CN1755327B - 传感器及利用该传感器测量物理量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种传感器，该传感器包括固定在衬底上的第一X轴GMR元件至第四X轴GMR元件、以及支撑在该衬底上的可动线圈。当电流流经该可动线圈时，在该可动线圈周围产生磁场。产生的该磁场施加到该第一至第四X轴GMR元件。该可动线圈根据传感器中产生的加速度而移动。该可动线圈的移动导致施加到该第一至第四X轴GMR元件的磁场的改变。当没有电流流到该可动线圈时，该传感器基于该第一至第四X轴GMR元件的电阻测量外磁场。当恒定电流流经该可动线圈时，该传感器基于该第一至第四X轴GMR元件的电阻测量加速度等。

Description

传感器及利用该传感器测量物理量的方法
技术领域
本发明涉及通过利用磁检测元件不仅能测量外磁场，还能测量物理量例如加速度的传感器，还涉及利用该传感器测量物理量的方法。
背景技术
传统地，已知有各种能够测量外磁场和加速度的传感器。这样的传感器包括衬底、及通过柱(beam)被支撑于衬底上的重量部件(weight section)，且配置该传感器从而多个应力测量元件测量当传感器中产生加速度时柱中产生的应力。该传感器还包括固定在重量部件上的多个霍尔(Hall)元件(磁检测元件)，并进一步配置该传感器从而在来自霍尔元件的输出的基础上测量传感器外的磁场(外磁场)(例如，参见公开号为2003-172633的日本专利申请，0021至0034段，图1和2)。
然而，由于采用多个应力测量元件和多个磁检测元件，上述常规传感器变得昂贵而结构复杂。
发明内容
考虑前面所述，本发明的一个目的在于提供具有简单结构并且不仅能够测量诸如地磁的外磁场，而且能够测量诸如加速度或角加速度的物理量(下文称为“加速度等”)的便宜的传感器。本发明的另一目的在于提供用于借助使用该传感器测量加速度等的方法。
本发明的传感器包括：衬底；磁检测元件，其固定在所述衬底上并且表现出特性值，所述特性值的大小对应于施加到所述磁检测元件的磁场；以及可动线圈，其通过支撑构件被可动地支撑在所述衬底上并且向所述磁检测元件施加通过将电流施加到所述可动线圈而产生的磁场。所述传感器输出与所述磁检测元件表现出的特性值对应的值。所述支撑构件可为弹性的，例如弹簧特性的(spring-tempered)支撑构件。
在这种情况中，磁检测元件可以为例如巨磁致电阻元件(GMR元件)、各向异性磁致电阻元件(AMR元件)、隧道磁致电阻元件(TMR元件)、磁阻抗(magnetic impedance)元件(MI元件)、磁通门传感器(flux gate sensor)、以及霍尔元件中的任一种。即，磁检测元件表现出的特性值包括电阻和电压。其同样适用于下面描述的本发明的其它传感器。
对于本发明的传感器，当没有电流流到该可动线圈时，该磁检测元件的特性值对应于在该传感器外产生并且被施加到该磁检测元件的磁场(外磁场，例如地磁)的强度。因此，从该传感器输出的值(与该磁检测元件表现出的特性值对应的值例如电阻或电压)根据外磁场的强度而改变。
当电流流到该可动线圈时(当电流施加到该可动线圈时)，在该可动线圈周围产生磁场。这样产生的磁场施加到固定在该衬底上的磁检测元件。另外，该可动线圈通过支撑构件被可动地(相对于衬底)支撑在该衬底上。因此，当该传感器(实际上，该传感器被固定在其上的物体)中产生加速度等时，相关的惯性力导致该可动线圈偏离其初始位置(当没有加速度等时该可动线圈所处的位置)。
结果，该磁检测元件与该可动线圈之间的相对位置改变，导致通过向该可动线圈施加电流而产生的施加到该磁检测元件的磁场改变。因此，该磁检测元件表现出的特性值根据该传感器的加速度等而改变，使得从该传感器输出的值也根据加速度等而改变。这样，通过只利用该可动线圈和该磁检测元件，本发明的该传感器能够测量外磁场和加速度等。
本发明的传感器包括：具有主表面的衬底；第一磁检测元件，其固定在所述衬底的所述主表面上从而表现出一特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿所述衬底的所述主表面上的第一方向的分量；第二磁检测元件，其固定在所述衬底的所述主表面上，从而表现出一特性值，所述特性值的大小对应于所述磁场沿所述衬底的所述主表面上的以预定角度与所述第一方向相交的第二方向的分量。所述传感器还包括通过支撑构件支撑在所述衬底上的可动线圈，从而该可动线圈在平行于所述衬底的所述主表面的平面中可移动，并且向所述第一和第二磁检测元件施加通过将电流施加到所述可动线圈而产生的磁场。所述传感器被配置为输出与所述第一磁检测元件表现出的特性值对应的值以及与所述第二磁检测元件表现出的特性值对应的值。
对于本发明的传感器，当没有电流流到该可动线圈时，该第一磁检测元件表现出的特性值对应于施加到该传感器的外磁场沿第一方向(该第一磁检测元件检测磁场的方向)的分量的强度，并且该第二磁检测元件表现出的特性值对应于所述外磁场沿第二方向(该第二磁检测元件检测磁场的方向)的分量的强度。该第一和第二方向根据所述衬底的所述主表面上的坐标轴确定。
另外，在本发明的传感器中，该第一方向和第二方向以预定角度彼此交叉。所述传感器输出与该第一磁检测元件表现出的特性值对应的值以及与该第二磁检测元件表现出的特性值对应的值。因此，所述传感器可以测量平行于所述衬底的主表面的平面中的外磁场的方向和强度。
当电流流到该可动线圈时(当电流施加到该可动线圈时)，在该可动线圈周围产生磁场。这样产生的磁场施加到固定在该衬底上的第一和第二磁检测元件。另外，该可动线圈通过支撑构件被可动地(相对于该衬底)支撑在该衬底上。因此，当平行于所述衬底的主表面的平面中产生加速度等时，相关的惯性力导致该可动线圈偏离其初始位置。
结果，该第一磁检测元件与该可动线圈之间的相对位置和/或该第二磁检测元件与该可动线圈之间的相对位置改变，导致通过向该可动线圈施加电流而产生的施加到该第一和第二磁检测元件中的每个上的磁场改变。因此，该第一磁检测元件表现出的特性值和/或该第二磁检测元件表现出的特性值根据该传感器的加速度等而改变，使得该传感器输出的值也根据该加速度等而改变。这样，通过只利用该可动线圈和该磁检测元件，本发明的传感器能够测量外磁场和加速度等。
在这种情况下，优选地，所述预定角度(该第一方向和该第二方向之间的角度)为90度。即，优选地，该第一方向和该第二方向彼此垂直地相交，使得当该第一方向与该衬底的X轴方向一致时，该第二方向与该衬底的Y轴方向一致，该Y轴与该X轴垂直相交。
当该第一方向与该第二方向之间的角度差为例如小于90度时，该第二磁检测元件不能准确地测量磁场沿与该第一方向垂直相交的方向的分量。不必说，该第一磁检测元件不能检测所述磁场沿与该第一方向垂直相交的方向的分量。
相反，当该第一方向与该第二方向彼此垂直相交时，该第二磁检测元件能准确地测量磁场沿与该第一方向垂直相交的方向的分量。因此，基于当没有电流流到可动线圈时所表现出的该第一磁检测元件的特性值和该第二磁检测元件的特性值，可准确地测量施加到所述传感器的外磁场的方向和强度。
本发明的传感器包括：具有主表面的衬底；固定在所述衬底的所述主表面上的第一磁检测元件；以及固定在所述衬底的所述主表面上的第二磁检测元件。所述传感器输出与所述第一磁检测元件表现出的特性值对应的值以及与所述第二磁检测元件表现出的特性值对应的值。所述第一磁检测元件设置在第一边的中心部分的附近，所述第一边为构成形成在所述衬底的所述主表面上的假想多边形(优选地为正多边形，更优选地为正方形)的边之一，并且所述第一磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿与所述第一边垂直相交的方向的分量。所述第二磁检测元件设置在第二边的中心部分的附近，所述第二边为构成形成在所述衬底的所述主表面上的假想多边形的边之一并且与所述第一边相交，并且所述第二磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于所述磁场沿与所述第二边垂直相交的方向的分量。所述传感器还包括具有与所述假想多边形相同或相似的形状的可动线圈，所述可动线圈通过支撑构件被支撑在所述衬底上，从而在平行于所述衬底的所述主表面的平面中可移动，当所述传感器处于静止状态(stationary condition)时，所述可动线圈被保持在其初始位置，在所述初始位置所述可动线圈的重心与所述假想多边形的重心重合并且所述可动线圈的边平行于所述假想多边形的边，所述可动线圈向所述第一和第二磁检测元件施加通过将电流施加到所述可动线圈而产生的磁场。
