4^264 6 A7 B7 五、發明說明(1 ) 相關之申請案 此申請案係與2000年2月9曰提出申請之美國專利申請 案說明為代理備審案件第61450Ό26Ι86丨號名馬 Magnetoresistive Semiconductor Pressure Sensor and Fingerprint/Verification Sensor Using the Same,和 1999年 7月20曰提出申請之美國臨時專利申請案編號第 60/144.843號相關聯,以及請求其優先權。 本發明之界定 本發明係論及一種巨磁阻(GMR)裝置,其可配合微加 工標’以南殖敏度來測里應力’以及論及其之製作和使用 法。 本發明之背景 應力和壓力嵚測器 C3MR效應已廣泛報告於多層薄獏感測器中,其中有 一些交替鐵磁性層12,鈷、鐵、和鎳等材料所製成,以一 些類似鉻或銅等非磁性導體14分隔,而形成一類似第!圖 中所例示之感測器1 0。當有一電流沿上述感測器之長度方 向通過時,彼等多層堆薄膜之磁阻值,將會如第1圖中所 示’依彼等各個鐵磁層之磁化強度間的相對角度變化。誠 如第2圖中所示’當彼等相鄰鐵磁層間之磁化強度間向量 彼此相平行時,上述之磁阻值將為最小,而當上兩向量彼 此反平行(成1 80 ° )時,上述之磁阻值將為最大。理應注 意的是,此與上述傳統式之AMR效應相對照,當其一單 一磁阻薄膜内之磁化強度向量,與上述電流之方向相平行 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 * 297公釐) (請先父讀背面之;i#·.?事項再填窵本I > 3S.--------訂---------線 經濟都智慧財產局員工消費合作社印製 4 A: 五、 B7 發明說明 成 ϋ之运:ΙΒ_浪將馬最大.以及當其與上迄電淹之方向 之角度時‘上述之磁阻值將為最小
ii AMR 經濟部智慧財產局員工消費合作社扣.装 佟顯示在第3和4圖中: 遣幕’乾上边磁亡強f向量自土行至反工亡R免之亡 早篆章j1, t '"τ & . 一 GMR多層堆之磁阻值中的變化,可在〕〇。至 大於)0%之任—處以及就上述AMR之效應而言‘一 90.' 轉動有關磁阻值中之變化,為].5-3.5°/。。所以,若一 GMR 夕層堵中某些層之磁化強度,可在一磁場之施加下使其轉 動’上述之GMR堆理論上.將會提供一靈敏度較一傳統 式AMR薄獏為大之磁場感測器,然而,此一行動中之一 項挑戰是.一 GMR堆内彼等交替鐵磁性層間之交換耦合 磁場非常大.數量級為2000奧斯特,結果要使_個别之 鐵磁性層相對一鄰近鎩磁性層做轉動.將需要巨大之磁場 :若增加歧等相鄰鐵磁性層間之層間距離.以降低彼等層 間之交換鎬合磁場,則其GMR比(百分比磁阻值變化)將會 對%地降低。結果,其將不可能完全利用到上述古典 之效應:: 一種用以克服上述問題之解決方案,為一自旋間碓場 :::'、為弈.其係一剁用某一版尽之G μ R效獲的裝置f此種 自旋間磁場感測器,如第5圖中所示,係由兩個以1:磁 性隔片層56分隔之鐵磁性層52和54所構成。此兩層”和^ 中 '其層係,m其中之磁化強度向量係^丁 在—方向Φ .其另一層52係一自由層广其磁化強度向 量係可在其賴面㈣由轉動 '彼等被鄙4與自由層 規格dr- )>餐 -------------裝--------訂---------線 (^-t^tit面之注惠事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A: ------ 五、發明說明(3 ) w間之分隔,在選擇上係使此兩層間之輛合磁場不會過大 在其靜止狀悲中,上述自由層52之磁化強度向量,係如 第)圖中之粗前頭所示,在方位上與上述之被釘層54成9〇 :。在施加一相當弱之磁場下,上述自由層52之磁動量的 轉動(如第:>圖中之虛線箭頭所示),將會導致彼等被釘層54 與自由層d2間之磁化強度中的變化,以及將會造成上述裝 置之磁阻值中的變化。 第6圖係描繪上述裝置為其上所施加磁場之一函數的 典型磁阻值變化。在其靜止狀態中,該裝置之磁阻值係以 此曲線圖上面之點X來表示,以及其磁阻值中之變化’在 成乎至第6圖中所示該裝置之飽和點之磁場中的變化係呈 線性^ 在一自旋間裝置内,其被釘層之磁化強度向量,通常 係經由其被釘層(舉例而言,第5圖中所示之『被釘層』58) 與一類似CrMnPd、PtMn、FeMn、NiMn、等等之硬鐵性 材料間的反鐵磁交換耦合,而保持定位。其他用以固定其 被釘層之磁化強度的方法,係包括永久磁鐵偏壓、電流感 應偏壓、等等。 如上文所述古典巨磁阻⑴!^…之效應,亦已被預期用 以測里應力所引發之機械應變。此一原理係涉及即使在無 磁場之情況中,在機械應力之施加下,上述鐵磁層之磁化 強度向量所產生之轉動,將會造成其薄膜之磁阻值變化, 其復可被用以推論出上述應力之程度。然而,其仍需要克 服彼等交替鐵磁層間之大量交換耦合磁場,而欲完成 本紙張尺度適用中國g家標準(CNS)A4規格(210x 297公爱) ------— — — — — — ^ ·11111--»11 — — ———— — (請.气父讳背面之;1.意事項再填寫本頁) 6 ¾¾¾智慧料產局員工消費合作社ίρϊϊί. Λ: Β7 五、發明說明(4 ) 已有之建議是使闬一外加运場_以诗助沒等營中之一在一 &加應力下之轉動:然而.實際上.此係+分難以具現, 蓋其將無法在彼等廣泛都署在上述磁場Γ9之嵚測器+ •绝 刀f如此大之磁場故也:此外 '此一方法時會造成其精確复 上之嚴重問題= 其在類似美國專利編號第5.856.6 1 7號中亦有建議· 使用上述類型之自旋閥裝置,來測量一原子力顯微鏡之懸 臂前端中的應力。在此一建議之應變計中,其之一範例係 洌示在第5圖中,其自由層52在製作上係具非零之磁伸縮 性,以致在零磁場之ί:条件下 '上述自由層之磁化強度向量 '將會在矻加應力至其懸臂樑時做轉動·以及在彼等自由 層52與被釘層54間之相對磁化強度向量中的最後變化·將 會導致上述裝置中之磁阻值變化:上述之應變計裝置.因 而係一傳統式頂部自旋閏.其係具有一由NiFe、Νι、和Co 之合金所構成而直接澱積在上述之基質上面的自由層5 2, 一佈置在彼等自由層52和被釘層54間之非磁性導電層56, 和上述用以釘住該堆頂部上面之被釘層54的反鐵磁性 < Λ F Vh層;8 :雖然此種裝置可能在測量彼等原子力顯微鏡 乜臂前端上面之黾變&•被發現係具有某種用途1使用此 一裝置做為一般目地之應變計,則將會存在一些問題。此 裝置之缺點大部份係有關於此類設計天生存在之性能、 可靠度、和處理極限·以及將列舉在下文中: 首先.由於一殳鐵磁性(AFM)層58 '係用以經由交換 耦合來釘!上述之被釕層54,該裝置將會遭受到可靠度之 -¾ 1] ------------ - ---------------- (請乇^frti;之;it事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明(5 ) 問題’蓋其AFM材料長期曝露丨5〇_2〇〇:c左右之高溫,將 會使其被釘層7解除被釘z,此將會破壞其感測器之有效 性故也。此在其所選反鐵磁性材料,具有一低『阻斷溫.