专利名称：磁传感器及补偿磁传感器的温度相关特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种应用磁阻元件的磁传感器。
背景技术：
迄今为止已知这样一种磁传感器，其应用诸如铁磁磁阻元件(MR元件，ferromagnetic magnetoresistive element)、巨磁阻元件(GMR元件，giantmagnetoresistive element)或隧道磁阻元件(TMR元件，tunnel magnetoresistiveelement)之类的磁阻元件作为磁场检测元件，并且该磁传感器根据磁阻元件的电阻值，而产生取决于作用在磁阻元件上的外部磁场的输出值。
磁阻元件的电阻值取决于温度。因此，即使在固定磁场强度的磁场作用下，磁传感器输出值也会因磁阻元件的温度改变而变化。所以，为了高精度地检测磁场(的幅度)，就必定需要对这种温度相关性(temperature dependence)进行补偿。
在日本专利申请公开(kokai)第H06-77558号中披露的磁传感器装置是借助于在磁阻元件邻近处设置的温度传感器来实现这种补偿的。预先测量作为磁传感器输出值的电压和温度之间的关系(温度相关特性)并且存储到存储器中。然后，根据温度传感器实际测得的温度以及存储器中存储的关系，确定一个基准电压，并且将磁传感器实际输出电压和所确定的基准电压之间的差值进行放大输出，借此补偿磁传感器的温度相关特性。
同时，高灵敏度磁传感器的输出值会在地磁作用的影响下发生改变，而地磁是随时间变化的。因此，上述磁传感器装置的存储器中存储的温度相关特性必须是在一个预先设定的、确信地磁没有改变的短时间段内测得的；而且在上述测量过程中必须在短时间段内对磁阻元件进行加热或冷却。
但是，如果通过普通的加热/冷却装置对上述磁阻元件进行加热，则不仅磁阻元件，而且包含磁阻元件衬底在内的整个磁传感器，都被加热/冷却了。因此，由于磁传感器热容量大，加热/冷却时间将很长，而且在温度相关性测量期间地磁因此将有所改变。结果，就产生了这样一个问题，即存储到存储器中的温度相关特性的可信赖性变小，而且因此将无法实现对温度相关特性的精确补偿。尽管在不受地磁影响的环境条件下测量温度相关特性是一种可行的方案，但是构造这样一种环境条件的设备(磁场消除器)却非常昂贵，因此就导致了另一个问题即增大了该磁传感器的制造成本。
所以，本发明的一个目的是提供一种磁传感器，其能够测量温度相关特性，花费不多，在一个短时间段内完成测量，并且测量精确，而且本发明还提供了一种对磁传感器的温度相关特性进行精确补偿的方法。
本发明的另一个目的是提供一种单片磁传感器，其可产生磁传感器输出信号，而且不用连接线；例如Au线，用于连接磁传感器和外部部件(例如外部电路)。
本发明的另一个目的是提供一种磁传感器，其中外部噪声基本上不会影响控制电路部分，所述控制电路部分执行各种操作，例如根据磁阻元件电阻变化产生输出信号的操作、获得关于磁阻元件的温度特性的数据的操作、磁阻元件的自由层的磁化的初始化操作以及为了测试磁阻元件性能而将外部磁场施加到磁阻元件上的操作。
本发明的再一个目的是提供一种磁传感器，其具有适合于简便可靠地将多个磁阻元件的被钉扎层的磁化固定于相同方向的结构。
发明内容
本发明提供了一种磁传感器，其包括多个磁阻元件和多个发热元件，多个磁阻元件形成在衬底上叠置的层的上表面上，多个发热元件适于在通电时产生热量，并且该磁传感器根据所述多个磁阻元件的电阻值而产生对应于作用在所述磁阻元件上的外部磁场的输出值，其中所述多个发热元件以这样一种方式安排和配置，即当所述多个发热元件中每一个发热元件产生的热量近似等于其余发热元件中任意一个产生的热量时，所述多个磁阻元件的温度将变得彼此大致相等，并且其上形成有所述多个磁阻元件的所述层的上表面的温度将变得不均匀(不一致)。所述磁阻元件例如是MR元件、GMR元件以及TMR元件。
由于采用上述安排和配置，所以包括所述衬底在内的整个磁传感器不会被加热到同一温度；而所述多个磁阻元件将可加热到大致相同的温度(一个与衬底温度有差异的温度)。这样，可以缩短加热/冷却磁阻元件所需要的时间，因此可以在相同地磁作用在磁阻元件上的时间段内测得磁阻元件的温度相关特性。
在这种情形下，所述多个磁阻元件可以配置形成多个岛状元件组，每一个元件组都包含有磁场检测方向相同并且在所述层的上表面上彼此邻近安排的多个磁阻元件；而且如此形成所述发热元件，即在每个元件组的上方或下方设置一个发热元件。在这种情形下，因为加热元件能主要地加热磁阻元件，所以可以进一步缩短加热/冷却磁阻元件所需要的时间。
优选地，每个所述发热元件采取线圈形式(加热线圈)，该线圈能够给在所述发热元件的上方或下方形成的所述磁阻元件施加一个在与所述磁阻元件的磁场检测方向近似相同或近似垂直的方向上的磁场。在这种情形下，磁场方向与所述磁阻元件的磁场检测方向近似相同的磁场可以用作测试磁场，用于测定磁传感器是否在正常地检测磁场；而磁场方向与所述磁阻元件的磁场检测方向近似垂直的磁场例如可以用作对所述磁阻元件的自由层进行初始化的磁场。
由于采用此优选结构，因为所述发热元件(加热线圈)还可以用作产生与所述磁阻元件的磁场检测方向近似相同或近似垂直的磁场的线圈(测试线圈或初始化线圈)，所以缩短了制造工艺并减少了制造工艺中使用的掩模数目，从而可以最小化磁传感器的成本。而且，当这种线圈通电时，可以同时进行对磁传感器的温度相关特性的测量、对磁传感器的部分或全部的测试、对磁传感器的部分或全部的初始化；因此，可以缩短制造(测试)周期，从而减少制造成本。
本发明还提供了一种磁传感器，其包括多个磁阻元件和单个发热元件，所述多个磁阻元件形成在衬底上叠置的层的上表面上，所述发热元件用于在通电时产生热量，并且该磁传感器根据所述多个磁阻元件的电阻值而产生对应于作用在所述磁阻元件上的外部磁场的输出值，其中所述发热元件以这样一种方式安排和配置，即所述多个磁阻元件的温度变得彼此大致相等，而其上形成有所述多个磁阻元件的所述层的上表面的温度变得不均匀。
也由于采用了这种可供选择的配置，包括所述衬底在内的整个磁传感器不会被加热到同一温度；而所述多个磁阻元件将可加热到大致相同的温度(一个与衬底温度有差异的温度)。这样，可以缩短加热/冷却磁阻元件所需要的时间，因此可以在相同地磁作用在磁阻元件上的时间段内测得磁阻元件的温度相关特性。
在这种情形下，所述发热元件和所述多个磁阻元件以这样一种方式配置，即使得由所述发热元件扩散给所述多个磁阻元件中任意一个的热量约等于由所述发热元件扩散给其余磁阻元件之一的热量。
所述发热元件和所述多个磁阻元件能够以这样一种方式配置，即使得所述发热元件和所述多个磁阻元件中任意一个之间的相对位置关系大致等于该发热元件和其余磁阻元件之一的相对位置关系。
优选地，所述多个磁阻元件分离地安排在所述衬底上叠置的层的上表面上彼此间隔分开的四个岛中，并且以这样一种方式形成，即当在与所述层的上表面平行的面中绕一个四边形形心将所述多个磁阻元件进行90°旋转时，则任意一个岛将会与90°角运动(angular movement)之前被在角运动方向上与该任意岛邻近的另一个岛所占据的位置基本上相重合，所述四边形由相互连接邻近岛的近似中心的四条直线定义。
而且，具有任何上述特征的磁传感器可进一步包括温度检测部分，当所述多个磁阻元件的温度变得彼此大致相等，而其上形成有所述多个磁阻元件的所述层的上表面的温度变得不均匀时，该温度检测部分输出与所述多个磁阻元件中至少一个的温度具有恒定关系的温度，作为检测温度。
如上所述，由于发热元件产生热辐射，磁阻元件被加热到大致相同的温度。因此，在温度检测部分与所述多个磁阻元件中至少一个关于温度具有恒定关系情形下，温度检测部分可以检测基本上所有的具有相同配置的磁阻元件的温度。因此，根据上述配置，不需要增加温度检测部分的数目，因此可以降低磁传感器的成本。
而且，在包含有上述温度检测部分的磁传感器中，优选地，所述多个磁阻元件以这样一种方式互连，即在所述磁阻元件中，磁场检测方向相同的元件构成一个桥电路，以便生成对应于所述外部磁场的输出值；并且所述磁传感器还包括存储器和温度相关特性写入装置，温度相关特性写入装置用于将一个值写入到所述存储器中，所述值是根据“基于温度检测部分输出的检测温度而确定的表示所述磁阻元件第一温度的数据，以及在第一温度所述磁传感器输出的第一输出值”和“与所述第一温度不同并且是基于温度检测部分输出的检测温度而确定的表示所述磁阻元件第二温度的数据，以及在第二温度下所述磁传感器输出的第二输出值”而确定，上述写入到所述存储器中的值对应于第一和第二输出值之间差值与第一和第二温度之间差值的比值。
