專利名稱：薄膜磁電阻傳感元件、多個傳感元件的組合及與該組合耦合的電子裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及利用一系列磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction)傳感元件的一種矢量磁場測量傳感系統(tǒng)，其包括具有垂直磁各向異性的鐵磁材料。
背景技術：
矢量磁場傳感器可以用來制造電子羅盤，這在手機等消費電子和汽車導航系統(tǒng)中的應用正在不斷成長，同時也包括定位和測量等許多具體的應用領域。這些器件通常要求低功耗，低成本，并適合大批量生產，以滿足消費電子的大量需求?，F(xiàn)有多種裝置可以作為矢量磁場傳感器來探測磁信號，而其中，又有多種適合集成到單個半導體芯片當中。這些技術包括半導體霍爾器件以及磁電阻器件，其中磁電阻器件包括各向異性磁電阻(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)和巨磁電阻(GMR，Giant Magnetoresistance).霍爾效應器件本身比較昂貴且分辨率低。它們通常對垂直于它們所沉積的基片平面的磁場敏感。AMR和GMR器件雖然具有相對較高的分辨率，但由于輸出信號幅值較小，因而需要對后端電路進行更好的設計，從而增加了系統(tǒng)的復雜性和大小，因此增加了系統(tǒng)的整體成本。AMR和GMR傳感器通常對平行于其所沉積的基片平面方向的磁場敏感。傳感器通過隧道磁電阻(TMR)效應來檢測磁場，其具有體積小、分辨率高和輸出信號幅值大的特點，這些特點可用于簡化電路設計，從而降低整體系統(tǒng)成本。AMR和GMR傳感器，以及MTJ傳感器的敏感方向平行于它們所沉積的基片平面。同大多數半導體器件一樣，最好的實現(xiàn)低成本和大批量生產的方式是將所有的器件集成到一個單一的半導體基片上。但是，由于通常的傳感器只檢測平行或垂直的磁場分量，因而將一個三軸矢量磁強計完全集成到一個單一的芯片上非常困難。為了解決這個問題，可以采用兩個或兩個以上的集成有傳感元件的基片成直角對齊，然后封裝到一起，但這增加了尺寸和成本。采用現(xiàn)有的傳感元件組成一個雙軸磁場芯片已經有多種不同的實現(xiàn)方式。然而， 這些方案都不能測量垂直于基片平面的磁場分量。通過軟磁屏蔽層的聚磁作用，已構成了霍爾效應器件的三軸磁場傳感器，或是采用范得堡瓦技術測量平面內的磁場分量，但這些器件都是相對高功耗和低靈敏度。其它的被認為可行的技術方案是將檢測垂直分量和檢測平行分量的傳感器結合起來，比如霍爾傳感器與AMR、GMR或MTJ傳感器的結合，但是，由于它們的靈敏度差異，以及可能存在的生產工藝的不兼容性使得它成為一個并不太具吸引力的解決方案。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供用于制作對垂直于基片方向的磁場敏感的MTJ傳感器， 以用于集成式單片矢量磁強計系統(tǒng)。[0009]本實用新型一方面提供一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，該傳感元件包括自由層、參考層、位于自由層和參考層之間的隔離層， 自由層材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面，參考層中的磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該參考層由與反鐵磁層磁藕合的鐵磁層構成或由比自由層矯頑力高的鐵磁層構成，隔離層由絕緣材料或是導電材料制成。本實用新型另一方面提供一種多個上述傳感元件的組合，其中，多個傳感元件沉積到相同的基片上且成形為多個形狀，每一個傳感元件對沿兩個或更多個傾斜軸施加的磁場具有不同的靈敏度。本實用新型第三方面提供一種與上述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對不同的傳感元件響應在表達兩個或三個正交的磁場方向的坐標系中退卷積。本實用新型第四方面提供一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，該傳感元件包括自由層、參考層、位于自由層和參考層之間的隔離層。自由層材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面，參考層的磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該參考層由具有垂直各向異性和形狀各向異性的鐵磁材料構成，該參考層具有比自由層更高的矯頑力，隔離層由絕緣或是導電材料制成。本實用新型第五方面提供一種多個上述傳感元件的組合，其中，多個傳感元件沉積到相同的基片上且成形為多個形狀，每一個傳感元件對沿兩個或更多個傾斜軸施加的磁場具有不同的靈敏度。本實用新型第六方面提供一種與上述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對不同的傳感元件響應在表達兩個或三個正交的磁場方向的坐標系中退卷積。