变 ‘(在此溫度下其反鐵磁性將開始喪失其交換各向異性)時 ’特別真實。此外’若其所選AFM材料係一需要高溫退 火者’此將會導入另一項諸如其薄膜與其上澱積之多層堆 之基質,由於該堆之熱性不相匹配和疊片分離所致之相容 性的處理問題’此外’大部份以錳為主之AFM,係具有 很差之抗腐蝕性。 第二’在其靜止狀態中,其自由層52之磁化強度,很 難維持指向一與其被釘層54成90。之方向=其中存在著幾 種會影嚮其自由層之靜止狀態之靜磁動量的磁性扭力,其 中包括彼等固有之應力、形狀解磁化場、電流感應之磁場 、與其被釘層5 4相關之層間耗合磁場、和最後其自由層5 2 固有之各向異性。其將很難平衡此等動量,使達成一最後 指向與其被釘層54成90。之動量向量,此在其感測器之邊 緣處尤其為真。結果,該裝置之靈敏度將會有對應之降低 ,以及上述裝置之線性和抵補值,將會存在有誤差。 第三,使用上述之組態,將會存在一些與該裝置之穩 定性相關聯之問題’蓋其自由層5 2係具有軟磁性故也》在 彼等應力和應變之測量期間,該裝置附近甚至極小量之磁 場,均會影嚮其自由層磁化之轉動。此將會進一步使其感 測器邊緣處,彼等應力效應和其他解磁效應,對其自由層 52之磁化強度向量施加杻力的問題,變為複雜。所以,其 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) ---------!.--.K-------訂------!線· (請先.^ttt面之;i意事項再填罵本頁) 8 呍-都智慧財產局員二消費合作社印製 Λ: Β7 五、發明說明(6 ) 跨希望有一自由層5 2 .能對+量之外部廷場+分不敏,言:,、 第四,在諸丁 eflon等特殊基質或其fc如同Kapton等 撓曲性基f上面,将很難處理該裝置,以殳嚴積上ϋ之ί 層薄膜:此係甴於大部份之AFM,需要高溫退火步驟, 來得到其所需之磁性質的事實=此種特殊基質上面之高溫 退火,很容易由於熱性不相匹配,而導致嚴重之應力,以 及因黏合力之缺乏’而招致剝落現象。 第五此一感測器‘很難分別出在該裝置之高溫處理 或運作期間,由於彼等基質與裝置間之熱性不相匹配所致 •彼等薄獏内所發展出之應變的固有效應=由於其自由層 對應力極為敏感 '以及其很難分別出一外來應力和處理期 間所導入之固有應力·其線性將可能由於其處理應力而損 失’以及其磁場將可能因環境條伴之改變' 而遭遇到隨機 之把補: 第六.此一應變計係受限於實現左右之總GMR 嚮應:理應注意的是‘此一嚮應係相當於彼等被釘層與自 由層之磁化強度向量間之1 8 0=相對角度的變化1所述之 設妙僅能容許一主之總GN4R效應被實現,蓋在零磁場下 沒等被打層與自由層間在彼等靜止狀態與完全拖加應力間 之最大角度差 '僅有9〔广而非1 故也:所以,此一設 計將很難得到一大於3%-4%之磁阻值變化。 第七、若該裝置係用來同時測量拉伸和壓缩應力’其 最大1號輸出就任一應力符號而言,將會险為上述總G M R 嵩應之S rf之一以及其嚮應之線性將會受到連累. fCXSiA' f I . -til — — — — — — — — — — — — — (^先-汴背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*'衣 -______B:___ i、發明說明(7 ) 第八1其將很難分別出其感測器由於一所謂『磁,c旦值 之溫度係數(TCR)』的固有材料特性。該TCR係表示上述 裝置在零磁場、零應力條件下之靜止磁阻值為溫度之一函 數的變化:通常,此一數值就GMR感測器而言.為 〇15%-〇.2%/t左右。然而,當其感測器被用做一應變計 時,其將很難自室溫感應之效應和應力感應之效應,分別 出其感測器之磁阻值變化。結果,一應變計測量電子電路 ’通常會涉及到一些精巧之電子電路,以補償其感測器内 溫度感應之變化。一類似上述之感測器,將會遭遇與目前 其他類型之壓阻感測器相同之缺點。 基於上述之所有理由,欲實現一應力感測器,使其具 有高靈敏度(大嚮應)、良好之穩定性、和良好之可靠度, 其將需要做大幅之改進。 使用壓力成像指紋 其指纹感測工業,係使用數種不同之技術,來做指紋 成像。其兩種最著名之技術是,彼等以光學為主之感測器 ,和彼等以電容值為主之感測器。彼等光學式感測器,係 使用一光源、—些透鏡、和一稜鏡,而基於彼等輪廓之反 射光波的不同,來成像出一指紋之脊部和凹部。其傳統式 電容感測器,洚使用半導體類型之處理程序,來製作一二 維陣列之電容器。彼等個別之感測器,係形成彼等平行板 電容器之一板,而上述之指頭本身,在置於該陣列上面時 ,將可作用為其第二板。在與彼等感測器之陣列接觸時, 其自每一感測器至皮膚之個別距離,將可使用電容技術, 本紙張尺度適用中關家標準(CNS)A4規格⑽x 297 )-------- -10 - I I I I --------^.1·--—訂 (請先纪讀背面之注t事碩再填寫本頁) 蛵濟部智慧財產局員工消費合作社印¾ A: B7 五、發明說明(8 ) 來加以刮量:其皮膚在一指紋之脊邹釦凹部處的距錐#, 蒋可提洪其複製該指紋之工具=一使同電容性載丨則器來東 量上述間渴之範洌·洚顯示在第_ A和ffi由· 上述之兩種技術,基本上可測量彼等指紋與1 :\'器¥ 之間隔:此間隔之測量,天生會遭遇幾種失真之效悉: 甴於彼等脊部與凹却間之高度差僅有50微末之級數,任何 會影嚮彼等脊部與凹部間之間隔的參數,均將會影嚮到其 之測量。舉例而言,上述兩類型之感測器,對其保護塗数 層之厚度極為敏感=彼等對指頭上面之油滴或油脂及指頭 上面溼氣存在與否均極岛敏感。此外,大部份此等感測器 在感測時,均會受到室溫之影嚮。在極熱或極冷之狀:兄中 •上述之電容性感測器,將會提供錯誤之讀值f所有此等 變數之結合效應·將會如苐7C圖中所示,造成上述指紋 一極為失真之影像。 由於上述基於間隔複製指紋之缺點所致,若能使用一 指纹之脊部和凹部在一感測器上面所施壓力之差異,來複 製其指纹影像·將會是極為有用的。基本上,一基於壓力 之指紋感測器 '將不受上述所列缺點之影嚮.諸如指端上 面之潮渔或乾燥狀況、指端上面之油滴或油脂的存在與否 、波等保護塗數層之厚度、等等,以及可依據其感測器是 否經驗到一脊部,而產生一『數位』嚮應=此一情況係例 六在第Π)和圖*‘其中之壓力感測器-僅會強調出彼 等脊郜,此即為一指紋有關之紋路 然而·基於多種因素 其中a括掻低之靈敏度和無法提供所需之解析度·彼等 ---n I -I 1·· ^^1 ^^1 ^^1 ^^1 ^^1 I n n· ^^1 I % V t糸 (^^^fi'-?rol/:it 事項再填骂本頁) 五、發明說明(9 基於壓力之感測器’益未被部署來複製指紋: 因此,其依然存在箸需I_ 石而要一種裝置.使適用敗_應力 和’或壓力感測器,而具有;I;雪紐Λ 一 升,阿筮敏度、且能提供高的制向 解析度= 本發明之概要 本發明之一目地,旨在描也 _,. 曰隹叔供一種改良型GMR感測器
