JP7188824B2 - 磁気抵抗慣性センサ・チップ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサの分野に関し、より詳細には、磁気抵抗慣性センサ・チップの分野に関する。
近年、加速度、振動、および圧力を測定するための慣性センサ・チップが、様々な分野で大いに注目されている。それらのうち、振動センサの分野は、建築物振動および機械振動等の固体振動検出などの分野、ソナー・ハイドロフォンなどの液体振動検出、ならびにマイクロフォン応用などの気体振動にさらに分けることができる。既存の慣性センサ・チップは、シリコン・ベースのキャパシタ、圧電気、およびシリコン・ベースのピエゾ抵抗などの原理に主に基づいており、加速度、振動、および圧力などの測定される力学量および物理量を測定についての電圧信号または電流信号に変換する。シリコン・ベースのキャパシタ型センサ・チップは、高感度および良好な温度安定性を有するが、応答周波数帯域が狭く、圧電気型センサ・チップは、優れた温度安定性および時間安定性、および広い線形範囲を有するが、感度が低く、シリコン・ベースのピエゾ抵抗型センサ・チップは、高感度および高い動的応答を有し、軽い圧力を測定することができるが、温度安定性が乏しい。加えて、上記の技術は、周波数が２０ＭＨｚを上回る振動信号をほとんど検出することができない。
磁気抵抗材料には、特に、ピン止め層、自由層、および非磁性トンネル・バリア層からなる構造を備えたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有する磁気抵抗材料、ピン止め層、自由層、および非磁性伝導性スペーサ層からなる構造を備えた巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有する磁気抵抗材料、ならびに磁気異方性層構造を備えた異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を有する磁気抵抗材料が含まれる。磁場検出素子として、磁気抵抗材料は、優れた周波数応答特性、良好な温度特性、および高感度を有する。適切な機械式伝達構造と励起構造の組合せにおいて、それらは、特定の慣性パラメータの測定に使用することができる。しかしながら、慣性パラメータの測定では、励起構造および磁気抵抗素子は、それぞれ、空間内の異なる平面の設計に属する。結果として、いくつかの製造プロセスが単純化できるという利点にもかかわらず、全体の歩留まりは高くなく、測定の直線間隔は低下し、機械式伝達構造、励起構造、および磁気抵抗素子の相対空間位置の調整は限定され、それによって性能調整が限定されるなどのいくつかの欠点がもたらされる。
既存の加速度センサは弱い圧力および高周波振動に対して検出信号が弱い、またはさらには弱い圧力および高周波振動を検出することができないという現在の状況に鑑みて、本発明は、外部磁場の変化に対するそれら自体の抵抗による迅速な応答に係るＴＭＲ／ＧＭＲ／ＡＭＲ磁気抵抗材料の特性、およびＴＭＲ／ＧＭＲ／ＡＭＲの優れた温度特性に基づく、ならびに磁性または非磁性振動ダイヤフラムと組み合わせた、高感度および高周波測定のためのおよびわずかな高周波振動、圧力、または加速度の信号を検出することができる磁気抵抗慣性センサ・チップを提案する。上記磁気抵抗慣性センサ・チップは、磁気抵抗器を感度のよい材料として使用し、永久磁石薄膜を信号送信源としておよび磁気抵抗器を信号受信源として同じ水平面上に配置して、信号の直線間隔を最大にし、上記永久磁石薄膜の磁場の変化の結果としての磁気抵抗器の抵抗の変化を用いて機械的移動を電気信号に変換し、それによって測定される振動、加速度、または圧力の信号を正確に得る。
本発明は、以下の技術的解決策、すなわち、
基板と、振動ダイヤフラムと、磁場感知用磁気抵抗器と、少なくとも１つの永久磁石薄膜とを備える磁気抵抗慣性センサ・チップであって、
振動ダイヤフラムは、基板の片側の面上に位置し、磁場感知用磁気抵抗器および永久磁石薄膜は、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に設定され、接触電極も、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に配置され、磁場感知用磁気抵抗器は、接続リード線を介して接触電極に接続され、
基板は、エッチングによって形成された空洞を備え、磁場感知用磁気抵抗器および永久磁石薄膜の一方または両方は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域内に配置され、磁場感知用磁気抵抗器の感度方向の永久磁石薄膜によって生成される磁場の成分が変化し、磁場感知用磁気抵抗器の抵抗値を変化させ、それによって出力電気信号の変化をもたらす、磁気抵抗慣性センサ・チップによって実施される。
基板と、振動ダイヤフラムと、磁場感知用磁気抵抗器と、少なくとも１つの永久磁石薄膜とを備える磁気抵抗慣性センサ・チップであって、
振動ダイヤフラムは、基板の片側の面上に位置し、磁場感知用磁気抵抗器および永久磁石薄膜は、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に設定され、接触電極も、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に配置され、磁場感知用磁気抵抗器は、接続リード線を介して接触電極に接続され、