其中由多个磁阻元件构成桥电路(bridge circuit)(全桥电路，full-bridgecircuit)的磁传感器的温度相关特性是这样的，即磁传感器的输出与磁阻元件温度变化成比例地改变。因此，假如将相应于上述“比值”(即，相对于磁阻元件的温度变化的磁传感器的输出值变化)的值提前存储到存储器中，则在将磁传感器安装到电子设备之后，电子设备可以通过从磁传感器读取“比值”而获得磁传感器的温度相关特性数据，其中该值可以是比值本身，也可以是比值的倒数等等。因此，可以利用该数据对磁传感器的温度相关特性进行补偿。
换言之，每个磁传感器的关于温度相关特性的数据都可以通过将对应于上述“比值”的值存储到磁传感器的存储器中的简单操作而保存在磁传感器中。因此，能够使其中存储有磁传感器的温度相关特性数据的存储器的容量最小化，从而降低磁传感器的成本。
本发明还提供了一种对磁传感器的温度相关特性进行补偿的方法，所述磁传感器包括磁阻元件，磁阻元件的电阻随着外部磁场而变化；第一存储器；温度检测部分，其用于将与所述磁阻元件的温度具有恒定关系的温度输出作为检测温度；以及发热元件，其用于通电时发热；并且所述磁传感器基于所述磁阻元件的电阻值产生对应于外部磁场的输出值；所述磁传感器适于结合到电子设备中，所述电子设备包括永磁体元件、外壳以及第二存储器，其中所述外壳将所述磁传感器、所述永磁体元件以及第二存储器容纳在内；所述方法包括如下步骤在将所述磁传感器放置到所述外壳中之前，根据由所述温度检测部分输出的检测温度得到所述磁阻元件的第一温度，并且得到由所述磁传感器在第一温度输出的第一输出值；在将所述磁传感器放置到所述外壳中之前，根据所述发热元件的通电状态改变之后由所述温度检测部分输出的检测温度来得到所述磁阻元件的第二温度，并且得到由所述磁传感器在第二温度下输出的第二输出值；将与所述第一输出值、第二输出值之差和所述第一温度、第二温度之差的比值相对应的值存储到所述第一存储器中；在将所述磁传感器连同所述永磁体元件一起放置到所述外壳中之后，将作为基准数据的所述磁传感器的输出值的偏移值(offset)以及由所述温度检测部分输出的检测温度存储到所述第二存储器中；并且此后，根据存储在所述第一存储器中的与比值对应的值、存储在所述第二存储器中的基准数据、以及由所述温度检测部分输出的检测温度，对所述磁传感器的输出值进行校正。
通过这种方法，在还没有将磁传感器安装到电子设备中的时候，与上述“比值”相对应的值的获得所需要的数据作为表示磁传感器温度相关特性的数据，被获得并且/或者被存储到第一存储器中。然后，在将所述磁传感器连同所述永磁体元件以及所述第二存储器一起容纳放置到所述外壳中之后，所述磁传感器输出值的偏移值以及在获得所述偏移值时所述温度检测部分检测到的温度被存储到所述第二存储器中。随后，根据温度检测部分实际检测的温度和第二存储器中存储的温度之间的差值、对应于“比值”且存储在第一存储器中的值、以及第二存储器中存储的偏移值，来校正磁传感器的输出值。
将利用具体实施例来说明该方法。将温度检测部分实际检测的温度和第二存储器中存储的温度之差乘以第一存储器中存储的“比值”，从而得到由磁传感器温度的改变而导致的偏移值的改变量。随后，将第二存储器中存储的偏移值和所述偏移值改变量相加，从而得到温度改变后的偏移值；并且将所述磁传感器的实际输出值与温度改变后的偏移值的差值作为与被测外部磁场对应的值。
因此，根据本发明的温度相关特性补偿方法，在磁传感器还没有安装到电子设备中的时候测量取决于上述“比值”的值，并且将该值存储到第一存储器中。因此，磁传感器自身可以支配表示所述磁传感器温度相关特性的数据。而且，因为在将磁传感器连同永磁体元件一起安装到电子设备的外壳中之后，偏移值以及由温度检测部分输出的检测温度都存储在第二存储器中，所以在得到偏移值时就不再需要将磁传感器自身的偏移值以及温度检测部分输出的检测温度存储到第一存储器中去。因此，可以使第一存储器的存储容量最小化，从而降低了磁传感器的成本。而且，由于在将磁传感器安装到所述外壳中之后，可以同时获得磁传感器的两种类型的偏移值即源于磁阻元件个体差异(阻值的差异)的磁传感器自身的偏移值(reference shift基准偏移)和可归因于永磁体元件漏磁场的偏移值(reference shift基准偏移)，所以不需要对偏移值进行两次获取。所以，根据本发明，可以用一种简单方法对所述磁传感器的温度相关特性进行补偿。
本发明还提供了一种磁传感器，其包括单个衬底、多个磁阻元件、使所述多个磁阻元件相互连接的布线部分，以及控制电路部分，所述控制电路部分用于经由所述布线部分获取根据所述多个磁阻元件的电阻值而确定的物理量并且对该物理量进行处理从而产生向外输出的输出信号，其中所述磁传感器还包括多个叠置在所述衬底上的层；所述磁阻元件形成在所述多个层中的一个层的上表面；所述布线部分和所述控制电路部分形成在所述衬底以及所述多个层中；并且所述磁阻元件、所述布线部分以及所述控制电路部分都通过连接部分而在所述多个层中相互连接，所述连接部分由导电物质构成并且沿着与所述层的层表面相交的方向延伸。
由于此构造，所述磁阻元件、所述布线部分以及所述控制电路部分都通过连接部分在所述多个层中不相交地相互连接，所述连接部分由导电物质构成并且沿着与所述层的层表面相交的方向延伸。因此，提供了一种单片型磁传感器，其可以不使用连接线而生成磁传感器的输出信号，与通常的磁传感器不同，在通常的磁传感器中芯片分为承载磁阻元件的芯片和承载控制电路部分等的芯片等等，且使用连接线连接这些芯片。
而且，本发明提供了一种磁传感器，其包括衬底、设置于所述衬底上面部分的多个磁阻元件、设置于所述衬底上面部分并且使所述多个磁阻元件相互连接的布线部分，以及控制电路部分，所述控制电路部分用于经由所述布线部分获取根据所述多个磁阻元件的电阻值而确定的物理量，并且对该物理量进行处理从而产生向外输出的输出信号，其中所述多个磁阻元件在平面图中看是设置于所述衬底的周围部分；所述布线部分如此设置，即，使得在平面图中看基本上形成了一个封闭曲线；并且所述控制电路部分在平面图中看基本上设置于所述封闭曲线的内侧。
由于采用此配置，所述控制电路部分，其用于例如根据磁阻元件的电阻改变进行输出信号的产生或者获得磁阻元件的温度特性的数据，可以被设置在如平面图所示的衬底中心部分处的紧凑空间内。因此，缩短了所述控制电路部分的布线长度，且因此外部噪声几乎不会迭加在所述布线上。结果，本发明提供了一种磁传感器，其几乎不受外部噪声影响并且可靠性很高。
而且，本发明提供了一种磁传感器，其包括单个衬底和多个元件组，每一个元件组都包括被钉扎层(pinned layer)磁化方向相同的一对磁阻元件，其中所述多个元件组的每组都是以这样一种方式设置于所述衬底的上面部分，即，使得所述每一元件组被钉扎层的磁化方向基本上都平行于距所述衬底的形心(中心)的距离增大的方向，并且使所述磁阻元件对在该方向上彼此邻近设置。
当被钉扎层的磁化方向被固定时，必须连续施加具有稳定方向与幅度的磁场于磁阻元件。此时，在同一磁力线上的相邻两点处，磁场在大约相同的方向呈现出大约相同的幅度。而且，在磁传感器中，在很多情况下，为了改善磁传感器的温度特性等，需要提供多个元件组，每一元件组都包括一对被钉扎层磁化方向相同(即相同的磁场检测方向)的磁阻元件，并且桥连接这些磁阻元件。
因此，在以上述方式配置的磁传感器的情况中，所述方式中多个元件组中的每一组都是设置于所述衬底的上部部分处，使得上述被钉扎层磁化方向基本上平行于与所述衬底的形心(中心)的距离增大的方向(在平面图中看)，且使得磁阻元件对在该方向上彼此邻近设置，当从所述衬底形心(中心)指向其周边部分的磁场作用到所述磁传感器上时，借助于具有相同幅度和相同方向的磁场，可以固定磁阻元件的被钉扎层的磁化。结果，可以简便且可靠地在同一方向上对磁阻元件的被钉扎层进行磁化。
