集成式磁力计及其制造方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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)，，，，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场；或-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场；而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。
技术实现思路
本专利技术设法克服了以上提到的现有技术的缺陷。使该目的实现的本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【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：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(专利权)人：国家科学研究中心，原子能与替代能源委员会，
类型：
国别省市：