CN1322333C - 磁装置和定向该装置的磁化轴线的方法 - Google Patents

磁装置和定向该装置的磁化轴线的方法 Download PDF

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Abstract

相对第二磁元件(3)定向第一磁元件(2)磁化轴线的方法，其中第一元件(2)和第二元件(3)位于基底(1)上，磁元件中的每一个具有带磁化轴线(11)的第一磁层(10)，所述方法包括这样的步骤，即将磁通量集中装置图样(20)布置在第一磁元件(2)附近，并随后在施加的磁场中定向所述第一磁元件(2)的磁化轴线(11)。用于获得测量磁场的传感器的半成品包括基底(1)，在基底(1)是成桥式构造的第一磁元件(2)，第二磁元件(3)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)，所述桥式构造在第一触点(6)和第二触点(7)之间包括第一桥部分(8)和第二桥部分(9)，其中在第一桥部分(8)第一元件(2)和第二元件(3)电串联，在第二桥部分(9)第三元件(4)和第四元件(5)电串联。磁元件中的每一个包括具有磁化轴线(11)的第一磁层(10)，第一桥部分(8)中元件(2，3)的第一磁层磁化轴线(11)以及第二桥部分(9)中元件(4，5)磁化轴线定向为以相反方向延伸。在每个触点(6，7)附近，第一桥部分(8)元件的磁化轴线(11)相对第二桥部分(9)的元件方向相反。对于第一桥部分(8)的第一磁元件(2)和具有和第一元件(2)相同磁化轴线(11)方向的第二桥部分(9)的元件存在磁通量集中装置(14)。为改善传感器的灵敏度，为每个磁元件提供了磁通量集中装置(14)。

Description

磁装置和定向该装置的磁化轴线的方法
技术领域
本发明涉及相对第二磁元件定向第一磁元件磁化轴线的方法，其中第一磁元件和第二磁元件位于基底上，每个磁元件包括至少一个具有磁化轴线的磁层。
本发明还涉及用于获得传感器的半成品，包括一个基底，在基底上成桥式构造的第一磁元件，第二磁元件，第三磁元件和第四磁元件，所述桥式构造在第一和第二触点之间包括第一桥部分和第二桥部分，其中第一和第二元件串联布置在第一桥部分，第三和第四元件串联布置在第二桥部分，每个磁元件包括至少一个带磁化轴线的磁层，第一桥部分中元件磁层磁化轴线和第二桥部分中元件磁层磁化轴线定向为以相反方向延伸，并且在每个触点附近，一个桥部分元件的磁化轴线与另一个桥部分磁化轴线方向相反。
本发明还涉及用于测量磁场的传感器，包括一个基底，在基底上成桥式构造的第一磁元件，第二磁元件，第三磁元件和第四磁元件，所述桥式构造在第一和第二触点之间包括第一桥部分和第二桥部分，其中第一和第二元件串联布置在第一桥部分，第三和第四元件串联布置在第二桥部分，每个磁元件包括至少一个带磁化轴线的磁层，第一桥部分中元件铁磁层磁化轴线和第二桥部分中元件铁磁层磁化轴线定向为以相反方向延伸，并且在每个触点附近，一个桥部分元件磁化轴线和另一个桥部分元件磁化轴线方向相反。
背景技术
在EP0710850描述了一种方法，其中在第一磁元件附近提供了电导体，该电导体与磁元件电绝缘。通过使几百毫安的电流穿过导体，在第一磁元件磁层位置局部产生通常150奥斯特的磁场，所述局部产生的磁场使磁元件磁化轴线被定向到产生的磁场方向，而第二磁元件磁化轴线保持其原始方向。
已知方法的缺点在于所有方法不能普遍适用于定向不同磁材料的磁化轴线。通常，为定向许多磁材料的磁化轴线，需要几千奥斯特的磁场。通过使电流穿过导体能产生的磁场小得多。此外，仅能同时定向有限个磁元件，因为导体长度不能太长，导体长度太长会导致高串联电阻，在大电流时导致过高的损耗并损坏导体。
发明内容
本发明的目的在于提供在开始段落中所述类型的方法，该方法使易于定向不同磁材料的磁化轴线。
根据本发明，本发明的目的是这样实现的，即通过在至少第一磁元件附近提供磁通量集中装置图样并随后施加磁场定向第一磁元件磁层的磁化轴线。