图1是根据本发明第一实施例的磁传感器的平面示意图；图2是图1磁传感器的一部分的平面示意图，显示了磁传感器的电布线情形；图3是图1磁传感器的一部分的剖面示意图，剖切是沿着与构成磁传感器的各层层表面相垂直的一个预定平面进行的；图4是示出相对于外部磁场的图1的GMR元件电阻值的变化的曲线图；图5是根据第一实施例改型的磁传感器的平面示意图；图6是图1的磁传感器的局部放大平面图；图7是图1的磁传感器的X轴磁传感器的等效电路图；图8是示出构成图1的磁传感器的X轴磁传感器的输出电压(输出信号)相对于外部磁场而变化的曲线图；图9是其上安装有图1的磁传感器的蜂窝电话的前视图；图10是示出构成图1的磁传感器的X轴磁传感器的温度相关特性的曲线图；图11是示出构成图1的磁传感器一部分的Y轴磁传感器的温度相关特性的曲线图；图12是图1的磁传感器的平面示意图，显示了磁传感器的加热线圈通电时的等温线。
图13是说明图1磁传感器的加热线圈通电后经过的时间和GMR元件的温度变化之间关系的曲线图；图14是根据本发明第二实施例的磁传感器的平面示意图；图15是沿着图14中1-1线剖切得到的磁传感器的一部分的剖面示意图；图16是图14磁传感器的平面示意图，显示了磁传感器的加热线圈通电时的等温线；图17是根据本发明第二实施例改型的磁传感器的平面示意图，显示了磁传感器的加热线圈通电时的等温线；以及图18是根据本发明磁传感器的另一改型的剖面示意图。
具体实施例方式
(第一实施例)现在将结合附图描述根据本发明的磁传感器的实施例。图1是根据第一实施例的磁传感器10的平面示意图；图2是磁传感器10的一部分的平面示意图，显示了磁传感器10的电布线(electrical wiring)情形；而图3是图1和图2所示磁传感器的一部分的剖面示意图，剖切是沿着与构成磁传感器10的各层层表面相垂直的一个预定平面进行的。
磁传感器10包括衬底10a，其由Si3N4/Si、SiO2/Si或石英玻璃构成，并且其形状大致为其侧边沿着相互垂直的X轴和Y轴延伸的方形(或矩形)，并且在与X轴和Y轴垂直的Z轴方向上具有很小的厚度；层INS1和S1-S3叠置在衬底10a上，并且在平面图中看时形状与衬底10a相同；总共八个GMR元件11-18形成在层S3(的上表面)上作为磁阻元件；以及作为最上一层表面而形成的钝化层PL。
如图1所示，磁传感器10具有桥接布线部分(连接线部分)19，其分别桥互连(bridge-interconnecting)GMR元件11-14和GMR元件15-18，从而构成两个全桥电路(full-bridge circuit)；加热线圈21-24，用作加热GMR元件11-18的加热元件；控制电路部分(LSI)31；温度检测部分32；检测线圈33a-33d；以及焊盘34a-34h，其用于经由焊接在焊盘上表面的Au线而连接磁传感器10和外部设备。
GMR元件11称为第一X轴GMR元件11，并且如图1所示，在衬底10a上形成于衬底10a左侧的大致中心位置附近，沿Y轴方向延伸。GMR元件12称为第二X轴GMR元件12，并且设置在衬底10a左侧的大致中心位置附近，设置方式是使第二X轴GMR元件12与第一X轴GMR元件11位置邻近(相邻)，位于在X轴正方向上与第一X轴GMR元件11间隔开一段很小的距离的位置处。
GMR元件13称为第三X轴GMR元件13，并且在衬底10a上形成于衬底10a右侧的大致中心位置附近，沿Y轴方向延伸。GMR元件14称为第四X轴GMR元件14，并且设置在衬底10a右侧的大致中心位置附近，设置方式是使第四X轴GMR元件14与第三X轴GMR元件13位置邻近(相邻)，位于在X轴负方向上与第三X轴GMR元件13间隔开一段很小的距离的位置处。
GMR元件15称为第一Y轴GMR元件15，并且在衬底10a上形成于衬底10a上侧的大致中心位置附近，沿X轴方向延伸。GMR元件16称为第二Y轴GMR元件16，并且设置在衬底10a上侧的大致中心位置附近，设置方式是使第二Y轴GMR元件16与第一Y轴GMR元件15位置邻近(相邻)，位于在Y轴负方向上与第一Y轴GMR元件15间隔开一段很小的距离的位置处。
GMR元件17称为第三Y轴GMR元件17，并且在衬底10a上形成于衬底10a下侧的大致中心位置附近，沿X轴方向延伸。GMR元件18称为第四Y轴GMR元件18，并且设置在衬底10a下侧的大致中心位置附近，设置方式是使第四Y轴GMR元件18与第三Y轴GMR元件17位置相近(邻近)，位于在Y轴正方向上与第三Y轴GMR元件17间隔开一段很小的距离的位置处。
构成每个GMR元件11-18的自旋阀层(spin valve layer)包括自由层、电隔离层、钉住层(pin layer，又称固定磁化层(fixed magnetization layer))、以及盖层(capping layer)，这些层一层在另一层之上地叠置(形成)在衬底10a上的层S3的上表面上。自由层的磁化方向随外部磁场的改变而自由地改变。钉住层(pin layer)包括钉扎层(pinning layer)和被钉扎层(pinned layer)；被钉扎层的磁化方向由钉扎层固定，且除了特例情形之外其不随外部磁场而改变。
因此每个GMR元件11-18都具有一个电阻值，其对应于被钉扎层磁化方向和自由层磁化方向之间的角度。即，每个GMR元件11-18，如图4曲线图中实线所示，都具有这样一种阻值，在-Hc至+Hc范围内，即该阻值近似与在被钉扎层磁化方向上变化的外部磁场呈正比例地变化；并且，如虚线所示，对与在垂直于被钉扎层磁化方向的方向上变化的外部磁场，呈现为近似恒定的阻值。换言之，每个GMR元件11-18为其被钉扎层磁化方向与磁场检测方向相同。
GMR元件11和12中每个的被钉扎层磁化方向是负X方向。即，第一与第二X轴GMR元件11与12构成了一个元件组Gr1，其中对在同一方向上(本例是X方向)的磁场幅度进行检测的的多个磁阻元件，即具有相同磁场检测方向，在叠置在衬底10a上的层S3上以岛的形式彼此邻近设置。
GMR元件13和14的被钉扎层磁化方向都是正X方向。即，第三与第四X轴GMR元件13与14构成了另一个元件组Gr2，其中对同一方向上(这里指在X方向上)的磁场幅度进行检测的多个磁阻元件，在叠置在衬底10a上的层S3上以岛的形式彼此邻近设置。
GMR元件15和16的被钉扎层磁化方向都是正Y方向。即，第一与第二Y轴GMR元件15与16构成了另一个元件组Gr3，其中对同一方向上(这里指在Y方向上)的磁场幅度进行检测的多个磁阻元件，在叠置在衬底10a上的层S3上以岛的形式彼此邻近设置。
GMR元件17和18的被钉扎层磁化方向都是负Y方向。即，第三与第四Y轴GMR元件17与18构成了另一个元件组Gr4，其中对同一方向上(这里指在Y方向上)的磁场幅度进行检测的多个磁阻元件，在叠置在衬底10a上的层S3上以岛的形式彼此邻近设置，。
因此，GMR元件11-18构成了四个元件组(岛)Gr1-Gr4，其中每一元件组中两个邻近的磁阻元件的磁场检测方向都是相同的。这些元件组Gr1-Gr4都布置在方形各边(在平面图中观察为方形桥接布线部分19的边)的大致中间位置的外侧，所述方形在平面中观察具有沿X和Y方向的边，并且这些元件组Gr1-Gr4以这样一种方式形成，即绕该方形形心(方形的中心点，即方形的对角线交点)将任意元件组进行90°角运动，则该任意元件组与在该90°角运动(angular movement)之前与已被另一个与之邻近的元件组占据的位置基本对准。换言之，多个GMR元件11-18被设置在衬底10a上叠置的层S3上的四个分离的岛中，并且形成这样一种布局结构，即在与层S3上表面平行的平面中绕四边形形心GP多个磁阻元件11-18进行90°角运动，所述四边形由相互连接成对邻近岛的近似中心的四条直线构成，则任意一个岛基本上将会与90°角运动之前已被在角运动方向上的另一个邻近的岛占据的位置对准。也就是说，不仅得到四条直线(线段)，即连接元件组Gr2和Gr3近似中心部分的直线、连接元件组Gr3和Gr1近似中心部分的直线、连接元件组Gr1和Gr4近似中心部分的直线、以及连接元件组Gr4和Gr2近似中心部分的直线，而且，当绕由这些线段构成的四边形的形心将元件组进行90°角运动时，每一元件组都将与角运动之前就已被另一个与之邻近的元件组所占据的位置相重合；即，元件组Gr2将与元件组Gr3先前的位置对齐，元件组Gr3将与元件组Gr1先前的位置对齐，等等。
