CN106489063B - 使用磁隧道结的基于mlu的加速计 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种基于MLU的加速计，包括：至少一个MLU单元，包括位于具有固定的第一磁化方向的第一磁性层与具有能够改变的第二磁化方向的第二磁性层之间的隧道势垒层；检测质量，包括具有引起检测质量场的检测质量磁化的铁磁材料，所述检测质量弹性地悬浮，以便能够在经受加速度向量时沿至少一个方向偏斜，所述检测质量经由所述检测质量场磁耦合到所述至少一个MLU单元；以及读取模块，配置用于确定所述至少一个MLU单元的每个的磁阻，以便从检测质量相对于所述至少一个MLU单元的任一个的偏斜来确定加速度向量。

Description

使用磁隧道结的基于MLU的加速计
技术领域
本发明涉及具有增加灵敏度的加速计装置。
背景技术
加速计是用来测量加速力的MEMS装置。传统应用包括振动测量、地震检测和地震应用。MEMS加速计的最常见用途之一是在汽车的安全气囊部署系统中和潜在的所有智能电话和平板中。加速计在汽车和移动工业中的广泛使用显著降低其成本。在当前市场中，单轴、双轴和三轴模型通常是可用的。因为引入第一微加速计，所以电容加速计的性能显著改进。
位移加速计响应输入加速度而测量悬浮检测质量的位移。图1(左)示出基于电容的加速计1的示意图，该加速度计包括通过弹性系缆12和梳状电极13(其包括两个固定板14)悬浮的检测质量11。图1(右)还示出基于电容的加速计的检测质量11，其因向左定向的加速度70而向右偏斜51。
图2是示出电容加速计的梳形架构的SEM图像。
由电容加速计所编码的信息是电容的值。换言之，引起电容加速计上的加速度转化为微电容的值的变化。
最近的加速计使用如图3所示的开环系统。施加到加速计1的两个固定板14的信号是异相180°的AC信号。测量电路的输出是其幅度与感兴趣电容成比例的AC信号。为了按照能够遵循与电容C的改变相关联的变化的方式来提取这个幅度，可使用同步解调器。载波信号通过低通滤波器来滤波以去除不相关信息。
电容的变化通常在毫微微法拉范围中。
MEMS是缩减到微米尺寸的机械元件与公共硅衬底上的电子器件的集成。在这个尺度下(μm)，具有对机构、设计、材料和制作过程的缩放性质的良好了解是至关重要的。来自加利福尼亚大学伯克利分校的K.S.J. 皮斯特和其他研究人员的研究：MEMS性能与大小成反比关系。大多数传感器的原始灵敏度随着其尺寸变小而降低。
大多数MEMS传感器系统的基本限制是热噪声。温度、分子的振动使所有机械和电气装置以大约10-21焦耳的平均动能抖动。这足以干扰电容加速计(其通常具有毫微微法拉(10-12法拉)的量级)的测量。
电容加速计能够检测仅1个g的变化，其对于汽车安全气囊应用或智能电话取向检测是足够的。但是，电容加速计测量微个g的变化很费劲，而这种变化在卫生保健的应用或实时应用中是至关重要的。
US2007025027公开用于感测物理参数的方法和设备。该设备包括磁隧道结(MTJ)和磁场源，磁场源的磁场重叠MTJ，并且其与MTJ的接近程度响应于进入传感器的输入而改变。MTJ包括第一和第二磁电极，其通过配置成准许它们之间的显著隧穿传导的电介质所分隔。第一磁电极使其自旋轴固定，以及第二磁电极使其自旋轴活动。磁场源定向成比第一磁电极更靠近第二磁电极。总传感器动态范围通过提供多个电耦合传感器(其接收相同的但是具有不同单独响应曲线的输入，并且合乎需要地但不是绝对必要地在同一衬底上形成)来扩展。
US2013066587公开一种位置传感器，其包括集成电路以及向集成电路提供指示磁场源位置的检测信号的磁场传感器。磁场传感器包括隧穿磁阻(TMR)传感器。位置传感器还包括耦合到集成电路的无线电路，其中无线电路包括配置成基于所检测信号来辐射位置信号的天线。