根据本发明，提供了一种相对第二磁元件定向第一磁元件磁化轴线的方法，其中第一磁元件和第二磁元件位于基底上，每个磁元件包括一个具有磁化轴线的磁层，其特征在于，通过在至少第一磁元件附近提供磁通量集中装置图样并随后施加磁场，定向第一磁元件磁层的磁化轴线，其中第三磁元件和第四磁元件位于基底上，该第三和第四磁元件与第一磁元件和第二磁元件形成桥式构造，该桥式构造在第一触点和第二触点之间包括第一桥部分和第二桥部分，其中第一磁元件和第二磁元件串联布置在第一桥部分，第三磁元件和第四磁元件串联布置在第二桥部分，第三磁元件和第四磁元件也包括至少一个具有的磁化轴线的磁层，在靠近第一触点的第一桥部分第一磁元件附近提供磁通量集中装置图样，并且在靠近第二触点的第二桥部分磁元件附近提供类似的磁通量集中装置图样，当基本垂直投影在磁元件上时，所述元件基本上没有与磁通量集中装置图样重叠。
磁通量集中装置图样可以是例如磁通量传导材料图样。磁元件可以是例如磁传感器或磁读可存取存储器(MARM)的一部分。在施加的磁场中，磁通量集中装置图样集中穿过第一元件的磁通量。其结果是，穿过第一磁元件磁层的磁通量明显超过穿过第二磁元件磁层的磁通量。第二磁元件仅受到较小磁场作用，其结果是第二磁层的磁化方向仅受到很小程度的影响。这样，就可能利用较小的施加磁场，相对第二磁元件磁层磁化轴线定向第一磁元件磁层磁化轴线。
磁元件可加热到这样的温度，即在该温度带磁通量集中装置图样的第一磁元件的磁化轴线反转以按施加的磁场方向延伸。通过提高温度，磁化轴线接收到额外的热能，其结果是它们更易于反转。其结果是，使定向磁化轴线更容易。在某些材料系统中，加热对定向磁化轴线是必需的。如果例如磁层磁化轴线的方向是由交换偏压层强加的，则使温度升高到阻塞温度以上使交换偏压层和磁层之间的连接终止，从而使磁层磁化轴线方向反转。加热可能导致磁元件电阻发生变化，这会以同样的方式影响所有的磁元件，因此所有元件的电阻保持基本相同。这对于磁元件布置为惠斯通电桥构造的磁传感器是非常重要的，因为由此惠斯通电桥的偏移电压保持较小。
定向第一磁元件磁层磁化轴线后，通过在当前磁场中进行冷却固定磁化轴线方向。原则上，定向磁化轴线是一个可逆过程。在施加的磁场中，磁化轴线采取施加的磁场方向，但当磁场关闭后，磁化轴线恢复其原始方向。但在某些条件下，例如存在交换偏压耦合时，当磁化轴线被定向并在存在磁场时冷却，磁化轴线保持由定向过程强加的方向。
在制造用于测量磁场的传感器时，第三和第四磁元件位于基底上，该第三和第四磁元件与第一和第二元件形成桥式构造。所述桥式构造在第一和第二触点之间包括第一桥部分和第二桥部分，其中第一和第二元件串联布置在第一桥部分，第三和第四元件串联布置在第二桥部分。第三和第四磁元件也包括至少一个具有的磁化轴线的磁层。在磁传感器中，磁元件最好布置为桥式构造，如惠斯通电桥。桥式构造对温度效应不太敏感。磁传感器尤其用于汽车工业中，用于测量角度，转速和用于确定位置。
对于具有基于巨磁阻(GMR)效应或隧道磁阻(TMR)效应磁元件的传感器，可取的是桥部分中磁层磁化轴线转过180度。如果这样，在施加横穿第一和第二触点的电压时，横穿输出触点的输出信号是可从桥式电路中获得的最大信号，其中所述输出触点位于第一与第二元件和第三与第四元件之间。磁层的磁化轴线的方向通常是在磁场中沉积磁层时提供的。因此，磁层的磁化轴线开始时都具有相同的方向。
在至少一个磁元件附近提供了磁通量集中装置图样，然后以上述方式在施加的磁场中定向所述磁元件的磁化轴线。
在施加的磁场中，位于至少一个元件附近的磁通量集中装置图样集中穿过相关元件的磁通量。与其它元件相比，相关元件受到大得多的磁场作用。磁通量的加强在很大程度上由在所施加磁场方向上的磁通量集中装置图样宽度和磁元件宽度决定。借此，就可能以较小的施加磁场定向单个元件的磁化轴线。桥的其它磁元件仅受到较小的磁场作用，其结果是，这些其它元件的磁化轴线方向仅受到很小程度的影响。这样，就可能相对其它元件定向至少一个元件。通过随后在另一个磁元件附近提供磁通量集中装置图样，例如在第二桥部分，所述元件也可被定向。在桥式构造中，如惠斯通电桥，桥部分磁层磁化轴线可转过180度。
磁通量集中装置的另一个优点是施加的磁场相对磁元件对准的精度不用太高。磁通量集中装置图样是例如矩形并平行于例如磁元件两侧的磁元件边缘延伸。如果施加的磁场相对磁元件没有精确对准，即不是完全垂直于矩形磁通量集中装置图样延伸，而是所述施加的磁场与矩形磁通量集中装置图样成80度角，则所述磁通量集中装置保证磁通量集中装置之间的磁通量仍然基本垂直地穿过磁元件。当施加的磁场方向相对磁元件有偏差时，矩形磁通量集中装置相对磁元件边缘的对准决定了磁化轴线可被定向的精度。与施加的外磁场相比，磁通量集中装置图样可更精确地相对磁元件对准。磁化轴线在施加的磁场中可被定向的精度得到改善，并且对准更容易。
