集成式磁力計及其制造方法技術

一種集成式磁力計，所述磁力計包括多個沉積在基本平坦的襯底表面上的多個多層磁電阻傳感器，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具有多個斜面的腔或凸起，并且至少四個所述磁電阻傳感器置于所述四個斜面上，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的方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及ー種具有兩軸或三軸的集成式磁力計，以及ー種制造該集成式磁力計的方法。
技術介紹
在現有技術中，已知制造基于多層磁阻傳感器的集成式磁力計，該集成式磁力計利用了巨磁電阻效應或利用隧道磁電阻效應。例如，可參考以下的文獻-M. Hehnj F. Montaigne 矛ロ A. Schuhl iiMagnetoresistance geante et electroniquedespin (巨磁電阻矛ロ自方定電于學)，，，，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場傳感器設計)”，Journal ofApplied Physics (應用物理學雜志)，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磁層CMl和CM2組成，該兩個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的磁化強度(磁矩)M2對任何外部磁場(假設該外部磁場不是太強烈)不靈敏，因此底層CM2可以認為是“堅硬”的，然而，由于頂層CMl的磁矩M1可以被中等強度的外部磁場改變，因此頂層CMl可以認為是“柔軟”的。通過將“堅硬”層沉積在被稱為阻擋層CB的反鐵磁性層而實現該“堅硬”層的磁化。通過將“柔軟”層退火至居里點，緊接著在具有合適方向的磁場的存在下冷卻“柔軟”層，而實現該“柔軟”層的磁化。平行于層CMl和層CM2測量的該結構的電阻，取決于M1和M2之間的角度Θ的余弦。為了獲得線性響應，在沒有外部磁場的情況下，通常選擇M1和M2相互垂直。當外部磁場B應用于圖I的結構時，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的磁場B的分量作用于傳感器的方向上。換句話說，當兩個磁化強度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范圍內的厚度。如同GMR傳感器，底部電極EF2的磁化強度是固定的，然而頂部電極的磁化強度可被外部磁場改變。電子通過隧道效應穿過絕緣屏障的概率以及隧道結JT的電阻，取決于兩個磁化層的磁化強度之間的角度e的余弦。如同GMR傳感器，當層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，這樣傳感器以兩個交叉的帶的形式存在，該交叉的帶由鐵磁電極EFl和EF2構成，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相同傳感器RpR1^R2和R2’組合在一起，該四個傳感器具有相互平行的靈敏度軸。這4個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’屬于兩個不同的臂，且在惠斯通電橋上占據相對的位置(即，沒有相互直接連接)，該傳感器R2和傳感器R2’由軟質鐵磁合金的磁屏蔽件BM覆蓋。結果，僅電阻R1和R/取決于外部磁場。如果惠斯通電橋的點C和點D與電源連接，則點A和點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，且所有四個傳感器的偏移量呈現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相同的傳感器R和R’之間的電阻進行差動測量，傳感器R和傳感器R’對于特定的磁場分量(箭頭AK，AK，)呈現出相反的信號響應。這種類型的兩個傳感器可呈現出具有相反的磁化強度的“堅硬”層。這可以不同的方式實現，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-通過將多個傳感器中的一個沉積在已知為人工反鐵磁(AAF)的特定多層結構上，然后將該多層結構沉積在阻擋層上。該AAF結構由兩個磁層構成，該兩個磁層由引起這兩個磁層之間的反鐵磁偶合的金屬隔板分隔。由于這種偶合，該兩個磁層之間的磁化強度恒定地保持反平行排列從而，使傳感器的“堅硬”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結構增加了傳感器的傳導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結構。采用TMR傳感器不會出現這個問題。現有技術不能夠制造具有三軸的集成式磁力計在最好的情況下，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分量。在現有技術中，三軸磁力計通常以混合形式制造，使用不共面的至少兩個襯底。這導致裝置制造花費大，裝置體積大且易碎，并且最重要的是現有的精確性被與組裝磁力計相關的系統誤差所限制。可以制造具有單軸或兩軸磁力計，但如上文所述，這需要執行相當復雜的技術以消除偏移量。文獻US2009/027048和US2008/169807描述了集成式三軸磁力計，該磁力計具有以兩個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。如同零點漂移，消除偏移的問題仍完全存在。
技術實現思路
本專利技術設法克服了以上提到的現有技術的缺陷。使該目的實現的本專利技術一方面在于根據權利要求I的集成式磁力計，該集成式磁カ計包括多個沉積在基本平坦的襯底的頂面上的多層磁電阻傳感器，所述磁力計的特征在于-該襯底的所述頂面具有至少ー個具有多個斜面的腔或凸起；和-至少四個所述的磁電阻傳感器沉積在四個所述的斜面上，該斜面具有不同的取向且成對本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：國家科學研究中心，原子能與替代能源委員會，
類型：
國別省市：