專利名稱：集成式磁力計(jì)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有兩軸或三軸的集成式磁力計(jì)，以及ー種制造該集成式磁力計(jì)的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知制造基于多層磁阻傳感器的集成式磁力計(jì)，該集成式磁力計(jì)利用了巨磁電阻效應(yīng)或利用隧道磁電阻效應(yīng)。例如，可參考以下的文獻(xiàn)-M. Hehnj F. Montaigne 矛ロ A. Schuhl iiMagnetoresistance geante et electroniquedespin (巨磁電阻矛ロ自方定電于學(xué))，，，[Giant magnetoresistance and spinelectronics]，Techniques de I ’ Ingenieur，E2 135，第——章矛ロ第二章；-J. Daughton 等，“Magnetic Field Sensors Using GMR Multilayer (利用 GMR 多層的磁場傳感器)”，IEEE transactions on magnetics，第 30 卷，第 6 號，1994 年 11 月；和-M. Tondar 等，“Picotesla field sensor design using spin-dependenttunneling devices (利用自旋依賴穿隧裝置的Picotesla場傳感器設(shè)計(jì))”，Journal ofApplied Physics (應(yīng)用物理學(xué)雜志)，第 80 卷，第 11 號，pp. 6688-6690，1998 年 6 月 I 日。這些磁電阻傳感器由一疊薄層制成，該薄層沉積在例如硅制成的平坦襯底上。更準(zhǔn)確地，如圖IA所示，巨磁電阻(GMR)磁阻傳感器由例如鈷制成的兩個(gè)磁層CMl和CM2組成，該兩個(gè)磁層由例如銅制成的金屬層CMET分隔，該金屬層的厚度為納米級。由于該底層CM2的磁化強(qiáng)度(磁矩)M2對任何外部磁場(假設(shè)該外部磁場不是太強(qiáng)烈)不靈敏，因此底層CM2可以認(rèn)為是“堅(jiān)硬”的，然而，由于頂層CMl的磁矩M1可以被中等強(qiáng)度的外部磁場改變，因此頂層CMl可以認(rèn)為是“柔軟”的。通過將“堅(jiān)硬”層沉積在被稱為阻擋層CB的反鐵磁性層而實(shí)現(xiàn)該“堅(jiān)硬”層的磁化。通過將“柔軟”層退火至居里點(diǎn)，緊接著在具有合適方向的磁場的存在下冷卻“柔軟”層，而實(shí)現(xiàn)該“柔軟”層的磁化。平行于層CMl和層CM2測量的該結(jié)構(gòu)的電阻，取決于M1和M2之間的角度Θ的余弦。為了獲得線性響應(yīng)，在沒有外部磁場的情況下，通常選擇M1和M2相互垂直。當(dāng)外部磁場B應(yīng)用于圖I的結(jié)構(gòu)時(shí)，該“柔軟”層的磁矩M1改變方向，并且角Θ改變。首先，僅與M1垂直的、且位于這些層的平面內(nèi)的磁場B的分量作用于傳感器的方向上。換句話說，當(dāng)兩個(gè)磁化強(qiáng)度M1和M2在沒有磁場的情況下相互垂直吋，該傳感器僅對定向于“堅(jiān)硬”層的磁化方向M2上的磁場的分量靈敏。在GMR傳感器中，電流平行于這些層的平面流動。從而，這種傳感器為狹窄且細(xì)長的帶的形式，且在傳感器的末端具有電極EL (圖1B)。第二種類型的傳感器，隧道磁電阻(TMR)傳感器也是由例如鈷(Co)、鐵(Fe)或鈷鐵(CoFe)的傳導(dǎo)鐵磁材料的兩層EFl和EF2組成，該材料在“電極”中可相同或不同，該兩層由例如氧化鋁(Al2O3)或氧化鎂(MgO)的絕緣體的薄層Cl分隔，該薄層通常具有在O. 8nm-5nm范圍內(nèi)的厚度。