Q 本發明之另-目地’旨在提供一種隨感測器,使 其不需要-額外層來釘住任何之鐵磁層,而改為使用—外 在之電流源,來適當地使彼等鐵磁層偏壓。 本發明之另目地’旨在提供-種GMR感測器,使 其可容許彼等鐵磁層兩者均能自由轉動,目而可增加上述 G殿感測器之動態感測範圍,卩及容許其整個識街應 均能被感測。 本發明之又一目地,旨在提供一種GMR感測器,使 其能夠感測出壓縮應力和張力兩者^ 本發明之又一目地,旨在提供一種GMR感測器,使 其適能具有大體上不受溫度偏移影街之獨立性。 本發明之一目地,|在提供一種GMR感測器,使其 能適當地用於指紋之辨識和確I忍中。 本發明之一目地,旨在提供—種GMR感測器,使其 此適當地用於指紋之辨識和球認、中,以及可對彼等類似極 端之溫度和皮膚油滴與油脂等不良狀況不敏感。 本發明之一目地,旨在提供—種^^^尺感測器,使其 本紙張又度適用中固國家標準(〇^)八4規格(210>:297公爱) <請先^面之;1帝?事項再填窵本頁) ^---- 訂---------绛 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12 經-即智慧財產局員工消費合作社印土 A: B: 五、發明說明(10) 能遺當玟Θ分指纹之码識和碹認由‘以殳可封.ΐ等暫態 E S D電壓和亦對機域磨損較為不敏感。 本發明在完成此等和其fc目地上·係#著提供一種$ 力疫測裝置·其包含至少一 GMR或芄器.以反最好乌一 GMR感測器陵列.而使其每一 GMR感測器,具有一安插 在其兩鐵磁層間之導電隔片層。在一未加偏壓之狀態中· 其每一鐵磁層之磁化強度向量,彼此最好係相互平行:然 而‘於一電流疤加之際其每一鐵磁層之磁化強度向量將 會改變,最好是至一反平行之位置,在此一狀態中,其感 ;·則器則係用來感測其上所施加之應力=於一應力施加之際 '其兩鐵磁層之磁化強度向量均會轉動,因而可使其感測 器之磁性材料的磁卩旦值中,做一對應和成比例關係之變化 此一磁阻值中之唆化·將可被感測,以及被用來計算其 上所铯加之應力, 雖然以上提供了本發明之一總覽,其中存在之許多其 化重要特资和優點’將可由下文所提供之說明1而臻明確 圖示之簡要說明 本發明之以上和其他目地 '特:和優點將由下文參 照所K本發明之非限制性示範實施例之諸圖的詳細說明, 做進一步之說明 '其中,相同之參考數字,在橫貫諸視圖 中,係表示本發明之類似部分,以及其中: 苐丨®洚-先存技藝式GMR多層堆之这視圖_其係使 用交替之非磁性沒片斛分塥之鐵磁性層: ------------1 --------訂---------- 經-部智慧財產局員工消費合作社印製 452646 A: ________ B7 五、發明說明(11 ) 第2圖係一可例示一 GMR多層堆對上述交替式鐵培性 層間之相對角度中之變化之磁阻值嚮應的曲線圏: 第3圖係一先存技藝式MR層之頂示圖,其係柯示峻等 磁化強度方向與電流方向間之角度: 第4圖係一可例示上述先存技藝式MR層對第3圖中$ 示磁化強度向量與電流方向間之相對角度中之變化之磁阻 值嚮應的曲線圖; 第5圖係一先存技藝式自旋閥之透視圖,其係使用一 以非磁性隔片分隔之被釘鐵磁層和自由鐵磁層; 第6圖係一可例示上述先存技藝式自旋閥對第$圖中所 示被釘鐵磁層和自由鐵磁層間之相對角度中之變化之磁阻 值嚮應的曲線圖: 第7A-7E圖係一些位於先存技藝式電容性感測器上面 和電位壓力性感測器上面之指頭端的惻視圖,彼等係例示 以間隔對壓力複製指纹之用法’和其與此先存技藝相關聯 之失真; 第8 A( 1 )-(3 )圖係一些依本發明一較佳實施例所製而具 有偏壓電流自由層之GMR應變計感測器未按比例的透視 圖: 第8B圖係一可例示上述較佳實施例之應變計感測器 為應力感應磁場之一函數之磁阻值嚮應的曲線圊; 第8C圖係一可例示上述較佳實施例之應變計感測器 為其所施加用以改變感測電流之一函數之磁阻值嚮應的曲 線圖; 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS>A4規格(2〗0 X 297公釐> <錡先"讀背面之注意事碩再填筠本I > ^•_||丨|丨1 訂1111!· *33^ , 14 經濟部智慧財產局員工消費合作社印繁 A: B7 五、發明說明(12) 第8D(〗1和(2) K係一些笊本發明一 fe洼實《 y〜裊二 具有鸽壓電流自由層之GMR應變計感剽器之其他實柘 的透視圖: 第8ti 1 η 4 )圖係一些依本發明一較佳實圮K科製而具 有熇壓電流自由層而可感測張力和壓縮之GMR應變Θ旮 到器未按比例的透視圖: 第9圖係一依本發明所製而具有一層附有磁伸縮性之 偏壓電流自由層之GMR應變計感測器未按比例的惻視圖 第1 0圖係啣示一其上面依本發明澱積有及樣式化一巨 磁阻之樑或膜片基質= 第1 1圖係例示依本發明所製樑或膜片之二維障列,彼 等係採用類似第8Α或8D或8Ε圖中所例示用做壓力感測器 之磁阻裝置, 第1 2圖係$示使用一以一絕緣隔片與上述樑上面之感 測器相塥離之導電層,上述導電層之功能,為使E S D電荷 消散至其接地端‘以及可保護該感測器免受ESD之損害; 第1 3囹係例示依本發明所製一二維陣列而採用類似第 1丨圖中所例示之巨磁阻感測器之壓力感測器由‘用以執行 電子測量之電子電路的範例;而 第1 4圖則係例示一依本發明製作一樑或膜片之方法, 其將可採用一類泣第8圖中所例示闬做壓力感測之目地的 巨磁阻葭置= 較诖實矻例之詳細說明 一二, 11 j I ] 1 αί · 1111— II 言 *1111111*各 {請.气父讀背面-^意事項再填寫本頁) A: B7__ 五、發明說明(13) 在詳細說明其最初之較佳實施例前,首先將提供本發 明所用觀念之概觀。繼而,方討論本發明之較诖實疤判和 他型實施例。 一軟蛾磁層因磁彈性驅動力所招致磁化強度向量之轉 動’係正比於彼等應力和磁伸縮之乘積。本發明基於此_ 觀念之感測器,基本上係一些多層堆,彼等係澱積在其要 文到監控之基質上面’以及係以平版印刷技術樣式化而具 有高的高寬比,其中感測器之長度,係大於其寬度。一作 用在其感測器之長度上面’而使弯曲之單一袖線的壓縮或 拉伸應力,即使在不存在一外來磁場之下,亦會使上述軟 鐵磁層之磁化強度向量產生轉動。此磁化強度向量轉動之 要件,為其感測器之磁伸縮性質,必須為非零(>+ 1 0-7或<-1 〇〜),最好為-1 (T,以及其符號對上述應力之符號必須 適當。上述磁化強度之轉動,復可在上述磁性材料之磁阻 值内產生變化,以及在電流最好是在長軸線方向上流經該 裝置之組態中,造成其輸出電壓中之對應變化。 本發明說明了一種較佳實施例,其係使用一外加電流 做為其釘住源’來固定彼寺鐵磁層之磁化強度。特言之, 此較佳實矻例,係包含兩層鐵磁材料(各層通常為NiFe、 CoFe之組合體),以一類似銅之非磁性導電性薄隔片加以 分隔。此銅可在上兩鐵磁層間,提供—鐵磁性耦合,而使 彼等之磁化強度指向同一方向’其在此較佳實施例之情況 中’係沿著上述感測器之長度。每一鐵磁層係進一步由一 非零磁伸縮性材料所構成。 本紙張尺度適用中國國家標翠(CNSM4規格(2]0 * 297公爱〉 (請先父讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂·--------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 16 五、發明說明(!4) 於疤加一預定電流時,此電流所貳慧之磁場.