三轴磁场传感器、制作磁场感测结构的方法与感测电路的制作方法
【专利摘要】一种三轴磁场传感器、制作磁场感测结构的方法与感测电路。该三轴磁场传感器，包括：具有第一易轴且感测X轴磁场的第一穿隧式磁电阻器；具有第二易轴且感测Y轴磁场的第二穿隧式磁电阻器；感测Z轴磁场的出平面磁场传感器；及参考单元。第一易轴与第二易轴为垂直，并分别与一平分方向的夹角为45±5度。出平面磁场传感器包括：具有第一斜面与第二斜面的凹槽或凸块结构；第三穿隧磁式电阻器位在第一斜面且具有第三易轴；第四穿隧式磁电阻器位在第二斜面上且具有第四易轴；一中轴与平分方向垂直且与第三易轴和第四易轴平行。参考单元具有第五穿隧磁式电阻器及与平分方向平行的第五易轴。
【专利说明】三轴磁场传感器、制作磁场感测结构的方法与感测电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁场感测装置，更具体而言涉及可用作电子罗盘(electroniccompass)的单芯片集成式三轴磁场传感器(3-axis magnetic fieldsensor)。
【背景技术】
[0002]电子罗盘已设置于各种电子产品中以用于改进性能。举例来说，电子罗盘可用于全球定位系统(GPS)中以改进感测能力。GPS中的前进方向是通过物体的移动来确定。然而，当速度慢或甚至处于静止位置时，GPS便无法精确地确定方位。电子罗盘则可提供方位角信息以帮助确定方向。
[0003]各种方式感测磁场的机制已被提出，例如典型的霍尔元件(Hall device)或磁电阻元件(magneto-resistive device)。磁阻元件包括异向性磁电阻器(anisotropicmagneto-resistor, AMR)、巨磁电阻器(giant magneto-resistor, GMR)和穿隧式磁电阻器(tunneling magneto-resistor, TMR)的磁阻元件,具有比霍尔元件灵敏度大的优点，且其后端工艺也容易与CMOS的前端工艺相整合。
[0004]异向性磁电阻器磁场传感器已经商品化，但仅限于最多2轴(2-axis)的集成式芯片类型。异向性磁电阻器可以使用45度的短路条，即是所谓螺丝纹条状杆偏压结构(Barber pole bias),从而以双向(bipolar)模式工作。巨磁电阻器具有比异向性磁电阻器大的磁阻比(magneto-resistance rat1, MR),然而巨磁电阻器却难以在双向模式下操作，一般仅使用单向(unipolar)模式来感测磁场的数值。近年来，高磁阻比的穿隧式磁电阻器的实现引起更大的注意力，而仅有少数单轴磁场传感器产品有成品出售。非预期地，穿隧式磁电阻器和磁性薄膜的特性反而限制其多轴磁场传感器的可行性。
[0005]图1A至图1B为用于磁场传感器95的典型穿隧式磁电阻器图示，其包括:由导电金属形成的底板作为形成于基板90上的底部电极102 ;磁性穿隧接面(MagneticTunneling Junct1n, MTJ)元件110,形成于底部电极102上；及由导电材料形成的顶板作为形成于磁性穿隧接面元件110上的顶部电极106。从磁性穿隧接面元件的结构图案，我们可以定义一相交点于中心处的十字形线，其中较长的线称为长轴101，且较短的线称为短轴103,另外,称作易轴(easy_axis)180的线与长轴101共线。磁性穿隧接面元件110包括固定层112、穿隧层115和自由层116，其中磁性穿隧接面元件110设置于底部电极102与顶部电极106之间。磁性材料的固定层112形成于底部电极102上,且具有与一固定方向平行的固定磁矩114。非磁性材料的穿隧层115形成于固定层112上。磁性材料的自由层116形成于穿隧层115上，且具有在初始时与易轴180平行的自由磁矩118。