采用本发明的传感器，基于当没有电流流到可动线圈时所表现出的第一磁检测元件的特性值和第二磁检测元件的特性值，能够测量施加到传感器的外磁场。
流经可动线圈的第一边的电流产生的磁场主要施加到第一磁检测元件。所述磁场的方向与所述第一边垂直相交。第一磁检测元件检测在与可动线圈的第一边垂直相交的方向上的磁场。因此，第一磁检测元件能够准确检测通过向该可动线圈施加电流而形成在所述第一边周围的磁场。类似地，流经可动线圈的第二边的电流产生的磁场主要施加到第二磁检测元件。所述磁场的方向与所述第二边垂直相交。第二磁检测元件检测在与可动线圈的第二边垂直相交的方向上的磁场。因此，第二磁检测元件能够准确检测通过向该可动线圈施加电流而形成在所述第二边周围的磁场。
可动线圈通过支撑构件被支撑在所述衬底上，从而在平行于所述衬底的主表面的平面中可动。因此，所述可动线圈根据传感器的加速度等沿所述衬底的主表面移动。这导致形成在所述第一边周围并施加到所述第一磁检测元件的磁场变化以及形成在所述第二边周围并施加到所述第二磁检测元件的磁场变化。这样，通过仅利用可动线圈及第一和第二磁检测元件，本发明的传感器能够准确测量外磁场和加速度等。
优选地，上述本发明的传感器的任一种还包括用于控制流经所述可动线圈的电流的电流控制装置。这样配置的传感器在没有电流施加到可动线圈时测量外磁场，在有电流施加到可动线圈时测量加速度等。
本发明提供一种用于测量物理量的方法，用于通过使用传感器测量所述传感器或其上固定有所述传感器的物体的至少加速度或角加速度。所述传感器包括衬底、固定在所述衬底上并且表现出大小与施加到其上的磁场对应的特性值的磁检测元件、以及通过支撑构件被可动地支撑在所述衬底上的可动线圈。当所述可动线圈通过施加电流而产生磁场时，测量与所述磁检测元件表现出的特性值对应的值，作为至少所述加速度或所述角加速度。
本发明的测量方法通过利用上述包括可动线圈和磁检测元件的本发明的传感器能够测量加速度或角加速度。
本发明提供一种测量方法，用于通过使用传感器测量施加到所述传感器的外磁场及至少所述传感器或所述传感器被固定于其上的物体的加速度或角加速度，所述传感器包括衬底、固定在所述衬底上并且表现出大小与施加到其上的磁场对应的特性值的磁检测元件、以及通过支撑构件被可动地支撑在所述衬底上的可动线圈。所述方法包括：外磁场测量步骤，其中当停止将电流施加到所述可动线圈，使得由所述可动线圈产生的所述磁场消失时，得到与由所述磁场检测元件表现出的特性值对应的值作为施加到所述传感器的所述外磁场的强度；以及物理量测量步骤，其中当将电流施加到所述可动线圈从而由所述可动线圈产生所述磁场时，得到与所述磁场检测元件表现出的特性值对应的值作为至少所述加速度或所述角加速度。
本发明的测量方法通过利用上述本发明的传感器能够测量例如地磁的外磁场以及加速度等。
在这种情况下，优选地，所述外磁场测量步骤以及所述物理量测量步骤以预定的时间间隔被交替且反复地进行，并且在所述物理量测量步骤完成后停止将电流施加到所述可动线圈之后的宽限时间过去之后开始所述外磁场测量步骤。
向可动线圈停止施加电流之后的一段时间，瞬间电流流经可动线圈，从而可动线圈周围产生的磁场没有完全结束(消失)。因此，如果向可动线圈停止施加电流之后立刻开始外磁场的测量，则不能正确地测量外磁场。因此，通过在停止将电流施加到所述可动线圈之后的宽限时间过去之后开始外磁场测量步骤，能够准确测量所述外磁场。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参照下面对优选实施例的详细描述，随着更好地理解本发明，本发明的各种其它目的、特征和很多附加优点将更易于理解，附图中：
图1是平面图，示出根据本发明的传感器的一实施例；
图2是由沿图1的线2-2延伸的平面截取的传感器的截面图；
图3是图1所示的第一X轴GMR元件的部分放大平面图；
图4是由沿图3的线4-4延伸的平面截取的第一X轴GMR元件的示意性截面图；
图5是示出图3所示的第一X轴GMR元件的膜结构的视图；
图6是曲线图，示出图3所示的第一X轴GMR元件电阻的变化；
图7是图1所示的传感器的部分透视图；
图8A是图1所示的传感器的等效电路图，图示出外磁场沿X轴方向的分量被测量的情况；
图8B是曲线图，示出图8A的传感器的输出特性；
图9A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出没有产生加速度的情况；
图9B是由沿图9A的线9B-9B延伸的平面截取的传感器的示意性截面图；
图9C是传感器的等效电路图，图示出测量加速度的情况；
图10A是曲线图，示出图1所示的第一和第二X轴GMR元件的电阻的变化；
图10B是曲线图，示出图1所示的第三和第四X轴GMR元件的电阻的变化；
图11A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出产生加速度的情况；
图11B是由沿图11A的线11B-11B延伸的平面截取的传感器的示意性截面图；
图11C是传感器的等效电路图，图示出测量加速度的情况；
图12A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出产生沿X轴的负方向的加速度的情况；
图12B是由沿图12A的线12B-12B延伸的平面截取的传感器的示意性截面图；
图12C是传感器的等效电路图，图示加速度被测量的情况；
图13A是图1所示的传感器的等效电路图，图示出测量外磁场沿Y轴方向的分量的情况；
图13B是曲线图，示出图13A的传感器的输出特性；
图14A是曲线图，示出图1所示的第一和第二Y轴GMR元件的电阻的变化；
图14B是曲线图，示出图1所示的第三和第四Y轴GMR元件的电阻的变化；
图15A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出产生沿Y轴的正方向的加速度的情况；
图15B是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出产生沿Y轴的负方向的加速度的情况；
图16A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出没有产生角加速度的情况；
图16B是传感器的等效电路图，图示出测量角加速度的情况；
图17A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出产生逆时针方向角加速度的情况；
图17B是传感器的等效电路图，图示出测量角加速度的情况；
图18A是图1所示的传感器的示意性平面图，图示出产生顺时针方向角加速度的情况；
图18B是传感器的等效电路图，图示出测量角加速度的情况；
图19A是用于测量角加速度的另一等效电路图；
图19B是用于测量角加速度的又一等效电路图；
图20是时间图(timing chart)，示出图1所示的传感器实际测量加速度和外磁场时的操作；
图21是用于解释制造图1所示传感器的可动部件(movable section)的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图22是用于解释制造图1所示传感器的可动部件的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图23是用于解释制造图1所示传感器的可动部件的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图24是用于解释制造图1所示传感器的可动部件的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图25是用于解释制造图1所示传感器的可动部件的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图26是用于解释制造图1所示传感器的可动部件的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图27是用于解释制造图1所示传感器的可动部分的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图28是用于解释制造图1所示传感器的可动部件的方法的部分截面图，图示出制造过程中的一个步骤；