通过在第一触点附近的第一桥部分第一磁元件附近提供磁通量集中装置图样，并且在第二触点附近的第二桥部分磁元件附近提供类似的磁通量集中装置图样，则在施加的磁场中可同时定向所述元件的磁化轴线。对于同时定向的元件，销接(pinned)磁层磁化轴线方向基本相同。
如果图样基本垂直投影在磁元件上，则在图样和所述元件之间基本没有重叠。重叠必须小于50％以保证被定向元件磁化轴线50％根据定向方向定向并且50％根据原始方向定向，该磁化轴线转过180度，其结果是磁化基本为零。但小于30％的重叠是允许的。这使得桥部分两个元件的磁化被定向，这样获得的输出信号是尽可能大的。
为屏蔽第二触点附近的第一桥部分磁元件和第一触点附近的第二桥部分元件，以这样的方式提供了磁通量屏蔽装置图样，即当基本垂直投影在磁元件上时，所述元件至少大部分被包围。因为少量磁通量从屏蔽下方穿过，所以屏蔽装置图样的表面积最好比磁元件大。这样，磁元件铁磁层磁化轴线的方向在施加的磁场中保持基本不变。
有利的是，磁通量集中图样和磁通量屏蔽图样用同一层材料同时制造出来。借此，在一个步骤中在相对磁元件的适当位置上可提供磁通量集中图样和磁通量屏蔽图样。如果磁通量集中装置也可用作屏蔽装置，则从空间角度看是非常有利的。
层的材料最好具有较高的磁导率。可取的是，层是通过电镀生长出来的，这样还可容易地提供较厚的层。在一薄层符合要求的导电材料，即电镀基底上，在抗蚀图样之间生长出磁通量传导材料图样。随后，去掉抗蚀图样并蚀刻掉电镀基底。
作为另外一种选择，层可以首先通过电镀生长。借助标准平版印刷术，提供了抗蚀图样。例如通过物理或化学蚀刻对具有较高磁导率的材料层进行蚀刻，其结果是，磁通量集中装置图样和磁通量屏蔽装置图样周围的材料被蚀刻掉。
在施加的磁场中定向磁层磁化轴线后，去掉磁通量屏蔽装置图样和磁通量集中装置图样。获得了适用于测量磁场的传感器。
作为选择，可再次在每个磁元件附近提供磁通量集中装置图样。所有磁元件磁通量集中的结果是，传感器对测量较小的磁场更敏感。由于桥部分的较高灵敏度，还可能制造更小的传感器。传感器表面较小是非常有利的，因为在操作中，较小的传感器对外磁场梯度和温度波动更不敏感。
作为选择，可再次在每个磁元件附近提供磁通量屏蔽装置图样。在当屏蔽装置中出饱和时，只有一部分磁场穿过磁元件。不过传感器可用于测量较大的磁场。
本发明的目的还在于提供开始段落中所述类型的半成品，借此获得具有精确定向的磁化轴线的紧凑传感器。
本发明关于用于获得根据本发明的传感器的半成品的目的是这样实现的，即对于第一桥部分的第一元件和具有与第一元件磁化轴线方向相同的第二桥部分的元件提供磁通量集中装置。
根据本发明，提供了一种用于获得传感器的半成品，包括一个基底，在基底上成桥式构造的第一磁元件，第二磁元件，第三磁元件和第四磁元件，所述桥式构造在第一触点和第二触点之间包括第一桥部分和第二桥部分，其中第一磁元件和第二磁元件串联布置在第一桥部分，第三磁元件和第四磁元件串联布置在第二桥部分，每个磁元件包括至少一个带磁化轴线的磁层，在第一桥部分中元件磁层的所述磁化轴线以及在第二桥部分中磁元件磁层的磁化轴线相反定向，而且在每个触点附近，第一桥部分的磁元件磁化轴线与第二桥部分的磁元件磁化轴线相反定向，其特征在于，对于第一桥部分的第一磁元件和具有与第一磁元件磁化轴线方向相同的第二桥部分的磁元件存在磁通量集中装置图样，磁通量集中装置包括许多并列的条，该条具有轮廓，当磁通量集中装置基本垂直投影在磁元件上时，磁元件基本没有重叠。
对于包括基于巨磁阻(GMR)效应或隧道磁阻(TMR)效应磁元件的最终传感器来说，有利的是桥部分中磁层磁化轴线转过180度。如果这样，当在第一和第二触点之间施加电压时，横穿输出触点的信号是可从桥获得的最大输出信号，其中所述输出触点位于第一与第二磁元件和第三与第四磁元件之间。通过磁通量集中装置，桥部分中的磁层，即所谓的销接层的磁化轴线在施加的磁场中转过180度。可取的是，在定向过程中，桥中其它磁元件被磁通量屏蔽装置屏蔽，不受施加的磁场作用。