本實用新型第七方面提供一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，該傳感元件包括自由層、第一參考層、位于自由層和第一參考層之間的第一隔離層、第二參考層、位于自由層和第二參考層之間的第二隔離層。自由層材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面；第一參考層的磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該第一參考層由具有垂直各向異性和形狀各向異性的鐵磁材料構成，該第一參考層具有比自由層更高的矯頑力；第二參考層磁化方向與第一參考層方向相反，該第二參考層由具有垂直各向異性和形狀各向異性的鐵磁材料構成，該第二參考層具有比自由層更高的矯頑力；第一隔離層由絕緣材料制成；第二隔離層由導電材料制成。本實用新型第八方面提供多個上述傳感元件的組合，其中，多個傳感元件沉積到相同的基片上且成形為多個形狀，每一個傳感元件對沿兩個或更多個傾斜軸施加的磁場具有不同的靈敏度。本實用新型第九方面提供一種與上述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對不同的傳感元件響應在表達兩個或三個正交的磁場方向的坐標系中退卷積。本實用新型還提供幾種組合，各種組合為多個上述其中一種傳感元件的組合，其中，多個傳感元件沉積到相同的基片上且排列在高磁導率的鐵磁平面周圍的不同位置上， 用來將外加磁場分為不同方向的分量。本實用新型另外還相應地提供幾種分別與這些傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對具有三個正交方向的坐標系中的不同傳感元件的響應進行退卷積。
圖1是傳感器薄膜的坐標系；圖2是一種有效的采用永磁鐵PM控制傳感器的響應特性的MTJ磁場傳感器材料的分層順序示意圖。這里釘扎層PL的磁化強度矢量被固定在垂直于膜面方向，而自由層FL 的磁化矢量可以在垂直和平行方向自由移動，在釘扎層PL的這一初始磁化方向，傳感器檢測自由層FL磁化矢量的面外分量；第二釘扎層PL被用來控制MTJ器件電阻隨外磁場變化關系函數曲線的中心點；圖3是垂直磁各向異性MTJ器件的隨外加平行場的磁電阻變化曲線；圖4是由許多不同形狀的垂直磁各向異性MTJ傳感元件構成的一個多軸傳感器的示意圖；圖5是由垂直磁各向異性MTJ傳感元件構成的一個多軸傳感器的示意圖，在圖中傳感器陣列分布在坡莫合金鐵磁圓盤周圍以分離外磁場的三個不同分量；圖6 —個方形磁塊的磁極分布示意圖；圖7是磁通聚集器在感生磁極附近將面內方向磁場轉變?yōu)榇怪狈较虼艌龅姆椒ㄊ疽鈭D，該圖為磁通聚集器沿外場方向的截面圖；圖8是一個將傳感器系統(tǒng)的響應轉換為三個正交磁場分量的電子系統(tǒng)原理圖。
具體實施方式
圖1反映的是矢量磁強計的正交坐標系，其中，一磁性傳感器被沉積到位于XY平面內的基片5。X和Y坐標被定義為平行于基片的參考平面或是位于平面內，Z軸代表垂直于基片表面的方向。本實用新型中MTJ傳感器通常被設計成易受Z軸方向磁場分量控制的傳感器。通常，MTJ傳感器由至少3個關鍵層組成，分別可以稱為自由層(FL)，釘扎層(PL)和隧道勢壘層。自由層和釘扎層由不同成分的鐵磁合金組成，包括但不限于Ni，F(xiàn)e, Co，Al，B, Mo, Hf, Pd，Pt和Cu。釘扎層的磁化嚴格保持在一個方向上，并且隨外加磁場的改變不發(fā)生明顯變化，自由層的磁化方向可以自由響應外加磁場。隧道勢壘為絕緣材料的，通常是氧化物，比如 AlOx 或 MgO。在測量MTJ器件釘扎層和自由層之間的電阻時，MTJ器件顯示出隨著自由層的磁化方向相對于釘扎層磁化方向的改變，MTJ器件的電阻發(fā)生顯著變化。這就是通常所說的隧道磁電阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效應。電阻的變化可以量化成電阻變化率這一指標，電阻變化率定義為
權利要求1.一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，其特征在于包括一自由層，該自由層的材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面； 一參考層，所述參考層中的磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該參考層由與反鐵磁層磁藕合的鐵磁層構成或由比自由層矯頑力高的鐵磁層構成；一隔離層，該隔離層位于所述自由層和參考層之間，該隔離層由絕緣材料或是導電材料制成。
2.如權利要求1所述的薄膜磁電阻傳感元件，其特征在于它還包括永磁體，用于施加一平行于沿平行于基片平面方向的自由層的磁場，該磁場用來減小自由層對外加的垂直于基片平面的磁場響應的磁滯。
