亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：集成式磁力计及其制造方法
技术领域：
本发明涉及ー种具有两轴或三轴的集成式磁力计，以及ー种制造该集成式磁力计的方法。
背景技术：
在现有技术中，已知制造基于多层磁阻传感器的集成式磁力计，该集成式磁力计利用了巨磁电阻效应或利用隧道磁电阻效应。例如，可參考以下的文献-M. Hehnj F. Montaigne 矛ロ A. Schuhl iiMagnetoresistance geante et electroniquedespin (巨磁电阻矛ロ自方定电于学)，，，[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 多层的磁场传感器)”，IEEE transactions on magnetics，第 30 卷，第 6 号，1994 年 11 月；和-M. Tondar 等，“Picotesla field sensor design using spin-dependenttunneling devices (利用自旋依赖穿隧装置的Picotesla场传感器设计)”，Journal ofApplied Physics (应用物理学杂志)，第 80 卷，第 11 号，pp. 6688-6690，1998 年 6 月 I 日。这些磁电阻传感器由一叠薄层制成，该薄层沉积在例如硅制成的平坦衬底上。更准确地，如图IA所示，巨磁电阻(GMR)磁阻传感器由例如钴制成的两个磁层CMl和CM2组成，该两个磁层由例如铜制成的金属层CMET分隔，该金属层的厚度为纳米级。由于该底层CM2的磁化強度(磁矩)M2对任何外部磁场(假设该外部磁场不是太強烈)不灵敏，因此底层CM2可以认为是“坚硬”的，然而，由于顶层CMl的磁矩M1可以被中等強度的外部磁场改变，因此顶层CMl可以认为是“柔软”的。通过将“坚硬”层沉积在被称为阻挡层CB的反铁磁性层而实现该“坚硬”层的磁化。通过将“柔软”层退火至居里点，紧接着在具有合适方向的磁场的存在下冷却“柔软”层，而实现该“柔软”层的磁化。平行于层CMl和层CM2测量的该结构的电阻，取决于M1和M2之间的角度Θ的余弦。为了获得线性响应，在没有外部磁场的情况下，通常选择M1和M2相互垂直。当外部磁场B应用于图I的结构时，该“柔软”层的磁矩M1改变方向，并且角Θ改变。首先，仅与M1垂直的、且位于这些层的平面内的磁场B的分量作用于传感器的方向上。换句话说，当两个磁化強度M1和M2在没有磁场的情况下相互垂直吋，该传感器仅对定向于“坚硬”层的磁化方向M2上的磁场的分量灵敏。在GMR传感器中，电流平行于这些层的平面流动。从而，这种传感器为狭窄且细长的带的形式，且在传感器的末端具有电极EL (图1B)。第二种类型的传感器，隧道磁电阻(TMR)传感器也是由例如钴(Co)、铁(Fe)或钴铁(CoFe)的传导铁磁材料的两层EFl和EF2组成，该材料在“电极”中可相同或不同，该两层由例如氧化铝(Al2O3)或氧化镁(MgO)的绝缘体的薄层Cl分隔，该薄层通常具有在O. 8nm-5nm范围内的厚度。如同GMR传感器，底部电极EF2的磁化强度是固定的，然而顶部电极的磁化強度可被外部磁场改变。电子通过隧道效应穿过绝缘屏障的概率以及隧道结JT的电阻，取决于两个磁化层的磁化強度之间的角度e的余弦。如同GMR传感器，当层EFl和层EF2的磁化作用在没有磁场的存在下垂直吋，TMR传感器仅对沿着其“坚硬”电极的磁化方向定向的磁场分量灵敏。在TMR传感器中，电流垂直于这些层的平面流动。从而，这样传感器以两个交叉的带的形式存在，该交叉的带由铁磁电极EFl和EF2构成，EFl和EF2由层Cl分隔，如图2所