对于第一桥部分的第二元件和具有与第二元件磁化轴线方向相同的第二桥部分的元件存在磁通量屏蔽装置。
如果磁通量屏蔽装置保持在惠斯通电桥上，它们将大量阻挡在一部分惠斯通电桥上待测的磁场。其结果是，仅从电桥传出一半输出信号。磁通量集中装置位于桥的另一部分上，其结果是，所述桥部分变得更敏感。不平衡的桥不能被正确使用，因此在最终的传感器中，从半成品中去掉磁通量集中装置和磁通量屏蔽装置。
可取的是，每个磁元件包括至少一个磁路，但通常每个磁元件包括许多磁路，这些磁路通过金属串联以获得例如几千欧姆的高电阻。这对于桥接电路输出端电路中的放大器的输入阻抗是有利的。磁化方向最好与磁路成直角。
可取的是，磁通量集中装置包括许多并列的条。这些条的轮廓是这样的，即当基本垂直投影在磁元件上时，它们至少大部分位于磁元件磁路外面。在施加的磁场方向上，条宽度与磁路宽度比值决定了磁通量的加强。在磁元件上磁通量的加强是均匀的。从垂直投影上看，如果条与磁路无缝连接，则获得了最终有利的构造以形成一个紧凑的传感器。但如果在条和磁路之间有些重叠，则显示重叠的磁路部分在施加的磁场中不被定向。例如在磁元件和条之间存在一个绝缘体，如氧化铝，氮化硅或二氧化硅。有利的是，条材料的磁导率非常高，在1000量级上。几种适当的材料是例如NiFe，CoNbZr或FeAlSi。
有利的是，磁通量屏蔽装置包括许多并列的条，这些条具有边缘，当磁通量屏蔽装置基本垂直投影在磁元件上时，磁元件的磁路大部分位于这些边缘内。当屏蔽条在磁路方向包围范围更大时，获得了横过磁元件的更均匀的屏蔽。可取的是，磁路和屏蔽装置条之间的距离小。在大厚度和高磁导率情况下，磁通量几乎全部穿过磁通量传导条。重要的是条的材料在施加的磁场中不要变饱和。其原因是在饱和时，剩余的磁通量穿过磁元件。根据材料，但特别对于通过交换偏压销接的层的材料，需要几千奥斯特的磁场来定向磁层的磁化轴线。这样，获得的屏蔽条材料饱和磁化至少远远大于这个值。
从空间角度看，有利的是每个磁元件的磁路是曲折的并且曲折是套装的。此外，通过使曲折套装，获得了磁元件材料的高度均匀性。由于桥中所有磁元件定位基本相同并从而它们的温度也基本相同，所以局部温度效应不太严重。磁通量集中装置最好是平行于曲折路径延伸的条，它们可同时用作第一元件的磁通量集中装置和第二桥部分的第一触点附近元件的磁通量屏蔽装置。定向磁元件后，去掉这些条。传感器就可用于测量磁场了。
一个重大优点在于套装使传感器占据小得多的空间。此外，在待测磁场中传感器的偏移和偏移电压的漂移也减少了。
从空间角度看，更有利的是曲折弯成U形。磁通量集中装置最好是平行于曲折路径延伸的条，可同时用作第一元件的磁通量集中装置和第二元件的磁通量屏蔽装置。定向磁元件并去掉条后，传感器占据最小量的空间。为接触元件，仅需要单个构造的导体。此外，此时触点位于一侧，其结果是可更容易地例如通过焊接接触传感器。
本发明还在于提供在开始段落中所述类型的传感器，该传感器对较小的磁场更敏感。
本发明关于传感器的目的是这样实现的，即对于每个磁元件存在磁通量集中装置。
根据本发明，提供了一种用于测量磁场的传感器，包括一个基底，在基底上成桥式构造的第一磁元件，第二磁元件，第三磁元件和第四磁元件，所述桥式构造在第一触点和第二触点之间包括第一桥部分和第二桥部分，其中第一磁元件和第二磁元件串联布置在第一桥部分，第三磁元件和第四磁元件串联布置在第二桥部分，每个磁元件包括至少一个带磁化轴线的磁层，在第一桥部分中磁元件磁层的所述磁化轴线以及在第二桥部分中磁元件磁层的磁化轴线相反定向，而且在每个触点附近，第一桥部分的磁元件磁化轴线与第二桥部分的磁元件磁化轴线相反定向，其特征在于，对于每个磁元件存在磁通量集中装置图样，每个磁元件的磁路是曲折。
由于磁通量集中装置增强了穿过所有磁元件的磁场，桥部分对待测磁场的灵敏度提高了。传感器可以更高的灵敏度测量较小的磁场。
由于桥部分灵敏度更高，还可能制造更小的传感器。传感器表面积更小是非常有利的，因为在操作中更小的传感器对外磁场梯度和温度波动更不敏感。
通过参考权利要求应该注意到，可以组合在权利要求中限定的不同特征。
通过参考下面描述的实施例(多个实施例)更详细地解释根据本发明方法的这些和其它方面。
附图说明
在附图中：