基板は、エッチングによって形成された空洞を備え、磁場感知用磁気抵抗器および永久磁石薄膜の一方または両方は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域内に配置され、磁場感知用磁気抵抗器の感度方向の永久磁石薄膜によって生成される磁場の成分が変化し、磁場感知用磁気抵抗器の抵抗値を変化させ、それによって出力電気信号の変化をもたらす、磁気抵抗慣性センサ・チップによって実施される。
好ましくは、磁場感知用磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域以外の領域内に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の中心位置に配置され、または
磁場感知用磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の内側縁部上に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の中心位置に配置され、または
磁場感知用磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の中心位置に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域以外の領域内に配置される。
磁場感知用磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の内側縁部上に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の中心位置に配置され、または
磁場感知用磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の中心位置に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域以外の領域内に配置される。
好ましくは、磁気抵抗慣性センサ・チップは、基準磁気抵抗器をさらに備え、基準磁気抵抗器は、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に位置し、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域以外の領域内に配置され、基準磁気抵抗器および磁場感知用磁気抵抗器は、密封リード線を介してフルブリッジまたは半ブリッジ構造に接続される。
好ましくは、振動ダイヤフラムから離れるような基準磁気抵抗器の側は、軟磁性材料で構成される磁気シールド層を備え、磁気シールド層は、基準磁気抵抗器を覆う。
好ましくは、基準磁気抵抗器および磁場感知用磁気抵抗器は、トンネル磁気抵抗器、巨大磁気抵抗器、または異方性磁気抵抗器である。
好ましくは、磁気抵抗慣性センサ・チップは、密封基板および密封ハウジングからなる密封構造をさらに備え、基板は、密封基板および密封ハウジングによって形成される空洞の内側に配設され、密封基板上に固定される。
好ましくは、密封ハウジングは、軟磁性材料製の磁場シールド用シェルの１つまたは複数の層、金属箔製の電場シールド用シェルの１つまたは複数の層、あるいは磁場シールド用シェルおよび電場シールド用シェルを積み重ねることによって形成されるシェルを備える。
好ましくは、密封基板または密封ハウジングは、少なくとも１つの開口部を備える。
好ましくは、振動ダイヤフラムの厚さは、０．００１μｍから１０００μｍであり、空洞と振動ダイヤフラムの間の接触面の縁部は、円形、楕円形、長方形、または平行四辺形であり、空洞と振動ダイヤフラムの間の接触面の囲んでいる長方形の長さと幅の比は、２０：１から１：１の範囲内であり、接触面の囲んでいる長方形の幅は、０．１μｍから２０００μｍの範囲内である。
好ましくは、振動ダイヤフラムは、エッチングによって形成された複数の貫通穴を備える。
好ましくは、永久磁石薄膜は、硬磁性材料、あるいは軟磁性材料および反強磁性材料からなる複合材料ユニットによって形成される［軟磁石／反強磁性体］ｎ、または軟磁性材料および硬磁性材料からなる複合材料ユニットによって形成される［軟磁石／硬磁石］ｎの１つまたは複数の層であり、ｎは自然数であり、硬磁性材料はＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、およびＦｅＰｔの少なくとも１つを含み、軟磁性材料はＦｅＣｏおよびＮｉＦｅの少なくとも１つを含み、反強磁性材料はＰｔＭｎおよびＩｒＭｎの少なくとも１つを含む。
好ましくは、永久磁石薄膜の磁化方向は、永久磁石薄膜の平面内にあり、または永久磁石薄膜の平面に直交し、磁場感知用磁気抵抗器の感度方向は、永久磁石薄膜の平面内にある、または永久磁石薄膜の平面に直交する。
好ましくは、センサ・チップは、フィードバック・コイルを含み、
フィードバック・コイルは、平面エッチング式コイルであり、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に位置するとともに、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域以外の領域内に配置され、