图29是根据本发明另一实施例的传感器的示意性平面图；
图30是根据本发明又一实施例的传感器的示意性平面图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例。首先描述根据本发明的传感器的一实施例。图1是传感器10的平面图，图2是由沿图1的线2-2延伸的平面截取的传感器10的截面图。如图1和2所示，传感器10包括衬底10a、多个(本实施例中共8个)GMR元件(磁检测元件或磁致电阻元件)11至14和21至24、可动线圈部件30、以及电路部件40。
衬底10a是薄片，如在平面中所见，呈现出具有沿相互正交的X轴和Y轴延伸的边的基本正方形形状，并且沿正交于X和Y轴的Z轴具有小的厚度。X和Y轴是衬底10a的主表面(上表面)上的坐标轴，并且也分别称为第一方向和第二方向。
GMR元件11至14及21至24是磁检测元件。它们每个表现出其大小与磁场对应的一特性值(characteristic value)(稍后将描述的与磁场沿每个GMR元件检测磁场的方向的分量的强度对应的值)。除了在衬底10a上的排列以外，GMR元件11至14及21至24具有基本相同的结构。因此将简洁地代表性描述GMR元件11的结构。注意，GMR元件11称为第一X轴GMR元件11；GMR元件12称为第二X轴GMR元件12；GMR元件13为第三X轴GMR元件13；GMR元件14称为第四X轴GMR元件14。GMR元件21称为第一Y轴GMR元件21；GMR元件22称为第二Y轴GMR元件22；GMR元件23为第三Y轴GMR元件23；GMR元件24称为第四Y轴GMR元件24。
另外，第一X轴GMR元件11至第四X轴GMR元件14可总称为第一磁检测元件，其固定在衬底10a的主表面上，从而表现一特性值，该特性值的大小对应于磁场沿衬底10a的主表面上的第一方向的分量。第一Y轴GMR元件21至第四Y轴GMR元件24可总称为第二磁检测元件，其固定在衬底10a的主表面上，从而表现一特性值，该特性值的大小对应于磁场沿衬底10a的主表面上以预定角度(本实施例中为90度)与第一方向相交的第二方向的分量。
图3为第一X轴GMR元件11的放大平面图，图4为沿图3的线4-4截取的第一X轴GMR元件11的示意性截面图，如图3和图4所示，第一X轴GMR元件11包括多个(本实施例中为6个)窄条部分(narrow stripportion)11a1至11a6、多个(本实施例中为7个)偏置磁体膜(bias magnetfi1m)11b1至11b7、及一对端子部分11c1和11c2。
窄条部分11a1至11a6具有沿Y轴方向的纵向方向。窄条部分11a1位于关于X轴正方向的最远处，并且其朝向沿Y轴的负侧设置的末端部分形成在偏置磁体膜11b1上。偏置磁体膜11b1连接到端子部分11c1。窄条部分11a1的朝向沿Y轴的正侧设置的末端部分形成在偏置磁体膜11b2上。
窄条部分11a2设置为与窄条部分11a1在其沿X轴的负侧相邻。窄条部分11a2的一个末端部分形成在偏置磁体膜11b2上并在偏置磁体膜11b2上连接到窄条部分11a1。窄条部分11a2的另一个末端部分形成在偏置磁体膜11b3上。
窄条部分11a3设置为与窄条部分11a2在其沿X轴的负侧相邻。窄条部分11a3的一个末端部分形成在偏置磁体膜11b3上并在偏置磁体膜11b3上连接到窄条部分11a2。窄条部分11a3的另一个末端部分形成在偏置磁体膜11b4上。
窄条部分11a4设置为与窄条部分11a3在其沿X轴的负侧相邻。窄条部分11a4的一个末端部分形成在偏置磁体膜11b4上并在偏置磁体膜11b4上连接到窄条部分11a3。窄条部分11a4的另一个末端部分形成在偏置磁体膜11b5上。
窄条部分11a5设置为与窄条部分11a4在其沿X轴的负侧相邻。窄条部分11a5的一个末端部分形成在偏置磁体膜11b5上并在偏置磁体膜11b5上连接到窄条部分11a4。窄条部分11a5的另一个末端部分形成在偏置磁体膜11b6上。
窄条部分11a6设置为与窄条部分11a5在其沿X轴的负侧相邻。窄条部分11a6的一个末端部分形成在偏置磁体膜11b6上并在偏置磁体膜11b6上连接到窄条部分11a5。窄条部分11a6的另一个末端部分形成在偏置磁体膜11b7上。偏置磁体膜11b7连接到端子部分11c2。
窄条部分11a1至11a6每个由自旋阀膜(spin valve film)形成，自旋阀膜的结构示于图5中。自旋阀膜包括：形成在衬底10a上的自由层F；形成在自由层F上的间隔层S；形成在间隔层S上的被固定层P；及形成在被固定层P上的盖帽层C。衬底10a包括P型Si层10a1及叠置在P型Si层10a1上的SiO2(或SiN)电介质层(绝缘层和布线层)10a2。
自由层F的磁化方向根据外磁场的方向而改变。自由层F包括：形成在衬底10a上并具有8nm(80埃)的厚度的CoZrNb非晶磁层11-1；形成在CoZrNb非晶磁层11-1上并具有3.3nm(33埃)的厚度的NiFe磁层11-2；及形成在NiFe磁层11-2上并具有大约1nm至3nm(10埃至30埃)的厚度的CoFe层11-3。CoZrNb非晶磁层11-1和NiFe磁层11-2构成软铁磁膜。
间隔层S为由Cu构成并具有2.4nm(24埃)的厚度的导电膜。注意CoFe层11-3阻止来自NiFe层11-2的Ni的扩散及来自间隔层S的Cu层11-4的Cu的扩散。
被固定层(被钉扎层或磁化被固定层)P为CoFe磁层11-5与反铁磁膜11-6的叠层，该CoFe磁层11-5具有2.2nm(22埃)的厚度，该反铁磁膜11-6具有24nm(240埃)的厚度并且由包含45mol％至55mol％的量的Pt的PtMn合金构成。CoFe磁层11-5由作为钉扎层的反铁磁膜11-6以交换耦合的方式支持，从而成为被钉扎层，其磁化(磁化矢量)被钉扎在X轴的负方向。CoFe11-5的磁化方向是第一X轴GMR元件11的被钉扎层的磁化被钉扎的方向。
盖帽层C具有1.5nm(15埃)的厚度，并由钛(Ti)或钽(Ta)制成。
再参照图3，偏置磁体膜11b1至11b7由诸如CoCrPt的具有高矫顽力和高剩磁率的硬铁磁材料制成并被磁化从而成为永磁体膜。偏置磁体膜11b1至11b7在自由层F的纵向对自由层F施加偏置磁场，以维持自由层F的单轴各向异性。在第一X轴GMR元件11中，偏置磁体膜11b1至11b7沿Y轴的负方向施加偏置磁场。
对于上面的构造，从端子部分11c1和11c2得到第一X轴GMR元件的电阻作为窄条部分11a1至11a6的各个电阻的总和。结果，如图6所示，存在沿X轴改变的外磁场时，特性值，即第一X轴GMR元件的电阻(该电阻随外磁场沿特定方向即X轴正方向的强度而增加)在-Hc到+Hc的范围内基本与外磁场成比例地改变。当存在沿Y轴改变的外磁场时第一X轴GMR11的电阻基本恒定。换言之，第一X轴GMR元件11检测被钉扎层的磁化被钉扎的方向上(平行或反平行；在本实施例中，反平行于被钉扎层的磁化被钉扎的方向)的磁场。
再次参照图1，第一X轴GMR元件11在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向Y轴正方向一侧的位置处，并在关于X轴负方向的衬底10a的边缘部分附近。如上所述，第一X轴GMR元件11的被钉扎层的磁化被钉扎在X轴负方向。第二X轴GMR元件12在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向Y轴负方向一侧的位置处，并在关于X轴负方向的衬底10a的边缘部分附近。第二X轴GMR元件12的被钉扎层的磁化被钉扎在X轴负方向。因此，第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12检测沿X轴正方向的磁场。