/Jn o在磁电阻传感器中，不论磁电阻传感器为GMR型或TMR型，都存在消除偏移的问题，即，与磁场无关的电阻分量。该偏移量大，且取决于温度。对于消除该偏移量的第一可能性，如图3A所示，在于将在共用衬底上的四个相同传感器RpR1^R2和R2’组合在一起，该四个传感器具有相互平行的灵敏度轴。这4个传感器连接以形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge),该惠斯通电桥具有由传感器R1和传感器 R2形成的第一臂，和由传感器R/和传感器R2’形成的第二臂。该传感器R2和传感器R2’属于两个不同的臂，且在惠斯通电桥上占据相对的位置(即，没有相互直接连接)，该传感器R2和传感器R2’由软质铁磁合金的磁屏蔽件BM覆盖。结果，仅电阻R1和R/取决于外部磁场。如果惠斯通电桥的点C和点D与电源连接，则点A和点B之间的电势差与cos ( e )成比例，从而与可测量的外部磁场的分量成比例。对于全部的四个传感器没有必要全部相同=R1和R/的电阻彼此相同就可以，同样，R2和R2’的电阻彼此相同就可以，且所有四个传感器的偏移量呈现出相同温度依存性就可以。如图3B所示，用于消除偏移的第二解决方案在于对两个相同的传感器R和R’之间的电阻进行差动测量，传感器R和传感器R’对于特定的磁场分量(箭头AK，AK，)呈现出相反的信号响应。这种类型的两个传感器可呈现出具有相反的磁化強度的“坚硬”层。这可以不同的方式实现，具体地-通过将许多电线组合在衬底上，这些电线可以在不同的方向上局部施加磁�。换�-通过将多个传感器中的一个沉积在已知为人工反铁磁(AAF)的特定多层结构上，然后将该多层结构沉积在阻挡层上。该AAF结构由两个磁层构成，该两个磁层由引起这两个磁层之间的反铁磁偶合的金属隔板分隔。由于这种偶合，该两个磁层之间的磁化強度恒定地保持反平行排列从而，使传感器的“坚硬”层在与阻挡层的磁矩相反的方向上极化。图4为包括AAF的传感器的剖面图。由于AAF结构增加了传感器的传导性且因此降低了传感器的灵敏度，因此在GMR传感器中难以使用AFF结构。采用TMR传感器不会出现这个问题。现有技术不能够制造具有三轴的集成式磁力计在最好的情况下，沉积在平面衬底上的磁电阻传感器能够测量投射在衬底平面上的外部磁场的两个分量。在现有技术中，三轴磁力计通常以混合形式制造，使用不共面的至少两个衬底。这导致装置制造花费大，装置体积大且易碎，并且最重要的是现有的精确性被与组装磁力计相关的系统误差所限制。可以制造具有单轴或两轴磁力计，但如上文所述，这需要执行相当复杂的技术以消除偏移量。文献US2009/027048和US2008/169807描述了集成式三轴磁力计，该磁力计具有以两个不同的方向沉积在衬底的平坦表面上的磁电阻传感器，还具有沉积在斜面上的其他传感器，该斜面通过在所述表面上刻凹槽而获得。该沉积在平坦表面上的传感器用于测量在两个维度的磁�。欢�沉积在凹槽的斜面上的传感器则用于測量第三维度的磁场。如同零点漂移，消除偏移的问题仍完全存在。

发明内容
本发明设法克服了以上提到的现有技术的缺陷。使该目的实现的本发明一方面在于根据权利要求I的集成式磁力计，该集成式磁カ计包括多个沉积在基本平坦的衬底的顶面上的多层磁电阻传感器，所述磁力计的特征在于-该衬底的所述顶面具有至少ー个具有多个斜面的腔或凸起；和-至少四个所述的磁电阻传感器沉积在四个所述的斜面上，该斜面具有不同的取向且成对相对，各传感器对外部磁场分量灵敏，所述分量平行于所述传感器沉积的面。
本发明的磁力计的有利实施例构成了从属权利要求的主題。本发明的另一方面为ー种制造如上所述的磁力计的方法，所述方法包括-第一歩，在所述衬底的所述顶面中或上制造所述腔或每个腔、或所述凸起或每个凸起；-第二步，通过连续的沉积和光刻操作制造所述多层磁电阻传感器；和-第三歩，利用施加的外部磁场退火，以确定以这个方式制造的传感器的灵敏度轴。具体地，本发明的执行步骤包括-所述第一歩可通过所述衬底的各向异性刻蚀而实现，该衬底必须为单晶体类型；-所述第二步可包括至少ー个将均匀的树脂层沉积在所述衬底的表面的操作，该沉积操作或每个沉积操作通过喷涂或蒸发所述树脂而实现。