あるいは、フィードバック・コイルは、永久磁石薄膜の直上に配設されたまたは永久磁石薄膜の直下に配設された巻線コイルであり、空洞の下方または空洞の内側に配置される。
フィードバック・コイルは、平面エッチング式コイルであり、基板の基部から離れるように振動ダイヤフラムの面上に位置するとともに、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域以外の領域内に配置され、
あるいは、フィードバック・コイルは、永久磁石薄膜の直上に配設されたまたは永久磁石薄膜の直下に配設された巻線コイルであり、空洞の下方または空洞の内側に配置される。
先行技術と比較して、本発明は、以下の有利な技術的効果を有する。
本発明は、外部の圧力、振動、または加速度の変化を伝達するために振動ダイヤフラムを使用し、振動ダイヤフラムの機械的移動を磁気抵抗器の抵抗値の変化に変換するために磁気抵抗器を感度のよい材料として使用し、磁気抵抗器素子および永久磁石薄膜が同じ基準平面上に位置するように振動ダイヤフラムの同じ面上に磁気抵抗器素子および永久磁石薄膜を励起構造として配置し、これにより機械式伝達構造としての振動ダイヤフラム、励起構造としての永久磁石薄膜、および磁気抵抗素子の相対空間位置の調整を容易にするとともに、これはセンサからの出力信号の直線間隔およびセンサの歩留まりの改善にとって好ましく、磁気抵抗器の高感度および高周波応答特性を使用して出力信号強度および周波数応答を改善し、それによって小さいおよび高い周波数の圧力、振動、または加速度の変化の検出を容易にする。
本発明は、外部の圧力、振動、または加速度の変化を伝達するために振動ダイヤフラムを使用し、振動ダイヤフラムの機械的移動を磁気抵抗器の抵抗値の変化に変換するために磁気抵抗器を感度のよい材料として使用し、磁気抵抗器素子および永久磁石薄膜が同じ基準平面上に位置するように振動ダイヤフラムの同じ面上に磁気抵抗器素子および永久磁石薄膜を励起構造として配置し、これにより機械式伝達構造としての振動ダイヤフラム、励起構造としての永久磁石薄膜、および磁気抵抗素子の相対空間位置の調整を容易にするとともに、これはセンサからの出力信号の直線間隔およびセンサの歩留まりの改善にとって好ましく、磁気抵抗器の高感度および高周波応答特性を使用して出力信号強度および周波数応答を改善し、それによって小さいおよび高い周波数の圧力、振動、または加速度の変化の検出を容易にする。
以下の図面を参照してなされる非限定の実施形態の詳細な説明を読むことによって、本発明の他の特徴、目標、および利点がより明らかになる。
本発明は、特定の実施形態と組み合わせて以下に詳細に説明される。以下の実施形態は、当業者が本発明をさらに理解することを助けるが、本発明を何らかの形で限定しない。当業者には、本発明の概念から逸脱することなく、いくつかの変形および改善がさらになされ得るものであり、それらの全ては本発明の保護範囲内に入ることに留意されたい。
本発明の説明では、「半径方向」、「軸方向」、「上」、「下」、「上部」、「下部」、「内側」、および「外側」といった用語によって示される方向関係または位置関係は、添付図面に基づく方向関係または位置関係であり、本発明の説明を助けるためにおよび説明を簡単にするために使用されるものにすぎず、示された装置または要素が特定の方向を有されなければならない、または特定の方向で構築および動作されなければならないということを示すまたは示唆するものではないことを理解されたい。したがって、それらは、本発明の限定と解釈されてはならない。本発明の説明では、別段の定めがない限り、「複数」は、２つ以上を意味する。
本発明の説明では、他に特段規定または定義されない限り、用語「設置する」、「設定する」、および「接続する」は、その幅広い意味で理解されるべきであることに留意されたい。例えば、それは、固定された接続、取り外し可能な接続、または一体化されている接続であってもよく、それは、直接的な接続または仲介物を介した間接的な接続であってもよい。当業者には、本発明における上記用語の具体的な意味は、特定の状況に従って理解され得る。
先行技術では、磁気抵抗慣性センサの永久磁石薄膜および磁場感知用磁気抵抗器は、同じ平面上になく、これらの２つは、垂直な構造である。振動構造の材料によって制限されるので、相対垂直位置の調整が制限される。さらに、出力信号の線形の要求により、相対水平位置の調整が制限される。結果として、構造設計は、とても制限される。