图1示意性示出了相对第二磁元件定向第一磁元件磁化轴线的方法，中间产品示出在图1a到图1c中；
图1a是提供磁通量集中装置图样后的中间产品平面图；
图1b是提供磁通量集中装置图样后的中间产品横截面图；
图1c是提供磁通量集中装置图样后的中间产品横截面图，该图样还适合用作其它磁元件的磁通量屏蔽装置图样；
图2是根据本发明半成品第一实施例的平面图；
图2a是沿线A-A的第一实施例半成品一部分的横截面图；
图2b是沿线B-B的第一实施例半成品一部分的横截面图；
图2c是用半成品制造的传感器第一实施例的平面图；
图3示出了半成品第二实施例和用其制造的传感器；
图3a是根据本发明半成品第二实施例的平面图；
图3b根据本发明半成品第二实施例变型的平面图；
图3c是传感器第二实施例的平面图；
图4示出了根据第一实施例的传感器输出特性。
具体实施方式
如图1中所示，在相对第二磁元件3定向第一磁元件2磁化轴线的方法中，第一磁元件2和第二磁元件3位于基底1上。磁元件可以是硬盘或磁带用的头中用于读磁场的传感器一部分，或者它们可以是例如磁存储器(MRAM)的一部分。
磁元件2，3中的每一个都包括至少一个带磁化轴线11的磁层10。传感器的磁元件可以是旋转阀或磁隧道结。基于GMR效应的旋转阀结构可按下述方法制造。提供备有多层结构的基底1，多层结构接连包括一个例如3.5纳米钽/2.0纳米Py的缓冲层以产生适当的材料结构，在这种情况下(111)组织，即作为销接层的带磁化轴线11的磁层10包括：
-10纳米Ir19Mn81和3.5纳米Co90Fe10/0.8纳米Ru/3.0纳米Co90fe10人造反铁磁性物质的交换偏压层，
-3纳米铜的非磁间隔层，和
-5.0纳米Py的铁磁层13：自由层(在该层下方延伸例如一薄层1.0纳米的Co90Fe10，该薄层物质增强GMR效应并限制中间层扩散，提高了热稳定性)。对于保护层使用施加在多层结构上的10纳米钽。
作为另外一种选择，磁元件还可以是包括例如下面多层结构的磁隧道结：3.5纳米钽/2.0纳米NiFe的缓冲层，作为磁层的15.0纳米IrMn/4.0纳米CoFe/0.8纳米Ru/4.0纳米CoFe的交换偏压层和销接层(AAF)，和作为自由层的例如6.0纳米CoFe的第二铁磁层。
这些层是例如通过喷镀以这样的方式提供的，即在一个沉积操作中提供所有的层以保证磁元件中界面清洁并且均匀。尽可能使所有元件具有相同的磁阻效应和相同的温度系数。当在150奥斯特的施加磁场中沉积层时，所有磁元件2，3的铁磁层10磁化轴线11到目前为止都按相同方向延伸。
通过在至少第一磁元件2附近提供磁通量集中装置图样20并随后施加磁场H，相对第二磁元件3定向第一磁元件2磁层10的磁化轴线11。图1b是提供磁通量集中装置图样20后的中间产品横截面图。图样是例如磁通量传导材抖，如NiFe的结构层。
作为另外一种选择，图样20还可以在提供磁元件之间提供。在施加的磁场H中，第一磁元件2的磁化轴线11被定向。
所示层结构磁场的要求基本如下：
1.为转动磁化方向，需要2000奥斯特以上的磁场。
2.如果磁场小于30-40奥斯特，则磁化方向不转动。
在未按比例画的方法的该实施例中，磁通量集中装置20使磁通量加强约70倍。施加的磁场仅需要有30奥斯特，而磁通量集中装置20产生约2000奥斯特以上的磁场。尽管磁通量可增强70倍，但这通常不是非常实际的，因为磁通量集中装置必须比磁元件大70倍，其结果是不能获得小传感器。
定向之前，磁元件2，3被加热到反铁磁性材料阻塞温度以上的温度，其结果是通过交换耦合销接的AAF层与反铁磁层脱开。Ir19Mn81(交换偏压层)用作交换偏压材料是因为其高阻塞温度(约560K)允许在变化的温度获得良好的稳定性。通过使用AAF销接层，借助小的净磁化获得了良好的磁稳定性。进行加热的温度通常约为560K。随后，被加热的磁元件暴露在磁场中，磁场强度足以使第一磁元件2交换偏压层磁化方向转动，第二元件3的初始磁化方向基本保持不变。
随后，在存在恒定磁场时将磁元件冷却到室温。用于定向磁元件的磁场大小通常约为30奥斯特。
在图1c中，示出了非常有利的方法。磁通量集中装置还用于屏蔽邻接磁元件的磁通量。从垂直投影看，虚线表示在磁通量集中装置和磁元件2之间可能有些重叠。在图2所示实施例中，使用了该方法。