[0006]在形成磁性穿隧接面元件之后，例如是磁性薄膜堆迭和图案蚀刻后，通过在退火工艺期间施加一方向为与易轴180垂直的磁场。在退火工艺之后，固定磁矩114将会平行所述磁场的方向，而磁性穿隧接面元件110的形状异向性会使自由磁矩118倾向与易轴平行。因此，穿隧式磁电阻器的磁场感测方向垂直于基板的易轴180。另外，水平极化材料的磁性膜层通常具有极强的去磁场(demagnetizat1n field),限制自由层和固定层的磁矩仅能躺在磁性薄膜的平面上转动，但难以站立于磁性薄膜的平面。因此，穿隧式磁电阻器的典型结构仅可适用于在平面(in-plane)磁场传感器。
[0007]如上所述的磁性薄膜特性的限制，如果是要使用磁电阻器来感测方向与基板垂直的磁场，一般是将磁电阻器置于制作于基板上的斜面上，通过感测于斜面上的磁场分量的方式来达成。异向性磁电阻器的挑战是在于其需要大的斜面面积，且45度的螺丝纹条状杆对于微影(Iithogrphy)和蚀刻工艺是个难题。而典型穿隧式磁电阻器的固定磁矩方向受到退火工艺的磁场方向限制，无法制作集成式多轴的磁场传感器。
[0008]电子罗盘应用通常需要感测X-Y-Z方向上的地磁场(geo-magnetic field)分量。到目前为止，传统电子罗盘芯片通常包装至少二个或三个2轴/单轴的磁场传感器来分别感测地磁场的每一个方向的分量。如何设计三轴向的集成式低成本磁场传感器，在此项技术中一直是很热门的题目。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种三轴向磁场传感器，包括第一在平面磁场传感器、第二在平面磁场传感器、出平面磁场传感器以及穿隧式磁阻参考单元。第一在平面磁场传感器位于基板上以感测X轴向磁场，并具有第一穿隧式磁电阻器(TMR)及具有第一易轴，而第一易轴被视为Y轴。第二在平面磁场传感器位于基板上以感测Y轴向磁场，并具有第二穿隧式磁电阻器及具有第二易轴，而第二易轴被视为X轴。第一易轴与第二易轴的夹角为90±10度角，且基板上的平分方向分别与第一易轴及第二易轴夹有45±5度角。出平面磁场传感器位于基板上以感测Z轴向磁场。出平面磁场传感器包括凹槽或凸起结构、第三穿隧式磁电阻器与第四穿隧式磁电阻器。凹槽或凸起结构位于基板上且具有第一斜面与第二斜面与中轴，其中第一斜面与第二斜面相对于基板具有相同的斜角且相对于中轴具有对称翻转的关系，而中轴垂直平分方向。第三穿隧式磁电阻器形成于第一斜面上且具有第三易轴，第四穿隧式磁电阻器形成于第二斜面上且具有第四易轴，其中第三易轴和第四易轴平行于中轴。穿隧式磁阻参考单元位于基板上且具有第五穿隧式磁电阻器及具有第五易轴，其中第五易轴平行平分方向。
[0010]本发明提供一种用于制作磁场感测结构的方法，其中磁场感测结构是如上所述的三轴磁场传感器。该方法包括:施加单次退火磁场于所述的三轴磁场传感器，其中单次退火磁场的方向平行X-Y平面并分别与第一易轴与第二易轴夹45±5度角，且垂直于第三易轴与第四易轴，而平行于第五易轴。
[0011]本发明提供一种磁场感测电路，用以将磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号。磁场感测电路包括磁场传感器与箝位运算放大器。磁场传感器如上所述的出平面磁场传感器。箝位运算放大器具有正输入端、输出端、负输入端与电阻，其中电阻连接在输出端与负输入端之间，正输入端连接中点电压源。第三穿隧式磁电阻器的一端与第四穿隧式磁电阻器的一端相互连接并连接至负输入端。第三穿隧式磁电阻器的另一端连接电源。第四穿隧式磁电阻器的另一端接地。
[0012]本发明提供一种磁场感测电路，用以将磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号。磁场感测电路包括磁场传感器、箝位运算放大器与穿隧式磁阻参考单元。磁场传感器如上所述的第一在平面磁场传感器或第二在平面磁场传感器。箝位运算放大器具有正输入端、输出端、负输入端与电阻，其中正输入端连接中点电压源，电阻连接在输出端与负输入端之间。穿隧式磁阻参考单元的一端连接磁场传感器，且该端连接负输入端。穿隧式磁阻参考单元的另一端连接电源，而磁场传感器未连接穿隧式磁阻参考单元的另一端接地。