上記の課題に基づいて、本発明の実施形態は、磁気抵抗慣性センサ・チップを提供する。図１は、本発明の一実施形態による磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図２ａは、本発明の一実施形態による磁気抵抗慣性センサ・チップの断面図であり、図２ａは、図１の切断線Ａ－Ａ’に沿った断面図であり、図２ｂは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの断面図であり、図２ｂは、図１の切断線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図であり、図１、図２ａ、および図２ｂを参照すると、磁気抵抗慣性センサ・チップは、基板１０１と、（図１の記号１０２’に対応するとともに、図２ａおよび図２ｂの記号１０２に対応する）振動ダイヤフラムと、磁場感知用磁気抵抗器１０５と、少なくとも１つの永久磁石薄膜１０８とを備える。基板１０１は、単結晶シリコン、金属、およびセラミックの１つであり、振動ダイヤフラムは、基板１０１の上面を覆い、磁場感知用磁気抵抗器１０５および永久磁石薄膜１０８は、振動ダイヤフラムの上面に配置される。適宜、振動ダイヤフラムの上面および下面は、平面である。接触電極１０６は、振動ダイヤフラムの上面に配置され、磁場感知用磁気抵抗器１０５は、接続リード線１０４を介して接触電極１０６に接続される。基板１０１は、空洞１０３を備え、空洞１０３は、基板１０１のエッチングによって形成することができる。空洞１０３は、振動ダイヤフラムの下側に位置し、磁場感知用磁気抵抗器１０５および永久磁石薄膜１０８の一方または両方は、振動ダイヤフラム１０２上の空洞１０３の垂直突出領域に配置される。永久磁石薄膜１０８と磁場感知用磁気抵抗器１０５の間に相対変位があるとき、磁場感知用磁気抵抗器１０５の感度方向の永久磁石薄膜１０８により生成される磁場の成分は変化し、磁場感知用磁気抵抗器１０５の抵抗値を変化させ、それによって出力電気信号の変化をもたらす。添付図面を明確にさせるために、空洞に対応する振動ダイヤフラム１０２’のほんの一部が、図１に示されており、振動ダイヤフラム１０２全体が、図２ａおよび図２ｂに示されていることに留意されたい。以下の実施形態では、記号１０２’も、空洞に対応する振動ダイヤフラムの一部を表すために使用される。
本発明の実施形態では、永久磁石薄膜１０８は、励起構造として働き、永久磁石薄膜１０８および磁場感知用磁気抵抗器１０５が同じ基準平面上に位置するように、磁場感知用磁気抵抗器１０５と同じ振動ダイヤフラムの面に配置される。永久磁石薄膜１０８および磁場感知用磁気抵抗器１０５の水平位置の調整が、信号の線形性に重大な影響を及ぼさないので、磁気抵抗慣性センサ・チップの構造設計は、従来の磁気抵抗慣性センサ・チップと比較してより多様になっており、これにより機械式伝達構造としての振動ダイヤフラム、励起構造としての永久磁石薄膜、および磁気抵抗素子の相対空間位置の調整を容易にする。
図１は、永久磁石薄膜１０８が振動ダイヤフラムの中心位置に配置され、磁場感知用磁気抵抗器１０５が振動ダイヤフラム上の空洞１０３の垂直突出領域以外の領域内に配置される状況を単に概略的に示すことに留意されたい。磁場感知用磁気抵抗器１０５および永久磁石薄膜１０８の一方または両方が振動ダイヤフラム上で空洞１０３の垂直突出領域に配置される状態の限り、本発明の実施形態における磁場感知用磁気抵抗器１０５および永久磁石薄膜１０８の位置への特定の限定はない。
本実施形態による磁気抵抗慣性センサ・チップは、外部の圧力、振動、または加速度の変化を伝達するために振動ダイヤフラムを使用し、振動ダイヤフラムの機械的移動を磁気抵抗器の抵抗値の変化に変換するために磁気抵抗器を感度のよい材料として使用し、磁気抵抗器素子および永久磁石薄膜が同じ基準平面上に位置するように振動ダイヤフラムの同じ面上に磁気抵抗器素子および励起構造としての永久磁石薄膜を配置し、これにより機械式伝達構造としての振動ダイヤフラム、励起構造としての永久磁石薄膜、および磁気抵抗素子の相対空間位置の調整を容易にするとともに、これはセンサからの出力信号の直線間隔およびセンサの歩留まりの改善にとって好ましく、磁気抵抗器の高感度および高周波応答特性を使用して出力信号強度および周波数応答を改善し、それによって小さいおよび高い周波数の圧力、振動、または加速度の変化の検出を容易にする。
永久磁石薄膜の磁場に対する変化に感度のよい磁気抵抗器が、磁場感知用磁気抵抗器として使用され、永久磁石薄膜の磁場の変化に感度がよくない磁気抵抗器が、基準磁気抵抗器として使用され、基準磁気抵抗器は、永久磁石薄膜からある距離だけ離間して配置されるように設定され、これにより基準磁気抵抗器に対しての永久磁石薄膜の磁場の影響をさらに弱める。必要ならば、軟磁性材料で構成された磁気シールド層１０７が、磁場の影響をなくすように基準磁気抵抗器を覆い、それによって基準磁気抵抗器の安定した抵抗値を確実にする。
図３は、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図４は、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの断面図であり、図４は、図３の切断線Ｃ－Ｃ’に沿った断面図である。図３および図４を参照すると、本発明によるセンサ・チップは、基準磁気抵抗器１０９をさらに備え、基準磁気抵抗器１０９は、振動ダイヤフラムの上面上に配置されるとともに、振動ダイヤフラム上で空洞１０３の垂直突出領域以外の領域内に配置され、本発明による基準磁気抵抗器１０９および磁場感知用磁気抵抗器１０５は、密封リード線を介してフルブリッジまたは半ブリッジ構造に接続され、あるいは磁場感知用磁気抵抗器は、単一のアームを有する構造を別々に形成する。
図３および図４をさらに参照すると、軟磁性材料で構成される磁気シールド層１０７は、基準磁気抵抗器１０９の上部を覆い、次いでこれは、基準磁気抵抗器１０９の抵抗値に対しての永久磁石薄膜１０８により生成される磁場に対する変化の影響をシールドする。