係旻丄乂 在技等每—鐵磁層网,玫應出一磁場' 其係趕於使各f < 墙化強度’朝其感:¾器之寬変方向轉動:然而,上兩f之 52化® .¾ ·邻右手定則所相,係趨於沿相反之方向做_ _ .备該電流有足夠之大小·該電流所感應之轉動,將可4 至足以克服上兩層間之鐵磁性辑合和彼等之各向異性.以 及上兩層間之磁化強度,將可使彼等朝向一彼此成丨8(Γ 之方向’各係指向上述感測器之寬度方向。此係上述裝置 之靜止、零磁場、零應力之狀態。其感測器之磁阻值,在 此一狀況中為最大:若上兩鐵磁層具有大致相同之磁動量 ’其磁通量閉路將可被完成,以及彼等邊緣效應將可被消 除,而容許其整片薄膜,能具有均勻之磁化強度。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於抱加應力時.就坡等磁伸縮之符號和應力之符號, s上:4袭測器之長度的適當組合而言,上兩鐵磁層之磁化 強度,此刻將會朝其長度方向回轉。隨著彼等之轉動,彼 等動置向量間之角度將會降低,以及該裝置之磁阻值將會 Γ备低。其因而可使用此磁咀值之變化,做為其應力之測量 -在其完全飽和之狀態中,彼等動量彼此係沿上述長度方 问相正彳丁,以及其感測器之磁阻值將為最小 妓以此等已列舉之原:里,參,日·?.第SAUH3)圖,來說明 -述之第軚佳實例’該等圖係例示一應變計感測器刖 ’其係利用上述之GMR效應.但可消除上述之AFM層, 和其之目由層在靜止狀態中·要與其被釘署相垂直的需要 莫亦可提供其整®GMR之街應.而非僅是其感測器80 (CNS;Ai :2K^r-r^-
AT ___B7______ 五、發明說明(L〇 之一丰嚮應= 上述之感測器80,最好具有一自俯視圊視去之矩形, 而使其電流沿上述感測器之長度轴線流動C此感測器多層 堆,係如第8 ΑΠ )圖所示,包含至少兩層鐵磁層8;:,其間 具有一類似銅之非磁性導電隔片層84。該等鐵磁層82兩者 均為自由層,彼等之磁化強度,可在施加磁場或應力之存 在下’做自由轉動。彼等自由層兩者均具有相同符號和相 同大小之非零磁化強度。該等自由層82之厚度,可在0.5· 15 nm之範圍(一般值為5-8 nm左右)内,以及上述之隔片 層84之厚度,在選擇上係使上兩鐵磁層間,存在一弱鐵磁 性耦合’而無不當地危及其GMR嚮應。此隔片層84之厚 度,在使用銅時1通常係在0.1-10 nm之範圍内,藉以提 供一適當之耦合。彼等引線85,係連接至上述裝置之每一 長度端’以便在設置上,可使一已知之電流行經上述之裝 置,以及可測量該裝置之所成電壓。 在上述之狀態中,每一各個別鐵磁層82内之磁化強度 ,係如第8A( 1}圖所示,指向一沿上述感測器8〇之長度方 向。其兩層82間之鐵磁性耦合磁場(如82A和82B之詳細顯 示’彼等於有需要時將特別論及),可因而確保彼等磁化 強度’在無偏壓電流存在下,能彼此相平行。然而,當一 充份大小之偏壓電流施加時,彼等每一鐵磁層82内,將會 如右手定則所指,產生一電流感應之磁場。此電流感應之 磁場’趙於使每,一層内之磁化強度,如第8A(2)圖所示, 沿其寬度之方向對齊,但彼此係成反平行(丨8〇。)。 本紙張又度適用中國固豕標率(CNS)A4規格(21〇 X 297公爱) (^先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂,-----|!線- 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印利农 18 蛵晋郎智慧財產局員二消費合作社EP& A: B:_ 五、發明說明(16) 在此一 t :¾ _ 80有間之典型設f- + '其嘎視波莩丨έ S 電流之要求·為使其兩鐵磁層82之磁化強度·能在?: 1勺 '零磁場之狀態Φ .彼此成反丰行對齊。其兩银运f 82間 之鐵磁性耦合,就一 2 -4 nm之銅厚度而言,係在2 - 5罢沪 特左右之範圍門:由於彼等兩層82在其長度方向上_加有 一 5奧斯特之固有各向異性.欲使其兩層82間之磁化強度 朝向其寬度方向做完全之轉動,其將需要一 7-1 0奥斯特 左右之電流氣應磁場r此電流在母·一層内所疾應之磁場係 定為: H.L!rr,nl = H; = (4Z ;3)Ι^ν 程式 1 此處‘ I為一以微安表示之電流,以及、"為一以微米表示 嵚測器之寬度。假定一感測器寬度為2微米,一在3-5 mA 間之電流,將可使上述鐵磁層82之磁化強度,完全轉動至 其寬度之方向: 在一零.¾力、零磁場之狀態中' 在如上述設計準則所 指之充份鸽壓電流的铯加下,其兩鐵磁層82之動量或磁化 強度向量' 彼此將會變為反平行,使沿其感測器80之寬度 方向對齊 '而造成一最大之磁阻值。在彼等自由層(Hk)如 此,殿積之各向異·;·生·係在一沿其長度轴線之方向上的情況 中 '就彼等磁化強度向量在一偏壓電流之施加下至一反平 行組態的完全轉動而言‘吾人可界定其之最小所需電流Imin •係發生於 Η. ( Η ; 1 ; ' H k · Η. h I 程式 2 a 此4 Η ::免其層間耦合磁場· u及H..係其硬轴線矯頑 -------------裝.-------訂·-------線 (ir>-t.^ttt面之:it事項再填寫本頁) 烴濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __________Β7 _ 玉、發明說明(π) 磁性,其亦需被上述之偽壓電流克服,以使其磁化強度向 量轉動:理應注意的是,此一處理係就一實施例而言.以 及並未考慮其他之實铯例,其中之固有各向異性,保 指向一沿上述感測器之寬度的方向:其亦未考慮彼等比 和H1LC之相對大小的效應。此等其他實铯例,係如應力感 測器一樣可實行,除彼等電流之要求,將依其所用特定實 施例而改變外。方程式2a可重寫成如下: -(3w/4D)*((HILC+Hk+Hch) 程式 2b 益考慮一外加應力對彼等鐵磁層之磁化強度向量,和 因而其多層堆之磁阻值的效應。上述在彼等鐵磁材料上面 之應力感應各向異性磁場,早已有明文記載以及被瞭解: 舉例而 s 可見於A.C.Tam和H‘Schroedert"ANe、\.High-Precision Optical Technique to Measure Magnetostriction of a Thin Magnetic Film Deposited on a Substrate"(IEEE Transactions on Magnetics. Vol.25. No.3. May 1989. pp.2629-2637)。此應力感應磁場係定為: Η =3Π,Π.)/Μ5 程式 3 此處’ Η係上述趨於使彼等自由層之磁動量轉動的應力感 應各向異性,=係上述自由層之磁化強度,□係其薄骐上 面之增量單軸線施加應力,而Ms係上述自由層所用合 金之飽和磁動量。若□>0’上述應力感應各向異性,將 趨於使其磁化強度,轉動至張力之方向(□>〇);而若□<〇 ,其則趨於使其磁化強度’轉動至壓縮力之方向(□<0)。 