述的装置，其中所有的所述永磁体都具有多个FM层和AFM层的交互层，其中所述FM层和所述AFM层中的每个都具有在大约10埃到大约1000埃之间的厚度。

19.根据权利要求18所述的装置，其中FM层和AFM层的所述交互层的总厚度在大约0.1微米和大约1.5微米之间。

20.根据权利要求11所述的装置，其中所有的所述永磁体都具有多个FM层和AFM层的交互层，其中所述FM层和所述AFM层中的每个都具有在大约10埃到大约1000埃之间的厚度。

21.根据权利要求20所述的装置，其中FM层和AFM层的所述交互层的总厚度在大约0.1微米和大约1.5微米之间。

22.根据权利要求13所述的装置，其中聚磁器安装在所述一对磁性传感器元件上，从而使施加的正交于所述一对磁性传感器元件中的所述永磁体的取向的磁场弯曲；并且所述一对磁性传感器元件被配置为用于测量施加的正交于所述一对磁性传感器元件中的所述永磁体的取向的所述磁场的强度。

23.根据权利要求1所述的装置，还包括：

MEMS基板，所述MEMS基板包括操作层和装置层，其中传感器形成在所述装置层上；

安装在所述集成电路基板上的多个IC焊盘；以及

耦合到所述传感器的多个装置焊盘，其中所述多个装置焊盘选择性地耦合到所述多个IC焊盘从而处理所述传感器产生的信号。

24.根据权利要求23所述的装置，其中所述装置层利用导电金属密封与所述集成电路基板耦合，从而形成装置腔体。

25.一种用于提供装置的方法，包括：

提供集成电路基板；

安装具有至少一个磁性传感器元件的磁性传感器，其中所述至少一个磁性传感器元件具有永磁体，所述磁性传感器安装在所述集成电路基板上；以及

安装多个磁性存储元件，每个磁性存储元件至少具有一个永磁体，所述多个磁性存储元件安装在所述集成电路基板上。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述磁性传感器至少包含一对磁性传感器元件，其中一个所述磁性传感器元件的所述永磁体的取向正交于另一个所述磁性传感器元件的所述永磁体的取向。

27.根据权利要求25所述的方法，其中所述磁性存储元件包括钉扎层、绝缘层和自由层，将所述钉扎层配置为具有固定取向的永磁体，并且将所述自由层配置为在第一取向和第二取向之间转换。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括施加外部磁场以选择性地转换所述自由层的取向。

29.根据权利要求27所述的方法，还包括使自旋极化电流通过所述磁性存储元件以选择性地转换所述自由层的取向。

30.根据权利要求28所述的方法，还包括在施加所述外部磁场之前，选择性地加热所述自由层。

31.根据权利要求27所述的方法，还包括形成所述多个磁性存储元件的所述钉扎层，其中所述钉扎层具有与所述磁性传感器元件的所述永磁体的取向基本相同的取向。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述磁性传感器元件的所述永磁体和所述磁性存储元件的所述钉扎层包括一对铁磁层即FM层和反铁磁层即AFM层。

33.根据权利要求27所述的方法，其中所述磁性传感器元件包括钉扎层、绝缘层和自由层，其中所述钉扎层被配置为具有固定取向的永磁体，并且所述自由层被配置使得当外部磁场被施加在所述磁性传感器元件上时，所述磁性传感器元件的电阻发生变化。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述磁性传感器元件的所述电阻的变化指示施加的所述外部磁场的方向。

35.根据权利要求26所述的方法，其中所述磁性传感器元件的所述永磁体至少包含一对铁磁层即FM层和反铁磁层即AFM层，其中一个所述磁性传感器元件的所述AFM层的阻挡温度比另一个所述磁性传感器元件的所述AFM层的阻挡温度高。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括通过以大于较高的阻挡温度的温度，在第一方向上施加外部磁场，从而在所述第一方向上磁化所述一对磁性传感器元件的所述永磁体中的一个。

37.根据权利要求36所述的方法，还包括通过以大于具有较低阻挡温度的AFM层的较低阻挡温度但是小于具有较高阻挡温度的AFM层的阻挡温度的温度，在第二方向上施加另一个外部磁场，从而在所述第二方向上磁化所述一对磁性传感器元件的所述永磁体中的另一个。

38.根据权利要求37所述的方法，还包括将所述永磁体形成为具有长边和短边的条纹图案，所述条纹图案的宽度和长度的比值限定宽长比，其中所述宽长比在1∶1到1∶5的范围内。

39.根据权利要求38所述的方法，还包括成形所述短边使得沿着所述长边的最长距离基本上沿着所述条纹图案的中心。

40.根据权利要求39所述的方法，其中所述短边具有对称凸抛物线的形状。

41.根据权利要求39所述的方法，其中所述短边具有等腰三角形的形状。

42.根据权利要求32所述的方法，其中所有的所述永磁体都具有多个FM层和AFM层的交互层，其中所述FM层和所述AFM层中的每个都具有在大约10埃和大约1000埃之间的厚度。

43.根据权利要求42所述的方法，其中FM层和AFM层的所述交互层的总厚度在大约0.1微米和大约1.5微米之间。

44.根据权利要求35所述的方法，其中所有的所述永磁体都具有多个FM层和AFM层的交互层，其中所述FM层和所述AFM层中的每个都具有在大约10埃和大约1000埃之间的厚度。

45.根据权利要求44所述的方法，其中FM层和AFM层的所述交互层的总厚度在大约0.1微米和大约1.5微米之间。

46.根据权利要求35所述的方法，还包括将聚磁器安装在所述一对磁性传感器元件上，从而使施加的正交于所述一对磁性传感器元件的所述永磁体的取向的磁场弯曲；以及配置所述一对磁性传感器元件用于测量施加的正交于所述一对磁性传感器元件的所述永磁体的取向的所述磁场的方向。

47.根据权利要求25所述的方法，还包括：

提供MEMS基板，所述MEMS基板包括操作层和装置层；

在所述装置层上形成传感器；

在所述集成电路基板上安装多个IC焊盘；以及

将多个装置焊盘耦合到所述传感器；以及

选择性地将所述多个装置焊盘耦合到所述多个IC焊盘以便处理所述传感器产生的信号。

48.根据权利要求46所述的方法，还包括利用导电金属密封将所述装置层耦合到所述集成电路基板，从而形成装置腔体。