阅读以下通过示例给出的附图所做的描述，将得出本发明的其他特征、细节和优点，其中-图1A、图1B、图2、图3A、图3B和图4，如上所述，示出现有技术中已知的集成式磁电阻传感器；-图5A和图5B分别为通过单晶体硅衬底的各向异性刻蚀得到的截棱锥形式的凸起的正视图和剖面图，其中GMR型磁电阻传感器沉积在该截棱锥的面上；-图6为基于GMR型传感器的单轴磁力计的剖面图；-图7为同样基于GMR型传感器的、本发明的实施例中的双轴磁力计的俯视图；-图8为同样基于GMR型传感器的、本发明的另ー实施例中的三轴磁力计的俯视图；-图9为基于TMR型传感器的、本发明的另ー实施例中的三轴磁力计的俯视图；-图10为与加速计集成在一起的本发明的磁力计的正视图；-图11为根据本发明方法制造磁力计的各种步骤的简要示-图12为包括磁通集中器的本发明变型的磁力计的俯视图；-图13A和图13B为通过将多个图7所示类型的磁力计顺序连接在一起而构成的各个磁力计的俯视图。
具体实施例方式图5A和图5B涉及沉积在截棱锥形式的凸起P的面上的单个GMR型磁电阻传感器R1，该截棱锥通过具有对应于晶体平面100的表面的单晶体硅衬底S的各向异性刻蚀而制造。在这种情形下，所述棱锥的四个面对应于平面111，并且相对于所述衬底的表面以 0=54.7。的角倾斜。在 Chii-Rong Yang 等的论文“Study on anisotropic siliconetching characteristics in various surfactant—aaded tetramethyl ammoniumhydroxide water solutions(关于在添加不同表面活性剂的四甲基氢氧化铵水溶液中的各向异性刻蚀特征的研究)” J. Micromech. Microeng.(《微型机械与微型工程学报》)15, 2028(2005))中，对制造这种类型的凸起以及相同地具有截棱锥形状的腔进行了描述。 在图中，M1表示R1的(柔软)灵敏层的磁矩，M2表示坚硬层的磁矩，且Aki表示传感器的检测轴，该检测轴与M2平行。衬底S的表面平行于xy平面且垂直于^轴。Bx、By和Bz分别为沿着I轴、I轴和I轴的、待测量的外部磁场的分量。已知电流在平行于X轴的方向上流过传感器R1 ;测量该传感器R1两端的电压V1用于确定该传感器R1的电阻，该电阻是Bx和Bz的函数，而不是By的函数。在该传感器的线性响应限制中，其输出信号通过下式给出V1=Vc^S [Bzsin 0+BxCos 0 ]其中，S为传感器的灵敏度，Vtl为传感器的偏移量，即，在没有磁场存在的情况下的输出电压。由于传感器的偏移，很难将电压测量值与磁场分量的值联系起来，因此图5的装置具有有限的作用。图6示出ー种装置，其中两个相同的传感器R1和传感器R3沉积在棱锥P的两个相对的面上。输出信号V1和输出信号V2可确定Bx，这可消除偏移量Vtl 相反，分量Bz的测量值取决于该偏移量
「 I ,, i l\+V3~2V0B, =----!-----
* 2 cos ^ S为了消除影响分量Bz的测量值的偏移，可以将如图3所述类型的、安装在惠斯通电桥中的两组4个传感器替代传感器R1和传感器R3。在变型中，可以将具有平行的灵敏度轴和相反的灵敏度S的成对传感器代替所述传感器，如上所述。图7示出了本发明实施例中的装置，其中四个相同的传感器H R3和R4沉积在棱锥P的四个面上，它们的灵敏度轴AK1、AK2、AK3和Ak4指向该棱锥的尖端。该磁力计可用于确定Bx和By，因而提供了 “范围”式、。s/v
权利要求