[0013]本发明提供一种磁场感测电路，用以将三轴磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号。磁场感测电路包括箝位运算放大器、磁场传感器以及穿隧式磁阻参考单元。箝位运算放大器具有正输入端、输出端、负输入端与电阻，其中正输入端连接中点电压源，电阻连接在输出端与负输入端之间。磁场传感器如上所述的出平面磁场传感器与第一在平面磁场传感器或第二在平面磁场传感器。第三穿隧式磁电阻器的一端与第四穿隧式磁电阻器的一端相互连接并连接至负输入端。第三穿隧式磁电阻器的另一端连接电源。第四穿隧式磁电阻器的另一端接地。穿隧式磁阻参考单元的一端连接第一在平面磁场传感器或第二在平面磁场传感器，且该端连接至负输入端。第一在平面磁场传感器或第二在平面磁场传感器未与穿隧式磁阻参考单元连接的另一端接地。
[0014]本发明提供一种磁场感测电路，用以将三轴磁场传感器所感测磁场转换为电子信号。磁场感测电路包括运算放大器、磁场传感器、第一穿隧式磁阻参考单元、第二穿隧式磁阻参考单元与第三穿隧式磁阻参考单元。运算放大器具有正输入端、输出端与负输入端，其中正输入端连接电压源。磁场传感器如上所述的出平面磁场传感器与第一在平面磁场传感器或第二在平面磁场传感器。第一穿隧式磁阻参考单元具有第一端与第二端，且第一端连接电源。第二穿隧式磁阻参考单元具有第三端与第四端，且第四端连接输出端。第一在平面磁场传感器或第二在平面磁场传感器的一端接地，而其另一端与第二端、第三端、负输入端连接。第三穿隧式磁阻参考单元具有第五端与第六端。第五端连接负输入端。第六端连接输出端。第三穿隧式磁电阻器的一端与第四穿隧式磁电阻器的一端相互连接，并连接至第五端与负输入端。第三穿隧式磁电阻器的另一端连接该电源。第四穿隧式磁电阻器的另一端接地。
[0015]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1A至图1B为用于磁场传感器95的典型穿隧式磁电阻器图示。
[0017]图2与图3分别依照一实施例的一种三轴磁场传感器于不同视角的示意图。
[0018]图4A与图4B是根据一实施例的2轴的在平面磁场传感器的穿隧式磁电阻器的图
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[0019]图5为根据一实施例的在平面磁场传感器的穿隧式磁电阻器沿着易轴的剖视图。
[0020]图6为一实施例的在平面磁场传感器的穿隧式磁电阻器的正规化电导对施加磁场的计算结果，其中也展示典型穿隧式磁电阻器的电导以供参考。
[0021]图7A至图7B展示一实施例的在平面磁场传感器的穿隧式磁电阻器的微磁学仿真。
[0022]图8A、图8B描述Z轴出平面磁场传感器的俯视图及剖视图。
[0023]图9A至图9B是在一实施例的斜面相对于基板的几何坐标关系的图示。
[0024]图10是根据一实施例的穿隧式磁阻参考单元的图示。
[0025]图11是根据一实施例的一种用以将磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号的电路图示。
[0026]图12是根据一实施例的一种用以将磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号的电路图示。
[0027]图13绘示一实施例的磁场感测电路。
[0028]图14绘示另一实施例的磁场感测电路。
[0029]【符号说明】
[0030]10:三轴集成式磁场传感器
[0031]95:磁场传感器
[0032]20、90:基板
[0033]22:平分方向
[0034]101:长轴
[0035]102:底部电极
[0036]103:短轴
[0037]106:顶部电极
[0038]110:磁性穿隧接面元件