如同GMR傳感器，底部電極EF2的磁化強(qiáng)度是固定的，然而頂部電極的磁化強(qiáng)度可被外部磁場改變。電子通過隧道效應(yīng)穿過絕緣屏障的概率以及隧道結(jié)JT的電阻，取決于兩個(gè)磁化層的磁化強(qiáng)度之間的角度e的余弦。如同GMR傳感器，當(dāng)層EFl和層EF2的磁化作用在沒有磁場的存在下垂直吋，TMR傳感器僅對沿著其“堅(jiān)硬”電極的磁化方向定向的磁場分量靈敏。在TMR傳感器中，電流垂直于這些層的平面流動。從而，這樣傳感器以兩個(gè)交叉的帶的形式存在，該交叉的帶由鐵磁電極EFl和EF2構(gòu)成，EFl和EF2由層Cl分隔，如圖2所
/Jn o在磁電阻傳感器中，不論磁電阻傳感器為GMR型或TMR型，都存在消除偏移的問題，即，與磁場無關(guān)的電阻分量。該偏移量大，且取決于溫度。對于消除該偏移量的第一可能性，如圖3A所示，在于將在共用襯底上的四個(gè)相同傳感器RpR1^R2和R2’組合在一起，該四個(gè)傳感器具有相互平行的靈敏度軸。這4個(gè)傳感器連接以形成惠斯通電橋(Wheatstone bridge),該惠斯通電橋具有由傳感器R1和傳感器 R2形成的第一臂，和由傳感器R/和傳感器R2’形成的第二臂。該傳感器R2和傳感器R2’屬于兩個(gè)不同的臂，且在惠斯通電橋上占據(jù)相對的位置(即，沒有相互直接連接)，該傳感器R2和傳感器R2’由軟質(zhì)鐵磁合金的磁屏蔽件BM覆蓋。結(jié)果，僅電阻R1和R/取決于外部磁場。如果惠斯通電橋的點(diǎn)C和點(diǎn)D與電源連接，則點(diǎn)A和點(diǎn)B之間的電勢差與cos ( e )成比例，從而與可測量的外部磁場的分量成比例。對于全部的四個(gè)傳感器沒有必要全部相同=R1和R/的電阻彼此相同就可以，同樣，R2和R2’的電阻彼此相同就可以，且所有四個(gè)傳感器的偏移量呈現(xiàn)出相同溫度依存性就可以。如圖3B所示，用于消除偏移的第二解決方案在于對兩個(gè)相同的傳感器R和R’之間的電阻進(jìn)行差動測量，傳感器R和傳感器R’對于特定的磁場分量(箭頭AK，AK，)呈現(xiàn)出相反的信號響應(yīng)。這種類型的兩個(gè)傳感器可呈現(xiàn)出具有相反的磁化強(qiáng)度的“堅(jiān)硬”層。這可以不同的方式實(shí)現(xiàn)，具體地-通過將許多電線組合在襯底上，這些電線可以在不同的方向上局部施加磁場；或-通過將多個(gè)傳感器中的一個(gè)沉積在已知為人工反鐵磁(AAF)的特定多層結(jié)構(gòu)上，然后將該多層結(jié)構(gòu)沉積在阻擋層上。該AAF結(jié)構(gòu)由兩個(gè)磁層構(gòu)成，該兩個(gè)磁層由引起這兩個(gè)磁層之間的反鐵磁偶合的金屬隔板分隔。由于這種偶合，該兩個(gè)磁層之間的磁化強(qiáng)度恒定地保持反平行排列從而，使傳感器的“堅(jiān)硬”層在與阻擋層的磁矩相反的方向上極化。圖4為包括AAF的傳感器的剖面圖。由于AAF結(jié)構(gòu)增加了傳感器的傳導(dǎo)性且因此降低了傳感器的靈敏度，因此在GMR傳感器中難以使用AFF結(jié)構(gòu)。采用TMR傳感器不會出現(xiàn)這個(gè)問題?，F(xiàn)有技術(shù)不能夠制造具有三軸的集成式磁力計(jì)在最好的情況下，沉積在平面襯底上的磁電阻傳感器能夠測量投射在襯底平面上的外部磁場的兩個(gè)分量。在現(xiàn)有技術(shù)中，三軸磁力計(jì)通常以混合形式制造，使用不共面的至少兩個(gè)襯底。這導(dǎo)致裝置制造花費(fèi)大，裝置體積大且易碎，并且最重要的是現(xiàn)有的精確性被與組裝磁力計(jì)相關(guān)的系統(tǒng)誤差所限制?？梢灾圃炀哂袉屋S或兩軸磁力計(jì)，但如上文所述，這需要執(zhí)行相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)以消除偏移量。