本発明の特定の実施形態によれば、本発明による基準磁気抵抗器１０９および磁場感知用磁気抵抗器１０５は、トンネル磁気抵抗器、巨大磁気抵抗器、または異方性磁気抵抗器である。
本発明によれば、永久磁石薄膜の磁化方向は、永久磁石薄膜の平面内にあり、または永久磁石薄膜の平面に直交し、磁場感知用磁気抵抗器の感度方向は、永久磁石薄膜の平面内にあり、または永久磁石薄膜の平面に直交する。図４との組み合わせにおいて、本発明の特定の実施形態によれば、本発明における磁場感知用磁気抵抗器の感度方向は、Ｙ方向に沿って設定され、一方、永久磁石薄膜は、Ｚ方向に沿って磁化される。磁気抵抗器は、外部の圧力、振動、または加速度がＺ方向の永久磁石薄膜の変位を引き起こすときに磁気抵抗器の位置におけるＹ方向の磁場の成分を検出するとともに、変位の変化を決定することによって圧力／振動／加速度を検出するために使用される。磁気抵抗器の感度方向および永久磁石薄膜の磁化方向は共に、振動ダイヤフラムの平面の方向またはダイヤフラムの平面内の任意の方向に直交し得る。
図５ａは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの概略構造図であり、図５ｂは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの概略構造図であり、図５ｃは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの概略構造図である。図５ａ～図５ｃを参照すると、本発明の特定の実施形態によれば、本発明によるセンサ・チップは、密封基板２０２および密封ハウジング２０１からなる密封構造をさらに備え、基板１０１は、密封基板２０２および密封ハウジング２０１によって形成された空洞内部に配設され、密封基板２０２上に固定される。
密封構造は、外部の圧力または振動を伝達するために１つまたは複数の開口部２０３を備えて形成され得る。音響振動（例えば、マイクロフォン）または液体／気体圧力が伝達される必要があるとき、密封開口部は、液体／気体がチップと接触しているように必要とされる。開口部は、加速度を測定するために必要とされない。本発明の特定の実施形態によれば、１つまたは複数の開口部２０３は、図５ａから図５ｃに示されるように、実際の応用のシナリオの必要に従って密封基板２０２または密封ハウジング２０１上に形成され得るものであり、図５ａは、開口部を備えない密封構造を示し、図５ｂは、開口部が密封ハウジング上に位置することを示し、図５ｃは、開口部が密封基板上に位置することを示す。
加えて、本発明による密封ハウジング２０１は、実際の必要性に従って選択され得る軟磁性材料製の磁場シールド用シェルの１つまたは複数の層、金属箔製の電場シールド用シェルの１つまたは複数の層、あるいは磁場シールド用シェルおよび電場シールド用シェルを積み重ねることによって形成されるシェルを備える。
図６ａは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図６ｂは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図である。図１、図６ａ、および図６ｂは、Ｘ方向に沿った本発明による３つの代表的なトンネル磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、Ｒ１およびＲ３は磁場感知用磁気抵抗器であり、Ｒ２およびＲ４は基準磁気抵抗器であり、信号は、接触電極１０６によって導き出される。図１および図６ａに示されるように、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの中心位置に配置することができ、磁化方向は、永久磁石ダイヤフラムの面に直交する、または永久磁石ダイヤフラムの任意の縁部ペアに平行である。図６ａに示されるように、磁場感知用磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で垂直突出領域以外の領域内に位置することができ、または図１に示されるように、磁気抵抗器は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の内部の内側縁部領域内に位置してもよい。外部の振動／加速度／圧力によって影響を受けるとき、振動ダイヤフラムは、ダイヤフラムに直交する方向に移動するように永久磁石薄膜を駆動し、磁気抵抗器の位置で磁場強度の変化を引き起こし、次いで磁気抵抗器の抵抗値の変化を引き起こす。代替として、図６ｂに示されるように、磁気抵抗器は、空洞の突出部の内側の中心位置に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の外側に配置される。外部の振動／加速度／圧力によって影響を受けるとき、ダイヤフラムは、ダイヤフラムに直交する方向に移動し、磁場強度が磁気抵抗器の位置で変化するようにダイヤフラム上の磁気抵抗器と永久磁石薄膜の間の相対変位を引き起こし、それによって磁気抵抗器の抵抗値を変化させる。
