三个电桥电路（１０１、１１１、１２１）每一均包括耦合成惠斯通电桥（１００）的磁电阻传感器，以在三个正交方向（１１０、１２０、１３０）上感测磁场（１６０），它们是通过单个钉扎材料淀积和体晶片设定工序来设定的。三个电桥电路中的一个（１２１）包括第一磁电阻传感器（１４１），其包括：第一感测元件（１２２），设置在钉扎层（１２６）上，第一感测元件（１２２）具有第一和第二边缘以及第一和第二面；以及第一通量引导件（１３２），设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件（１２２）的第一边缘和第一面的末端。可选的第二通量引导件（１３６）可以被设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件（１２２）的第二边缘和第二面的末端。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及磁电子器件领域，更具体地，涉及用于在三个正交方向上感测磁场的CMOS兼容的磁电子场传感器。
技术介绍
传感器广泛地用在现代系统中以测量或检测诸如位置、运动、力、加速度、温度、压力等物理参数。尽管存在用于测量这些和其他参数的多种不同的传感器类型，但是它们均受到各种限制。例如，诸如用在电子罗盘和其他类似的磁感测应用中的廉价的低场传感器通常包括基于各向异性磁电阻(AMR)的器件。为了达到所需的灵敏度和与CMOS配合良好的合理的电阻，这些传感器的感测单元通常在尺寸上在平方毫米量级。对于移动应用，在费用、电路面积和功耗方面，AMR传感器配置过于昂贵。其他类型的传感器，诸如霍尔效应传感器、巨磁电阻(GMR)传感器和磁隧道结 (MTJ)传感器，已被用于提供较小外形的传感器，但是这些传感器具有它们自身的问题，诸如灵敏度不够以及受温度变化的影响。为了解决这些问题，以惠斯通电桥结构使用MTJ和 GMR传感器以增加灵敏度并消除依赖温度的电阻改变。除正交轴之外，许多磁感测技术固有地响应于所施加的场的一个取向。事实上，两轴磁场传感器已被开发用于电子罗盘应用，以通过针对每个感测轴使用惠斯通电桥结构来检测地球磁场方向。例如，霍尔传感器通常响应于在衬底表面法向的异面(out-of-plane)场分量，而磁电阻传感器响应于面内(in-plane)施加的磁场。利用这些响应轴，小“足印”三轴感测解决方案的开发典型地牵涉多芯片模块，一个或多个芯片被设置为彼此成正交角度。对于磁电阻传感器，通过仔细的传感器设计可以实现正交的面内分量，但是通常通过竖直接合或焊料回流以接触已经竖直安装的次级芯片来收集异面响应。由于竖直接合的芯片的尺寸典型地由根据处理约束确定的焊盘节距支配，因此该技术导致大竖直范围的所完成的封装、高的管芯和封装成本，并且由于必须并入穿过芯片的通孔，因此使芯片级封装是困难和高成本的。因此，需要一种改进的设计和制造工艺，用于形成单芯片磁传感器，其三维地响应所施加的磁场。还需要一种三轴传感器，其能够高效地和廉价地被构造为用在移动应用中的集成电路结构。还需要一种改进的磁场传感器和制造方法以克服诸如上文概述的现有技术中的问题。此外，结合附图和本专利技术的背景，通过随后的具体实施方式和所附权利要求， 本专利技术的其他期望的特征和特性将变得明显。附图说明下面将结合附图描述本专利技术，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且图1图示了根据示例性实施例的使用由三个具有MTJ传感器的电桥结构形成的差分传感器的电子罗盘结构；图2是根据示例性实施例的图1的Z轴电桥结构的部分横截面；图3是图2的四个磁隧道结传感器中的两个的通过有限元仿真计算的通量线的视图；图4是根据另一示例性实施例的图1的Z轴电桥结构的部分横截面；图5是根据又一示例性实施例的图1的Z轴电桥结构的部分横截面；图6是如图5中所示的通量引导件的另一形状；图7是如图5中所示的通量引导件的又一形状；图8是如图5中所示的通量引导件的再一形状；以及图9是图示作为覆层到传感器的间距的函数的、对于单个(非差分配线)MTJ感测元件的被表示为X灵敏度的百分比的Z灵敏度的曲线图。将认识到，为了说明的简单和清楚，图中图示的元件并不必然依比例绘制。例如， 出于促进和改进清晰性和理解的目的，一些元件的尺寸可以相对于其他元件放大。此外，在被认为是适当的情况下，在附图中重复使用附图标记以表示相应的或相似的元件。
技术实现思路