在图2所示惠斯通电桥构造中，第三磁元件4和第四磁元件5位于基底1上。在第一触点6和第二触点7之间的第一桥部分8中，第一元件2和第二元件3电串联。在第二桥部分9中，第三元件4和第四元件5电串联。从层结构上看，第三磁元件4和第四磁元件5与第一磁元件2和第二磁元件3相同。
对于最后获得的传感器，该传感器的操作基于GMR或TMR元件，如果对角元件磁化轴线定向相同，但相对其它对角元件转过180度，则惠斯通电桥的输出信号是获得的最大输出信号。在至少一个磁元件附近提供了磁通量集中装置图样20，然后在施加的磁场中使所述元件定向。但与同时定向桥式构造的对角元件相比，单个定向磁元件更费力。在图2a所示横截面图中，在第一磁元件2和对角元件4附近提供磁通量集中装置图样20。磁通量集中装置图样20使该构造中磁通量增强约4倍。施加550奥斯特的磁场使磁场局部超过2000奥斯特，其结果是当温度超过阻塞温度时，第一磁元件2和对角元件4相对桥式构造中的其它元件3，5同时定向。
为防止其它磁元件3，5的磁化轴线，在施加的磁场中发生很小程度的旋转，提供了磁通量屏蔽装置。在图2b中，以具有边缘22的图样21形式提供了磁通量屏蔽装置。当基本垂直投影在磁元件上时，至少在该实施例中所述磁元件3，5完全位于边缘22内。当施加550奥斯特的磁场时，磁通量被受屏蔽磁元件3，5削弱15-20倍，并且磁场保持小于30奥斯特。受屏蔽磁元件3，5的磁化轴线保持其原始方向。
磁通量集中图样20和磁通量屏蔽图样21可同时制造。在例如66纳米Ni80Fe20的电镀基底上，通过标准光学平版印刷技术提供抗蚀图样。在抗蚀图样之间，通过电镀提供例如厚度t为4纳米的一层Ni80Fe20。随后，去掉抗蚀图样并蚀刻掉电镀基底。Ni80Fe20的高磁导率值为2000。
对于屏蔽效应，重要的是做成图样的Ni80Fe20的去磁场Hdem比用于定向磁元件的施加的磁场大。去磁场取决于图样形状并用下面的近似表示：Hdem＝＝t/WBsat，其中W是图2中屏蔽条的宽度。在室温，Ni80Fe20具有约104奥斯特的饱和磁化Bsat。为定向所示层结构的磁层，需要施加约2000奥斯特的磁场。其结果是，在假定厚度为4纳米时，图样宽度W约为18纳米以获得完全屏蔽。磁通量屏蔽条和磁元件之间的距离最好尽可能小。在所示实施例中，距离为150纳米。
在施加的磁场中，定向销接层10磁化轴线11后去掉磁通量屏蔽装置图样21和磁通量集中装置图样20明显提高桥的灵敏度。在磷酸和过氧化氢溶液中制造图样20，21的Ni80Fe20易于蚀刻，如果需要，可在溶液中添加氟化氢。
去掉图样20，21后，获得了适合用于测量磁场的传感器。
作为选择，可再次在每个磁元件附近提供磁通量集中装置图样20以进一步提高灵敏度。
在图2所示半成品中，第一桥部分8中元件和第二桥部分9中元件的销接层10磁化轴线11定向相反，并且第一桥部分8中的元件也与第二桥部分9中的元件定向相反。在该阶段，产品仍称作半成品，因为对于第一桥部分8的第一元件2和具有和第一元件2相同磁化轴线方向的第二桥部分9的元件存在磁通量集中装置14，所以桥是不平衡的。
通过去掉磁通量集中装置14可以校正桥的不平衡，然后获得了传感器，该传感器特别适合用于测量磁场。传感器第一实施例展示在图2c中。
当磁元件磁化轴线11在桥式构造中这样定向时，在触点6，7之间施加电压，基于GMR或TMR效应的传感器产生最大可能的输出信号。
在所示图2半成品实施例中，每个磁元件2，3，4，5包括许多由金属17串联的磁路16。所述金属是例如通过掩模和物理或化学蚀刻做成图样的铝或铜。
在所示用于制造紧凑传感器的半成品的实施例中，磁通量集中装置14实施为许多并列的条18。条的材料具有高磁导率和高饱和磁化。适合的材料是例如铁和镍的混合物。
图2a表明在该实施例中，当轮廓基本垂直投影在磁元件2，3，4，5上时，磁通量集中装置14的轮廓至少大部分位于磁元件磁路16外侧。在所示实施例中，磁通量集中条18与磁元件的垂直距离约为150纳米。在该构造中，条18宽度通常为18微米，磁元件宽度通常为5微米，它们之比约为4。在该实施例中，桥的灵敏度提高约4倍。