また、図４を参照すると、基準磁気抵抗器Ｒ２およびＲ４は、空洞の外側の位置に配置される。基準磁気抵抗器は、永久磁石薄膜によって生成される磁場によって影響を受けず、その抵抗値は、永久磁石薄膜の変位の結果として磁場が変化するときに変化しないままである。磁気シールド層は、磁場に対する変化の影響を減少させるように基準磁気抵抗器の上部を覆うことができる。応用のシナリオによって必要とされるとき、Ｒ１およびＲ３は、出力のために振動を電気信号に変換するようにフルブリッジまたは半ブリッジの形態で連結される。加速度の計算の場合、Ｒ１およびＲ３が分岐を形成し、Ｒ２およびＲ４が分岐を形成してフルブリッジを構成するときに、加速度が永久磁石薄膜の変位を引き起こす場合、Ｒ１およびＲ３によって形成された分岐の抵抗は、その結果として増加し、Ｒ２およびＲ４によって形成された分岐の抵抗は、変わらないままであり、フルブリッジ電圧信号は、ゼロから正の値へ変化する。Ｒ１およびＲ３の分岐における磁場の変化量、永久磁石薄膜の変位は、磁場変位の関係に従って逆算によって得られ、次いで、加速度は、そのような変位を引き起こす時間と組み合わせて得られる。
図７ａは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図７ｂは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図７ｃは、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの断面図である。図７ａから図７ｃを参照すると、振動ダイヤフラム１０２は、複数の貫通穴１１０でエッチングされ、それによって振動伝達効率を改善する。振動ダイヤフラム上の貫通穴１１０の突出部は、磁気抵抗器の突出部、ならびにそのリード線および電極と重ならない。穴は、穴は磁気抵抗器およびリード線が位置する領域に形成することができないので磁気抵抗器およびリード線が設けられた後に形成され、さもなければ、磁気抵抗器およびリード線は中断される。
図８ａおよび図８ｂは、本発明の実施形態による他の２つの磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図９ａおよび図９ｂは、本発明の実施形態による他の２つの磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図である。図８ａから図８ｂおよび９ａから図９ｂを参照すると、本発明による代表的な異方性磁気抵抗／巨大磁気抵抗センサの平面図が示されている。磁気抵抗器はストリップまたは波形状に配置され、電極は、磁気抵抗器変化信号を導き出す。永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの中心位置に配置することができ、磁化方向は、ダイヤフラムの面に直交する、またはダイヤフラムの任意の縁部ペアに平行である。外部の振動／加速度／圧力によって影響を受けるとき、ダイヤフラムは、ダイヤフラムに直交する方向に移動するように永久磁石薄膜を駆動し、磁気抵抗器の位置で磁場強度の変化を引き起こし、次いで磁気抵抗器の抵抗値の変化を引き起こす。代替として、磁気抵抗器は、空洞の突出部の内側の中心位置に配置され、永久磁石薄膜は、振動ダイヤフラムの部分上で空洞の垂直突出領域の外側に配置される。外部の振動／加速度／圧力によって影響を受けるとき、ダイヤフラムは、ダイヤフラムに直交する方向に移動し、磁場強度が磁気抵抗器の位置で変化するようにダイヤフラム上の磁気抵抗器と永久磁石薄膜の間の相対変位を引き起こし、それによって磁気抵抗器の抵抗値の変化を変化させる。一方、基準磁気抵抗器Ｒ２およびＲ４は、空洞の外側の位置に配置される。基準磁気抵抗器は、永久磁石薄膜によって生成される磁場によって影響を受けず、その抵抗値は、振動ダイヤフラムが振動するときに変化しないままである。必要ならば、磁気シールド層が、基準磁気抵抗器Ｒ２およびＲ４の上方に設けられてもよい。応用のシナリオによって必要とされるとき、基準抵抗器Ｒ２およびＲ４、ならびに磁場感知用磁気抵抗器Ｒ１およびＲ３は、出力のために振動を電気信号に変換するように基準フルブリッジまたは基準半ブリッジの形態でリンクされる。
図１０ａおよび図１０ｂは、本発明の実施形態による他の２つの磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図である。振動ダイヤフラムの厚さは、０．００１μｍから１０００μｍであるように選択することができ、空洞と振動ダイヤフラムの間の接触面の縁部は、円形、楕円形、長方形、または平行四辺形であり、空洞と振動ダイヤフラムの間の接触面の囲んでいる長方形の長さと幅の比は、２０：１から１：１の範囲内であり、ただし、接触面の囲んでいる長方形の幅は、０．１μｍから２０００μｍの範囲内である。図１０ａおよび図１０ｂを参照すると、本発明の特定の実施形態によれば、空洞と振動ダイヤフラムの間の接触面の縁部が円形構造であるとき、磁気抵抗器および永久磁石薄膜は、それぞれ、空洞の突出部の内側および外側に弧状で配置される。作動原理およびそのリンク・モードは、長方形のダイヤフラムの設計と同じである。磁気シールド層は、基準磁気抵抗器Ｒ２およびＲ４の上部を覆うことができる。