文獻(xiàn)US2009/027048和US2008/169807描述了集成式三軸磁力計(jì)，該磁力計(jì)具有以兩個(gè)不同的方向沉積在襯底的平坦表面上的磁電阻傳感器，還具有沉積在斜面上的其他傳感器，該斜面通過在所述表面上刻凹槽而獲得。該沉積在平坦表面上的傳感器用于測量在兩個(gè)維度的磁場；而沉積在凹槽的斜面上的傳感器則用于測量第三維度的磁場。如同零點(diǎn)漂移，消除偏移的問題仍完全存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)法克服了以上提到的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。使該目的實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明一方面在于根據(jù)權(quán)利要求I的集成式磁力計(jì)，該集成式磁カ計(jì)包括多個(gè)沉積在基本平坦的襯底的頂面上的多層磁電阻傳感器，所述磁力計(jì)的特征在于-該襯底的所述頂面具有至少ー個(gè)具有多個(gè)斜面的腔或凸起；和-至少四個(gè)所述的磁電阻傳感器沉積在四個(gè)所述的斜面上，該斜面具有不同的取向且成對相對，各傳感器對外部磁場分量靈敏，所述分量平行于所述傳感器沉積的面。
本發(fā)明的磁力計(jì)的有利實(shí)施例構(gòu)成了從屬權(quán)利要求的主題。本發(fā)明的另一方面為ー種制造如上所述的磁力計(jì)的方法，所述方法包括-第一歩，在所述襯底的所述頂面中或上制造所述腔或每個(gè)腔、或所述凸起或每個(gè)凸起；-第二步，通過連續(xù)的沉積和光刻操作制造所述多層磁電阻傳感器；和-第三歩，利用施加的外部磁場退火，以確定以這個(gè)方式制造的傳感器的靈敏度軸。具體地，本發(fā)明的執(zhí)行步驟包括-所述第一歩可通過所述襯底的各向異性刻蝕而實(shí)現(xiàn)，該襯底必須為單晶體類型；-所述第二步可包括至少ー個(gè)將均勻的樹脂層沉積在所述襯底的表面的操作，該沉積操作或每個(gè)沉積操作通過噴涂或蒸發(fā)所述樹脂而實(shí)現(xiàn)。


閱讀以下通過示例給出的附圖所做的描述，將得出本發(fā)明的其他特征、細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)，其中-圖1A、圖1B、圖2、圖3A、圖3B和圖4，如上所述，示出現(xiàn)有技術(shù)中已知的集成式磁電阻傳感器；-圖5A和圖5B分別為通過單晶體硅襯底的各向異性刻蝕得到的截棱錐形式的凸起的正視圖和剖面圖，其中GMR型磁電阻傳感器沉積在該截棱錐的面上；-圖6為基于GMR型傳感器的單軸磁力計(jì)的剖面圖；-圖7為同樣基于GMR型傳感器的、本發(fā)明的實(shí)施例中的雙軸磁力計(jì)的俯視圖；-圖8為同樣基于GMR型傳感器的、本發(fā)明的另ー實(shí)施例中的三軸磁力計(jì)的俯視圖；-圖9為基于TMR型傳感器的、本發(fā)明的另ー實(shí)施例中的三軸磁力計(jì)的俯視圖；-圖10為與加速計(jì)集成在一起的本發(fā)明的磁力計(jì)的正視圖；-圖11為根據(jù)本發(fā)明方法制造磁力計(jì)的各種步驟的簡要示-圖12為包括磁通集中器的本發(fā)明變型的磁力計(jì)的俯視圖；-圖13A和圖13B為通過將多個(gè)圖7所示類型的磁力計(jì)順序連接在一起而構(gòu)成的各個(gè)磁力計(jì)的俯視圖。