[0039]112:固定层
[0040]114:固定磁矩
[0041]115:穿隧层
[0042]116:自由层
[0043]118:自由磁矩
[0044]180:易轴
[0045]200:第一在平面磁场传感器
[0046]210:第一穿隧式磁电阻器
[0047]211:第一底部电极
[0048]212a:第一固定磁距
[0049]212b:第一自由磁距
[0050]213:第一磁性穿隧接面元件
[0051]213a:第一固定层
[0052]213b:第一穿隧层
[0053]213c:第一自由层
[0054]214a:第二固定磁距
[0055]214b:第二自由磁距
[0056]215:第二磁性穿隧接面元件
[0057]215a:第二固定层
[0058]215b:第二穿隧层
[0059]215c:第二自由层
[0060]217:第一顶部电极
[0061] 220:第一易轴
[0062]230:第一固定方向
[0063]240:第一金属线路径
[0064]300:第二在平面磁场传感器
[0065]310:第二穿隧式磁电阻器
[0066]312a:第三固定磁距
[0067]312b:第三自由磁距
[0068]313:第三磁性穿隧接面元件
[0069]314a:第四固定磁距
[0070]314b:第四自由磁距
[0071]315:第四磁性穿隧接面元件
[0072]320:第二易轴
[0073]330:第二固定方向
[0074]340:第二金属线路径
[0075]400:出平面磁场传感器
[0076]410:凹槽或凸起结构
[0077]412:第一斜面
[0078]414:第二斜面
[0079]416:中轴
[0080]420:第三穿隧式电阻器
[0081]422:第三易轴
[0082]424:第五磁性穿隧接面元件
[0083]426:第五固定磁矩
[0084]428:第五自由磁矩
[0085]430:第四穿隧式电阻器测
[0086]432:第四易轴
[0087]434:第六磁性穿隧接面元件
[0088]436:第六固定磁矩
[0089]438:第六自由磁矩
[0090]500:穿隧式磁阻参考单元
[0091]510:第五穿隧式磁电阻器
[0092]512a:第七固定磁矩
[0093]512b:第七自由磁矩
[0094]513:第七磁性穿隧接面元件
[0095]514a:第八固定磁矩
[0096]514b:第八自由磁矩
[0097]515:第八磁性穿隧接面元件
[0098]520:第五易轴
[0099]530:第五固定方向
[0100]540:第三金属线路径
[0101]600:箝位运算放大器
[0102]700:运算放大器
[0103]810:第一穿隧式磁阻参考单元
[0104]820:第二穿隧式磁阻参考单元
[0105]830:第三穿隧式磁阻参考单元
[0106]AF:退火磁场
[0107]Dl:第一端
[0108]D2:第二端
[0109]D3:第三端
[0110]D4:第四端
[0111]D5:第五端
[0112]D6:第六端
[0113]El:正输入端
[0114]E2:输出端
[0115]E3:负输入端
[0116]Iset:电流
[0117]Rm:电阻
[0118]VDD:电源
[0119]VM:中点电压源
[0120]HX:X轴向磁场
[0121]HY:Y轴向磁场
[0122]HZ:Z轴向磁场
【具体实施方式】
[0123]图2与图3分别依照一实施例的一种三轴磁场传感器于不同视角的示意图，同时亦藉以描述三轴磁场传感器在单次退火工艺中施加单一磁场来设定每个互补穿隧式磁电阻器的固定方向的方法。请同时参考图2与图3，在本实施例中，三轴集成式磁场传感器10包括一 2轴的在平面磁场传感器、一 Z轴的出平面磁场传感器400与一穿隧式磁阻参考单元500。所述2轴的在平面磁场传感器包括:第一在平面磁场传感器200与第二在平面磁场传感器300，其中第一在平面磁场传感器200位于基板20上以感测X轴向磁场(HX)，并具有第一穿隧式磁电阻器(TMR) 210以及具有第一易轴220,而该第一易轴220的轴向可被视为Y轴。第二在平面磁场传感器300位于基板20上以感测Y轴向磁场(HY)，并具有第二穿隧式磁电阻器310以及具有第二易轴320，而该第二易轴320的轴向可被视为X轴。再者，在上述结构中，第一易轴220与第二易轴320的夹角为90 ±10度角，且基板20上的平分方向22分别与第一易轴220及第二易轴320夹有45 ±5度角。