磁通量屏蔽装置15是例如任意成形的区域。对于第一桥部分8的第二元件3和具有与第二元件3磁化轴线11方向相同的第二桥部分9的元件存在磁通量屏蔽装置15。在图2所示实施例中，磁通量屏蔽装置15实施为许多并列条30。如果条30保持在惠斯通电桥上，它们将完全阻挡在一部分惠斯通电桥上待测磁场。其结果是，仅从桥传出输出信号的一半。在桥的另一部分上有磁通量集中装置，其结果是所述桥部分在所示实施例中灵敏度提高约4倍。
磁通量屏蔽条30与磁元件的距离最好尽可能小。通过将条30布置在元件的每一侧改善了屏蔽效应。在该实施例中，条30的尺寸是这样的，即当磁通量屏蔽装置15基本垂直投影在磁元件2，3，4，5上时，磁元件2，3，4，5的磁路16位于条30的边缘31内。如果条30的材料是导电的，则最好在磁元件和磁条30之间提供一薄层绝缘材料，例如AlOx，SiO2或Si3N4。为最大限度地屏蔽元件，条30的材料最好具有高磁导率。利用例如NiFe，CoNBZr，FeAlSi可实现2000的磁导率。
通常，区域的厚度大大超过磁元件厚度例如100倍，以保证在定向过程中，尽可能多的所施加磁场的磁通线穿过条30，而不是穿过元件。
传感器第二实施例展示在图3中。在图3中，对应的零件用和图2一样的附图标记表示。在图3a和3b中可看到半成品的第二实施例，借此该半成品可以制造非常紧凑的传感器。在半成品中，磁通量集中装置14和磁通量屏蔽装置15实施为最好在磁路上方(图3b)，但也可在磁路下方(图3a)延伸的条18或条30。
图3c中所示传感器非常紧凑，占据最小量的空间。每个磁元件2，3，4，5的磁路16是曲折的。所述曲折相互配合。在该第二实施例中，曲折弯成U形。
图4示出了根据图2c中所示第一实施例的GMR-惠斯通电桥构造的输出电压。在偏移电压为5伏时，传感器在20-200°的大温度范围上对于小磁场具有线性输出特征。因此，可精确测量小磁场。对于小磁滞和0.7伏/开的偏移电压漂移，GMR效应是6％。

Claims (17)

1.相对第二磁元件(3)定向第一磁元件(2)磁化轴线的方法，其中第一磁元件(2)和第二磁元件(3)位于基底(1)上，每个磁元件(2，3)包括一个具有磁化轴线(11)的磁层(10)，其特征在于，通过在至少第一磁元件(2)附近提供磁通量集中装置图样(20)并随后施加磁场，定向第一磁元件(2)磁层(10)的磁化轴线(11)，其中第三磁元件(4)和第四磁元件(5)位于基底(1)上，该第三和第四磁元件与第一磁元件(2)和第二磁元件(3)形成桥式构造，该桥式构造在第一触点(6)和第二触点(7)之间包括第一桥部分(8)和第二桥部分(9)，其中第一磁元件(2)和第二磁元件(3)串联布置在第一桥部分(8)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)串联布置在第二桥部分(9)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)也包括至少一个具有的磁化轴线(11)的磁层(10)，在靠近第一触点(6)的第一桥部分(8)第一磁元件(2)附近提供磁通量集中装置图样(20)，并且在靠近第二触点(7)的第二桥部分(9)磁元件附近提供类似的磁通量集中装置图样(20)，当基本垂直投影在磁元件(2，3，4，5)上时，所述元件基本上没有与磁通量集中装置图样(20)重叠。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，磁元件(2，3)被加热到一定温度，在该温度第一磁元件(2)的磁化轴线(11)被定向以和施加的磁场同向平行于施加的磁场方向延伸。
3.根据权利要求2中所述的方法，其特征在于，通过在存在磁场时进行冷却来固定磁化轴线(11)的方向。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在靠近第二触点(7)的第一桥部分(8)第二磁元件(3)附近形成了磁通量屏蔽装置图样(21)，并且在靠近第一触点(6)的第二桥部分(9)磁元件附近提供了类似的磁通量集中装置图样(20)，磁通量屏蔽装置图样具有边缘(22)，当基本垂直投影在磁元件(2，3，4，5)上时，所述磁元件位于所述边缘(22)内。
5.根据权利要求4中所述的方法，其特征在于，磁通量集中装置图样(20)和磁通量屏蔽装置图样(21)是同时形成的。