具體實(shí)施例方式圖5A和圖5B涉及沉積在截棱錐形式的凸起P的面上的單個(gè)GMR型磁電阻傳感器R1，該截棱錐通過具有對應(yīng)于晶體平面100的表面的單晶體硅襯底S的各向異性刻蝕而制造。在這種情形下，所述棱錐的四個(gè)面對應(yīng)于平面111，并且相對于所述襯底的表面以 0=54.7。的角傾斜。在 Chii-Rong Yang 等的論文“Study on anisotropic siliconetching characteristics in various surfactant—aaded tetramethyl ammoniumhydroxide water solutions(關(guān)于在添加不同表面活性劑的四甲基氫氧化銨水溶液中的各向異性刻蝕特征的研究)” J. Micromech. Microeng.(《微型機(jī)械與微型工程學(xué)報(bào)》)15, 2028(2005))中，對制造這種類型的凸起以及相同地具有截棱錐形狀的腔進(jìn)行了描述。 在圖中，M1表示R1的(柔軟)靈敏層的磁矩，M2表示堅(jiān)硬層的磁矩，且Aki表示傳感器的檢測軸，該檢測軸與M2平行。襯底S的表面平行于xy平面且垂直于^軸。Bx、By和Bz分別為沿著I軸、I軸和I軸的、待測量的外部磁場的分量。已知電流在平行于X軸的方向上流過傳感器R1 ;測量該傳感器R1兩端的電壓V1用于確定該傳感器R1的電阻，該電阻是Bx和Bz的函數(shù)，而不是By的函數(shù)。在該傳感器的線性響應(yīng)限制中，其輸出信號通過下式給出V1=Vc^S [Bzsin 0+BxCos 0 ]其中，S為傳感器的靈敏度，Vtl為傳感器的偏移量，即，在沒有磁場存在的情況下的輸出電壓。由于傳感器的偏移，很難將電壓測量值與磁場分量的值聯(lián)系起來，因此圖5的裝置具有有限的作用。圖6示出ー種裝置，其中兩個(gè)相同的傳感器R1和傳感器R3沉積在棱錐P的兩個(gè)相對的面上。輸出信號V1和輸出信號V2可確定Bx，這可消除偏移量Vtl 相反，分量Bz的測量值取決于該偏移量
「 I ,, i l\+V3~2V0B, =----!-----
* 2 cos ^ S為了消除影響分量Bz的測量值的偏移，可以將如圖3所述類型的、安裝在惠斯通電橋中的兩組4個(gè)傳感器替代傳感器R1和傳感器R3。在變型中，可以將具有平行的靈敏度軸和相反的靈敏度S的成對傳感器代替所述傳感器，如上所述。圖7示出了本發(fā)明實(shí)施例中的裝置，其中四個(gè)相同的傳感器H R3和R4沉積在棱錐P的四個(gè)面上，它們的靈敏度軸AK1、AK2、AK3和Ak4指向該棱錐的尖端。該磁力計(jì)可用于確定Bx和By，因而提供了 “范圍”式、。s/v
權(quán)利要求
1.一種集成式磁力計(jì)，包括多個(gè)沉積在基本平坦的襯底(2)的頂面上的多層磁電阻傳感器(HR3和&)，其特征在于 -所述襯底的所述頂面具有至少一個(gè)腔或凸起(P，CP)，所述腔或凸起具有多個(gè)斜面；并且 -至少四個(gè)所述磁電阻傳感器沉積在四個(gè)所述斜面上，所述斜面具有不同的取向，且所述斜面成對相對，各傳感器對平行于所述傳感器沉積的面的外部磁場分量靈敏。
2.如權(quán)利要求I所述的集成式磁力計(jì)，其中，所述襯底為單晶體類型，特別是硅類型，所述斜面對應(yīng)于所述襯底的晶體平面。
3.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的集成式磁力計(jì)，其中，所述腔或所述凸起具有棱錐或截棱錐的形狀，且具有正方形或矩形的基部。
4.如權(quán)利要求3所述的磁力計(jì)，其中，所述傳感器的靈敏度軸(AK1、AK2、Ak3和Ak4)指向或偏離所述棱錐的尖端。
5.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的集成式磁力計(jì)，其中，各所述傳感器由兩個(gè)相同的單獨(dú)傳感器構(gòu)成，并且其中，沉積在具有相對取向的面上的所述單獨(dú)傳感器在惠斯通電橋電路中連接。