US2013255381公开一种惯性传感器，其具有带激励线圈以及沿第一轴延伸的第一感测线圈的主体。悬浮质量包括磁场集中器，其处于与激励线圈对应的位置，并且配置为因惯性在沿第一轴的平面中位移。电源和感测电路电耦合到激励线圈和第一感测线圈，并且配置用于生成时变电流，该电流在激励线圈中流动，以便生成与磁场集中器相互作用，从而在感测线圈中引起电压/电流的磁场。集成电路配置用于测量第一感测线圈中引起的电压/电流的值，以便检测与悬浮质量沿第一轴的位移相关联的量。
先前解决方案全部落入两个类别：更好的设计方式、更好的放大器。
试图帮助稳定已经很小的电容测量(单位为毫微微法拉)的不同设计方式通常在制作过程中引入较高成本。另外，CMOS电路必须补偿温度变化(因芯片运动所产生)，并且日益需要更精确的放大器。
发明内容
本公开涉及一种基于MLU的加速计，包括：
至少一个MLU单元，包括位于具有固定的第一磁化方向的第一磁性层与具有第二磁化方向的第二磁性层之间的隧道势垒层，第二磁化方向能够改变，并且因第二与第一层之间的磁耦合而取向为与第一磁化反平行；
检测质量，包括具有引起检测质量场的检测质量磁化的铁磁材料，检测质量弹性地悬浮，以便能够在经受加速度向量时沿至少一个方向偏斜，检测质量经由检测质量场磁耦合到所述至少一个MLU单元；以及
读取模块，配置用于确定所述至少一个MLU单元的每个的磁阻，以便从检测质量相对于所述至少一个MLU单元的任一个的偏斜来确定加速度向量。
本文所公开的基于MLU的加速计试图替代基于电容的MEMS加速计，并且应当在无需放大器的情况下提供更高的灵敏度。基于MLU的加速计还具有更低的静态功耗并且提供过程制作期间的优点。实际上，基于MLU的加速计能够在无需梳形结构（这种结构使过程复杂，但是对基于电容的加速计的正常功能又是必需的）的情况下工作。此外，基于MLU的加速计无需感测电路（基于电容的加速计通常需要该感测电路）。
附图说明
借助于作为举例所给出并且通过附图所示的实施例的描述，将会更好地了解本发明，附图包括：
图1示出常规电容检测质量悬浮加速计；
图2是示出常规电容加速计的梳形架构的SEM图像；
图3示出常规开环系统；
图4示出按照一实施例、包括引起检测质量场的检测质量和多个MLU单元的二维基于MLU的加速计的顶视图；
图5示出按照一实施例、包括存储层和感测层的MLU单元的侧视图；
图6是示出基于MLU的加速计的顶视图，其显示因加速度向量而偏斜的检测质量；
图7a和图7b示出按照一实施例、在检测质量场存在的情况下的存储层的存储磁化和感测层的感测磁化；以及
图8示出施加偏置磁场时的MLU单元的电阻的变化。
具体实施方式
本发明的原理是通过MLU叠层(其能够被认为是可变电阻器)来取代MEMS加速计中的电容。加速计将仍然基于检测质量系统。但是，电容加速计所需的梳形架构不是必需的。
按照一实施例，在图4中示出二维基于MLU的加速计100的顶视图。基于MLU的加速计100包括检测质量6，其包括具有沿引起检测质量场61的预定方向所定向的检测质量磁化60的铁磁材料。检测质量6通过弹簧元件62悬浮，使得当加速计100经受加速度向量时，检测质量6沿与加速度向量的方向相反的方向偏斜。在图4的示例中，二维基于MLU的加速计100包括四个柔性梁62，其充当弹簧元件并且位于检测质量6的四个角的每个。四个柔性梁6相对质量检测中心线的对称布置允许检测质量6沿x方向和/或y方向偏斜(这取决于加速度向量的方向)和低的交叉轴灵敏度。柔性梁62能够经由锚定元件63附连到固定结构。
考虑弹簧元件的其他布置。例如，四个柔性梁6能够设置在检测质量6的侧面。
基于MLU的加速计100还包括四个基于MRAM的MLU单元。第一MLU单元101和第三MLU单元103沿y方向设置在检测质量6的每侧。第二MLU单元102和第四MLU单元104沿x方向设置在检测质量6的每侧。第一和第四MLU单元101、104能够用于检测沿x方向的加速度，以及第二和第三MLU单元102、103能够用于检测沿y方向的加速度。