在图1-3所示的实施例中，组成单个岛(单个的元件组)的两个GMR元件在从衬底10a中心处(形心，其与上述的形心GP对齐)到衬底10a一边(周边)的方向上彼此邻近设置。也就是说，这些元件组Gr1-Gr4各自都包含一对磁场检测方向相同的磁阻元件，所述元件组Gr1-Gr4中的每一组都设置在衬底10a的上部部分，设置方式是，磁阻元件的被钉扎层磁化方向基本上平行于如平面图所示的离衬底10a形心的距离越来越大的方向，并且上述磁阻元件对在同一方向上彼此邻近设置。另选地，如图5所示，可以将一对磁阻元件在沿着衬底10a一个侧边的方向彼此邻近设置。但是，因为GMR元件根据前一种设置方式与根据后一种设置方式相比更加接近于衬底10a各边的中心，元件特性能容易地变得均匀一致。而且，前一种情形中，在相同方向上具有相同的磁场幅度的磁场与后一种情形相比可以更容易地施加于一对磁阻元件。
如图6所例证，图6是GMR元件11、12附近区域的平面放大图，GMR11-14分别连接到桥接布线部分19的各条线，借此通过桥接布线部分19的媒介构成了(全桥连接的)桥电路，如图7的等效电路图所示，因此构成了磁场检测方向是X方向的X轴磁传感器。在图7中，在每个GMR元件11-14中标示的箭头表示各个GMR元件11-14的被钉扎层的磁化方向。
更具体地说，X轴磁传感器是这样一种传感器，即当在节点Va和节点Vb之间施加一个恒定的电位差(potential difference)时，则可以得到节点Vc和节点Vd之间的电位差(Vc-Vd)作为传感器输出值Vxout，其中节点Va在第一与第四X轴GMR元件11与14之间，节点Vb在第三与第二X轴GMR元件13与12之间，节点Vc在第一与第三X轴GMR元件11与13之间，节点Vd在第二与第四X轴GMR元件12与14之间。结果，X轴磁传感器的输出电压(以电压表示的物理量)与在-Hc至+Hc区段内的幅度沿X轴改变的外部磁场的幅度近似成比例地改变，如图8中实线所示；而对于幅度沿Y轴变化的外部磁场则保持近似为“0”的恒定值。
与GMR元件11-14情形相同，GMR元件15-18连接到桥接布线部分19的各条线上而构成(全桥连接的)桥电路，因此构成了磁场检测方向是Y轴方向的Y轴磁传感器。也就是说，Y轴磁传感器呈现的输出电压(以电压表示的物理量)Vyout与在-Hc至+Hc区段内的幅度沿Y轴改变的外部磁场的幅度近似成比例地变化；而对于幅度沿X轴变化的外部磁场则表现出近似为“0”的输出电压。
如图1所示，桥接布线部分19形成在近似方形区域的周围并且位于GMR元件11-18的内侧，如平面图所示，由此构成了基本上闭合的曲线(包含直线部分)，所述方形具有沿X轴和Y轴的边。后面将详细说明，桥接布线部分19形成在GMR元件11-18之下的层S3中。
如图1和3所示，加热线圈21-24嵌置在作为布线层的层S3中，直接位于元件组Gr1-Gr4的下方(在负Z轴方向上)。加热线圈21-24的外形以及相对于相应元件组Gr1-Gr4的位置关系彼此大致相同。因此，在后面说明中，只对加热线圈21进行详细描述。
加热线圈21是由例如铝薄膜构成的发热元件。当通电时，加热线圈21产生热量，从而加热第一与第二GMR元件11与12(元件组Gr1)。加热线圈21形成在层S3中且面对着磁阻元件11与12的下表面，由此设置在元件组Gr1的正下方。也就是说，如从图3所理解的，加热线圈21嵌置并形成在绝缘层INS1和层S1-S3之中的层S3中，绝缘层INS1和层S1-S3一层在另一层之上地叠置在衬底10a上，GMR元件11-18都形成在层S3(用作布线层的层S1-S3中的最上面的层S3)上。在本说明书中，用作布线层的层是指线、线之间的层间绝缘层、以及在线之间构成连接的接触孔(contact hole)(包含过孔(via-hole))。
而且，如图6所示，加热线圈21是所谓的双螺旋线圈，在平面图中看，其形状近似为矩形，而且其包括一对线圈导体(coiled conductor)(即，具有线圈中心P1的第一导体21-1和具有线圈中心P2的第二导体21-2)；该矩形的Y方向长度约为磁阻元件11(12)纵向长度的两倍，而该矩形的X方向长度约为磁阻元件11(12)横向(与纵向相垂直的方向)长度的五倍。
此外，第一与第二X轴GMR元件11与12设置在这两个线圈中心P1和P2之间，如平面图所示。而且，如平面图所示，第一、第二导体21-1、21-2的迭盖第一、第二X轴GMR元件11、12的部分(即直接在第一、第二X轴GMR元件下延展的部分)彼此平行地沿着X方向直线地延伸。各个导体的这些直线部分适于传送同一流向的电流，且因此产生一个Y轴方向的磁场。也就是说，加热线圈21适于产生磁场，其方向与第一与第二X轴GMR元件11与12的纵向方向一致，并且在没有施加任何外部磁场的情形下其方向在自由层磁化的设计方向(与被钉扎层ed的固定磁化方向垂直的方向)上。
如上所述，根据第一实施例的磁传感器10包含GMR元件(每个都包含有自由层和钉住层的磁阻元件)，并且具有加热线圈21-24，加热线圈21-24设置在自由层之下(且与之邻近)且适于在没有施加任何外部磁场的情形下来稳定(初始化)自由层磁化方向，并且当在预定条件下(例如，在启动磁检测之前)对加热线圈21-24通电时，在自由层产生一个具有预定方向(垂直于被钉扎层的磁化方向)的磁场(初始化磁场)。而且，以这样一种形式配置加热线圈24，即当在预定条件下以预定模式通电时，各个加热线圈21-24都对直接位于其上的GMR元件(GMR元件组)进行加热。
如图1所示，控制电路部分31形成在一个近似方形中，该方形的各边都沿X轴、Y轴方向，如平面图所示位于桥接布线部分19的内侧(如平面图所示位于布线部分19轮廓形成的基本上为闭合曲线的内侧或者位于衬底10a的中心部分)。如图3所示，控制电路部分31形成在GMR元件11-18之下的层INS1、S1-S3中。控制电路部分31采用LSI(大规模集成电路)形式，其包含有模数转换器(ADC)、能够写一次数据并可多次读取数据的WORM(write once，read many写一次，可读多次)存储器(为了简便起见，在下文中也称作“第一存储器”)、以及模拟电路部分。控制电路部分31提供多种功能，例如通过获得X轴磁传感器和Y轴磁传感器的输出值(根据电阻值以电压形式检测得到的物理量)并且进行诸如输出值的模数转换之类的数据处理，而产生输出信号；对加热线圈21-24通电；由温度检测部分32获取检测温度输出；获取温度补偿数据；以及将数据存储(写)到第一存储器中。
因为控制电路部分31设置在衬底10a的中心区域，所以控制电路部分31的线长度可以缩短。因此，减小了该电路的电阻和该电路的尺寸大小，因此该电路几乎不会受到噪声的干扰影响，而且电路的电阻偏差(各个产品之间的偏差)也减小了。
可以使用熔断型(fuse-break-type)24位存储器作为WORM存储器。另选地，也可以使用诸如EEPROM或闪速存储器(flash memory)之类的存储器(非易失性存储器)，从而可以将数据写入其中并且即使关断电源也会一直将数据保持在其中。
温度检测部分32采用传统的带隙基准电路(bandgap reference circuit)，其基于内置晶体管的温度特性而检测温度；并且形成在如平面图所示的桥接布线部分19内侧的控制电路部分31的一个角部。温度检测部分32设置在布线层S1中，与邻近GMR元件11-16的程度相比其位置更加邻近于GMR元件17和18(元件组Gr4)，并且其适于输出温度(检测温度)，所述温度与GMR元件18(元件组Gr4)的温度具有恒定相关关系。如下文将要说明的那样，因为磁阻元件11-18被加热至相同温度，所以仅通过检测磁阻元件18的温度就可以确定其它磁阻元件11-17的温度。
假设温度检测部分32如此地设置在桥接布线部分19内侧邻近元件组Gr4的位置处，则温度检测部分32可以精确地检测出磁阻元件18的温度。而且，因为温度检测部分32与控制电路部分31相连而没有横越桥接布线部分19，所以可以缩短温度检测部分32和控制电路部分31之间的线长度。
检测线圈33a-33d形成在布线层S1中并且它们直接设置在各个元件组Gr1-Gr4的正下方；图3示例性地显示了检测线圈33a。当通电时，每个检测线圈33a-33d分别将各个磁阻元件的磁场检测方向上的磁场(在被钉扎层磁化方向上的磁场)施加给直接设置于其上的一个磁阻元件。