上述自由層82之磁伸縮的符號在選擇上,係使在上述 本紙張尺度適用中S國家標準(CNS)A4規格(2]0 X 297公蹵) 20 {請先父讀背面之注t事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線 經;$郎智«.財產局員工消費合作社印製 A 7 B7 五、發明說明(IS) 纪π至其闬以充1¾多層堆所需基Ϊ之揉的.¾力下·其兩自 由f之桂化強度’将會朝其樑之長度方向轉動。隨著其廷 ί匕強度之轉動,妓等動量向量之角度將會洚歆,以殳其$ .暑堆之运ί1旦:直將會降ίϊ、:其因而可使用此运F且值之變化, 來測量上述之應力:上述鐵磁層82之固有各向異性的方ii -和忮等之間的鐵磁性耦合 '將可確保敁等之磁動量,能 如第8AC3 )圖中所示·在應力之施加下,彼此係成平行對 齊’而非反平行:在其兩動量向量如今之相平行下,上述 裝置之磁阻值,將會為最小= 舉例而言.若其兩鐵磁性自由層,係製作成_链伸縮 十生,以及若有一.堅縮應力’係沿上述感測器80之長度方向 施加' 其兩層g 2之磁化強度' 將會趨於朝上述感測器之長 度方向回# :由於其徵弱之鐵磁性耦合所致,彼等將會朝 彼此轉動而成一 土彳于之狀態1以致造成其磁阻值之降低, 直至其達至最小為止。 定量上,在庳力之絶加下,彼等磁化強度向量,完全 回轉至一年行組態 '以反抗偏壓電流之效應有關的最小條 件.可寫成如下: H . Ζ : 程式 4 此一方程式建議‘上述外來感應之磁扭力、電流感應各向 異性、和應力感應各向異性磁場,在決定彼等鐵磁層之最 後磁化強度向量方向士 .必須一起做考慮。當方程式4被 滿足時.其兩锁磁層之磁化強度向量·係彼此相平行,以 及係指向上述+或測器之長度方向-以及該感測器之磁阻值 -------------裝·-------訂·-------- (ΪΤ乇,^ίίΐΓ面之注意事項再填寫本頁) B7 五、發明說明(19) (請-"讀背面之注意事項再填寫本頁> ,將會為最小:當Η <Η!時,上述之磁化強度向量,將會 指向上述方程式H /H| = sinG所描繪之寬度方向 ''當.¾.力 不存在’以及彼等層之磁化強度,僅受到電流之满璺時. 上述裝置之磁阻值,將會為最小= 此等原理係例示在第8B圖中,其係繪製一裝置磁阻 值為上述應力感應各向異性之一函數的變動。點A係表示 其零應力下之磁阻值,以及點B係表示當其應力感應各向 異性恰巧抵消上述電流感應各向異性時之磁阻值。 欲定量上計算此應變計之量表因素或靈敏度,吾人可 分析出第8B圖之轉移曲線。吾人首先可藉注意在應力之 施加下’只要】>Imin,一旦上述之應力感應各向異性磁場(H ) ’等於上述之電流感應各向異性磁場(H!),便會發生第8B 圖中之最大磁阻值變化]Rmax,而計算出上述轉移曲線之 斜率。 結果, 或 (H /Hi) = ([DR/DRmax) 就1>1_而言, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此處’ ]R係界定為-(ORma、-R)。由方程式1和3,此 可寫成如下: (3a[]C].*3*w/4[D.[l.Ms)=(!DR/[]Rmax)就1;>1關而言, 或 (□R/D-. (9DwDRmax/4n.n.Ms)就 1>1_而言, 方程式5 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(2J0 X 297公釐) 22 經濟邪智慧財產局員工消費合作杜印隹 Λ: B7 五、發明說明(20) 此方程式洚繪製於萬8C圖0 .其保κ六迠里ii封免 加.¾力之相H ‘和改變偏壓電流之玫%, 欲計篡上述嘎變計之靈敏度.吾人可重寫铤阻值:遺嚷 變而非應力之變動: (—R — . E<9—w—Rma、4_ .—.M;'l 就 1>Ιηι,η 而言’ 方程式6 此處' E係表示其薄膜之楊氏係數。 在教意上可將某些典型值加進方程式6内,以及可得 上述建議裝置有關之量表因素的估計值=其中' W = 2=m 二=卜2e-5 E = 2.4ell達因平方厘米 I: R-0.08-0.12 M, = i Ο Ο 0 e m u c c 1 = 5 mA GF=550-1500 方程式6係定量上例示其應變計性能對不同參數之相 依性:所以.除經由材料之選擇(主要藉改變其磁伸縮), 來影铝上述應變計之量表因素外 '上述應變計感測器之靈 敏度' 係依其闬以使或測器偏壓之電流的大小、該感測器 之寬度、和其GMR嚮應□ Rma、之大小而定。使其電流增加 超過上述之最小偽壓電流.'上述應變4之靈敏度將可 '务低’但該垮變妙之動態範圍,將會做對應之增加。 第8A圖出印.例示之感測器80的性能 可藉另外在先 --------— — — — — — ---------Γ » - I — — — — —— f ?«气父讀背面之;1意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 '_____B7____ i、發明說明(21) 前討論之層上面加一些層,以得到增強之GMR嚮應,和 最大可靠度,而得以增強。舉例而言,誠如第8D(丨)圖中 所示,一類似妲等高磁阻材料之緩衝底層86,通常係艰積 在上述鐵磁層82A之下方,以碹保彼等鐵磁層之晶模成長 。同理,上述之堆可藉另一在鐵磁層82B上方類似钽或钌 等緩衝層88,而被『蓋』掉,以便防止上述堆材料之氧化 ,以及有助於進一步處理上述之材料。上述之GMR嚮應 中,可藉恰在上述低鐵磁層82 A下方另外加入其他之底層 ’舉例而έ ’ 一 NiJSFe1;:Cr4〇合金之底層86A,而得到增進 。此Ni-Fe-Cr層或可取代上述之鈕底層86,或如所示澱積 在彼等组底層86與鐵磁自由層82 A間。此層可藉影嚮彼等 鐵磁層之晶膜成長形態結搆’而增進上述之G μ R溶應。 此外’苐8D(2)圖係例示其他可加入以增進性能之層 。誠如所示,雖然彼等自由層82A和82B,係一類似Ni-Fe 之軟磁性材料,其在上述附有隔片層84之自由層82A和82B 的每一介面處,通常係包含一如83 A和83B所示材料屬鈷 或Co-Fe合金而厚度為0.2-2 nm之中間薄層,以增進上述 之GMR政應’以及亦可用以防止其自由層g2之]sJi-Fe,與 其隔片層84之銅間的層間擴散。此外,使用一厚度約5 nm 左右做特殊反射用而類似N i 0之金屬氧化物層2 9,或一類 似金之金屬層,可用以增加其GMR嚮應。上述之NiO層89 ’係置於彼等上鐵磁自由層82A與鈕帽蓋層88間,以及可 藉消除上述堆之自由鐵磁層與妲帽蓋層間之介面處的電子 擴散散射’而增進其GMR嚮應。上述特殊反射用之金屬 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) ----------^--^^--------訂·! ------線 (詩先Κ讀背*之注意事項再填寫本頁) 24 砰濟部智慧財產局員工消費合作社印紮 A: B: 五、發明說明(22) 文化物層·亦可巧做其下鐵磁I 82A有纪\i-Fe-Cr玄營 的基質" 上述琿瞑之整頜堆‘係澱積在一整形成如g SD 1和81)2 圊由呤示祺片或裎之形狀的基f上面:在澱積至上迄之暝 片或樑上面後 '上述之多層堆·將會使用平版印削技衔. 