图5示出按照一实施例的四个MLU单元101、102、103、104其中之一的侧视图。MLU单元101-104包括第一磁性层23、第二磁性层21和设置在第一磁性层23与第二磁性层21之间的隧道势垒层22。第一磁性层可以是具有存储磁化231的存储层23，以及第二磁性层可以是具有感测磁化211的感测层21。感测层21和存储层23的每个包括磁性材料或者由磁性材料形成，并且具体来说，是铁磁类型的磁性材料。铁磁材料可具有下列特征：具有特定矫顽性的基本上平坦磁化，该矫顽性指示在沿一个方向被驱动成饱和之后反转磁化的磁场的幅值。一般来说，感测层21和存储层23可包括同一铁磁材料或者不同的铁磁材料。如图5所示，感测层21可包括软铁磁材料（即具有较低矫顽性的铁磁材料），而存储层23能够包括硬铁磁材料（即具有较高矫顽性的铁磁材料）。这样，感测磁化211能够易于在低强度磁场下改变。适当的铁磁材料包括过渡金属、稀土元素及其合金(具有或者没有主族元素)。例如，适当的铁磁材料包括铁(“Fe”)、钴(“Co”)、镍(“Ni”)及其合金，例如坡莫合金(或Ni80Fe20)、基于Ni、Fe和硼(“B”)的合金、Co90Fe10以及基于Co、Fe和B的合金。在一些情况下，基于Ni和Fe(和可选的B)的合金能够具有比基于Co和Fe(和可选的B)的合金要小的矫顽性。感测层21和存储层23的每个的厚度可在nm范围中，例如从大约1 nm至大约20 nm或者从大约1 nm至大约10 nm。考虑感测层21和存储层23的其他实现方案。例如，感测层21和存储层23的任一个或两者能够按照与所谓的合成反铁磁层相似的方式包括多个子层。
隧道势垒层22可包括绝缘材料或者由绝缘材料形成。适当的绝缘材料包括氧化物，例如氧化铝(例如Al2O3)和氧化镁(例如MgO)。隧道势垒层22的厚度可在nm范围中，例如从大约1 nm至大约10 nm。
考虑MLU单元101-104的其他实现方案。例如，感测层22和存储层23的相对定位可以反转，其中感测层21设置在存储层23上方。
参照图4，磁隧道结2还包括存储反铁磁层24，其设置成与存储层23相邻，以及当存储反铁磁层24之内或附近的温度处于低阈值温度TL（即低于阻挡温度，例如奈尔温度）或者存储反铁磁层24的另一个阈值温度时，经过交换偏置沿特定方向固定存储磁化231。当温度处于高阈值温度TH（即高于阻挡温度）时，存储反铁磁层24使存储磁化231不再固定或释放存储磁化231，由此允许存储磁化切换到另一个方向。存储反铁磁层24包括反铁磁类型的磁性材料或者由反铁磁类型的磁性材料形成。适当的反铁磁材料包括过渡金属及其合金。例如，适当的反铁磁材料包括：基于锰(“Mn”)的合金，例如基于铱(“Ir”)和Mn的合金(例如IrMn)；基于Fe和Mn的合金(例如FeMn)；基于铂(“Pt”)和Mn的合金(例如PtMn)；以及基于Ni和Mn的合金(例如NiMn)。例如，存储反铁磁层24可包括基于Ir和Mn(或者基于Fe和Mn)的合金或者由基于Ir和Mn(或者基于Fe和Mn)的合金形成，这种合金具有大约120℃至大约220℃或者大约150℃至大约200℃的范围内的高阈值温度TH。因为使感测磁化211不再固定，所以在没有或者不考虑阈值温度（其以另外的方式设定了操作温度窗口的上限）的情况下能够选择高阈值温度TH以适应预期的应用，例如高温应用。感测磁化211在低和高阈值温度TL、TH处是自由可调的。包括具有自由可调感测磁化211的感测层21的这种类型的MLU单元1称作自引用MLU单元。
存储磁化231具有预定方向，可通过使用包括下列步骤的热辅助切换(TAS)写入操作来设置该预定方向：在高阈值温度TH下加热磁隧道结2，并且沿预定方向切换存储磁化231。
备选地，MLU单元101-104能够采用感测磁化211和参考磁化231(其通常是可例如在工厂预先配置但是随后可具有固定方向的磁化)来实现。MLU单元101-104的存储层23可通过下列步骤来设置：加热磁隧道结2，之后施加场线4中的电流(未示出)以沿适当方向对齐参考磁化231。这个设定可作为工厂中的预配置和/或作为基于MLU的加速计离开工厂之后的配置出现。