3.一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，其特征在于包括一自由層，該自由層的材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面； 一參考層，該參考層的磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該參考層由具有垂直各向異性和形狀各向異性的鐵磁材料構成，該參考層具有比自由層更高的矯頑力；一隔離層，所述隔離層位于所述自由層和參考層之間，該隔離層由絕緣或是導電材料制成。
4.如權利要求3所述的薄膜磁電阻傳感元件，其特征在于它還包括永磁體，該永磁體施加一平行于沿平行于基片平面的方向的自由層的磁場，該磁場用來減小自由層對外加的垂直于基片平面的磁場響應的磁滯。
5.一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，其特征在于包括一自由層，該自由層的材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面； 一第一參考層，其磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該第一參考層由具有垂直各向異性和形狀各向異性的鐵磁材料構成，該第一參考層具有比自由層更高的矯頑力； 一第一隔離層，其位于所述自由層和第一參考層之間，該第一隔離層由絕緣材料制成；一第二參考層，其磁化方向與第一參考層方向相反，該第二參考層由具有垂直各向異性和形狀各向異性的鐵磁材料構成，該第二參考層具有比自由層更高的矯頑力；一第二隔離層，其位于自由層和第二參考層之間，該第二隔離層由導電材料制成。
6.如權利要求5所述的薄膜磁電阻傳感元件，其特征在于它還包括永磁體，該永磁體施加一平行于沿基片平面的方向的自由層的磁場，該磁場用來減小自由層對外加的垂直于基片平面的磁場響應的磁滯。
7.多個如權利要求1所述的傳感元件的組合，其特征在于多個傳感元件沉積到相同的基片上且成形為多個形狀，每一個傳感元件對沿兩個或更多個傾斜軸施加的磁場具有不同的靈敏度。
8.一種與權利要求7所述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對不同的傳感元件響應在表達兩個或三個正交的磁場方向的坐標系中退卷積。
9.多個如權利要求3所述的傳感元件的組合，其特征在于多個傳感元件沉積到相同的基片上且成形為多個形狀，每一個傳感元件對沿兩個或更多個傾斜軸施加的磁場具有不同的靈敏度。
10.一種與權利要求9所述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對不同的傳感元件響應在表達兩個或三個正交的磁場方向的坐標系中退卷積。
11.多個如權利要求5所述的傳感元件的組合，其特征在于多個傳感元件沉積到相同的基片上且成形為多個形狀，每一個傳感元件對沿兩個或更多個傾斜軸施加的磁場具有不同的靈敏度。
12.—種與權利要求11所述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對不同的傳感元件響應在表達兩個或三個正交的磁場方向的坐標系中退卷積。
13.多個如權利要求1所述的傳感元件的組合，其特征在于多個傳感元件沉積到相同的基片上且排列在高磁導率的鐵磁平面周圍的不同位置上，用來將外加磁場分為不同方向的分量。
14.一種與權利要求13所述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對具有三個正交方向的坐標系中的不同傳感元件的響應進行退卷積。
15.多個如權利要求3所述的傳感元件的組合，其特征在于多個傳感元件沉積到相同的基片上且排列在高磁導率的鐵磁平面周圍的不同位置上，用來將外加磁場分為不同方向的分量。
16.一種與權利要求15所述傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對具有三個正交方向的坐標系中的不同傳感元件的響應進行退卷積。
17.多個如權利要求5所述的傳感元件的組合，其特征在于多個傳感元件沉積到相同的基片上且排列在高磁導率的鐵磁平面周圍的不同位置上，用來將外加磁場分為不同方向的分量。
18.一種與權利要求17所述的傳感元件組合耦合的電子裝置，用來對具有三個正交方向的坐標系中的不同傳感元件的響應進行退卷積。
專利摘要本實用新型涉及一種薄膜磁電阻傳感元件，用來檢測垂直于其所沉積的基片平面的磁場分量，該傳感元件包括自由層、參考層、位于自由層和參考層之間的隔離層，自由層材料固有的易軸被設置成垂直于其所沉積的基片平面，參考層中的磁化方向限制為平行于基片平面的方向，該參考層由與反鐵磁層磁藕合的鐵磁層構成或由比自由層矯頑力高的鐵磁層構成，隔離層由絕緣材料或是導電材料制成。本實用新型還提供多個前述傳感元件的組合以及一種與上述傳感元件組合耦合的電子裝置。
文檔編號G01R33/09GK202083786SQ20112017577
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2011年1月7日
發(fā)明者薛松生, 詹姆斯·G·迪克 申請人:江蘇多維科技有限公司