[0124]另外，出平面磁场传感器400位于基板20上以感测Z轴向磁场(HZ)。出平面磁场传感器400包括凹槽或凸起结构410、第三穿隧式磁电阻器420与第四穿隧式磁电阻器430，其中凹槽或凸起结构410位于基板20上，并具有第一斜面412、第二斜面414与中轴416。第一斜面412与第二斜面414相对于基板20具有相同的斜角且相对于中轴416具有对称翻转的关系，而中轴416垂直平分方向22。第三穿隧式磁电阻器420形成于第一斜面412上且具有第三易轴422。第四穿隧式磁电阻器430形成于第二斜面414上且具有第四易轴432，其中第三易轴422和第四易轴432平行于中轴416。穿隧式磁阻参考单元500位于基板20上，且具有第五穿隧式磁电阻器510以及具有第五易轴520，其中第五易轴520平行平分方向22。
[0125]详细而言，图4A与图4B是根据一实施例的2轴的在平面磁场传感器的穿隧式磁电阻器的图示。第一在平面磁场传感器200还具有第一固定方向230及第一金属线路径240，该第一金属线路径240配置于该穿隧式磁电阻器200的上方或下方。需先说明的是，为让图式易于辨识，故在图2中省略所述(含后续)的相关金属线路径。第二在平面磁场传感器300还具有第二固定方向330及第二金属线路径340，该第二金属线路径340配置于该穿隧式磁电阻器300的上方或下方。第一固定方向230和第二固定方向330都平行于基板20 (即图中坐标系)的平分方向22，而相对于基板20上的X轴和Y轴具有45度夹角。
[0126]第一穿隧式磁电阻器210包括:具有第一固定磁距212a和第一自由磁距212b的第一磁性穿隧接面元件213 ;以及具有第二固定磁距214a和第二自由磁距214b的第二磁性穿隧接面元件215。第一固定磁距212a和第二固定磁距214a都平行于第一固定方向230。第一自由磁距212b与第二自由磁距214b在初始时是平行于第一易轴220但相互反平行。第二穿隧式磁电阻器310包括:具有第三固定磁距312a和第三自由磁距312b的第三磁性穿隧接面元件313 ;以及具有第四固定磁距314a和第四自由磁距314b的第四磁性穿隧接面元件315。第三固定磁距312a和第四固定磁距314a平行于第二固定方向330。第三自由磁距312b与第四自由磁距314b在初始时平行于第二易轴320但相互反平行。
[0127]进一步地说，上述2轴的在平面磁场传感器彼此具有相同结构。在此以图5为根据一实施例的在平面磁场传感器的穿隧式磁电阻器沿着易轴的剖视图，用以说明其中一个在平面磁场传感器的细部结构以作为代表。请同时参考图5并对照图4A与图4B，实施例的第一穿隧式磁电阻器210是由位于基板20上的第一底部电极211及第一顶部电极217作为电路连接的端点，使第一磁性穿隧接面元件213与第二磁性穿隧接面元件215并联连接。
[0128]第一磁性穿隧接面元件213包括磁性材料的第一固定层213a、非磁性材料的第一穿隧层213b与磁性材料的第一自由层213c。第一固定层213a位于第一底部电极211上、具有平行于第一固定方向230上的第一固定磁矩212a。第一穿隧层213b设置于第一固定层213a上。第一自由层213c设置于第一穿隧层213b上、具有平行于第一易轴220的第一自由磁矩212b,且第一固定方向230与第一易轴220之间形成第一夹角。