被樣式化成一矩形:其t測器係定位在上述樑上面之預定 位置處,以便使其能經驗到一最大應力之狀態。其用以定 位一負載丁之揉或模S π之最大應力狀態的先存技藝,係 有充份之明文記載:若其感測器之長度和寬度尺寸,係使 相對於其樑之長度和寬度尺寸充份小,則在其感測器之表 面區域内,將可導入一應力之均勻狀態,以及其將可期望 該感測器有一線性之嚮應*上述之膜片或樑.在設計上*可 在如第8D( 1 I和8D( 2丨圖中听示.沿其垂直方向上疤加一應 力,以致存在一拉伸性或壓縮性應力下,而呈現彎曲。 誠如前文所述,此一實施例可修正其傳統式應力感測 甲GN4R感測器相關聯之幾項問題=首先,其可藉著使用 電流將感測器釘在其之靜止狀態中,而免於使用上述之 AFM層:此外' 其圓晶片之處理容易(其整個圓晶片如今 可使用一低溫程序來肛以處理·而毋須任何之高溫退火) ‘亦可因彼等感測器與基質由於熱膨脹係數之不同所致疊 片分離之敏感性的降低’而提供較佳之可靠度。其亦可降 低其感測器由於不存在以錳為主之AFM合金所致之敏感 性 % — 此...實矻例可免除需要經由精巧地孕衡其自由 Χ'Χί',.Λ7^ίΛ :']., - 29" ί-1ί ; ~~~" 一~~—~ -------------裝--------訂---------線 (請气父缯背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7___ 五、發明說明(3) 層上面之不同磁轉矩,而使如此澱積之狀態中的自由蜃與 彼等被釘層成90:之對齊=一偏壓電流之使用’係十分有 效於設定其兩自由層之磁化強度成反平行之狀態•而造成 在應力測量之前一已知之條件。一偏壓電流之使用,結合 彼等鐵磁層間之有效磁通量的閉合,亦可消除其自由層之 磁化強度中,其邊緣不穩定之角色。 此一實施例之第三優點是,其可實現上述整個GMR 之嚮應,蓋在其靜止狀態(具充份之電流,以及在一零應 力狀態)中,當彼等磁化強度彼此成1 8(Γ時,其磁阻值係 最大,而在飽和狀況中之應力施加下,彼等磁化強度係相 平行,以致造成一最小磁阻值故也。 此一實施例之第四優點是,其具有可使用同一感測器 ,來同時偵測彼等應力之符號的能力 '其之說明今將參照 第8E( h-8E(4)圖。其感測器80如第8Ε(丨)圊所示,係與苐8Α 或8D圊之實施例中者相同。然而,欲同時感測彼等應力 之符號,其流經感測器之電流在調整上,係使其在零應力 條件下之靜止狀態中,其每一相鄰兩鐵磁層82内之電流感 應磁場,係如第8Ε(2)圓所示,與上述電流之方向成45° 之角度。結果’其兩鐵磁層如今彼此將成90。,以及其磁 阻值係處於第6圖内之曲線上以X表示之中點處。若其兩 鐵磁層8 2舉例而言具有一負磁伸編性,則一沿上述感測器 長度之單一轴線壓縮應力的施加,將會使得每一薄膜之磁 化強度朝彼此做轉動,以及係如第8Ε(3)圖所示,朝向上 述感測器之長度方向。所以,上述裝置之磁阻值,在此等 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210* 297公釐) 請先¾¾ΐ面之:i意事項再填寫本頁) 裝---- 訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 26 經濟部智慧財產局員工消費合作社印安 A7 __B:_ 五、發明說明(24) 铬泮τ蔣會降饫:然而,若上述之感「則器,蛏驗到一沿其 長変之i 一軸竦張力‘彼等磁化強変此釔將會波此轉動分 問.而如^8E(4)圖所示·朝向上述感測器之寬t方向. 以致造成其铤阻值之增加:其因而可運作上述之感測器 '使能偵測上述感測器円之張力和壓縮力:上述G MR嚮 應之線性行為可確保任一符號之應力有關之線性嚮电。 此一實绝例優於其先存技藝之優點是,其可容許就任一符 號之應力有兩倍之信號輸出= 本發明之較佳實苑例,亦可容許上述感測器長期間之 室溫狀況變化下之溫度嵚應漂移’有自動之溫度補償·而 能繼續監控一應力-欲使上述感測器之溫度感應磁阻值t 化,與上述應力感應磁阻值變化分開,則使一極小期間之 電流脈波‘通過上述之感測器·該電流通常為數微秒之數 量級' 但卻可大至即使在應力之存在下 '亦足以使彼等磁 化強度,完全重新定位至彼等最初之反平行狀態=其最後 之磁阻值會被記錄,以及係代表上述裝置Γ靜止狀態』之 磁阻值緃然上述之感測器係正經歷著應力,蓋彼等鐵磁 層業已藉上述之電流脈波 '睹間受迫而成一反平行狀態故 > :然而.此一磁阻值亦代表上述咴測器處於其週遭運作 溫度之磁阻值 ' 其磁阻值係依上述裝置之磁阻值溫度係數 (TCR)而變化,此一磁阻值使用簡輩之電子電路,以對照 上述感測器先前決定‘明白校準而為一在零應力狀況下之 電流和溫度之函數的曲線·便可能使其得到匹配=此磁阻 值由於溫度和壓力之變化因而可被为、離+:+ 本咕用士 家標浪(CXS),Vi規咚‘ 297公¥ ----------------------訂- -------- ί琦乇"讃背面之注惠事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 452646 A7 _______B7_____ 五、發明說明(二5) 上述有關溫度補償之電流脈波的大小,在選擇上係f民 據上述之方程式丨_4,藉以即使在上述或測器預期絰竪到 之最大應力存在下,亦足以使彼等磁化強度,轉動至波此 成反平行=此一瞬間之電流脈波,即使在應力之施加下. 亦能使上述感測器返回至其反平行對齊之F靜止狀態2。 此較佳實施例之另一項顯著優點是,其使用者有調空 上述應變計感測器在一動態方式内之嚮應性質的能力。第 8C圖係顯示此一應用之範例。依據上述之方程式6,上述 應變計感測器之靈敏度和動態範圍,就任一大於一預定最 小值之電流值而言,係反比於所施加之電流。 上述具有彼等運作條件之較佳實施例,在以上之說明 中’係為得到最佳之性能和可靠度,一如第9圓中所示之 另一貫施例,係具有一與上述較诖實施例者相類似之多層 堆結構’以及係包含如所示之鐵磁層82A和82B和一導電 隔片層84 ’以及亦可包含舉例而言’如所示之一底層%和 一帽蓋層8 8。然而,在此一情況下,彼等鐵磁層之一,係 具有某一定符號之非零磁伸縮性,而容許其在上述應力之 施加下做轉動:而其另一鐵磁層,則係具有一與其第一層 者相反之符號的非零磁伸縮性。第9圖係例示此一情況, 而令其鐵磁層82A具有上述之非零磁伸縮性,以及其鐵磁 層82B具有一相反符號之非零磁伸縮性β在一充份之感測 電流的施加下’在一類似以上所述之方式中,上兩層82之 磁化強度向量將會對齊,最好是在彼此成反平行之方式中 ,而產生最大之磁阻值。然而,在上述或為拉伸或為壓 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) <先vttlf面之;it事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線. 28 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A: 五、發明說明(:6) 〜力的加下.在—零磁場之狀兄φ .