第三X轴GMR元件13在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向Y轴正方向一侧的位置处，并在关于X轴正方向的衬底10a的边缘部分附近。第三X轴GMR元件13的被钉扎层的磁化被钉扎在X轴正方向。第四X轴GMR元件14在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向Y轴负方向一侧的位置处，并在关于X轴正方向的衬底10a的边缘部分附近。第四X轴GMR元件14的被钉扎层的磁化被钉扎在X轴正方向。因此，第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14检测沿X轴负方向的磁场。
第一Y轴GMR元件21在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向X轴负方向一侧的位置处，并在关于Y轴正方向的衬底10a的边缘部分附近。如上所述，第一Y轴GMR元件21的被钉扎层的磁化被钉扎在Y轴正方向。第二Y轴GMR元件22在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向X轴正方向一侧的位置处，并在关于Y轴正方向的衬底10a的边缘部分附近。第二Y轴GMR元件22的被钉扎层的磁化被钉扎在Y轴正方向。因此，第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22检测沿Y轴负方向的磁场。
第三Y轴GMR元件23在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向X轴负方向一侧的位置处，并在关于Y轴负方向的衬底10a的边缘部分附近。第三Y轴GMR元件23的被钉扎层的磁化被钉扎在Y轴负方向。第四Y轴GMR元件24在衬底10a上形成在关于衬底10a的中心部分位于朝向X轴正方向一侧的位置处，并在关于Y轴负方向的衬底10a的边缘部分附近。第四Y轴GMR元件24的被钉扎层的磁化被钉扎在Y轴负方向。因此，第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24检测沿Y轴正方向的磁场。
如上所述，GMR元件11至14及21至24在衬底10a上被固定在相应的假想正多边形的边的中心部分附近；在本实施例中，为假想正方形(类似衬底10a的形状并由图1中的虚线表示的正方形VS)，使得GMR元件11至14及21至24每个检测磁场的方向与正方形VS的相应边垂直相交。
换言之，第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12每个的磁场检测方向是X轴的正方向，第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14中每个的磁场检测方向是X轴的负方向。类似地，第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22每个的磁场检测方向是Y轴的负方向，第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24中每个的磁场检测方向是Y轴的正方向。
如图1和2所示，可动线圈部件30包括重量部件31、可动线圈32、第一至第八支撑构件33a至33h、及线圈连接焊盘34a和34b。
重量部件31由SiO2形成。重量部件31是薄片，如在平面中所见，呈现小于衬底10a和假想正方形VS的正方形形状(即类似于假想多边形的多边形形状)，并且沿Z轴方向具有小的厚度。可动线圈32由多晶硅(或钨)形成。可动线圈32形成在重量部件31的上表面上。如平面中所见，可动线圈32呈现正方形形状，其边沿重量部件31的相应边延伸。可动线圈32的边形成在重量部件31的相应边附近。换言之，可动线圈32呈现类似并小于假想正方形VS的正方形形状。
第一至第八支撑构件33a至33h的每个的一端固定地连接到重量部件31的相应角，并且另一端固定地连接到衬底10a的上表面。采用这种配置，第一至第八支撑构件33a至33h将重量部件31支撑在衬底10a上，使得重量部件31(相应地，可动线圈32)在平行于衬底10a的主表面的平面中(在平行于XY平面的平面中)可动。
图7为传感器10的部分透视图。更具体地，如图7所示，第一支撑构件33a包括弹簧部分(spring portion)33a1和支撑部分33a2。弹簧部分33a1的下部分由SiO2形成。弹簧部分33a1的下部分的一端在重量部件31关于X轴正方向的边缘部分和重量部件31关于Y轴负方向的边缘部分连接到重量部件31的与Y-Z平面平行的壁。弹簧部分33a1的上部分由用来形成可动线圈32的多晶硅形成。弹簧部分33a1的上部分的一端与可动线圈32的沿Y轴方向延伸且位于重量部件31关于X轴正方向的边缘部分之上的边在该边关于Y轴负方向的端部相连。
如平面中所见，弹簧部分33a1形成为锯齿形，从而表现出弹簧性质(弹性)。弹簧部分33a1与XY平面平行设置并在X轴的正方向延伸。弹簧部分33a1的上和下部分的另一端连接到支撑部分33a2的一端。支撑部分33a2由多晶硅形成。支撑部分33a2呈四棱柱形状。支撑部分33a2的另一端固定在衬底10a上，藉此支撑部分33a2保持在衬底10a上。
第二支撑构件33b包括弹簧部分33b1和支撑部分33b2，并具有与第一支撑构件33a的结构相同的结构。弹簧部分33b1的下部分的一端在重量部件31关于X轴正方向的边缘部分和重量部件31关于Y轴负方向的边缘部分连接到重量部件31的与X-Z平面平行的壁。弹簧部分33b1的上部分的一端与可动线圈32的沿X轴方向延伸且位于重量部件31关于Y轴负方向的边缘部分之上的边在该边关于X轴正方向的端部连接。
与弹簧部分33a1的情况一样，如平面中所见，弹簧部分33b1形成为锯齿形，从而表现出弹簧性质。弹簧部分33b1与X-Y平面平行设置并在Y轴负方向上延伸。弹簧部分33b1的上和下部分的另一端连接到支撑部分33b2的一端。支撑部分33b2由多晶硅形成。支撑部分33b2呈四棱柱形状。支撑部分33b2的另一端固定在衬底10a上，藉此支撑部分33b2保持在衬底10a上。如上所述，第一和第二支撑构件33a和33b可以为弹性的，例如弹簧特性的支撑构件。
第三支撑构件33c至第八支撑构件33h每个具有与第一支撑构件33a的结构类似的结构。然而，第三至第八支撑构件33c至33h的弹簧部分的上多晶硅部分未连接到可动线圈32。如图1所示，第三支撑构件33c至第八支撑构件33h设置在重量部件31的相应角部分处。
采用上述构造，当传感器10处于静止状态时(当传感器10中没有出现加速度时)，重量部件31和可动线圈32保持在图1所示的初始位置。当重量部件31和可动线圈32处于初始位置时，如平面中所见，重量部件31和可动线圈32的重心Q与GMR元件11至14及21至24的重心(假想正方形VS的重心)G重合，并且可动线圈32的边与假想正方形VS的相应边平行。当传感器10经受出现在衬底10a的主表面中的加速度时，相关的惯性力导致重量部件31和可动线圈32从初始位置沿与加速度相反的方向转移。当转动传感器10的力在衬底10a的主表面施加到传感器10时，如平面中所见，重量部件31和可动线圈32绕重心G(Q)旋转地移动。
如图1和7所示，线圈连接焊盘34a和34b设置在衬底10a的角部分处，该角部分与衬底10a的关于X轴正方向的边缘部分及衬底10a的关于Y轴负方向的边缘部分相关。线圈连接焊盘34a和34b保持在衬底10上。线圈连接焊盘34a和34b的上表面与可动线圈32的上表面平齐。线圈连接焊盘34a在衬底10a的内部电连接到支撑部分33a2。线圈连接焊盘34b在衬底10a的内部电连接到支撑部分33b2。线圈连接焊盘34a和34b经未示出的连接导线(connection wire)连接到传感器10外的未示出的恒流源(constant-currentsupply)。传感器10可包含内置的恒流源。在这种情况下，可动线圈32经支撑部分33a2和33b2连接到该内置的恒流源。
如图1所示，电路部件40形成在可动线圈部件30下衬底10a内。下面将要说明，电路部件40包括转换模块(changeover block)，用于根据传感器10的测量项目，即外磁场(例如地磁)、加速度、或角加速度，产生关于GMR元件11至14之间的连接关系以及关于GMR元件21至24之间的连接关系的转换。另外，电路部件40包括用于维持电势VB的恒压源。电路部件40使传感器10能够输出(测量)对应与测量项目的值到传感器10的外部。电路部件40还包括电流控制装置，用于向恒流源发送指令信号，使得当将测量加速度或角加速度时，恒定电流I流向可动线圈32，从而给可动线圈32通电，并且使得当将测量外磁场时，没有电流流向可动线圈32(可动线圈32被断电)。