现在将对磁传感器10的层结构进行描述。如图3所示，衬底10a的上部可以被分为元件隔离区10a1、和用作元件激活区(activation region)的剩余区10a2。通过LOCOS或STI技术在衬底10a的上表面上形成作为场绝缘层(field insulating layer)ins的元件隔离区10a1。LOCOS技术是公知技术，是借助于热氧化层使各种各样的元件彼此隔离并绝缘的技术。STI技术是公知技术，也称做浅沟槽元件隔离并适于通过在浅沟槽中嵌入氧化层而使各种各样的元件彼此隔离。
在衬底10a正上方且在绝缘层ins的上表面形成绝缘层INS1。在绝缘层INS1的元件激活区10a2中，形成各种电路元件诸如晶体管Tr。在绝缘层INS1的元件隔离区10a1中，形成各种元件诸如电阻器R、熔断器(fuse)和电容器。而且，在绝缘层INS1中，形成有多个接触孔C1(连接部分、垂直连接部分)，用于将诸如晶体管Tr之类的电路元件和设置在绝缘层INS1之上的层S1中形成的线等进行电连接，所述多个接触孔C1均垂直于层S1-S3的表面(因此横穿了层S1-S3的表面)。在接触孔C1中填充导电物质。
在绝缘层INS1之上形成层S1，用作布线层。层S1包含以导电层形式存在的线W1、检测线圈33a-33d、层间绝缘层IL1、以及温度检测部分32。在层间绝缘层IL1中，形成多个过孔V1(连接部分、垂直连接部分)，用于与在上层S2中形成的线等进行电连接，所述多个过孔V1均垂直于层S1-S3的表面(因此横穿了层S1-S3的表面)。过孔V1用导电物质填充。
同样，在层S1之上形成层S2，用作布线层。层S2包含以导电层形式存在的线W2、以及层间绝缘层IL2。在层间绝缘层IL2中，形成多个过孔V2(连接部分、垂直连接部分)，用于与在上层S3中形成的线等进行电连接，所述多个过孔V2均垂直于层S1-S3的表面(因此横穿了层S1-S3的表面)。在过孔V2中填充导电物质。
仍然同样地，在层S2之上形成层S3，用作布线层。层S3包含以导电层形式存在的线W3、桥接布线部分19、加热线圈21(22-24)、以及层间绝缘层IL3。在层间绝缘层IL3中，形成多个过孔V3(连接部分、垂直连接部分)，用于与在层S3的上层中形成的GMR元件11-18等进行电连接，所述多个过孔V3均垂直于层S1-S3的表面(因此横穿了层S1-S3的表面)。在过孔V3中填充导电物质。层间绝缘层IL3可以是包含氮化物膜且与后面将要说明的钝化层PL不同的钝化层。为了将GMR元件11-18的特性保持在一个很好的水平上，层间绝缘层IL3的上表面优选是光滑的。而且，接触孔C1和过孔V1-V3是将GMR元件11-18、用作布线部分的桥接布线部分19、控制电路部分31等等之间实现相互连接的导电物质构成的连接部分，并且在多个层INS1、S1-S3中在横穿各层表面的方向延伸。
焊盘区PD是GMR元件11-18形成于其中的部分、桥接布线部分19、和控制电路部分31之外的区；并且设置于平面图所示的磁传感器10的角部(参见图1)。焊盘区PD的上表面构成了上述焊盘34a-34h。焊盘34a-34h可以仅仅形成在最上层S3上；但是在这样一种情形下，当键合Au线时焊盘34a-34h将承受冲击。所以，在本实施例中，如平面图所示近似方形的焊盘部分是贯穿多个层S1-S3而形成的。
形成钝化层PL从而覆盖层S3的上表面以及GMR元件11-18的上表面。在形成钝化层PL时，首先形成一个覆盖住所有这些元件的预期钝化层(prospective passivation layer)，而后将该层对应于焊盘34a-34h的层部分去除。因此焊盘34a-34h曝露在外，以便键合Au线。
将磁传感器10容纳并安装在蜂窝电话40中，蜂窝电话40是移动电子设备的一个示例且其正面显示在图9正面示意图中。蜂窝电话40包括外壳(壳体)41，外壳41具有近似矩形的外形，如正面正视图所示，所述矩形具有沿垂直相交的x轴和y轴方向的四边且其厚度方向为沿与x轴和y轴相垂直的z轴；天线42，其设置在外壳41的上侧的表面上；扬声器43，其设置于外壳41前侧的最上部分；液晶显示屏44，其设置于外壳41的前侧在扬声器43下方并且适于显示字符与图；操作部分(操作信号输入装置)45，其设置于外壳41前侧液晶显示屏44下方并且具有用于输入电话号码或其它指令信号的键；麦克风46，其设置于外壳41前侧的最下部分；以及微型计算机47，其配置成使其能够通过总线与磁传感器10、显示屏44等等进行通信，并且其包括RAM和备用存储器(它可以采用EEPROM形式，它是即使在主电源断电期间也保持数据的存储器，并且为了简便起见，称为“第二存储器”)。
天线42、扬声器43、液晶显示屏44、操作部分45、以及麦克风46的某些或全部包含有永磁体元件(漏磁场生成元件)。将磁传感器10以这样一种方式容纳并固定到外壳41中，即，使得磁传感器的X轴、Y轴与Z轴分别对准外壳的x轴、y轴与z轴。
现在将要描述如此配置的磁传感器10的温度相关特性的补偿方法。通常，磁阻元件诸如GMR元件具有温度相关特性，例如，由于元件的材料特性因此电阻随着温度增加而增大；这种温度相关特性对单个元件而言是各不相同的。因此，上述磁传感器10(每个X轴磁传感器和Y轴磁传感器)包括由四个GMR元件构成的全桥电路，也具有温度相关特性，因此磁传感器的输出随温度的变化而改变。构成磁传感器10的单个GMR元件的温度相关特性可区分为两种类型；即，一种类型是磁传感器10的输出随着GMR元件的温度增加而增大，而另一种类型是磁传感器10的输出随着GMR元件的温度增加而减小。
图10和11是分别描述上述示例性的磁传感器的温度相关特性的曲线图。在这里显示的例子中，X轴磁传感器具有负温度相关特性；而Y轴磁传感器具有正温度相关特性。在这些曲线坐标图中，实线表示当外部磁场(例如，在预定地点预定时间的地磁)的X分量和Y分量分别为HX0和HY0时各个磁传感器的输出值Vxout和Vyout；而单点划线表示当没有任何地磁影响情况下外部磁场(例如，蜂窝电话40的永磁体元件的漏磁场)分别为HX1和HY1时各个磁传感器的输出值Vxout和Vyout。
由图10和11可见，在同一磁场作用下磁传感器10的输出值Vxout和Vyout随GMR元件的温度近似成比例地改变。所以，在本实施例中，基于假设各个磁传感器的输出值Vxout和Vyout随GMR元件的温度成比例地改变来补偿温度相关特性。
首先，当响应例如从外部输入的指令信号而建立起获得用于补偿温度相关特性的数据的预定条件时，控制电路部分31获得由温度检测部分32输出的检测温度作为第一温度T1s，该温度对应于GMR元件18的当前温度T1。此时，由于整个磁传感器10具有均一温度(室温)，温度检测部分32输出的检测温度T1s等于GMR元件18的温度T1。同时地，控制电路部分31获得了X轴磁传感器的当前输出值X1(X轴磁传感器的第一输出值X1)和Y轴磁传感器的当前输出值Y1(Y轴磁传感器的第一输出值Y1)。然后，控制电路部分31为每个加热线圈21-24依次提供持续100ms的100mA电流。从而将元件组Gr1-Gr4加热到近似相同的温度。
图12是示出其上形成有元件组Gr1-Gr4的磁传感器表面上的等温线的图，等温线由曲线Lh1-Lh4和Lo1-Lo4表示。由相应曲线Lh1-Lh4表示的每条等温线上的点处的温度Temp都近似相等。由相应曲线Lo1-Lo4表示的每条等温线上的点处的温度都彼此相等但是低于上述温度Temp。因此，由于加热线圈21-24当其通电时主要加热相应的元件组Gr1-Gr4(直接设置于各个加热线圈正上方)，但却不能对整个磁传感器10(微芯片)实现均匀加热，所以其上形成有元件组Gr1-Gr4的层S3的上表面温度是不均的，并且层S3整个上表面的这种不规则的温度要低于元件组Gr1-Gr4的温度。
在这种情形下，控制电路部分31首先获得由温度检测部分32输出的当前检测温度作为温度T2s，而后根据温度检测部分32输出的温度和GMR元件18的温度之间的恒定关系来计算GMR元件18的第二温度T2，该关系表达公式为T2＝T1s+k·(T2s-T1s)(k是通过实验预先设定的常数)。另外，控制电路部分31获得X轴磁传感器的当前输出值(X轴磁传感器的第二输出值X2)和Y轴磁传感器的当前输出值Y2(Y轴磁传感器的第二输出值Y2)。
