专利名称：薄膜磁电阻传感元件、多个传感元件的组合及与该组合耦合的电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用一系列磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction)传感元件的一种矢量磁场测量传感系统，其包括具有垂直磁各向异性的铁磁材料。
背景技术：
矢量磁场传感器可以用来制造电子罗盘，这在手机等消费电子和汽车导航系统中的应用正在不断成长，同时也包括定位和测量等许多具体的应用领域。这些器件通常要求低功耗，低成本，并适合大批量生产，以满足消费电子的大量需求。现有多种装置可以作为矢量磁场传感器来探测磁信号，而其中，又有多种适合集成到单个半导体芯片当中。这些技术包括半导体霍尔器件以及磁电阻器件，其中磁电阻器件包括各向异性磁电阻(AMR，Anisotropic Magnetoresistance)和巨磁电阻(GMR，Giant Magnetoresistance).霍尔效应器件本身比较昂贵且分辨率低。它们通常对垂直于它们所沉积的基片平面的磁场敏感。AMR和GMR器件虽然具有相对较高的分辨率，但由于输出信号幅值较小，因而需要对后端电路进行更好的设计，从而增加了系统的复杂性和大小，因此增加了系统的整体成本。AMR和GMR传感器通常对平行于其所沉积的基片平面方向的磁场敏感。传感器通过隧道磁电阻(TMR)效应来检测磁场，其具有体积小、分辨率高和输出信号幅值大的特点，这些特点可用于简化电路设计，从而降低整体系统成本。AMR和GMR传感器，以及MTJ传感器的敏感方向平行于它们所沉积的基片平面。同大多数半导体器件一样，最好的实现低成本和大批量生产的方式是将所有的器件集成到一个单一的半导体基片上。但是，由于通常的传感器只检测平行或垂直的磁场分量，因而将一个三轴矢量磁强计完全集成到一个单一的芯片上非常困难。为了解决这个问题，可以采用两个或两个以上的集成有传感元件的基片成直角对齐，然后封装到一起，但这增加了尺寸和成本。采用现有的传感元件组成一个双轴磁场芯片已经有多种不同的实现方式。然而， 这些方案都不能测量垂直于基片平面的磁场分量。通过软磁屏蔽层的聚磁作用，已构成了霍尔效应器件的三轴磁场传感器，或是采用范得堡瓦技术测量平面内的磁场分量，但这些器件都是相对高功耗和低灵敏度。其它的被认为可行的技术方案是将检测垂直分量和检测平行分量的传感器结合起来，比如霍尔传感器与AMR、GMR或MTJ传感器的结合，但是，由于它们的灵敏度差异，以及可能存在的生产工艺的不兼容性使得它成为一个并不太具吸引力的解决方案。

发明内容
本发明的目的是提供用于制作对垂直于基片方向的磁场敏感的MTJ传感器，以用于集成式单片矢量磁强计系统。
本发明一方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层，自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁藕合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成，隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。本发明另一方面提供一种多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。本发明第三方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。本发明第四方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层。自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该参考层具有比自由层更高的矫顽力，隔离层由绝缘或是导电材料制成。本发明第五方面提供一种多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。本发明第六方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。本发明第七方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、第一参考层、位于自由层和第一参考层之间的第一隔离层、第二参考层、位于自由层和第二参考层之间的第二隔离层。自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面；第一参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该第一参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第一参考层具有比自由层更高的矫顽力；第二参考层磁化方向与第一参考层方向相反，该第二参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第二参考层具有比自由层更高的矫顽力；第一隔离层由绝缘材料制成；第二隔离层由导电材料制成。本发明第八方面提供多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。本发明第九方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。本发明还提供几种组合，各种组合为多个上述其中一种传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。本发明另外还相应地提供几种分别与这些传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。


图1是传感器薄膜的坐标系；
图2是一种有效的采用永磁铁PM控制传感器的响应特性的MTJ磁场传感器材料的分层顺序示意图。这里钉扎层PL的磁化强度矢量被固定在垂直于膜面方向，而自由层FL的磁化矢量可以在垂直和平行方向自由移动，在钉扎层PL的这一初始磁化方向，传感器检测自由层FL磁化矢量的面外分量；第二钉扎层PL被用来控制MTJ器件电阻随外磁场变化关系函数曲线的中心点；
图3是垂直磁各向异性MTJ器件的随外加平行场的磁电阻变化曲线； 图4是由许多不同形状的垂直磁各向异性MTJ传感元件构成的一个多轴传感器的示意
图5是由垂直磁各向异性MTJ传感元件构成的一个多轴传感器的示意图，在图中传感器阵列分布在坡莫合金铁磁圆盘周围以分离外磁场的三个不同分量； 图6 —个方形磁块的磁极分布示意图7是磁通聚集器在感生磁极附近将面内方向磁场转变为垂直方向磁场的方法示意图，该图为磁通聚集器沿外场方向的截面图8是一个将传感器系统的响应转换为三个正交磁场分量的电子系统原理图。