[0129]第二磁性穿隧接面元件215具有与第一磁性穿隧接面元件213相同的图案和磁性薄膜堆迭(film stack),其包括磁性材料的第二固定层215a、非磁性材料的第二穿隧层215b与磁性材料的第二自由层215c。第二固定层215a位于第一底部电极211上、具有平行于第一固定方向230上的第二固定磁矩214a。第二穿隧层215b设置于第二固定层215a上。第二自由层215c设置于第二穿隧层215b上、具有平行于第一易轴220的第二自由磁矩214b。第一顶部电极217连接第一自由层213c与第二自由层215c。值得注意的是，第一自由磁矩212b和第二自由磁矩214b在初始状态下平行于第一易轴220但相互反平行，且第一固定方向230与第一易轴220之间的第一夹角实质为45±5度或135±5度，其中第一磁场感测方向在基板20上垂直于第一在平面磁场传感器200的第一易轴220。
[0130]另需说明的是，第一底部电极211与第一顶部电极217分别是在基板20上由导电材料(例如Ta、T1、TiN、TaN、Al、Cu、Ru、…等等)所形成。所述固定层(pined layer)则是由磁性材料例如NiFeXoFeXoFeB...形成。所述穿隧层则是由非磁性材料例如A10、Mg0、…等等所形成。
[0131]第一金属线路径240越过第一磁性穿隧接面元件213和第二磁性穿隧接面元件215，且可施加设定电流ISET使其产生磁场。施加于第一磁性穿隧接面元件213和第二磁性穿隧接面元件215的磁场都平行于第一易轴220但在方向上相反，使第一自由磁距212b与第二自由磁矩214b设定为反平行。
[0132]根据以上公开内容，可自公式(I)获得该第一穿隧式磁电阻器210的电导。图6为该第一穿隧式磁电阻器210的正规化电导对施加磁场的计算结果，其中也展示典型穿隧式磁电阻器95的电导以供参考。
【权利要求】
1.一种三轴磁场传感器，包括: 第一在平面磁场传感器，位于基板上以感测X轴向磁场，并具有第一穿隧式磁电阻器以及具有第一易轴，而该第一易轴被视为Y轴； 第二在平面磁场传感器，位于该基板上以感测Y轴向磁场，并具有第二穿隧式磁电阻器以及具有第二易轴，而该第二易轴被视为X轴， 其中该第一易轴与该第二易轴的夹角为90±10度角，且该基板上的平分方向分别与该第一易轴及该第二易轴夹有45 ±5度角； 出平面磁场传感器，其位于该基板上以感测Z轴向磁场，该出平面磁场传感器包括:凹槽或凸起结构，位于该基板上，具有第一斜面与第二斜面与中轴，其中该第一斜面与该第二斜面相对于该基板具有相同的斜角且相对于该中轴具有对称翻转的关系，且该中轴垂直该平分方向； 第三穿隧式磁电阻器，形成于该第一斜面上，具有第三易轴； 第四穿隧式磁电阻器，形成于该第二斜面上，具有第四易轴， 其中该第三易轴和该第四易轴平行于该中轴；以及 穿隧式磁阻参考单元，位于该基板上，且具有第五穿隧式磁电阻器以及具有第五易轴，其中该第五易轴平行该平分方向。
2.如权利要求1所述的三轴磁场传感器，其中该第一穿隧式磁电阻器具有第一固定方向且包括: 第一底部电极，位于该基板上，且作为电路连接的端点； 第一磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第一固定层，位于该第一底部电极上、具有平行于该第一固定方向上的第一固定磁矩； 非磁性材料的第一穿隧层，其设置于该第一固定层上；以及 磁性材料的第一自由层，其设置于该第一穿隧层上、具有平行于该第一易轴的第一自由磁矩，且该第一固定方向与该第一易轴之间形成第一夹角； 第二磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第二固定层，位于该第一底部电极上、具有平行于该第一固定方向上的第二固定磁矩； 非磁性材料的第二穿隧层，设置于该第二固定层上；以及 磁性材料的第二自由层，设置于该第二穿隧层上、具有平行于该第一易轴的第二自由磁矩；以及 第一顶部电极，其连接该第一自由层与该第二自由层，且作为电路连接的端点， 其中该第一自由磁矩和该第二自由磁矩在初始状态下平行于该第一易轴但相互反平行，且该第一固定方向与该第一易轴之间的该第一夹角实质为45±5度或135±5度，其中第一磁场感测方向在该基板上垂直于该第一易轴。
