专利名称：具有组合的反位线圈和补偿线圈的mr磁力计的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有包括反位线圈功能和补偿线圈功能的MR磁力 计的电子装置。
背景技术：
磁阻(MR)是铁磁性合金的整个家族的材料特性，指的是电阻 对于流过材料的电流方向与外部磁场相对于电流方向的方位之间的 角度相关度。该效应归因于磁场方向上电子的较大概率的s-d散射。 净效应是在电流方向平行于所施加的磁场时电阻变为最大值。这种材 料的一个示例是称为"坡莫合金"(19%的铁，81%的镍)的铁磁性材料。
MR材料可用来制造磁场传感器(也被称为磁力计)。这种传感 器的操作禾口示例在Philips Semiconductor的Thomas Stork于2000年 3月30日撰写的题为"Electric Compass Design using KMZ51 and KMZ52"的应用注释AN00022中进行了描述。KMZ52是由Philips制
造的市售的电子装置，包括封装内的罗盘传感器系统的部件具有 90。移位的两个弱场传感器，每一个都具有置位/复位(反位)线圈和 补偿线圈。补偿线圈的典型电流电平是10mA,对于反位线圈是1A。 大约2mA就足以均衡地磁场。因此，反位线圈的电阻优选地相对低， 例如儿欧姆的量级。这样的传感器例如使用薄膜技术或集成电路技术 来制造。
磁场传感器可被用于例如固态罗盘、金属检测、位置检测等等。 首先考虑由MR材料的简单条带制成的传感器。在制造期间， 外部强磁场被平行施加到条带主轴。结果，在条带中定义优选的磁化 方向。在没有磁场的情况下，磁化总是指向该方向。传感器的操作基 于两个效应。第一个效应是条带电阻取决于流过条带的电流方向与磁化方向之间的夹角。第二个效应是磁化方向以及由此的夹角方向会受 到平行于条带并且垂直于优选方向的外部磁场的影响。
简单条带传感器对小幅度外部磁场具有低灵敏度。另外，简单 传感器不能区分相同幅度而具有相反方向的外部磁场。因此，传感器
优选地具有所谓的"barber电极"结构。该传感器通过在MR条带的顶 部与条带主轴成45。夹角沉积例如铝条带(称为"barber电极")来实 现。由于铝一般具有比MR材料高的导电率，所以barber电极的效 果是使得电流方向旋转45°，有效地将MR材料的磁化与电流的夹角 从幅度为"a"的角变成幅度为"a-45。"的角。对于弱磁场(诸如地磁场) 来说，当前灵敏度明显较高。另外，特性被线性化并且允许检测外部 磁场的信号。
实际上，有利地是把传感器配置成惠斯通电桥，由四个磁阻条 带组成。例如对于罗盘传感器来说，使用barber电极结构，其中一 个对角线对定位成与条带主轴成45。夹角，另一对定位成-45°。因此， 由于磁场所引起的电阻变化被线性地转换成差分输出电压的变化。而 且，四个桥路电阻的固有温度系数相互抵消。
MR传感器本质上是双稳态的。即，传感器的内部磁化方向可以 被反向或"反位"。这可以通过足够强的磁场来实现，如果该磁场平行 于磁化施加，而没有相反方向。反位使得传感器特性颠倒，使得传感 器输出电压改变极性。可以通过施加平行于反位轴的附加磁场来稳定 MR传感器以防止不希望的反位。由于永久磁场会降低磁力计的灵敏 度，所以该辅助磁场应该采取脉冲方式。当测量弱场时，甚至期望在 磁力计的连读读数之间重复地翻转或"反位"传感器。这允许按照可与 小电信号的放大中使用的斩波技术比拟的方式补偿传感器的偏移量 漂移。"置位/复位"线圈也被称为"反位"线圈，靠近传感器元件的是 施加辅助磁场用于反位的装置。在例如高精度罗盘系统中，传感器还 必须对伴随温度的灵敏度漂移进行补偿并且补偿干扰磁场。两者都可 以借助垂直于MR条带的磁场敏感方向上的辅助磁场来完成。这可以 通过传感器元件附近的"补偿"线圈来产生。
从WO 99/09427己知具有包括MR传感器的MR传感器条带电子装置的电子装置示例，该MR传感器包括MR传感器条带、反位线 圈功能和补偿线圈功能。已知的装置具有全都以相同方向定位并且包 括在惠斯通电桥中的传感器条带。置位-复位线圈或者反位线圈垂直 于条带方向而定位，而补偿线圈沿条带方向而定位。
从DE 196 48 879己知另一示例。在已知装置中，反位线圈由传 感器条带上不同电流线路的组合组成。外部电流线路上的电流密度高 于内部线路中的电流密度。这允许降低磁传感器条带的开关阈值。
发明内容