具体实施例方式图1反映的是矢量磁强计的正交坐标系，其中，一磁性传感器被沉积到位于XY平面内的基片5。X和Y坐标被定义为平行于基片的参考平面或是位于平面内，Z轴代表垂直于基片表面的方向。本发明中MTJ传感器通常被设计成易受Z轴方向磁场分量控制的传感器。通常， MTJ传感器由至少3个关键层组成，分别可以称为自由层(FL)，钉扎层(PL)和隧道势垒层。 自由层和钉扎层由不同成分的铁磁合金组成，包括但不限于Ni，Fe，Co, Al, B, Mo, Hf，Pd，Pt 和Cu。钉扎层的磁化严格保持在一个方向上，并且随外加磁场的改变不发生明显变化，自由层的磁化方向可以自由响应外加磁场。隧道势垒为绝缘材料的，通常是氧化物，比如AlOx 或 MgO0在测量MTJ器件钉扎层和自由层之间的电阻时，MTJ器件显示出随着自由层的磁化方向相对于钉扎层磁化方向的改变，MTJ器件的电阻发生显著变化。这就是通常所说的隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效应。电阻的变化可以量化成电阻变化率这一指标，电阻变化率定义为
权利要求
1.一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，其特征在于包括一自由层，该自由层的材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面； 一参考层，所述参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁藕合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成；一隔离层，该隔离层位于所述自由层和参考层之间，该隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。
2.如权利要求1所述的薄膜磁电阻传感元件，其特征在于它还包括永磁体，用于施加一平行于沿平行于基片平面方向的自由层的磁场，该磁场用来减小自由层对外加的垂直于基片平面的磁场响应的磁滞。
3.一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，其特征在于包括一自由层，该自由层的材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面； 一参考层，该参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该参考层具有比自由层更高的矫顽力；一隔离层，所述隔离层位于所述自由层和参考层之间，该隔离层由绝缘或是导电材料制成。
4.如权利要求3所述的薄膜磁电阻传感元件，其特征在于它还包括永磁体，该永磁体施加一平行于沿平行于基片平面的方向的自由层的磁场，该磁场用来减小自由层对外加的垂直于基片平面的磁场响应的磁滞。
5.一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，其特征在于包括一自由层，该自由层的材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面； 一第一参考层，其磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该第一参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第一参考层具有比自由层更高的矫顽力； 一第一隔离层，其位于所述自由层和第一参考层之间，该第一隔离层由绝缘材料制成；一第二参考层，其磁化方向与第一参考层方向相反，该第二参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第二参考层具有比自由层更高的矫顽力；一第二隔离层，其位于自由层和第二参考层之间，该第二隔离层由导电材料制成。
6.如权利要求5所述的薄膜磁电阻传感元件，其特征在于它还包括永磁体，该永磁体施加一平行于沿基片平面的方向的自由层的磁场，该磁场用来减小自由层对外加的垂直于基片平面的磁场响应的磁滞。
7.多个如权利要求1所述的传感元件的组合，其特征在于多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。
8.一种与权利要求7所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。
9.多个如权利要求3所述的传感元件的组合，其特征在于多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。
10.一种与权利要求9所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。
11.多个如权利要求5所述的传感元件的组合，其特征在于多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。
12.—种与权利要求11所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。
13.多个如权利要求1所述的传感元件的组合，其特征在于多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。
14.一种与权利要求13所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。
15.多个如权利要求3所述的传感元件的组合，其特征在于多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。
16.一种与权利要求15所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。
17.多个如权利要求5所述的传感元件的组合，其特征在于多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。
18.一种与权利要求17所述的传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。
全文摘要
本发明涉及一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层，自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁耦合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成，隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。本发明还提供多个前述传感元件的组合以及一种与上述传感元件组合耦合的电子装置。
文档编号G01C17/32GK102280574SQ20111014122
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月27日 优先权日2011年1月7日
发明者薛松生, 詹姆斯·G·迪克 申请人:江苏多维科技有限公司