3.如权利要求2所述的三轴磁场传感器，还包括: 可流通电流以产生磁场的第一金属线，藉以将该第一自由磁矩和该第二自由磁矩的初始状态设定为平行于该第一易轴但相互反平行。
4.如权利要求1所述的三轴磁场传感器，其中该第二穿隧式磁电阻器具有第二固定方向且包括: 第二底部电极，位于该基板上，且作为电路连接的端点； 第三磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第三固定层，位于该第二底部电极上、具有平行于该第二固定方向的第三固定磁矩； 非磁性材料的第三穿隧层，设置于该第三固定层上；以及 磁性材料的第三自由层，设置于该第三穿隧层上、具有平行于该第二易轴的第三自由磁矩，且该第二固定方向与该第二易轴之间形成第二夹角； 第四磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第四固定层，位于该第二底部电极上、具有在该第二固定方向上的第四固定磁矩； 非磁性材料的第四穿隧层，设置于该第四固定层上； 磁性材料的第四自由层，设置于该第四穿隧层上、具有平行于该第二易轴的第四自由磁矩；以及 第二顶部电极，连接该第三自由层与该第四自由层，且作为电路连接的端点， 其中该第三自由磁矩和该第四自由磁矩在该初始状态下平行于该第二易轴但相互反平行，且该第二固定方向与该第二易轴之间的该第二夹角实质为45±5度或135±5度,其中第二磁场感测方向在该基板上垂直于该第二易轴。
5.如权利要求4所述的三轴磁场传感器，还包括: 可流通电流以产生磁场的第二金属线，藉以将该第三自由磁矩和该第四自由磁矩的初始状态设定为平行于该第二易轴但相互反平行。
6.如权利要求1所述的三轴磁场传感器，其中该第三穿隧式磁电阻器包括: 第三底部电极，位于该第一斜面上，且作为电路连接的端点； 第五磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第五固定层，位于该第三底部电极上、具有沿该第一斜面并且垂直于第三易轴的第五固定磁矩； 非磁性材料的第五穿隧层，设置于该第五固定层上；以及 磁性材料的第五自由层，设置于该第五穿隧层上、具有平行于该第三易轴的第五自由磁矩；以及 第三顶部电极，连接该第五自由层，且作为电路连接的端点； 其中该第四穿隧式磁电阻器包括: 第四底部电极，位于该第二斜面上，且作为电路连接的端点； 第六磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第六固定层，位于该第四底部电极上、具有沿该第二斜面并且垂直于第四易轴的第六固定磁矩； 非磁性材料的第六穿隧层，设置于该第六固定层上；以及 磁性材料的第六自由层，设置于该第六穿隧层上、具有平行于该第四易轴的第六自由磁矩，且该第五自由磁矩与该第六自由磁矩互为平行排列或反平行排列；以及第四顶部电极，连接该第六自由层，且作为电路连接的端点。
7.如权利要求1所述的三轴磁场传感器，其中第五穿隧式磁电阻器具有平行于该第五易轴的第五固定方向且包括: 第五底部电极，位在该基板上，且作为电路连接的端点； 第七磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第七固定层，位于该第五底部电极上、具有平行于该第五固定方向的第七固定磁矩； 非磁性材料的第七穿隧层，设置于该第七固定层上；以及 磁性材料的第七自由层，设置于该第七穿隧层上、具有平行于该第五易轴的第七自由磁矩； 第八磁性穿隧接面元件，包括: 磁性材料的第八固定层，位于该第五底部电极上、具有平行于该第五固定方向上的第八固定磁矩，且该第七固定磁矩与该第八固定磁矩的方向相同； 非磁性材料的第八穿隧层，设置于该第八固定层上；以及 磁性材料的第八自由层，设置于该第八穿隧层上、具有平行于该第五易轴的第八自由磁矩；以及 第五顶部电极，连接该第七自由层与该第八自由层，且作为电路连接的端点， 其中该第七自由磁矩与该第八自由磁矩在该初始状态下平行于该第五易轴但相互反平行。