下面将描述传感器10如何测量外磁场以及其加速度或角加速度。
外磁场的测量：测量外磁场沿X轴方向的分量
首先描述传感器10测量外磁场沿X轴方向的分量的情况。在该情况下，传感器10的电路部件40如图8A所示地以全桥连接的形式连接第一X轴GMR元件11至第四X轴GMR元件14。在图8A中，伴随第一至第四X轴GMR元件11至14的曲线图分别示出与其相邻的GMR元件的特性值的变化(各个GMR元件的电阻R与沿X轴的外磁场Hx的变化相关的变化)。
更具体地，第一X轴GMR元件11的一端和第四X轴GMR元件14的一端连接到保持电势VB的恒压源。第二X轴GMR元件12的一端和第三X轴GMR元件13的一端接地。第一X轴GMR元件11的另一端和第三X轴GMR元件13的另一端在连接点P1电连接到一起。第二X轴GMR元件12的另一端和第四X轴GMR元件14的另一端在连接点P2电连接到一起。得到连接点P2与连接点P1之间的电势差作为传感器10的输出Vox。因此，输出Vox对应于第一X轴GMR元件11至第四X轴GMR元件14每个表现出的特性值(电阻)。
如上所述，当将测量外磁场时，电路部件40不使电流流经可动线圈32(电路部件40不触发对可动线圈32的电流的施加)。结果，第一X轴GMR元件11至第四X轴GMR元件14每个表现出的电阻(特性值)对应于外磁场的强度。因此，如图8B所示，传感器10输出电压Vox，其基本与沿X轴变化的外磁场Hx成比例并且随外磁场Hx增加而增加。
测量传感器10沿X轴方向的加速度
下面将描述传感器10测量传感器10沿X轴方向的加速度(其上固定有传感器10的物体的加速度)的情况。如图8A所示的测量外磁场的情况，传感器10的电路部件40以全桥连接的形式连接第一X轴GMR元件11至第四X轴GMR元件14，并输出连接点P2与P1(见图9C)之间的电势差V0x。此外，电路部件40使得电流I流经可动线圈32(即，部件40触发向可动线圈32施加恒定电流I)。结果，在可动线圈32周围产生磁场。
将以传感器10中没有出现加速度为假设继续进行描述。可动线圈32位于图9A所示的初始位置。因此，如图9A和图9B所示，其中图9B是传感器10(不包括重量部件31)被沿图9A的线9B-9B延伸的平面截取的截面图，导向在X轴的负方向上并具有第一强度HN(HN＞0)的磁场施加到第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12。导向在X轴的正方向上并具有第一强度HN的磁场施加到第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14。注意，即使当传感器10中出现沿不同于X轴方向的方向的加速度时，上述磁场将施加于相应的第一至第四X轴GMR元件11至14。由于向可动线圈32施加电流而向相应的第一至第四X轴GMR元件11至14和相应的第一至第四Y轴GMR元件21至24施加的磁场与地磁场相比在强度上足够大(相同的情况适用于下面的描述)。
这时，如图10A所示，第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12呈现电阻R1。电阻R1低于参考电阻R0，R0为外磁场为“0”时第一至第四X轴GMR元件11至14和第一至第四Y轴GMR元件21至24呈现的电阻。类似地，如图10B所示，第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14呈现电阻R1。结果，当传感器10中没有出现加速度时，传感器10的输出V0X变为“0”，如图9C所示。
接着，假设在X轴正方向上的力施加到传感器10，导致在传感器10中出现沿X轴正方向的加速度。这时，如图11A所示，相关的惯性力导致可动线圈32(及重量部件31)从初始位置移动与沿X轴的负方向的惯性力对应的一位移。
因此，如图11A和图11B所示，其中图11B是传感器10(不包括重量部件31)被沿图11A的线11B-11B延伸的平面截取的截面图，导向在X轴负方向上并具有大于第一强度HN的第二强度HL(0＜HN＜HL)的磁场施加到第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12。导向在X轴正方向上并具有小于第一强度HN的第三强度HL′(0＜HL′＜HN)的磁场施加到第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14。
因此，如图10A所示，第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12呈现电阻R1-d1(d1＞0)。如图10B所示，第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14呈现电阻R1+d2(d2＞0)。结果，当在传感器10中出现在X轴正方向上的加速度时，传感器10的输出V0x变为如图11C所示的且如下面的等式(1)所表示值V0x1。
V0x＝V0x1＝-VB·(d1+d2)/(2R1+d2-d1)    (1)
在这种情况中，由于d1和d2与R1相比足够小，等式(1)可重写为下面的等式(2)。
V0x＝V0x1＝-VB·(d1+d2)/(2R1)    (2)
从等式(2)显而易见，当在传感器10中出现在X轴正方向上的加速度时，传感器10的输出V0x变为负。
接着，假设在X轴负方向上的力施加到传感器10，导致在传感器10中出现在X轴负方向上的加速度。这时，如图12A所示，相关的惯性力导致可动线圈32(及重量部件31)从初始位置移动与在X轴正方向上的惯性力对应的一位移。
因此，如图12A和图12B所示，其中图12B是传感器10(不包括重量部件31)被沿图12A的线12B-12B延伸的平面截取的截面图，导向在X轴负方向上并具有小于第一强度HN的第四强度HR(0＜HR＜HN)的磁场施加到第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12。导向在X轴正方向上并具有大于第一强度HN的第五强度HR′(0＜HN＜HR′)的磁场施加到第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14。
因此，如图10A所示，第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12呈现电阻R1+d3(d3＞0)。如图10B所示，第三X轴GMR元件13和第四X轴GMR元件14呈现电阻R1-d4(d4＞0)。结果，当在传感器10中出现在X轴负方向上的加速度时，传感器10的输出V0x变为如图12C所示的并如下面的等式(3)所表示的值V0x2。
V0x＝V0x2＝VB·(d3+d4)/(2R1+d3-d4)    (3)
在这种情况中，由于d3和d4与R1相比足够小，等式(3)可重写为下面的等式(4)。
V0x＝V0x2＝VB·(d3+d4)/(2R1)    (4)
从等式(4)显而易见，当在传感器10中出现在X轴负方向上的加速度时，传感器10的输出V0x变为正。
等式(2)中出现的值d1和d2随着在传感器10中出现的在X轴正方向上的加速度的增加而增加。等式(4)中出现的值d3和d4随着在传感器10中出现的在X轴负方向上的加速度的增加而增加。此外，如前所述，当在传感器10中没有出现X轴方向的加速度时，传感器10的输出值V0x变为“0”。因此，传感器10的输出值V0x关于沿X轴正方向的加速度单调下降，使得沿X轴方向的加速度能够基于输出值V0x被测量。
外磁场的测量：测量外磁场沿Y轴方向的分量
传感器10测量沿Y轴方向的外磁场分量以及加速度分量，与测量沿X轴方向的这些分量的情况一样。具体地，当测量外磁场沿Y轴方向的分量时，传感器10的电路部件40如图13A所示地以全桥连接的形式连接第一Y轴GMR元件21至第四Y轴GMR元件24。图13A中，伴随第一至第四Y轴GMR元件21至24的曲线图分别示出与其相邻的GMR元件的特性值的变化(各个GMR元件的电阻与沿Y轴的外磁场Hy的变化相关的变化)。