在第一级近似中，通过线路电流产生的磁场与距线路的距离成 反比例减小。功率的最优化状态指示传感器与补偿线圈之间的距离、 传感器与反位线圈之间的距离应该尽可能的小。换言之，基本问题在 于两个线圈理想地应当尽可能靠近MR传感器而定位。假设需要流过 反位线圈和补偿线圈的电流存在巨大差异，人们通常把反位线圈布置 在补偿线圈的顶部，补偿线圈定位在MR传感器的顶部。处理开始于 制备MR传感器，这是因为良好的传感器性能需要均匀的基板。
不带补偿线圈的功能性MR传感器是可行的，尽管通过辅助磁 场进行补偿不再是一个选择。该方案的另一劣势在于以下事实传感 器的灵敏度无法再通过电气装置测量。即，如果MR传感器确实具有 补偿线圈，则已知幅度的电流通过补偿线圈发送，MR传感器的响应 被监测并分析用于灵敏度。换言之，如果MR传感器没有补偿线圈， 可能需要在已知幅度的外部磁场中进行测试。此外，在不存在补偿线 圈的情况下，在MR传感器中进行标准自测试(例如按照客户要求) 变得不便。
本发明现在提出把反位线圈功能和补偿线圈功能两者组合到单 个物理单元中，例如，导电材料的组合线圈或多个线段。更具体地说， 本发明提供一种具有包括MR传感器的磁力计的电子装置，该MR 传感器包括至少一个MR传感器条带、反位线圈功能和补偿线圈功 能。反位线圈功能和补偿线圈功能在单个物理元件中实现。该元件具 有相对于MR传感器条带的第二主轴成一角度而定位的第一主轴。该角度基本上不同于0。也不同于90°。该元件中的电流在传感器条带中 产生局部有效的磁场。沿条带的场分量产生磁场，该磁场可用来将传 感器条带的磁化方向反位。垂直于条带的分量作为补偿磁场。而且， 平面线圈的电流线路的宽度能够减小，从而可以减小有效阈值以便传 感器元件切换，并且可以包括该特征以简化2D传感器的设计。本发
明还使得成本节省，由于仅需要单个金属层用于反位线圈功能和补偿 线圈功能。依此方式至少可以节省两个掩模层。可以保持现有技术装 置的己知总体传感器性能。可以把下文的不同实施例中描述的所有方 面组合来产生优化方案，例如，对功耗与装置的整体尺寸进行折中。 另外，假定反位时在磁场反向期间会存在辅助的垂直场，可以减小反 位所需要的有效磁场强度。使用用于具有单轴各向异性的磁性材料的
简单的Stoner-Wohlfarth方案可以理解这一点。磁化强度优选地沿着 反位场的方向。该方向主要通过MR材料在其主轴方向上的形状来确 定。在磁场指向的方向与磁化方向相反的情况下，只要产生总磁场， 该磁场就包括反位磁场和补偿磁场的组合效应并且其强度超过 Stoner- Wohlfarth切换标准，即，只要磁场位于表示在两个磁场维度 中的磁性元件的切换特性的公知星形曲线的外部时，就可以将磁化强 度反位。辅助补偿场能够旋转MR材料的磁化强度到其反位场方向之 外，从而可以减小反位场的必要强度。
在本发明的装置中，反位脉冲或补偿脉冲的幅度可能需要比带 有分立线圈的已知结构中使用的脉冲大，这是由于磁场在MR传感器 条带的第一主轴或第二主轴上的固有投影(projection)而形成的。
本发明的特别针对移动应用的实施例是这样的实施例，其中元 件的第一主轴与MR传感器条带的第二主轴之间的夹角实质上上大 于45。而小于90。。例如，该夹角具有大约75°到85。范围内的值。使 用这种特定结构的原因与功耗有关。反位线圈功能比补偿线圈功能更 频繁的使用，更钝的角度会改善磁力计的整体效率。结果，具有锐角 的结构可以减小功耗。这对于移动装置(诸如个人数字助理和移动电 话)中的诸如磁力计的应用尤其具有重大意义。最佳角度取决于磁力 计的应用。然而，实际上，还需要考虑用于磁 计的固态实现的设计规则。
参考附图以示例方式更详细地描述本发明，其中 图1是已知传感器装置的结构的示图2和图3给出了本发明的具体说明中使用的数学公式； 图4和图5是本发明的实施例的示图6给出了与传感器条带和线圈之间的不同方位有关的各种物 理量的幅度的表格；以及
图7和图8是本发明的其他实施例的示图。 所有示图中，相似或相应的功能部件由相同标号指代。
具体实施例方式
本发明涉及具有MR传感器的电子装置，尤其涉及低功率和/或 低成本的结构。低功率MR传感器尤其关注于移动电子装置，诸如移 动电话、手表、掌上计算机或个人数字助理等。例如，MR传感器可 用来实现电子罗盘，提供相对于地磁场的导航参考。
图1是示出己知传感器100的结构示图。传感器100从绝缘硅 基板开始制造。处理顺序如下，每层的典型厚度以纳米表示。第一层 是MR传感器限定层，其厚度"tMR"大约为30nm。第二层涉及barber 电极类型的传感器条带102，需要大约300nm的厚度"tBP"。第三层是 第一钝化层，其厚度"tp^广大约为500nm。第四层涉及补偿线圈104 并且厚度"tc。呵"大约为500nm。第五层是第二钝化层，其厚度"tPass2" 大约为1000nm。第六层涉及反位线圈限定106并且厚度"tFHp"大约为 画Onm。