8.如权利要求7所述的三轴磁场传感器，还包括: 可流通电流以产生磁场的第三金属线，藉以将该第七自由磁矩和该第八自由磁矩的初始状态设定为平行于该第五易轴但相互反平行。
9.一种用于制作磁场感测结构的方法，其中该磁场感测结构是如权利要求1所述的三轴磁场传感器，该方法包括: 施加单次退火磁场于所述的三轴磁场传感器，该单次退火磁场的方向平行X-Y平面并分别与该第一易轴与该第二易轴夹45±5度角，并垂直于该第三易轴与该第四易轴，且平行于该第五易轴。
10.一种磁场感测电路，用以将磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号，该磁场感测电路包括: 磁场传感器，如权利要求1所述的该出平面磁场传感器；以及 箝位运算放大器，具有正输入端、输出端、负输入端与电阻，其中该第三穿隧式磁电阻器的一端与该第四穿隧式磁电阻器的一端相互连接并连接至该负输入端，而该第三穿隧式磁电阻器的另一端连接电源，该第四穿隧式磁电阻器的另一端接地，该正输入端连接中点电压源，该电阻连接在该输出端与该负输入端之间。
11.一种磁场感测电路，用以将磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号，包括: 磁场传感器，如权利要求1所述的该第一在平面磁场传感器或该第二在平面磁场传感器； 箝位运算放大器，具有正输入端、输出端、负输入端与电阻，该正输入端连接中点电压源，该电阻连接在该输出端与该负输入端之间；以及 穿隧式磁阻参考单元，其一端连接该磁场传感器，且该端连接该负输入端，而其另一端连接电源，磁场传感器未连接该穿隧式磁阻参考单元的另一端接地。
12.一种磁场感测电路，用以将三轴磁场传感器所感测的磁场转换为电子信号，包括: 箝位运算放大器，具有正输入端、输出端、负输入端与电阻，该正输入端连接中点电压源，该电阻连接在该输出端与该负输入端之间； 磁场传感器，如权利要求1所述的该出平面磁场传感器与该第一在平面磁场传感器或该第二在平面磁场传感器，其中该第三穿隧式磁电阻器的一端与该第四穿隧式磁电阻器的一端相互连接并连接至该负输入端，而该第三穿隧式磁电阻器的另一端连接电源，该第四穿隧式磁电阻器的另一端接地；以及 穿隧式磁阻参考单元，其一端连接该第一在平面磁场传感器或该第二在平面磁场传感器，且该端连接至该负输入端，而该第一在平面磁场传感器或该第二在平面磁场传感器未与该穿隧式磁阻参考单元连接的另一端接地。
13.—种磁场感测电路，用以将三轴磁场传感器所感测磁场转换为电子信号，包括: 运算放大器，具有正输入端、输出端与负输入端，该正输入端连接电压源； 磁场传感器，如权利要求1所述的该出平面磁场传感器与该第一在平面磁场传感器或该第二在平面磁场传感器； 第一穿隧式磁阻参考单元，具有第一端与第二端，该第一端连接电源； 第二穿隧式磁阻参考单元，具有第三端与第四端，该第四端连接该输出端，而该第一在平面磁场传感器或该第二在平面磁场传感器的一端接地，而其另一端与该第二端、该第三端、该负输入端连接； 第三穿隧式磁阻参考单元，具有第五端与第六端，该第五端连接该负输入端，该第六端连接该输出端，该第三穿隧式磁电阻器的一端与该第四穿隧式磁电阻器的一端相互连接并连接至该第五端与该负输入端，而该第三穿隧式磁电阻器的另一端连接该电源，该第四穿隧式磁电阻器的另一端接地。
【文档编号】G01R33/09GK104076302SQ201310208477
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年3月26日
【发明者】陈永祥, 郭耿铭, 王丁勇, 简政尉 申请人:财团法人工业技术研究院