而且，控制电路部分31计算梯度Mx和My(每单位温度改变引起的输出变化量)作为补偿温度相关特性的基础数据，并且将梯度Mx和My写入到上述第一存储器中(这项功能对应于温度相关特性写入装置的功能)，梯度Mx和My由下列公式(1)和(2)确定。梯度Mx是X轴磁传感器的第一与第二输出值X1与X2之间差值和第一与第二温度T1与T2之间差值的“比值”；而梯度My是Y轴磁传感器的第一与第二输出值Y1与Y2之间差值和第一与第二温度T1与T2之间差值的“比值”。
Mx＝(X2-X1)/(T2-T1)...(1)My＝(Y2-Y1)/(T2-T1)...(2)通过上述步骤，在将磁传感器安装到蜂窝电话中之前，完成补偿温度相关特性的基础数据的采集。随后，磁传感器10保持原态，直到磁传感器10冷却到足够程度，于是制造过程进行到了下一步骤。图13是说明从加热线圈21-24通电加热以获取上述补偿温度相关特性的基础数据结束后经过的时间和GMR元件11-18温度变化之间关系的曲线图。
如果通过传统的加热/冷却装置使GMR元件11-18经受类似的温度改变，则整个磁传感器10被加热/冷却，而这将需要更长的加热时间。而且，终止加热之后，GMR元件11-18的温度下降速率较慢，因此GMR元件所需冷却时间有时达几分钟至20分钟。相反，在本实施例中，因为主要加热元件组Gr1-Gr4(GMR元件11-18)，所以加热GMR元件11-18所需时间可以缩短。而且，因为GMR元件11-18的温度在终止加热之后以增大了的速率(更高速率)下降，所以所需的冷却在大约几秒钟完成，如图13所示。因此，可以在很短时间内获得用于补偿温度相关特性的基础数据，并且在获得上述基础数据之后的很短时间内制造工艺就可进行至下一个步骤。
随后，在完成制造磁传感器10所必需的步骤后，将磁传感器10安装(容纳)入配备有诸如扬声器43之类永磁体元件的蜂窝电话40的外壳41中，并且用作地磁传感器。结果，来自永磁体元件的具有恒定方向的漏磁场连续施加给蜂窝电话40(不考虑蜂窝电话40的方向如何)的磁传感器10，且因此，磁传感器10的输出由于该漏磁场而产生一个偏移(偏离了无地磁情形下的零点)。而且，由于X轴磁传感器和Y轴磁传感器都采用全桥电路，所以任一磁传感器的输出还都包含这样一个偏移，即因构成磁传感器的磁阻元件的电阻值偏差(尽管，这些值设计为彼此相同)而引起的偏移。
此时，磁传感器10的X轴磁传感器的输出值相与构成X轴磁传感器的GMR元件11-14的温度T成比例变化，如图10中单点划线所示。在这个实施例中，图10中单点划直线的斜率(梯度)等于图10中实直线的斜率。同样，磁传感器10的Y轴磁传感器的输出值与构成Y轴磁传感器的GMR元件15-18的温度T而成比例变化，如图11中单点划线所示。同样在这个实施例中，单点划线直线的斜率等于图11的实直线的斜率。
当响应例如使用者对蜂窝电话40的操作部分45的操作而建立预定条件(偏移获得条件)时，则蜂窝电话40的微型计算机47获取由漏磁场和GMR元件11-18的电阻值偏差引致的磁传感器10(X轴磁传感器，Y轴磁传感器)的偏移数据(偏移值)。在一个更具体的例子中，微型计算机47在液晶显示屏44显示一条消息，该消息提示使用者首先将蜂窝电话40前侧朝上放置到桌面上(即，蜂窝电话40前侧呈现近似水平的姿态并使显示屏44垂直朝上)，而后按下操作部分45的偏移键直至该偏移键呈现为“ON”状态为止，所述偏移键是一个特定键。
当使用者进行上述操作时，微型计算机47获得X轴磁传感器与Y轴磁传感器的各自输出值作为X轴第一基准数据Sx1和Y轴第一基准数据Sy1，并且将这些数据存储/记忆到与微型计算机47相连的暂时存储器(例如RAM)中。
然后，微型计算机47在显示屏44上显示一条消息，提示使用者将蜂窝电话40上侧朝上在桌面上(即在水平平面中)转动180°并且再次按下偏移键。当使用者进行这一操作时，微型计算机47获得X轴磁传感器与Y轴磁传感器的各自输出值作为X轴第二基准数据Sx2和Y轴第二基准数据Sy2，并且将这些数据存储/记忆到暂时存储器中。
另外，微型计算机47将X轴第一基准数据Sx1和X轴第二基准数据Sx2的平均值存储/记忆到第二存储器，作为X轴偏移基准数据X0；将Y轴第一基准数据Sy1和Y轴第二基准数据Sy2的平均值存储/记忆到第二存储器，作为Y轴偏移基准数据Y0；并且将温度检测部分32的当前检测温度T0s存储/记忆到第二存储器，作为GMR元件温度T0。之所以将各个磁传感器在将蜂窝电话40转动180°之前和之后的输出之间的平均值记录作为偏移基准数据X0和Y0，是为了获得去除地磁影响的偏移值。因为当获取检测温度T0时磁传感器10温度均匀(室温)，所以检测温度T0s等于GMR元件温度T0。
之后，蜂窝电话40返回到正常工作模式进行使用，并且当必要时再通过磁传感器10测量地磁。此时，微型计算机47获得温度检测部分32的实际检测温度TCs作为GMR元件温度TC，从而根据下面的公式(3)和(4)分别估算X轴磁传感器的当前偏移Xoff和Y轴磁传感器的当前偏移Yoff。因为当获取检测温度TCs时磁传感器10温度均匀(室温)，所以检测温度TCs等于GMR元件温度TC。
Xoff＝Mx·(TC-T0)+X0...(3)Yoff＝My·(TC-T0)+Y0...(4)然后，微型计算机47获得X轴磁传感器的当前输出值XC和Y轴磁传感器的当前输出值YC，从而通过下列公式(5)和(6)分别计算X轴方向上的磁场幅度Sx和Y轴方向上的磁场幅度Sy。在以前述方式进行的对磁传感器10的温度相关特性的补偿完成之后，磁传感器10可用作地磁传感器。
Sx＝XC-Xoff...(5)Sy＝YC-Yoff...(6)如上所述，根据第一实施例的磁传感器10，因为加热线圈21-24主要加热直接形成在各个加热线圈21-24正上方的GMR元件11-18(即，包括衬底在内的磁传感器10的一部分加热达到的温度与加热达到同一温度的磁阻元件11-18的温度相比较低)，所以与用加热装置加热整个磁传感器10的情形相比，可以在很短时间内获得用于补偿温度相关特性的基础数据。因此，在获取用于补偿温度相关特性的基础数据的测量期间地磁非常不太可能改变；因此可以精确获取这种数据。因此，磁传感器10的温度相关特性能够精确补偿。而且，与磁传感器10用加热装置加热之后再冷却磁传感器的情形相比，由于可以在很短时间内冷却磁传感器10，所以制造磁传感器10所需的时间就可以缩短，并因此降低制造成本。
通常，在使用诸如GMR元件这些磁阻元件的磁传感器中，当强外部磁场作用在磁传感器上时，磁阻元件自由层的磁化方向可能就不会再回复到其初始状态。所以，磁传感器优选地以这样一种方式进行配置，即，将初始化线圈直接设置于磁阻元件正下方，并且当初始化线圈由于建立预定条件(例如，对操作部分45的特定键的操作)而通电时，初始化线圈产生一个使自由层磁化方向回复到其初始状态的磁场。
在这个实施例中，在磁传感器中，上述初始化线圈可以独立于上述加热线圈21-24而提供。例如，可以在形成加热线圈21-24的层(在本实施例中指层S3)之外的层(在本实施例中指层S1或层S2)中形成初始化线圈。如果初始化线圈和加热线圈这样彼此独立设置，则可以将各加热线圈设计成理想的形状(适合于加热的形状)。例如，加热线圈可以采用回转加热器(turnoverhearter)(发热元件)的形式，其一端设置在远离线圈中心的位置。而且，取代这种加热线圈，还可以使用片状加热器(发热元件)。
另选地，加热线圈21-24如上所述还可以用作初始化线圈。在这个实施例中，提供专用的初始化线圈是不必要的，因此降低了磁传感器10的制造成本。而且，当加热线圈21-24通电一次时，则可以同时执行元件11-18的加热和初始化来获取用于补偿温度特性的基础数据，因此简化了制造步骤并且降低了制造成本。
而且，如上所述，还可以将使用诸如GMR元件11-18的磁阻元件的磁传感器还可用作地磁传感器，其通过对磁阻元件的输出值进行算术处理而计算方向，所述磁阻元件的输出值随着外部磁场的幅度的改变而变化。在这个实施例中，在发货(shipping)等阶段，必须执行测试来检查磁阻元件在外部磁场中是否正确运行。
在这种测试中，必须将已知的外部磁场施加到磁阻元件。为了施加这种已知的外部磁场给磁阻元件，需要外部磁场生成设备。但是，这种设备非常昂贵。所以，另一种选择是，可以这样配置磁传感器，即，将测试线圈邻近(例如，直接位于其正下面)磁阻元件设置，并且当通电时，测试线圈施加用于测试的外部磁场给磁阻元件。