第二Y轴GMR元件22的一端和第三Y轴GMR元件23的一端连接到维持电势VB的恒压源。第一Y轴GMR元件21的一端和第四Y轴GMR元件24的一端接地。第三Y轴GMR元件23的另一端和第一Y轴GMR元件21的另一端在连接点P3电连接在一起。第二Y轴GMR元件22的另一端和第四Y轴GMR元件24的另一端在连接点P4电连接在一起。得到连接点P4与连接点P3之间的电势差作为传感器10的输出V0y。
如前所述，当测量外磁场时，电路部件40不引起电流流经可动线圈32。结果，第一Y轴GMR元件21至第四Y轴GMR元件24的每个表现出的电阻(特性值)对应于外磁场的强度。因此，如图13B所示，传感器10输出电压V0y，其与沿Y轴变化的外磁场Hy基本成比例，并随外磁场Hy增加而增加。
测量传感器10沿Y轴方向的加速度
下面将描述传感器10测量传感器10的沿Y轴方向的加速度的情况。与图13A所示的测量外磁场的情况一样，传感器10的电路部件40以全桥连接的形式连接第一Y轴GMR元件21至第四Y轴GMR元件24，并输出连接点P4与P3之间的电势差V0y。此外，电路部件40引起恒定电流I流经可动线圈32。结果，在可动线圈32周围产生磁场。
将以传感器10中没有出现加速度为假设继续进行描述。可动线圈32位于图9A所示的初始位置。因此，如图9A所示，导向在Y轴正方向上并具有第一强度HN的磁场施加到第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22。导向在Y轴负方向上并具有第一强度HN的磁场施加到第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24。注意，即使当传感器10中出现沿不同于Y轴方向的方向的加速度时，上述磁场仍施加于相应的第一至第四Y轴GMR元件21至24。
这时，如图14A和14B所示，第一Y轴GMR元件21至第四Y轴GMR元件24全部都呈现电阻R1。结果，当传感器10中没有出现沿Y轴方向的加速度时，传感器10的输出V0y变为“0”。
接着，假设沿Y轴正方向的力施加到传感器10，导致在传感器10中出现沿Y轴正方向的加速度。这时，如图15A所示，相关的惯性力导致可动线圈32(及重量部件31)从初始位置移动与沿Y轴负方向的惯性力对应的一位移。
因此，导向在Y轴正方向上并具有小于第一强度HN的第六强度HD(0＜HD＜HN)的磁场施加到第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22。导向在Y轴负方向上并具有大于第一强度HN的第七强度HD′(0＜HN＜HD′)的磁场施加到第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24。
因此，如图14A所示，第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22呈现电阻R1+d5(d5＞0)。如图14B所示，第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24呈现电阻R1-d6(d6＞0)。结果，当在传感器10中出现沿Y轴正方向的加速度时，传感器10的输出V0y变为如下面的等式(5)所表示的值V0y1。注意，等式(5)考虑到d5和d6与R1相比足够小。
V0y＝V0y1＝-VB·(d5+d6)/(2R1)    (5)
接着，假设沿Y轴负方向的力施加到传感器10，导致在传感器10中出现沿Y轴负方向的加速度。这时，如图15B所示，相关的惯性力导致可动线圈32和重量部件31从初始位置移动与沿Y轴正方向的惯性力对应的一位移。
因此，导向在Y轴正方向上并具有大于第一强度HN的第八强度HU(0＜HN＜HU)的磁场施加到第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22。导向在Y轴负方向上并具有小于第一强度HN的第九强度HU′(0＜HU′＜HN)的磁场施加到第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24。
因此，如图15A所示，第一Y轴GMR元件21和第二Y轴GMR元件22呈现电阻R1-d7(d7＞0)。如图15B所示，第三Y轴GMR元件23和第四Y轴GMR元件24呈现电阻R1+d8(d8＞0)。结果，当在传感器10中出现沿Y轴负方向的加速度时，传感器10的输出V0y变为如下面的等式(6)所表示的值V0y2。注意，等式(6)考虑到d7和d8与R1相比足够小。
V0y＝V0y2＝VB·(d7+d8)/(2R1)    (6)
等式(5)中出现的值d5和d6随传感器10中出现的沿Y轴正方向的加速度增加而增加。等式(6)中出现的值d7和d8随传感器10中出现的沿Y轴负方向的加速度增加而增加。而且，如前所述，当传感器10中没有出现沿Y轴方向的加速度时，传感器10的输出V0y变为“0”。因此，传感器10的输出值V0y关于沿X轴正方向的加速度单调下降，使得沿Y轴方向的加速度能够基于输出值V0y被测量。
测量传感器10的角加速度：
下面将描述传感器10测量角加速度的情况。在这种情况中，如图16B所示，传感器10的电路部件40以半桥连接方式连接第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12。具体地，第一X轴GMR元件11的一端连接到维持电势VB的恒压源。第一X轴GMR元件11的另一端连接到第二X轴GMR元件12的一端。第二X轴GMR元件12的另一端接地。电路部件40输出第二X轴GMR元件12的相对的两端的电势差Vr。另外，电路部件40引起恒定电流I流经可动线圈32。
将以传感器10中没有出现加速度或角加速度为假设继续进行描述。可动线圈32位于图16A所示的初始位置。因此，导向在X轴负方向上并具有第一强度HN(HN＞0)的磁场施加到第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12。结果，第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12呈现电阻R1。因此，如图16B所示，传感器10的输出值Vr变为VB/2。
接着，假设围绕传感器10的X-Y平面中的重心G(Q)产生逆时针的角加速度。这时，如图17A所示，相关的惯性力导致可动线圈32(及重量部件31)在X-Y平面中围绕重心G从初始位置顺时针旋转与该角加速度对应的一角度。
这样，导向在X轴负方向上并具有小于第一强度HN的第十强度Ha(0＜Ha＜HN)的磁场施加到第一X轴GMR元件11。导向在X轴负方向上并具有大于第一强度HN的第十一强度Hb(0＜HN＜Hb)的磁场施加到第二X轴GMR元件12。结果，如图17B所示，第一X轴GMR元件11呈现电阻R1+ra(ra＞0)，并且第二X轴GMR元件12呈现电阻R1-rb(rb＞0)。因此，传感器10的输出值Vr变成如下面的等式(7)所表示的值。
Vr＝VB·(R1-rb)/(2R1+ra-rb)    (7)
在这种情况中，由于ra和rb与R1相比足够小，等式(7)能重写成下面的等式(8)。
Vr＝VB·(R1-rb)/(2R1)    (8)
下面，假设围绕传感器10的X-Y平面中的重心G(Q)产生顺时针的角加速度。这时，如图18A所示，相关的惯性力导致可动线圈32在X-Y平面中围绕重心G从初始位置逆时针旋转与该角加速度对应的一角度。
这样，导向在X轴负方向上并具有大于第一强度HN的第十二强度Hc(0＜HN＜Hc)的磁场施加到第一X轴GMR元件11。导向在X轴负方向上并具有小于第一强度HN的第十三强度Hd(0＜Hd＜HN)的磁场施加到第二X轴GMR元件12。结果，如图18B所示，第一X轴GMR元件11呈现电阻R1-rc(rc＞0)，并且第二X轴GMR元件12呈现电阻R1+rd(rd＞0)。因此，传感器10的输出值Vr变成如下面的等式(9)所表示的值。
Vr＝VB·(R1+rd)/(2R1+rd-rc)    (9)
在这种情况中，由于rc和rd与R1相比足够小，等式(9)能重写成下面的等式(10).