1.一种集成式磁力计，包括多个沉积在基本平坦的衬底(2)的顶面上的多层磁电阻传感器(HR3和&)，其特征在于 -所述衬底的所述顶面具有至少一个腔或凸起(P，CP)，所述腔或凸起具有多个斜面；并且 -至少四个所述磁电阻传感器沉积在四个所述斜面上，所述斜面具有不同的取向，且所述斜面成对相对，各传感器对平行于所述传感器沉积的面的外部磁场分量灵敏。
2.如权利要求I所述的集成式磁力计，其中，所述衬底为单晶体类型，特别是硅类型，所述斜面对应于所述衬底的晶体平面。
3.如上述任一项权利要求所述的集成式磁力计，其中，所述腔或所述凸起具有棱锥或截棱锥的形状，且具有正方形或矩形的基部。
4.如权利要求3所述的磁力计，其中，所述传感器的灵敏度轴(AK1、AK2、Ak3和Ak4)指向或偏离所述棱锥的尖端。
5.如上述任一项权利要求所述的集成式磁力计，其中，各所述传感器由两个相同的单独传感器构成，并且其中，沉积在具有相对取向的面上的所述单独传感器在惠斯通电桥电路中连接。
6.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，其中所述传感器是相同的。
7.如权利要求I至5中的任一项所述的磁力计，其中，除了安装在两个相对的面上的传感器具有符号相反的敏感度外，所述传感器是相同的。
8.如权利要求I至6中的任一项所述的磁力计，其中，各所述传感器由四个相同的连接在惠斯通电桥中的单独传感器构成，磁屏蔽件(BM)沉积在多个所述单独传感器中的两个传感器的上方，所述两个传感器在所述惠斯通电桥中占据相对位置。
9.如权利要求I至6中的任一项所述的磁力计，其中，各所述传感器由两个单独传感器(R和R’)构成，所述两个单独传感器除了具有符号相反的灵敏度之外是相同的。
10.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，所述多层磁电阻传感器选自 -巨磁电阻传感器；和 -隧道磁电阻传感器。
11.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，至少一个微机电类型的加速计(AM)集成在所述衬底上。
12.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，所述磁力计专有地包括设置在所述斜面上的磁电阻传感器。
13.如上述任一项权利要求所述的磁力计，其中，所述磁电阻传感器设置在半径小于I毫米或等于I毫米的范围内，并且，优选地，设置在半径小于或等于100微米的范围内。
14.一种用于制造如上述任一项权利要求所述的磁力计的方法，所述方法包括 -第一步在所述衬底的所述顶面中或所述顶面上制造所述腔或所述凸起； -第二步通过连续沉积和光刻操作制造所述多层磁电阻传感器； -第三步利用施加的外部磁场退火，以确定以这个方式制造的传感器的灵敏度轴。
15.如权利要求14所述的制造方法，其中，所述第一步通过对所述衬底的各向异性刻蚀而实现，该衬底为单晶体类型。
16.如权利要求14或15所述的制造方法，其中，所述第二步包括至少一个将均匀的树脂层(RL’)沉积在所述衬底的表面上的操作，所述沉积操作通过喷涂或蒸发所述树脂而实 现。
全文摘要
一种集成式磁力计，所述磁力计包括多个沉积在基本平坦的衬底表面上的多个多层磁电阻传感器，所述表面称为顶面，其特征在于所述衬底的所述顶面具有至少一个具有多个斜面的腔或凸起，并且至少四个所述磁电阻传感器置于所述四个斜面上，所述斜面具有不同的取向且彼此成对相对，各传感器对外部磁场的一个分量灵敏，所述外部磁场分量平行于各传感器所置于的面。还提供了一种用于制造这样磁力计的方法。
文档编号G01R33/09GK102859382SQ201180007571
公开日2013年1月2日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月29日
发明者阿兰·舒尔, 吉勒斯·高登, 菲利普·萨邦, 皮埃尔-让·泽尔马顿, 弗朗索瓦·蒙田 申请人:国家科学研究中心, 原子能与替代能源委员会