図１１ａから図１１ｄは、本発明の実施形態による磁気抵抗ブリッジ接続モードの概略図である。図１１ａから図１１ｄを参照すると、磁気抵抗慣性センサ・チップにおいて、磁場感知用磁気抵抗器および基準磁気抵抗器の内張りモード（ｌｉｎｉｎｇ ｍｏｄｅ）は、基準フル・ブリッジ、基準半ブリッジ、およびプッシュプル半ブリッジを含み、あるいは磁場感知用磁気抵抗器は、単一のアームを有する構造を別々に形成する。
図１２は、本発明の一実施形態による別の磁気抵抗慣性センサ・チップの平面図であり、図１３ａから図１３ｃは、本発明の実施形態による他の３つの磁気抵抗慣性センサ・チップの概略構造図である。図１２および図１３ａから図１３ｃを参照すると、センサ・チップは、フィードバック・コイルを備えることができる。磁気抵抗が永久磁石薄膜１０８の変位の結果として変化するとき、結果として得られ電圧／電流の変化は、回路によって増幅され、次いでフィードバック・コイルに加えられて、同じ変化を有するが永久磁石薄膜１０８の磁場に対して反対方向の磁場を生成し、それによって慣性センサの測定ダイナミック・レンジを増加させるように振動ダイヤフラムが平衡点の近くに移動するようになる。
図１２に示されるように、磁気抵抗慣性センサ・チップは、平面エッチング式コイル１１１を備えることができる。平面エッチング式コイル１１１は、平面エッチング・プロセスによって形成することができ、平面エッチング式コイル１１１は、振動ダイヤフラムの上面上に位置し、空洞と振動ダイヤフラムの間の接触面の垂直突出領域以外の領域内に配置される。
図１３ａから図１３ｃに示されるように、センサ・チップは、巻線コイル１１２を備えることができ、一方、磁気シールド層１０７は、基準磁気抵抗器１０９の上部を覆うことができる。巻線コイル１１２は、永久磁石薄膜１０８の直上に配設され、または永久磁石薄膜１０８の直下に配設され、空洞１０３の下方または空洞１０３の内側に配置される。
永久磁石薄膜は、硬磁性材料の１つまたは複数の層であってもよく、その代表的な材料は、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、およびＦｅＰｔであり、あるいは軟磁性材料および反強磁性材料からなる複合材料ユニットによって形成された［軟磁石／反強磁性体］ｎ、または軟磁性材料および硬磁性材料からなる複合材料ユニットによって形成された［軟磁石／硬磁石］ｎであり、ただし、ｎは自然数であり、代表的な軟磁性材料はＦｅＣｏおよびＮｉＦｅを含み、代表的な反強磁性材料はＰｔＭｎおよびＩｒＭｎを含む。図１４ａから図１４ｆは、それぞれ永久磁石薄膜材料の代表的なセッティングの概略図である。具体的には、図１４ａから図１４ｆに示されるように、永久磁石薄膜は、図１４ａに示されるような単一の硬磁石薄膜３０１、または図１４ｂに示されるような２つ以上の複合材料の硬磁石薄膜（図１４ｂは、２つのタイプの硬磁石薄膜３０１および３０２が交互に積み重ねられている状況を示している）、図１４ｃに示されるような軟磁石３０４／反強磁性体３０３の複合材料薄膜、図１４ｄに示されるような多層で交互に重ね合わされた［軟磁石３０４／反強磁性体３０３］ｎ薄膜、図１４（ｅ）に示されるような軟磁石３０４／硬磁石の複合材料薄膜３０１、ならびに図１４ｆに示されるような多層で交互に重ね合わされた［軟磁石３０４／硬磁石３０１］ｎ薄膜を備えることができ、ただし、ｎは自然数である。
本発明の実施形態に基づいておよび創作的努力なしで当業者によって得られる他の全ての実施形態は、本発明の保護範囲内に入るものとする。本発明は、好ましい実施形態を図示および説明するが、当業者は、様々な変形および修正が、それらが本発明の特許請求の範囲によって定められる範囲を超えない限り、本発明になされてもよいことを理解するはずである。
Claims (13)
- 基板と、振動ダイヤフラムと、磁場感知用磁気抵抗器と、少なくとも１つの永久磁石薄膜とを備える磁気抵抗慣性センサ・チップであって、
該振動ダイヤフラムは、該基板の片側の面上に位置し、該磁場感知用磁気抵抗器および該永久磁石薄膜は、該基板の基部から離れるように該振動ダイヤフラムの面上に設定され、接触電極も、該基板の該基部から離れるように該振動ダイヤフラムの該面上に配置され、該磁場感知用磁気抵抗器は、接続リード線を介して該接触電極に接続され、
該基板は、エッチングによって形成された空洞を備え、該磁場感知用磁気抵抗器および該永久磁石薄膜の一方または両方は、該振動ダイヤフラムの部分上で該空洞の垂直突出領域内に配置され、該磁場感知用磁気抵抗器の感度方向の該永久磁石薄膜によって生成される磁場の成分が変化し、該磁場感知用磁気抵抗器の抵抗値を変化させ、それによって出力電気信号の変化をもたらす、磁気抵抗慣性センサ・チップ。 - 前記磁場感知用磁気抵抗器は、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域以外の領域内に配置され、前記永久磁石薄膜は、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域の中心位置に配置され、または
前記磁場感知用磁気抵抗器は、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域の内側縁部上に配置され、前記永久磁石薄膜は、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域の前記中心位置に配置され、または