Vr＝VB·(R1+rd)/(2R1)    (10)
等式(8)中出现的值rb随逆时针角加速度增加而增加。等式(10)中出现的值rd随顺时针角加速度增加而增加。此外，当传感器10中没有出现角加速度时，值rb和rd变为“0”。因此，传感器10的输出值Vr关于围绕重心G的顺时针角加速度单调增加，使得角加速度能够基于输出值Vr被测量。
从上面的描述中显见，通过结合除了第一X轴GMR元件11和第二X轴GMR元件12之外的GMR元件，即，通过结合一GMR元件，其适于检测由可动线圈32施加的并且强度与角加速度的产生相关地增加且其方向与该GMR元件检测磁场的方向重合的磁场，以及一GMR元件，其适于检测由可动线圈32施加的并且强度与角加速度的产生相关地减少且其方向与该GMR元件检测磁场的方向重合的磁场，能够类似地测量角加速度。具体地，通过结合第一X轴GMR元件11、第二Y轴GMR元件22、第四X轴GMR元件14、以及第三Y轴GMR元件23中的任一个与第二X轴GMR元件12、第一Y轴GMR元件21、第三X轴GMR元件13、以及第四Y轴GMR元件24中的任一个，能够测量角加速度。
另外，通过采用例如图19A和19B所示的构造能够测量角加速度。具体地，其电阻与顺时针角加速度的产生相关地减小的GMR元件串联连接以形成第一组。其电阻与顺时针角加速度的产生相关地增加的GMR元件串联连接以形成第二组。第一组和第二组串联连接。电势差VB施加到连接的第一和第二组的相对的两端，并且得到第一或第二组的相对的两端之间的电势差作为传感器10的输出Vr。
测量方法示例：
下面将参照图20的时间图描述传感器10实际测量加速度和外磁场的操作。假设测量在时间t0开始。在时间t0，电路部件40开始使电流流经可动线圈32(其开始电流施加)。同时，电路部件40基于前述的输出值V0x和V0y测量沿X轴方向的加速度及沿Y轴方向的加速度。换言之，电路部件40进行取得加速度的物理量测量步骤。
下一步，在时间t10，电路部件40停止使电流流经可动线圈32。随后，例如1ms的宽限时间过后到达时间t1时(物理量测量步骤完成)，电路部件40开始基于输出值V0x和V0y分别测量沿X轴方向的外磁场(外磁场分量)和沿Y轴方向的外磁场(外磁场分量)。换言之，电路部件40进行外磁场测量步骤。在本实施例中，时间t0和时间t1之间的时间段固定为20ms。在停止向可动线圈32施加电流后需要该宽限时间(allowance time)用来允许可动线圈32产生的磁场完全消失。
电路部件40直到时间t2完成外磁场的测量，时间t2在时间t1之后20ms。在时间t2，电路部件40导致电流开始施加到可动线圈32并开始基于输出值V0x和V0y分别测量沿X轴方向的加速度和沿Y轴方向的加速度。接着，电路部件40以预定时间间隔(20ms)重复加速度的测量和外磁场的测量。在物理量测量步骤中，可测量角加速度。
用于制造可动部件的方法：
接着，将参照图21至28描述用于制造传感器10的可动线圈部件30的方法。截面图21至28对应于传感器10被沿图1的线6-6延伸的平面截取的截面图。本发明的传感器10为MEMS(微型机电系统)型并且基于使用硅的半导体工艺制造。
(1)首先，如图21所示，用作绝缘膜51的氧化硅膜(SiO2膜)或氮化硅膜(SiN膜)形成在P型硅衬底50上。衬底50和氧化硅膜51构成前述的衬底10a。这时，由N型硅形成的高浓度层50a利用离子注入在衬底50中形成在适当位置。接着，用作牺牲层52的SOG膜(玻璃上旋涂膜或应用的氧化硅膜)形成在绝缘膜51上。用作结构层53的氧化硅膜(SiO2膜)或氮化硅膜(SiN膜)形成在牺牲层52上。
(2)接着，如图22所示，连接孔TH以这样的方式形成在适当位置从而穿过绝缘膜51、牺牲层52、以及结构层53延伸。如图23所示，导电层54通过利用多晶硅(含有杂质例如磷或硼的掺杂多晶硅)或钨形成。如图24所示，导电层54经构图而呈现前述的可动线圈32的形状。在图24中，导电层54a通过构图形成在导电层54的关于Y轴正方向的边缘部分，并作为前述线圈连接焊盘34a。通过构图形成的导电层54b作为前述支撑部分33a2。导电层54a和导电层54b借助高浓度层50a而电连接。导电层54c作为弹簧部分33a1的上部分。
(3)接着，如图25所示，抗蚀剂膜55形成在结构层53的将用作前述重量部件31的区域上和其上方。直接在导电层54下面的结构层53的一部分保持完整的同时，结构层53的不必要部分通过使用CHF3或CF4的干蚀刻(各向异性干蚀刻)工艺被去除。
(4)接着，如图26所示，牺牲层52通过使用缓冲氢氟酸(bufferedhydrofluoric acid，BHF)或稀释氢氟酸(HF)的湿蚀刻工艺被去除。由于牺牲层52的蚀刻速率很高，如图27所示，整个牺牲层52通过湿蚀刻工艺被去除，同时绝缘膜51几乎保持完整。
(5)最后，抗蚀剂膜55被去除。结果，如图28所示，完成可动线圈部件30。
如上所述，采用根据本发明实施例的传感器10和通过利用传感器10测量物理量的方法，可通过利用磁检测元件和可动线圈来测量或检测外磁场和加速度等。
本发明不限于上面的实施例，而是可以在不偏离本发明范围的情况下适当修改。例如，传感器10包括适于检测沿X轴方向磁场的第一至第四X轴GMR元件11至14，及适于检测沿Y轴方向磁场的第一至第四Y轴GMR元件21至24，并被构造来检测沿两个相互正交的轴方向的外磁场和加速度。然而，如图29的示意性平面图所示，传感器可仅采用第一至第四X轴GMR元件11至14作为磁检测元件并被构造为检测沿X轴方向的外磁场和加速度。
在传感器10中，GMR元件设置在相应的假想正多边形，特别地，假想正方形VS，的第一边(其沿Y轴方向延伸)的中心部分附近、及相应的沿与所述第一边垂直相交的方向延伸的第二边(其沿X轴方向延伸)的中心部分附近，使得每个GMR元件检测沿与相关的边垂直交叉的方向的磁场(即，使得每个GMR元件表现出一特性值，该特性值的大小对应于磁场沿与相关边垂直相交的方向的分量)。假想正多边形不限于正方形。例如，如图30的示意性平面图所示，假想正多边形可以是正八边形。在这种情况下，优选地，GMR元件，特别地，磁检测元件60，设置在相应的假想正八边形V8的边的中心部分附近，使得每个磁检测元件检测沿与相关边垂直交叉的方向的磁场，并且可动线圈32-1呈与假想正八边形V8类似或相同的形状。
另外，传感器10根据测量项目产生关于GMR元件之间的连接关系的变换。然而，外磁场、加速度等项目可如下取得：GMR元件被分别测量电阻，并基于测量的电阻进行计算。
传感器10采用GMR元件(巨磁致电阻元件)作为表现出特性值的磁检测元件，该特性值的大小对应于向其施加的磁场。然而，采用的磁检测元件可以是例如各向异性磁致电阻元件(AMR元件)、隧道磁致电阻元件(TMR元件)、磁阻抗元件(MI元件)、磁通门传感器、或霍尔元件。