一种基于铁磁薄膜的磁场传感器包括第一磁电阻传感器，所述第一磁电阻传感器包括具有平坦表面的衬底；以及第一感测元件，具有与衬底的所述平坦表面平行的第一面，第一感测元件具有与第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的边缘；以及第一通量引导件，设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件的第一边缘和第一面的末端。可选的第二通量引导件可以被设置为与衬底的第一面不平行，并且具有接近第一感测元件的第二边缘和第二面的末端。在另一示例性实施例中，一种基于铁磁薄膜的磁场传感器包括第一、第二和第三磁电阻传感器。第一磁隧道结传感器包括第一被钉扎层和在第一被钉扎层上形成的第一感测元件，第二磁隧道结传感器包括第二被钉扎层和在第二被钉扎层上形成的并且与第一感测元件正交的第二感测元件，并且第三磁隧道结传感器包括第三被钉扎层和在第三被钉扎层上形成的第三感测元件，第三被钉扎层被设置为与第一和第二被钉扎层中的每一个成约 45度，第三感测元件具有第一和第二边缘以及第一和第二面。通量引导件被设置为与衬底的所述平坦表面不平行，并且具有接近第三感测元件的第一边缘和第一面的末端。具体实施例方式下面的本专利技术的详细描述在本质上仅是示例性的，并非意图限制本专利技术或者本专利技术的应用和使用。此外，不受前文的背景中呈现的任何理论或者下文的本专利技术的详细描述的约束。通过集成例如镍铁(NiFe)的高磁导率材料的高宽比高的竖直棒条(通量引导件)，其末端紧邻磁感测元件的相反的边缘和相反的面终止，可以使一部分Z轴场进入XY平面。这些通量引导件用于捕获来自在Z方向上取向的施加场的磁通量，并且在这样操作时， 在通量引导件的末端附近以基本上水平的方式使场线弯曲。通过通量引导件的不对称安置，例如在惠斯通电桥的四个桥臂(leg)中的两个桥臂中的感测元件的左边缘上方的通量引导段，以及在另外两个桥臂中的感测元件的右边缘上方的通量引导件，对于两对桥臂，水平分量可以作用在相反的方向上，导致强的差分信号。在X或Y方向上施加的场将等同地投射在电桥的所有四个桥臂上并因此被减除掉，并且对最终传感器信号没有贡献。在磁传感器芯片上的其他位置包括分立的电桥，用于确定磁信号的X和Y分量，并且通过该方式，可以由单芯片磁电阻感测模块，例如，基于磁隧道结(MTJ)感测元件，准确地确定具有所有三个空间取向上的分量的场。有限元方法(FEM)仿真表明一对高宽比高的通量引导件(例如，25nm宽乘以500nm高并且在第三方向上延伸数微米)在被最优地安置时，将在单独的元件上提供相当于从同一强度的面内(χ轴)场测量的信号的约80%的信号。通过使通量引导件与传感器更近、增加通量引导件的高度、以及另外对引导件的几何形状进行塑形，可以获得另外的信号。一个示例是添加与感测元件平行的水平段，其在感测元件的边缘上延伸。 其他示例是形成U形，其内部水平段与感测元件的外部边缘对准，竖直段的成角的终止用于使通量引导件在感测元件的平面内部分地延伸，以及形成类似地放置的箱形结构。这些几何特征用于进一步增强所引导的通量的水平分量，并且使其移动到传感器的更中心的区域。利用各个25nm宽的竖直棒条作为通量引导件的结构容忍覆盖误差(overlay error), 并且对于单个通量引导层和感测层之间的85nm(3Sigma)的失准，以2. 5%的比率产生明显的χ到ζ场转换(对于差分配线的惠斯通电桥)。通量引导层可以由典型地用在磁随机存取存储器(MRAM)工艺流程中的层形成， 在该工艺流程期间位线(bit line)和数位线(digit line)覆有高磁导率磁材料(诸如， 在典型的磁存储器器件中)，其在这里被称为通量引导件，这些层用于增加所存在的场系数 (field factor)以减少切换存储器存储元件所需的电流。在传感器应用中，可以使用本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于铁磁薄膜的磁场传感器，包括：衬底，具有平坦表面；以及第一磁电阻传感器，包括：第一感测元件，具有与所述衬底的所述平坦表面平行的第一面，所述第一感测元件具有与所述第一面相反的第二面，并且具有第一和第二相反的边缘；以及第一通量引导件，设置为与所述第一感测元件的第一面不平行，并且具有接近所述第一感测元件的第一边缘和第一面的末端。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：P·马瑟，
申请(专利权)人：艾沃思宾技术公司，
类型：发明
国别省市：US
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