在这种情况下，在磁传感器10中，上述测试线圈可以独立于上述加热线圈21-24提供。例如，可以在形成加热线圈21-24的层(在本实施例中指层S3)之外的层中形成测试线圈(在本实施例中指层S1或层S2)。如果测试线圈和加热线圈这样彼此独立设置，则可以将各加热线圈设计成理想的形状(适合于加热的形状)。例如，加热线圈可以采用回转加热器(发热元件)的形式，其一端设置在远离线圈中心的位置。而且，取代加热线圈，还可以使用片状加热器(发热元件)。
另选地，可以将加热线圈21-24安装于平面图中所看到的角运动90°的位置处，从而加热线圈21-24还可以用作上述测试线圈。在这种情况下，专用于测试的线圈变得不必要，因此降低了磁传感器10的制造成本。
而且，在上述磁传感器10中，每个加热线圈21(22-24)都包含平面图中所看到的形成螺旋的第一线21-1和平面图中所看到的形成螺旋的第二线21-2；元件组Gr1-Gr4设置于如平面图中所看到的第一线的螺旋中心P1和第二线的螺旋中心P2之间；并且第一与第二线以这样一种方式相连接，即，在第一线的与平面图中所看到的任意元件组交迭的部分和第二线的与平面图中所看到的任意元件组交迭的部分中的电流在大致相同方向流动。
结果，可以将强磁场(例如，对于初始化足够强的磁场)施加给磁阻元件11-18，同时，如平面图所示，也用作初始化线圈(或测试线圈)的加热线圈21-24的区域最小化，因此可以减小磁传感器10的尺寸。
在第一实施例中，为了加热GMR元件，依次给每一个加热线圈21-24提供持续100ms的100mA电流；另选地，例如，也可以同时给所有加热线圈21-24提供400ms的25mA电流。在这种同时通电情形中，在加热线圈21-24之间可以达到与依次供电相比更好的温度平衡。
(第二实施例)现在将参照附图14和15描述根据本发明第二实施例的磁传感器50，图14显示了磁传感器50的平面示意图，而图15是沿着图14中1-1线剖切得到的磁传感器50的局部剖视图。磁传感器50的配置与第一实施例中的磁传感器10相同，除了用于加热GMR元件11-18(元件组Gr1-Gr4)的加热线圈70是独立于初始化线圈61-64安装的之外。因此，下文将集中对这一修改之处进行说明。
类似于相对应的加热线圈21-24，图14和15中的初始化线圈61-64都嵌置在层S3中，直接分别位于元件组Gr1-Gr4正下方(在负Z方向)。当在预定条件(例如，在磁检测之前)下通电时，初始化线圈61-64，在每个设置在各个加热线圈之上的磁阻元件的自由层中，产生具有预定方向(垂直于相应的被钉扎层的被钉扎磁化方向的方向)的磁场(初始化磁场)。
加热线圈70采用例如铝的薄层的形式并且具有如平面图中所见的螺旋形形状(未示出)。加热线圈70的形状近似为方形，该方形的边都和由桥接布线部分19限定的方形的相应边平行，并且其形心也和由桥接布线部分19限定的方形的形心对准。如平面图所示，加热线圈70形成在桥接布线部分19的内侧。而且，由图15可知，在衬底50a上依次叠置的绝缘层INS1和布线层S1-S3中，加热线圈70嵌置并形成在层S3(用作布线层的层S1-S3的最上一层)中，GMR元件11-18形成在层S3的上表面上。
而且，以这样一种方式配置加热线圈70，即，使得由加热线圈70传送给多个GMR元件11-18中任意一个的热量约等于由加热线圈70传送给多个GMR元件11-18中另一个的热量。
在此磁传感器50中，与磁传感器10一样，实现了对温度相关特性的补偿。也就是说，在磁传感器尚未安装到蜂窝电话中的阶段，对加热线圈70通电以获取上述作为补偿温度相关特性的基础数据的比值(梯度)Mx和My。图16利用曲线Lj1和Lj2表示其上形成有元件组Gr1-Gr4的表面上的等温线。曲线Lj1代表的等温线的温度高于曲线Lj2代表的等温线的温度。
也就是说，当通电时，加热线圈70主要是加热元件组Gr1-Gr4。结果，元件组Gr1-Gr4温度变得近似相等。相比之下，当为了获取用于补偿温度相关特性的基础数据而将元件组Gr1-Gr4加热到足够高温度时，整个磁传感器50包含衬底50a在内未均匀加热，因此其表面上形成有元件组Gr1-Gr4的层S3的上表面将因加热线圈70发热而变得温度不均匀。
换言之，在磁传感器50中，当获取用于补偿温度相关特性的基础数据时，GMR元件11-18未被加热到(不必被加热到)使整个磁传感器50包含衬底50a在内达到均匀温度的这样一种温度。因此，与由加热装置加热整个磁传感器50的情形相比，可以缩短加热/冷却GMR元件11-18所需的时间。
因此，根据磁传感器50，可以在很短时间内获得用于补偿温度相关特性的基础数据，在很短时间内发生地磁改变的可能性很小，由此可以精确地获得数据。结果，可以对磁传感器50的温度相关特性进行精确补偿。
而且，因为与使用加热装置加热之后对磁传感器50进行冷却相比，可以在很短时间内冷却磁传感器50，所以可以缩短制造磁传感器50的时间周期，并且可以降低制造成本。此外，因为加热线圈70嵌置在层S3中，层S3是三个布线层S1-S3中最上一层并且最靠近GMR元件11-18，所以可以高效率地加热GMR元件11-18。
另选地，替代上述初始化线圈61-64，上述测试线圈可以设置于初始化线圈原先占据的相同位置上。另一种选择是，可以独立于初始化线圈61-64和加热线圈70之外而形成测试线圈，使得其直接设置在初始化线圈61-64的正下面。再一种选择是，可以在较低层例如层S1中形成初始化线圈，而在较高层例如层S3中形成测试线圈。
如上所述，利用根据本发明的磁传感器以及用于对该磁传感器的温度相关特性进行补偿的方法，可以精确地对磁传感器的温度相关特性进行补偿。而且，考虑到如下事实，即包括X轴磁传感器与Y轴磁传感器的磁传感器10、50被配置成为全桥电路的形式，而且磁传感器的温度相关特性随磁阻元件温度改变而成比例地进行变化，上述“比值”Mx、My存储在磁传感器的WORM存储器中。因此，在将磁传感器安装到电子设备中之后，电子设备可以从存储器中读取该“比值”，从而获得磁传感器的温度相关特性的数据，并且可以利用所获得数据对磁传感器的温度相关特性进行补偿。
而且，因为通过只将上述“比值”(梯度Mx、My)存储到磁传感器10、50的存储器中，就可以将各个磁传感器10、50的温度相关特性数据保存在磁传感器中，所以与将每个包含有元件温度和磁传感器输出值的多个数据集存储到存储器中的情形相比，可以最小化存储器中所要存储的数据量。此外，因为上述“比值”(梯度Mx和My)没有变化，所以存储器可以选用价格便宜的WORM型存储器。结果，可以降低磁传感器的成本。
本发明并不局限于前述的实施例，并且可以在本发明发明范围内对这些实施例进行各种修改。例如，对于磁传感器10或50的磁阻元件，可以利用TMR元件替代GMR元件。而且，安装磁传感器10或50的电子设备并不仅限于蜂窝电话。也就是说，可以将它们放置到另外的电子设备中，例如便携式计算机、便携式导航系统、或PDA(称为“Personal Digital Assistant”即个人数字助理的个人信息设备)。
而且，在每一个前述实施例中，GMR元件18的第一温度T1、X轴磁传感器的第一输出值X1、和Y轴磁传感器的第一输出值Y1，都是在加热线圈21-24或70通电之前获取的；而GMR元件18的第二温度T2、X轴磁传感器的第二输出值X2、和Y轴磁传感器的第二输出值Y2，都是在加热线圈21-24或70通电之后获取的；基于这些数据计算出梯度Mx、My。然而，该实施例还能以这样一种方式修改，即GMR元件18的第一温度T1、X轴磁传感器的第一输出值X1、和Y轴磁传感器的第一输出值Y1，都是在加热线圈21-24或70通电之后获取的；而GMR元件18的第二温度T2、X轴磁传感器的第二输出值X2、和Y轴磁传感器的第二输出值Y2，都是在从加热线圈21-24或70通电结束起经过一个预先设定的时间之后获取的；然后计算出梯度Mx、My。
此外，如图17所示，第二实施例的加热线圈70可以用加热线圈80替代，该加热线圈80具有这样的图案即该图案具有对应加热线圈70的中心部分处的挖去(cutout)。根据这个替代的加热线圈80，当加热线圈80通电时可以将磁阻元件11-18加热到近似相同的温度；并且磁传感器50(衬底50a)中心部分不会出现过热。因此，可以更高效地对GMR元件11-18进行加热。