6.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁力計(jì)，其中，其中所述傳感器是相同的。
7.如權(quán)利要求I至5中的任一項(xiàng)所述的磁力計(jì)，其中，除了安裝在兩個(gè)相對的面上的傳感器具有符號相反的敏感度外，所述傳感器是相同的。
8.如權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的磁力計(jì)，其中，各所述傳感器由四個(gè)相同的連接在惠斯通電橋中的單獨(dú)傳感器構(gòu)成，磁屏蔽件(BM)沉積在多個(gè)所述單獨(dú)傳感器中的兩個(gè)傳感器的上方，所述兩個(gè)傳感器在所述惠斯通電橋中占據(jù)相對位置。
9.如權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的磁力計(jì)，其中，各所述傳感器由兩個(gè)單獨(dú)傳感器(R和R’)構(gòu)成，所述兩個(gè)單獨(dú)傳感器除了具有符號相反的靈敏度之外是相同的。
10.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁力計(jì)，其中，所述多層磁電阻傳感器選自 -巨磁電阻傳感器；和 -隧道磁電阻傳感器。
11.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁力計(jì)，其中，至少一個(gè)微機(jī)電類型的加速計(jì)(AM)集成在所述襯底上。
12.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁力計(jì)，其中，所述磁力計(jì)專有地包括設(shè)置在所述斜面上的磁電阻傳感器。
13.如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁力計(jì)，其中，所述磁電阻傳感器設(shè)置在半徑小于I毫米或等于I毫米的范圍內(nèi)，并且，優(yōu)選地，設(shè)置在半徑小于或等于100微米的范圍內(nèi)。
14.一種用于制造如上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的磁力計(jì)的方法，所述方法包括 -第一步在所述襯底的所述頂面中或所述頂面上制造所述腔或所述凸起； -第二步通過連續(xù)沉積和光刻操作制造所述多層磁電阻傳感器； -第三步利用施加的外部磁場退火，以確定以這個(gè)方式制造的傳感器的靈敏度軸。
15.如權(quán)利要求14所述的制造方法，其中，所述第一步通過對所述襯底的各向異性刻蝕而實(shí)現(xiàn)，該襯底為單晶體類型。
16.如權(quán)利要求14或15所述的制造方法，其中，所述第二步包括至少一個(gè)將均勻的樹脂層(RL’)沉積在所述襯底的表面上的操作，所述沉積操作通過噴涂或蒸發(fā)所述樹脂而實(shí) 現(xiàn)。
全文摘要
一種集成式磁力計(jì)，所述磁力計(jì)包括多個(gè)沉積在基本平坦的襯底表面上的多個(gè)多層磁電阻傳感器，所述表面稱為頂面，其特征在于所述襯底的所述頂面具有至少一個(gè)具有多個(gè)斜面的腔或凸起，并且至少四個(gè)所述磁電阻傳感器置于所述四個(gè)斜面上，所述斜面具有不同的取向且彼此成對相對，各傳感器對外部磁場的一個(gè)分量靈敏，所述外部磁場分量平行于各傳感器所置于的面。還提供了一種用于制造這樣磁力計(jì)的方法。
文檔編號G01R33/09GK102859382SQ201180007571
公開日2013年1月2日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者阿蘭·舒爾, 吉勒斯·高登, 菲利普·薩邦, 皮埃爾-讓·澤爾馬頓, 弗朗索瓦·蒙田 申請人:國家科學(xué)研究中心, 原子能與替代能源委員會