在传感器1 0中，共同作为第一磁检测元件的第一至第四X轴GMR元件11至14固定在衬底10a上，从而表现出其大小对应于磁场沿X轴方向(第一方向)的分量的一特性值，并且共同作为第二磁检测元件的第一至第四Y轴GMR元件21至24固定在衬底10a上，从而表现出其大小对应于磁场沿以90度与X轴方向(第一方向)相交的Y轴方向(第二方向)的分量的一特性值。然而，第二磁检测元件可固定在衬底10a上，从而表现出其大小对应于磁场沿以不同于90度的预定角度与第一方向相交的第二方向的分量的一特性值。

Claims (13)

1.一种传感器，包括：
具有主表面的衬底；
第一磁检测元件，其固定在所述衬底的所述主表面上，从而表现出一特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿所述衬底的所述主表面上的第一方向的分量；
第二磁检测元件，其固定在所述衬底的所述主表面上，从而表现出一特性值，所述特性值的大小对应于所述磁场沿所述衬底的所述主表面上的第二方向的分量，所述第二方向以预定角度与所述第一方向相交；以及
可动线圈，其通过支撑构件被支撑在所述衬底上，从而在平行于所述衬底的所述主表面的平面中可移动，并且向所述第一和第二磁检测元件施加通过将电流施加到所述可动线圈而产生的磁场；并且
所述传感器被配置为输出与所述第一磁检测元件表现出的特性值对应的值以及与所述第二磁检测元件表现出的特性值对应的值。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述预定角度为90度。
3.一种传感器，包括：
具有主表面的衬底；
固定在所述衬底的所述主表面上的第一磁检测元件；以及
固定在所述衬底的所述主表面上的第二磁检测元件；
所述传感器输出与所述第一磁检测元件表现出的特性值对应的值以及与所述第二磁检测元件表现出的特性值对应的值；
所述第一磁检测元件设置在第一边的中心部分的附近，所述第一边为构成形成在所述衬底的所述主表面上的假想多边形的边之一，并且所述第一磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿与所述第一边垂直相交的方向的分量；
所述第二磁检测元件设置在第二边的中心部分的附近，所述第二边为构成形成在所述衬底的所述主表面上的假想多边形的边之一并且与所述第一边相交，并且所述第二磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于所述磁场沿与所述第二边垂直相交的方向的分量；以及
所述传感器还包括具有与所述假想多边形相同或相似的形状的可动线圈，所述可动线圈通过支撑构件被支撑在所述衬底上，从而在平行于所述衬底的所述主表面的平面中可移动，当所述传感器处于静止状态时，所述可动线圈被保持在初始位置，在所述初始位置所述可动线圈的重心与所述假想多边形的重心重合并且所述可动线圈的边平行于所述假想多边形的边，所述可动线圈向所述第一和第二磁检测元件施加通过将电流施加到所述可动线圈而产生的磁场。
4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述假想多边形为正多边形。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中所述假想多边形为正方形。
6.根据权利要求1所述的传感器，还包括用于控制流经所述可动线圈的电流的电流控制装置。
7.根据权利要求2所述的传感器，还包括用于控制流经所述可动线圈的电流的电流控制装置。
8.根据权利要求3所述的传感器，还包括用于控制流经所述可动线圈的电流的电流控制装置。
9.根据权利要求4所述的传感器，还包括用于控制流经所述可动线圈的电流的电流控制装置。
10.根据权利要求5所述的传感器，还包括用于控制流经所述可动线圈的电流的电流控制装置。
11.一种测量方法，用于通过使用传感器测量施加到所述传感器的外磁场及所述传感器或所述传感器被固定于其上的物体的至少加速度或角加速度，所述传感器包括：衬底；磁检测元件，其固定在所述衬底上并且表现出特性值，所述特性值的大小对应于施加到所述磁检测元件上的磁场；以及可动线圈，其通过支撑构件被可动地支撑在所述衬底上，所述方法包括：
外磁场测量步骤：停止将电流施加到所述可动线圈，从而使由所述可动线圈产生的磁场消失，并且在此状态下得到与所述磁检测元件表现出的特性值对应的值作为施加到所述传感器的所述外磁场的强度；以及
物理量测量步骤：将电流施加到所述可动线圈，从而由所述可动线圈产生磁场，并且在此状态下得到与所述磁检测元件表现出的特性值对应的值作为至少所述加速度或所述角加速度。
12.根据权利要求11所述的测量方法，其中所述外磁场测量步骤以及所述物理量测量步骤以预定的时间间隔被交替并且反复地进行，并且所述外磁场测量步骤在所述物理量测量步骤完成后停止将电流施加到所述可动线圈之后的宽限时间过去之后开始。
13.一种传感器，包括：
具有主表面的衬底；
固定在所述衬底的所述主表面上的第一X轴磁检测元件；
固定在所述衬底的所述主表面上的第二X轴磁检测元件；
固定在所述衬底的所述主表面上的第三X轴磁检测元件；
固定在所述衬底的所述主表面上的第四X轴磁检测元件；
其中所述第一X轴磁检测元件设置在第一边的中心部分的附近，所述第一边为构成形成在所述衬底的所述主表面上的假想正方形的边之一，并且所述第一X轴磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿与所述第一边垂直相交的X轴正方向的分量；
所述第二X轴磁检测元件设置在构成所述衬底的所述主表面上的所述假想正方形的所述第一边的中心部分的附近，并且所述第二X轴磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿所述X轴正方向的分量；
所述第三X轴磁检测元件设置在第二边的中心部分的附近，所述衬底的所述主表面上的假想正方形的所述第二边对着所述衬底的所述主表面上的假想正方形的所述第一边，并且所述第三X轴磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿与所述第二边相交的X轴负方向的分量；
所述第四X轴磁检测元件设置在所述衬底的所述主表面上的所述假想正方形的所述第二边的中心部分的附近，并且所述第四X轴磁检测元件被配置为表现出特性值，所述特性值的大小对应于磁场沿所述X轴负方向的分量；并且
所述传感器还包括：
具有与所述假想正方形相同或相似的形状的可动线圈，所述可动线圈通过支撑构件被支撑在所述衬底上，从而在平行于所述衬底的所述主表面的平面中可移动，当所述传感器处于静止状态时，所述可动线圈被保持在其初始位置，在所述初始位置所述可动线圈的重心与所述假想正方形的重心重合并且所述可动线圈的边平行于所述假想正方形的边，所述可动线圈向所述第一、第二、第三、以及第四X轴磁检测元件施加通过将电流施加到所述可动线圈而产生的磁场。
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