再有，加热线圈、初始化线圈和测试线圈可以彼此相互独立地形成，使得一个在另一个之上地叠置于每个GMR元件组的正下方位置处。在这种情形下，如图18中更清楚地所示，层INS1和四个布线层S1-S4都一个在另一个之上地顺次叠置在衬底上；并且加热线圈101、初始化线圈102和测试线圈103可以分别形成在层S4、层S3、和层S1中。而且，桥接线可以贯穿多个层延展。
另外，本发明不仅可以用于具有X轴和Y轴磁传感器的双轴方向检测型(double-axis-direction-detecting-type)磁传感器，而且也可以用于具有X、Y和Z轴磁传感器的三轴方向检测型磁传感器，或者单轴方向检测型磁传感器。
权利要求
1.一种磁传感器，其包括多个磁阻元件和多个发热元件，所述多个磁阻元件形成在衬底上叠置的层的上表面上，所述多个发热元件适于在通电时产生热量，并且该磁传感器基于所述多个磁阻元件的电阻值而产生输出值，该输出值相应于作用在所述磁阻元件上的外部磁场，其特征在于所述多个发热元件以这样一种方式安排布置，即当所述多个发热元件中每一个发热元件产生的热量近似等于其余发热元件中任意一个产生的热量时，所述多个磁阻元件的温度彼此大致相等，并且其上形成有所述多个磁阻元件的所述层的上表面的温度不均匀。
2.根据权利要求1的磁传感器，其中所述多个磁阻元件被布置形成多个岛状元件组，每一个元件组都包含有多个磁场检测方向相同且在所述层的上表面上彼此邻近布置的磁阻元件；而且所述发热元件形成为使得在每个元件组的上方或下方设置一个发热元件。
3.根据权利要求2的磁传感器，其中所述发热元件呈现为线圈形式，该线圈能够对形成在所述发热元件的上方或下方的所述磁阻元件施加一个磁场，其方向与所述磁阻元件的磁场检测方向近似相同或近似垂直。
4.一种磁传感器，其包括多个磁阻元件和单个发热元件，所述多个磁阻元件形成在叠置于衬底上的层的上表面上，所述单个发热元件用于在通电时产生热量，并且该磁传感器基于所述多个磁阻元件的电阻值而产生输出值，该输出值相应于作用在所述磁阻元件上的外部磁场，其特征在于所述发热元件以这样一种方式安排设置，即，使得所述多个磁阻元件的温度彼此大致相等，并且其上形成有所述多个磁阻元件的所述层的上表面的温度不均匀。
5.根据权利要求4的磁传感器，其中所述发热元件和所述多个磁阻元件以这样一种方式设置，即，使得从所述发热元件扩散给所述多个磁阻元件中任意一个的热量约等于由所述发热元件扩散给其余磁阻元件之一的热量。
6.根据权利要求4或5的磁传感器，其中所述发热元件和所述多个磁阻元件以这样一种方式设置，即，使得所述发热元件和所述多个磁阻元件中任意一个之间的相对位置关系与所述发热元件和其余磁阻元件中的一个之间的相对位置关系大致相同。
7.根据权利要求1至6的任意一项的磁传感器，其中所述多个磁阻元件分离地安排在叠置于所述衬底上的层的上表面上彼此间隔开的四个岛中，并且以这样一种方式形成，即当所述多个磁阻元件在与所述层的上表面的平行的平面中绕由其中每个连接邻近岛的近似中心的四条直线构成的四边形的形心转动90°时，则任意一个岛与90°角运动之前角运动方向上邻近所述任意岛的另一个岛所占据的位置基本重合。
8.根据权利要求1至7的任意一项的磁传感器，还包括温度检测部分，当所述多个磁阻元件的温度彼此大致相等，并且其上形成有所述多个磁阻元件的所述层的上表面的温度变得不均匀时，该温度检测部分输出与所述多个磁阻元件中至少一个磁阻元件的温度具有恒定关系的温度，作为检测温度。
9.根据权利要求8的磁传感器，其中所述多个磁阻元件以这样一种方式互连，即，在所述磁阻元件中，磁场检测方向相同的元件构成一个桥电路，以便生成对应于所述外部磁场的输出值；并且所述磁传感器还包括存储器，和具有温度相关特性的写入装置，其用于将一个值写入到所述存储器中，所述值是根据表示所述磁阻元件第一温度的数据以及所述磁传感器在第一温度输出的第一输出值和表示所述磁阻元件第二温度的数据以及所述磁传感器在第二温度下输出的第二输出值而确定的，上述写入到所述存储器中的值对应于第一和第二输出值之间差值与第一和第二温度之间差值的比值，所述第一温度是根据所述温度检测部分输出的检测温度而确定的，而所述第二温度与所述第一温度不同并且是根据所述温度检测部分输出的检测温度而确定的。
10.一种补偿磁传感器的温度相关特性的方法，该磁传感器包括其电阻根据外部磁场而变化的磁阻元件、第一存储器、用于输出与所述磁阻元件的温度具有恒定关系的温度作为检测温度的温度检测部分、和用于在通电时产生热量的发热元件；并且该磁传感器基于所述磁阻元件的电阻值而产生相应于所述外部磁场的输出值；所述磁传感器适于结合在包括永磁体元件、外壳、和第二存储器的电子设备中，其中所述外壳容纳所述磁传感器、所述永磁体元件和所述第二存储器；所述方法包括步骤在所述磁传感器被容纳在所述外壳中之前，基于从所述温度检测部分输出的检测温度获得所述磁阻元件的第一温度，在所述第一温度获得从所述磁传感器输出的第一输出值；在所述磁传感器被容纳在所述外壳中之前，基于在所述发热元件的通电状态改变之后从所述温度检测部分输出的检测温度来获得所述磁阻元件的第二温度，并在所述第二温度获得从所述磁传感器输出的第二输出值；将一个值存储进所述第一存储器，该值对应于所述第一和第二输出值之间的差与所述第一和第二温度之间的差的比值。在所述磁传感器和所述永磁体元件一起被容纳进所述外壳中之后，将作为基准数据的所述磁传感器的所述输出值的偏移值、以及从所述温度检测部分输出的检测温度存储进所述第二存储器；以及随后基于存储在所述第一存储器中的对应于所述比值的值、存储在所述第二存储器中的所述基准数据、和从所述温度检测部分输出的所述检测温度，校正所述磁传感器的输出值。
11.一种磁传感器，其包括单个衬底，多个磁阻元件，使所述多个磁阻元件相互连接的布线部分以及控制电路部分，所述控制电路部分用于经由所述布线部分获取根据所述多个磁阻元件的电阻值而确定的物理量，并且对该物理量进行处理从而产生向外输出的输出信号，其中所述磁传感器还包括多个叠置在所述衬底上的层；所述磁阻元件形成在所述多个层中的一个层的上表面上；所述布线部分和所述控制电路部分形成在所述衬底以及所述多个层中；并且所述磁阻元件、所述布线部分、以及所述控制电路部分都通过连接部分而在所述多个层中相互连接，所述连接部分由导电物质构成并且沿着与所述层的层表面相交的方向延伸。
12.一种磁传感器，其包括衬底、设置于所述衬底上面部分的多个磁阻元件、设置于所述衬底上面部分并且使所述多个磁阻元件相互连接的布线部分、以及控制电路部分，所述控制电路部分用于经由所述布线部分获取根据所述多个磁阻元件的电阻值而确定的物理量并且对该物理量进行处理从而产生向外输出的输出信号，其中所述多个磁阻元件在平面图中看设置于所述衬底的周围部分；所述布线部分设置为使得在平面图中看基本上形成了一个封闭曲线；并且所述控制电路部分在平面图中看基本上设置于所述封闭曲线的内侧。
13.一种磁传感器，其包括单个衬底和多个元件组，每一个元件组都包括被钉扎层磁化方向相同的一对磁阻元件，其中所述多个元件组的每组以这样一种方式设置于所述衬底的上面部分，即，使得每一元件组的所述被钉扎层的磁化方向基本上都平行于距所述衬底的形心的距离增大的方向，并且使得所述磁阻元件对在该方向上彼此邻近设置。
全文摘要
磁传感器(10)包括GMR元件(11－18)，以及用作发热元件的加热线圈(21－24)。元件(11－14)和(15－18)通过桥连接构成X轴传感器和Y轴传感器。加热线圈(21)设置于元件(11，12)附近，并且加热线圈(22)设置于元件(13，14)附近，并且加热线圈(23)设置于元件(15，16)附近，并且加热线圈(24)设置于元件(17，18)附近。加热线圈(21－24)通电时主要加热其邻近元件。因此，可以在地磁可确保不变的很短时间内对这些元件进行加热和冷却。基于在加热之前和之后的这些元件的温度以及各自磁传感器的输出，得到温度相关特性补偿数据(传感器输出值改变量对元件温度改变量的比值)并根据该数据对这些元件的温度特性进行补偿。
文档编号G01R33/02GK1695066SQ0282997
公开日2005年11月9日 申请日期2002年11月29日 优先权日2002年11月29日
发明者佐藤秀树 申请人:雅马哈株式会社