图6是示出基于MLU的加速计100的顶视图，其显示在经受加速度向量70时偏斜的检测质量6。具体来说，图6表示在没有加速度的情况下处于初始位置的检测质量6(通过细虚线所示)。当经受朝左定向的加速度向量70时，检测质量6还由沿朝向第二MLU单元102的x方向的第一偏斜51来表示偏斜(通过素线)。在这个配置中，检测质量6变成更靠近第二MLU单元102，并且第二MLU单元102观察到朝右定向的检测质量场61的增加幅值。
图7示出按照一实施例、在检测质量场61存在的情况下的MLU单元101-104的存储磁化方向231和感测磁化方向211。图7a示出加速计100的特定配置，其中第二MLU单元102和第四MLU单元104的存储磁化231具有与检测质量场61基本上平行对齐的预定方向(因而在图6和图7a中存储磁化231的方向朝右边定向)。图7b示出加速计100的特定配置，其中第一MLU单元101和第三MLU单元103的存储磁化231也具有与检测质量场61基本上平行对齐的预定方向(因而在图6和图7b中存储磁化231的方向朝左边定向)。
在图6和图7的特定配置中，检测质量场61与存储磁化方向231基本上平行地定向。磁双极耦合在存储磁化231与感测磁化211之间发生，使得在没有外部磁场的情况下感测磁化211与存储磁化231基本上反平行地对齐。检测质量6沿正或负x方向和y方向的偏斜将在MLU单元101-104内引起实际感测磁化211的降低并且引起感测层21的基本上反平行耦合磁化的降低，此时检测质量6是朝MLU单元101-104偏斜的。
参照图5和图6，MLU单元101-104还包括场线4(其磁耦合到磁隧道结2)和位线3(其电耦合到磁隧道结2)。场线4适合于传递偏置场电流41，以引起偏置磁场42，以及位线3适合于传递感测电流32。图6中，三个场线4或者三个场线部分4相互平行设置，使得第二和第四MLU单元102、104的每个通过独立的场线4来寻址，以及第一和第三MLU单元101、103通过另一个场线4，独立于第二和第四MLU单元102、104来寻址。
在基于MLU的加速计100的读操作期间，MLU单元101-104的每个的磁阻能够通过在偏置场线4(该偏置场线通过输入位来设置为匹配)中传递具有调制极性的偏置场电流41来调制。在基于MLU的加速计100的读操作期间，存储磁化方向231沿其预定方向保持为稳定。具体来说，调制偏置场电流41能够在场线4中传递，使得引起偏置磁场42，该偏置磁场配置用于将感测磁化211从与存储磁化231基本上反平行的取向切换到中间状态(平行与反平行之间)，其中结对检测质量6所发射的外部磁场极为灵敏。感测磁化211的中间状态能够对应于感测磁化211与存储磁化231基本上垂直的取向。在任何情况下，由于感测磁化211的取向随检测质量场61的变化(该变化与检测质量场61的变化基本上是线性的)，所以感测磁化211的中间状态引起MLU单元101-104的磁隧道结2的电阻R的变化。
图8示出当偏置磁场42(归一化施加场)在场线4中施加时的MLU单元101-104的电阻(归一化电阻)。能够得到作为偏置磁场42的函数的相同类型的电阻变化，以用于在电流线4中传递场电流41，电流线4对串联的多个MLU单元101-104进行寻址。换言之，偏置磁场42相对于存储磁化231来设置感测磁化211，使得感测磁化211按照与检测质量场61的变化基本上呈线性的方式来改变。图8中，电阻-电流曲线的线性部分在矩形6中示出。
在这个高灵敏状态中，即，在电阻-电流曲线的线性部分中，外部磁化的小变化(因检测质量6的偏斜引起的检测质量场61的小变化)导致结2的电阻值的大的线性变化。在图6和图7的示例中，这通过在场线4（该场线4对第一和第三MLU单元101、103进行寻址）中传递偏置场电流41来实现，该偏置场电流具有与对第二和第四MLU单元102、104进行寻址的偏置场电流相反的极性。偏置磁场42。