垵等自甴晉.:堇玄 磁強复向量會轉動,以及在其完全飽和之扠態中.其 本身彳'‘貧與其另~敏磁層之磁化強度成90:對眘.其因〒 目匕種結搆實現上述總GMR嚮應之一主:在此一钽態 Φ 右上兩自由鐵磁層具有符號相反之磁伸縮性.其將可 敎測任一符號或為拉伸或為壓縮之應力;在此一情況下, 痒满斤%加之應力係屬壓縮性或拉伸性、上述之或測器均 將提供相同類芏之輸出信號ε此一類型之組態,在希望湞 洗應力之存在,而無論其為拉伸性或壓縮性時、係屬有闬 上返GMR感測器之壓力感測器應用例 依據本發明之一特徵,一多層堆10 1 0係一新型應力或 t力威測為有關之基礎,其舉例而言可做指紋感測用。鸟 使用匕,上述GMR咴測器]〇 1 〇有關之底基結構,係如第1 ◦ 圖中所不,被製作成一恕吊橋、—支撐在一窩槽丨〇〇8上方 之懸臂標1004或一顛似種類之祺片,其係形成為一艟基質 以及可谷卉上述之臂樑1 〇〇4進行變形r此製作方法之 一範例,係更明確地說明在下文中:一由兩鐵磁層,彼等 非磁性導電淹Μ層和底層與帽蓋層 '所搆成之gmr堆丨〇1() ’係殿積在上述之可隻形揉1 004上面,以及彼等引線丨〇 t 2 係與其連接,以便將電流I傳送經過其中,以及感測其所 ά之電壓其理應十分明顯’上述邮層! G 1 G有關之支樓 结填-可為此⑽之權1004外之多種不同結構,諸如1 套上方之封分膜M .¾任蚵其他可能適合偵測偽向和應力 -------------裝·-------訂--------f fir无-"ΛΫ·面之沒惠事項再填寫本頁) 經-部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7__ 五、發明說明(27) 之形式£ 在上述樑1004上面施加一力之下,其便會偽向=理應 注意的是1在上述樑之此一組態中,上述應力之方向•需 要或為罩一方向,或若其為雙向,則需要與其兩主軸不同 。若上述樑之長度為,,1,,,其寬度為"b”其深度為"t".則就 每單位長度之一負載"W”而言,上述標之頂表面之中央内 的最大壓縮應力為: —imax=Mt/2I=( 1 MKW/biil2/!2) (方程式 7) 此處,Μ為上述樑之中央處的力量,以及I為其繞垂 直軸線之轉動慣量,上述之應力為上述樑之頂表面之邊緣 處的拉伸力,以及上述之感測器亦可置於此等位置處,而 具有適當之磁伸縮符號。 上迷之最大應力和應變,係發生在上述樑之表面上。 由於上述之多層堆1 0 1 0,係位於上述標1 〇〇4之表面上。以 及係一非常;·4之薄膜組,為計算和例示計,其可假定上述 之GMR元素,係遭受到上述之最大應力和應變。 在此等條件下1上述之多層堆在其樑表面上面,將會 遭受到上述最大之壓縮應力,其槠將會嚮應此施加之應力 而彎曲。上述裝置之磁伸縮性,可使其元素之磁阻值,如 先岫所述’依據所'施加之應力而變化。在此一方式下,藉 著在應力施加之期和其間測量其磁阻值,其磁阻值内之差 異’可給予上述應力之大小的一個良好指示。若其系統做 過校準’此不只是一壓力點之存在,尚可織以絕對應力之 觀念。 本紙張足度適用中國國家標準(CNS)A4規格(;?】0>< 297公爱) (請先閉讀背面-注意事項再填寫本頁) 裝- ------訂- ----I 線- 30 經濟部智慧时產局員工消費合作社印敫 A: B: 五、發明說明(π) ίίΐ據本發明之一特徵.上述裝置之t敏f,特會超遌 一基於電容性之感測器或一壓阻感測器之靈敏変··结果· 上述之GMR感艽器1 0 1 0 ’將可實現相當程芰之柽j'化: 以傳統之製造法,上迠之GMR元素可使小至1至2沒米長 ‘同時可維持相當之靈敏度丨例如,、1 % )=由方程式—. 此靈敏度係依其樑之長度的平方而直接變化.以及依其厚 度之正方反比而變化=結果' 若其厚度就其樑之長変做適 當修改,則即使就其長度為1-2微米及厚度為0.2微米之樑 '亦可得到良好之靈敏度=其希望在產品之限制範圍内' 使其樑之長度盡可能長,蓋其靈敏度僅能以其樑之長度來 增進故也:相形之下‘一基於電容性之感測器或一壓阻i 測器·就一長度為2微米之樑而言·將需要一級數為數奈 米之厚度’以便能得到一小施加壓力值有關之任何有效信 號:此以機械之覲點而言將會使得其樑十分脆弱,以及 使其容易破裂: 最好,欲使上述之感測器對一施加應力能達成其最大 之靈敏度’除設計其樑在一已定負載下有最大之偽向外, 其應適當選擇一合金和澱積條件 '使其材料能確保一最大 之:=R R蜀應 '和一最大之磁咕缩係數 茲將參照第Π圖.詳細說明一採用如上文所述GMR 感測器1 1 10之磁阻性壓力感測器Π 02(舉例而言,其可用 &指紋確認識V )- —些如上文所述之感測器Π 1 0,係成 —m列乘η行之卩嵐夺:U 06 .使置於--基質丨1 〇4上面.而具 右…-極胡之間廷_ α及保連接至.一些電極丨Κ) 8 :由於彼等 -------------裝.-------訂.--------線 {請乇^讀背面之注急事項再填骂本頁) 芰逆写'.rgg家控枣規*Ui 'I:-%. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A: B7___ 五、發明說明(29) 感測器可製作使長度小至1_2微米,其倒向解析茇可優良 至5微末。舉例而言,當一指頭置於其陣列上面時該指 頭上面之脊部(彼等係相間約40〇_5〇〇微岽左右.以及因而 係較其陳列内之間距寬甚多),將會疤加一力量至彼等接 觸到之感測器上面。彼等落於該等脊部間之感測器,將經 驗到很小的甚至毫無應力。在此一方式下,其將可產生其 指紋上面之接觸點或脊部的圖像’以及可得到其指紋之_ 精確再現。然而,貫際上,上述感測器之長度和間距,可 使其大於5微米’蓋一指紋影像通常並不需要如此優良之 解析度故也。此外,隨著上述感測器間距之降低,其影像 有關之處理時間將會增加,蓋上述影像内之感測器的數目 亦會增加故也。上述多層堆之長度,通常係在2_2〇〇微米 之範圍,以及其寬度係在〇. 1 •丨00微米之範圍t'就一指紋 影像捕捉之應用例而言,彼等感測器之尺寸最好為5_2 微米寬和5 -1 0微米長。 欲保護上述在其做為指紋感測器之用途期間的GMR 感測器’可使用不同之策略。就ESD保護作用而言,第i 2 圖顯示一置於一窩槽1202上方之樑1204,此樑1204上面形 成有一 GMR堆1210。在此GMR堆12丨0上面,接著塗敷一 層絕緣材料12 1 2,以及澱積另一導電金屬(諸如鈦、銅、 等等)層1214,彼等之目地係為放掉ESD所造成之遷移電 荷。此一導電薄膜1 2 14 ’需要使接地,以致彼等來自遷移 電壓尖波之電荷,可流放至其接地端。此係例示在第〗2圖 中’彼等接地引線12 16A和丨2 16B,係顯示出自其導電層 本紙張&度適用中關家標準(CNS)A伐格⑽X 297公S ) (碕"父讀背面之淡意事項再填寫本頁> 裝--------訂it —-----線. 經濟#智慧財產局員工消費合作社印^ A 7 B7 五、發明說明(30) 以便可將其基質円之E SD電荷.消散至其接i七瑞: 第二·為保護上述之GMR堆.