前記磁場感知用磁気抵抗器は、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域の前記中心位置に配置され、前記永久磁石薄膜は、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域以外の領域内に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。 - 基準磁気抵抗器をさらに備え、該基準磁気抵抗器は、前記基板の前記基部から離れるように前記振動ダイヤフラムの前記面上に位置し、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域以外の領域内に配置され、該基準磁気抵抗器および前記磁場感知用磁気抵抗器は、密封リード線を介してフルブリッジまたは半ブリッジ構造に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記振動ダイヤフラムから離れるような前記基準磁気抵抗器の側は、軟磁性材料で構成される磁気シールド層を備え、前記磁気シールド層は、前記基準磁気抵抗器を覆うことを特徴とする、請求項３に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記基準磁気抵抗器および前記磁場感知用磁気抵抗器は、トンネル磁気抵抗器、巨大磁気抵抗器、または異方性磁気抵抗器であることを特徴とする、請求項３または４に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記磁気抵抗慣性センサ・チップは、密封基板および密封ハウジングからなる密封構造をさらに備え、前記基板は、該密封基板および該密封ハウジングによって形成される空洞の内側に配設され、前記密封基板上に固定されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記密封ハウジングは、軟磁性材料製の磁場シールド用シェルの１つまたは複数の層、金属箔製の電場シールド用シェルの１つまたは複数の層、または該磁場シールド用シェルおよび該電場シールド用シェルを積み重ねることによって形成されるシェルを備えることを特徴とする、請求項６に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記密封基板または前記密封ハウジングは、少なくとも１つの開口部を備えることを特徴とする、請求項６に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記振動ダイヤフラムの厚さは、０．００１μｍから１０００μｍであり、前記空洞と前記振動ダイヤフラムの間の接触面の縁部は、円形、楕円形、長方形、または平行四辺形であり、前記空洞と前記振動ダイヤフラムの間の該接触面の囲んでいる長方形の長さと幅の比は、２０：１から１：１の範囲内であり、該接触面の該囲んでいる長方形の幅は、０．１μｍから２０００μｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記振動ダイヤフラムは、エッチングによって形成された複数の貫通穴を備えることを特徴とする、請求項１または９に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記永久磁石薄膜は、硬磁性材料、あるいは軟磁性材料および反強磁性材料からなる複合材料ユニットによって形成される［軟磁石／反強磁性体］ｎ、または軟磁性材料および硬磁性材料からなる複合材料ユニットによって形成される［軟磁石／硬磁石］ｎの１つまたは複数の層であり、ｎは自然数であり、該硬磁性材料はＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、およびＦｅＰｔの少なくとも１つを含み、該軟磁性材料はＦｅＣｏおよびＮｉＦｅの少なくとも１つを含み、該反強磁性材料はＰｔＭｎおよびＩｒＭｎの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記永久磁石薄膜の磁化方向は、前記永久磁石薄膜の平面内にあり、または前記永久磁石薄膜の前記平面に直交し、前記磁場感知用磁気抵抗器の前記感度方向は、前記永久磁石薄膜の前記平面内にある、または前記永久磁石薄膜の前記平面に直交することを特徴とする、請求項１または２に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
- 前記センサ・チップは、フィードバック・コイルを含み、
該フィードバック・コイルは、平面エッチング式コイルであり、前記基板の前記基部から離れるように前記振動ダイヤフラムの前記面上に位置するとともに、前記振動ダイヤフラムの部分上で前記空洞の前記垂直突出領域以外の領域内に配置され、
あるいは、該フィードバック・コイルは、前記永久磁石薄膜の直上に配設されたまたは前記永久磁石薄膜の直下に配設された巻線コイルであり、前記空洞の下方または前記空洞の内側に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気抵抗慣性センサ・チップ。
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