用于将感测磁化211切换到MLU单元101-104的高灵敏磁性状态（此状态下检测质量6朝MLU单元101-104偏斜）所需的偏置场电流41的幅值与检测质量场61的幅值成比例地增加，并且因而与检测质量6的偏斜的幅值成比例地增加。
感测磁化方向211和存储磁化方向231之间的对齐程度能够通过例如经由位线3(参见图5)在磁隧道结2中施加感测电流32来确定。施加感测电流32时测量磁隧道结2两端的电压产生感测磁化211相对于存储磁化231的取向的特定对齐的磁隧道结2的电阻值R。备选地，电阻值能够通过在磁隧道结2两端施加电压并且测量电流来确定。当感测磁化211与存储磁化231反平行时，磁隧道结2的电阻值R通常对应于最大值、即Rmax，以及当相应磁化为平行时，磁隧道结2的电阻值通常对应于最小值、即Rmin。
在一个示例中，假定沿存储磁化231的方向的检测质量场61为感测磁化211的耦合分量的g%，MLU单元101-104的电阻能够(相对于Rmin)以大约(g×(Rmax-Rmin)/Rmin)%的幅度变化。
因此，沿x或y方向的加速度能够经由基于MLU的加速计100中包含的MLU单元101-104的任一个的磁隧道结2的电阻变化来测量。
考虑基于MLU的加速计100的其他布置。例如，包括多个MLU单元的行能够设置在检测质量6的每侧，以便放大与沿x和y方向的任一个的加速度测量对应的电阻信号。例如，基于MLU的加速计能够通过将包括若干(可能数万)MLU单元的阵列耦合在一起来提供，其中阵列位于检测质量6的每侧。这种配置允许增加输出信号和测量电流增益，同时耦合电容保持得很小。
三维基于MLU的加速计能够通过将一个或多个MLU单元设置在检测质量6顶部和之下得到，以及检测质量能够设置用于沿z方向偏斜，以便感测沿z方向所定向的加速度向量。

Claims (5)

1.一种基于MLU的加速计，包括：
至少一个MLU单元，包括位于具有固定的第一磁化方向的第一磁性层与具有能够改变的第二磁化方向的第二磁性层之间的隧道势垒层；
检测质量，包括具有引起检测质量场的检测质量磁化的铁磁材料，所述检测质量弹性地悬浮，以便能够在经受加速度向量时沿至少一个方向偏斜，所述检测质量经由所述检测质量场磁耦合到所述至少一个MLU单元；其特征在于所述基于MLU的加速计还包括：
读取模块，配置用于确定所述至少一个MLU单元的每个的磁阻，以便从所述检测质量相对于所述至少一个MLU单元的任一个的所述偏斜来确定加速度向量，
其中所述读取模块包括：用于将所述第二磁化切换到高灵敏和线性状态的部件，在所述高灵敏和线性状态下，所述第二磁化方向处于与所述第一磁化方向平行和反平行之间的中间状态；以及用于确定所述第二磁化方向与所述第一磁化方向之间的对齐程度的部件。
2.如权利要求1所述的加速计，其中，所述用于将第二磁化切换到高灵敏和线性状态的部件包括磁耦合到所述MLU单元的场线，所述场线配置用于传递引起偏置场的偏置场电流。
3.如权利要求1所述的加速计，其中，所述读取模块还包括位线，所述位线配置用于经由所述位线在所述MLU单元中传递感测电流。
4.如权利要求1所述的加速计，包括位于所述检测质量的每侧、沿x方向的多个MLU单元以及位于所述检测质量的每侧、沿y方向的多个MLU单元。
5.如权利要求1所述的加速计，还包括位于所述检测质量顶部和之下的一个或多个MLU单元，使得能够感测沿z方向所定向的加速度向量。
CN201580037658.2A 2014-07-11 2015-06-30 使用磁隧道结的基于mlu的加速计 Expired - Fee Related CN106489063B (zh)

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