图1示出了两个已知的不同的反位线圈结构。结构A具有单个 导线段106。结构B具有多个导线段106，其中可以增加外侧段的电 流密度从而有助于传感器条带102中的切换。后一结构使得磁场的切 换阈值较低，并且因此产生较低的功耗。在底侧上，结构B需要更 复杂的布局和互连图案。根据以上层的厚度，现在可以计算传感器中的大致的磁场强度
"H"，该传感器包括10pm宽的补偿线圈和100pm宽的反位线圈，用 于图1的结构A。图2给出了用于H的数学表达式。图3中的表达 式给出了用于补偿线圈的相关距离"de。mp"和用于反位线圈的"dmp"。 线圈的场产生效率被定义为以安培为单位的每单位电流量每米的以 安培为单位的所产生的磁场幅度。用于该效率的数学公式由用于图2 的磁场强度的公式中的方括号之间的表达式给出，对于lmA的电流 I。在图1的己知结构中的补偿线圈的效率Gc。mp现在是每mA 43.3A/m。已知结构中的反位线圈的效率Gnip是每mA 4.82A/m。
首先设想与补偿线圈布置在同一层中的反位线圈。结果，由于 反位线圈的最小距离G,，i等于Gc。mpi，反位线圈的效率增加到与 补偿线圈的效率相同级别，并且在MR传感器中垂直于导线的方向上 每mA大约为4.91A/m。已经假定两种情况下的导线的尺寸保持与参 考以上已知结构所描述的反位线圈相同。在Gwip,丄和Gc。，丄中的符 号"i"是指线圈布局与MR传感器条带的对应主轴之间的最佳90° 角度结构。
接下来考虑具有MR传感器的电子装置，该MR传感器包括MR 传感器条带(102)、实现反位线圈功能和补偿线圈功能两者的单个 物理元件，其中该元件的主轴相对于MR传感器条带的主轴成(x夹角 而定位。该夹角基本上不同于0。也不同于90°。单个元件可以是平面 线圈或单个直线导线或多个(几何关系上)平行的直导线并且互连形 成平面线圈。
在本发明的第一实施例中，元件主轴与传感器主轴之间的夹角a 大约为45°。随后，针对最佳情况的效率数，其中a为90。(之前由 符号"丄"表示)，对于补偿操作和反位操作应当分别乘以几何系数 cos(45。)l/V5和sin(45。)= 1/V^。结果，效率Gc。mp等于效率GFlip并 且等于每mA 3.48A/m。
对于补偿功能来说，使用小幅度以及长持续时间的电流脉冲， 在该持续时间内可以发生至少一个磁力计读数。幅度是地磁场强度 (大约50微特斯拉)的量级或者更低。脉冲持续时间处于毫秒范围
权利要求
1.一种具有带有MR传感器的磁力计的电子装置，该MR传感器包括MR传感器条带(102)、反位线圈功能和补偿线圈功能，其特征在于反位线圈功能和补偿线圈功能在单个物理元件(406)中实现；所述单个物理元件具有相对于MR传感器条带的第二主轴(402)成一角度的第一主轴(404)；并且所述角度不同于0°也不同于90°。
2. 如权利要求l所述的装置，其中所述单个物理元件包括由导 电材料制成的直线段。
3. 如权利要求l所述的装置，其中所述单个物理元件形成了制 造在单个金属层中的导电材料线圈。
4. 如权利要求l所述的装置，其中所述角度为45。。
5. 如权利要求1所述的装置，其中所述角度大于45。并且小于90。。
6. 如权利要求l所述的装置，包括另一传感器条带(702)，所 述另一传感器条带(702)具有与第二主轴相交的另一主轴(704)。
7. 如权利要求6所述的装置，其中所述角度为45。并且其中另 一主轴与第二主轴成90°相交。
8. 如权利要求l所述的装置，具有包括磁力计的固态罗盘。
9. 如权利要求l所述的装置，是一种移动数据处理装置。
10.如权利要求9所述的装置，是一种移动电话。
全文摘要
补偿线圈功能和反位线圈功能被组合到单个组合线圈中，该单个组合线圈相对于磁阻传感器元件的长度方向成夹角α。夹角α实质上不同于0°和90°。该结构能够减小平面组合线圈的电流线路的宽度，从而减小用于传感器元件切换的有效阈值，该结构还能够包括简化2D传感器设计的功能部件。
文档编号G01R33/09GK101611327SQ200880004879
公开日2009年12月23日 申请日期2008年2月13日 优先权日2007年2月14日
发明者哈里斯·迪里克, 汉斯·M·B·贝维, 特尼斯·J·伊金克, 约翰内斯·P·M·范拉默伦 申请人:Nxp股份有限公司