使免於機械擦傷或」、 衝擊,在其導電性ESD保護層之上方和二方,均澉楕有一 硬塗敷層:叶有此等層之厚度’將在ϋ. 0 0丨—m - 5 — m之ϋ 圍円·彼等機械保護塗敷層所用之材料•可為一類似以唉 為主之材料,舉例而言·諸如『金剛鑽狀碳』或碳化矽。 此等材料亦可修改使所具有之表面能量’能使彼等類似來 自手指之碎屑或油滴等不當之澱積物,不致黏合至其塗敷 層: 一可用以輩獨地或成組地探測一感測器陣列之電子電 路和方法的範例係顯示在第1 3圖中=其係包含:一解碼 器1 302、一多工器1 304、一放大器1306、和一 A D轉接器 1 308 彼等闬以依本範例提供此等電子電路和方法所需之 技術,係為人所熟知.以及彼等之詳細說明對本發明之瞭 解並非必要。 然而,依據本發明之指紋辨識.確認之方法的一項特 S中 '為決定一特定感測器上面是否有一應力,首先是在 無指頭在其感測器上面時,建立一基線,其中,將測量其 迪K之每一元素的=靜止。磁阻值:接著,在有指頭在其 咴闻器上面時,重複彼等讀值,以及彼等Γ靜止、無應力 j狀態與=加應力&.狀態間之電歷差可被計算’而決定出 上述之指纹樣式:此掃描、提供電力至每一元素' 自類比 至數位之值轉換' 等等之方法‘係為&所熟知:理應注意 的是·其基踝最好是緊接指紋成像之前或之後被建立。 --------------裝.-------訂---------線 (;|.乇^讀背面之;it事碩再填寫本頁) 五·、發明說明(Μ) 《靖^閑讀背面-注意事項再填寫本頁> 本發明方法之一優點是,其總能建立一參考值.其將 可消陈室溫、濕度、應力、等等之影培…其使闬電容性或 光學性工具之先存技藝,係無法在每次進行測量時’浔到 此麥考值’ 1彼等係依據一指頭之存在而得到每次之讀 值故也=縱然其感測器之磁阻值’係隨著溫度而變化此 一效應可如上文所述,藉緊接指紋成像之前或之後,建立 —參考值’而自動加以補償。 本技藝之專業人員理應理解的是,由於上述MR感測 器之輸出,係依據數種因素而定,其將可用於此—指紋辨 識/確認之實施例或其他之實施例中的多種他型方式内。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印5农 雄將參照第14圖說明一依本發明製造磁阻性感測器之 方法的個範例。減如第14A圖中所示,有一氤化碎層1404 ,首先澱積在一矽基質丨4〇2上面,接著是一多晶矽層丨4〇6 ,接著是另一 ll化矽層1408。接著,使用平版印刷技術, 如第14B圖中所示,澱積一層光阻抗蝕剞14丨〇,以及係如 第14C圖中所示,蝕刻經過至少頭兩層氮化矽和多晶矽’ 而蝕刻成上述樑之樣式=此接著是優先選擇地蝕刻掉上述 樑部分1412之氮化矽下方之第二層多晶矽,因而可如第 14D圖中所不,刻成上述上層氤化矽之單一懸书式樑丨4 □ 或者,使用此技藝中所熟知之類似技術,一薄矽樑或 膜片,可以一矽圓晶片開始,使用任何文獻中所敘述之傳 統處理工具而製成。此典型上或藉使用各向異性蝕刻劑’ 或藉使用單側圓晶片處理,首先以n_型摻雜元素(砷 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 34 經濟部慧財產局員工消f合作社印製 Λ: B: 五、發明說明(3:) 以一層晶琪矽·接著使用一氯I電漿,優先選摆地飫t苴 N-區域.而自其背側蝕釔成:上述頂層晶瞑矽下方之、— 區域的優先選擇蝕刻·將可留下其上層懸吊式傑.4古以 一铌受到支撐: 理應主意的是,即使上述之製造方法被用來處理碎, 其可使用其他之材料,來同樣達成相同之目地。银例而十 ,其可使用鋅為基質.對其塗敷一層絕緣氧化鋁(使用熟 知之4膜廢積技術),章锻另—層金屬(諸如链、欽、銅、 等等丨=其此刻可執行平版印刷技術、以及使用乾蝕刻技 衔(諸如離子研磨),向下蝕刻下層之鋁,以及接著使用一 些對il化纟S有選擇性之姑刻劑,來姑刻掉其下層之氣化銘 :在此一方式下,同樣可形成鋁或其他金屬之橋式結構' 一呈上述之樑形成,則使用彼等薄膜技術(通當為一 蔟生工具)、戰積一电列之薄膜.其代表上述之嵫阻r堆 :此串\ %料係包含:一妲層(其底層)' 一⑷·丨( 其為相鄰軟層 > '另一妲層、接著是一鎳鐵(上述之MR材 料)4膜此:專膜堆係殿楕在望個基質上面,以及因而將 會f盍其槐,和其樑下方凹口之曝露部分。唯有其標頂部 上面之4各‘分.卽為波等之運作部分,自此則使用一平版 印刷程τ ‘而如第1 4 E圖所示,或濕蝕刻或乾蝕刻掉上述 堆覆蓋基質除樑1 4 1 2上面之部分丨4 1 4外之其餘部分的部分 通常上述之樑可使為0,2徵米至20¾米之任—厚度: 上土襟之長隻可為2技米至數百微米之範園、以及上述樑 〜· Jt次”今-屯尔至數微老之範圍 此等參數係依彼等用 ^ ^ (2J0 ^ 297 -------1------裝.-------訂.--------線 f铐乇.^ΐίΐ*之;£急事項再填莴本頁》 A7 __B7_ 五、發明說明(33) 以建立上述樑之基質材料的機械性質·和其所需之靈钍度 而定:上述之樑在設計上,或可具有上述基質外之『支座 二,或可為一自由之固定結構,上述基質之底部則完全被 触刻掉£ 雖然本發明業已參照彼等之較佳實施例,做了詳細說 明,本技藝之專業人員,將可自此說明書中所說明之範例 ,理解出彼等在本發明之精神與界定範圍内之各種代用品 和修飾體= ------------ 表--------訂---------線 / (請先父筇背面之^意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 36 本紙張尺度適用中S國家標準(CNS)A4規格(210 * 297公釐) A; _ 五、發明說明(34 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社^製 元斧縞; ^ fj as 1 ϋ…感測器 1102··· 磁阻性S力t 器 1 2…交替锻磁性層 1104". 14···非磁性導體 1106·.· 陳列 5 2…自由層 1108··. 電極 56…非磁性導電層·非磁性 1202··· 窩槽 隔片層 1204··· 樑 5 4…被釘層 1210··· GMR堆 58…反鐵磁性(AFM)層 12 12··· 絕緣材料 80…應變妒感測器 12]4·-· 導電金屬層 82…自由層鐵磁層 12 16A.1216B…接地引線 84…非磁性導電塥片層 13 02··· 解碼器 8 5…引線 1304··· 多工器 8 6…緩衝底層 1306 … 放大器 8 8…緩衝層.组帽蓋層 1308··· A/D轉接器 89…金屬氣化物層 1404··· 氮化矽層 86a…底層 1402". 矽基質 82a.82b···鐵堵層 1406··· 多晶矽層 1004…懸f樑 140 8··· 氮化矽層 1008…窩搰 14 3 0--· 光阻抗1虫劑 1010.1 1 10…GMR感測器 1412··· 樣部分 10 10…多層堆 部分 10 12…引線. ---------------------訂 —--------'53^ (琦-^it^面之注意事項再填寫本頁) ϊ--·,=ΐ. 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