6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，图样(20，21)是用一层(24)具有高达1000量级的磁导率的材料制造的。
7.根据权利要求6中所述的方法，其特征在于，在施加的磁场中定向磁层(10)的磁化轴线，去掉磁通量集中装置图样(20)和磁通量屏蔽装置图样(21)。
8.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，在每个磁元件(2，3，4，5)附近提供磁通量集中装置图样(20)。
9.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于，在每个磁元件(2，3，4，5)附近提供磁通量屏蔽装置图样(21)。
10.利用根据权利要求1中所述方法可获得的半成品，其特征在于，通过利用所述方法定向磁元件磁化轴线(11)。
11.用于获得传感器的半成品，包括一个基底(1)，在基底(1)上成桥式构造(7)的第一磁元件(2)，第二磁元件(3)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)，所述桥式构造在第一触点(6)和第二触点(7)之间包括第一桥部分(8)和第二桥部分(9)，其中第一磁元件(2)和第二磁元件(3)串联布置在第一桥部分(8)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)串联布置在第二桥部分(9)，每个磁元件包括至少一个带磁化轴线(11)的磁层(10)，在第一桥部分(8)中元件(2，3)磁层(10)的所述磁化轴线以及在第二桥部分(9)中磁元件(4，5)磁层的磁化轴线相反定向，而且在每个触点(6，7)附近，第一桥部分(8)的磁元件磁化轴线(11)与第二桥部分(9)的磁元件磁化轴线相反定向，其特征在于，对于第一桥部分(8)的第一磁元件(2)和具有与第一磁元件(2)磁化轴线方向相同的第二桥部分(9)的磁元件存在磁通量集中装置图样(20)，磁通量集中装置(14)包括许多并列的条(18)，该条(18)具有轮廓(19)，当磁通量集中装置(14)基本垂直投影在磁元件(2，3，4，5)上时，磁元件基本没有重叠。
12.根据权利要求11中所述的半成品，其特征在于，对于第一桥部分(8)的第二元件(3)和具有与第二元件(3)磁化轴线(11)方向相同的第二桥部分(9)的元件存在磁通量屏蔽装置(15)。
13.根据权利要求11中所述的半成品，其特征在于，每个磁元件(2，3，4，5)包括至少一个通过金属(17)串联的磁路(16)。
14.根据权利要求11中所述的半成品，其特征在于，磁通量屏蔽装置(15)包括许多并列的条(30)，该条(30)具有轮廓(31)，当磁通量屏蔽装置(15)基本垂直投影在磁元件(2，3，4，5)上时，磁元件(2，3，4，5)的磁路(16)位于边缘(31)内。
15.根据权利要求11或14中所述的半成品，其特征在于，每个磁元件(2，3，4，5)具有形成曲折的磁路(16)，所述曲折相互配合。
16.根据权利要求15中所述的半成品，其特征在于，曲折弯成U形。
17、用于测量磁场的传感器，包括一个基底(1)，在基底(3)上成桥式构造的第一磁元件(2)，第二磁元件(3)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)，所述桥式构造在第一触点(6)和第二触点(7)之间包括第一桥部分(8)和第二桥部分(9)，其中第一磁元件(2)和第二磁元件(3)串联布置在第一桥部分(8)，第三磁元件(4)和第四磁元件(5)串联布置在第二桥部分(9)，每个磁元件包括至少一个带磁化轴线(11)的磁层(10)，在第一桥部分(8)中磁元件(2，3)磁层(10)的所述磁化轴线以及在第二桥部分(9)中磁元件(4，5)磁层的磁化轴线相反定向，而且在每个触点(6，7)附近，第一桥部分(8)的磁元件磁化轴线(11)与第二桥部分(9)的磁元件磁化轴线相反定向，其特征在于，对于每个磁元件存在磁通量集中装置图样(20)，每个磁元件(2，3，4，5)的磁路(16)是曲折。
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