专利名称：具有几个传感元件的磁阻角传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁阻角传感器，其包括一个具有主参考磁化轴的主传感元件，其用于确定所述主参考磁化轴与磁场方向之间的角。
本发明进一步涉及一种制造包括主传感元件的磁阻传感器的方法，所述主传感元件包括一个主参考磁化轴，该磁阻传感器用于确定所述主参考磁化轴与磁场方向之间的角。
从Eurosensors XIII(欧洲传感器XIII)论文，The13thEuropeanConference on Solid State Transducers，September 12-15，1999，The Hague，The Netherlands，pages 589-596；“Robust giantmagnetoresistance sensors”，K.-M.H.Lenssen et al.(于1999年9月12至15日在荷兰海牙召开的第十三次欧洲固态变送器大会的第589-596页K.-M.H.Lenssen等人著的文章“坚固的巨磁阻传感器”)中可以了解这样的一种磁阻传感器及其一种制造方法。
磁阻是当磁场被放置在某些材料上时这些材料的电阻由此变化的现象。铁磁性的磁阻角传感器被广泛地应用在处于如汽车或工业等恶劣环境的非接触角位置传感器中。通常这些传感器对磨损和污染并不敏感。当使用在一个足够强的饱和磁场时，相对于杂散场如地球的磁场或其它磁场，它们对场强度变化的敏感性很低。这使得这种类型的角传感器极能容忍磁阻传感器本身与产生磁场的偏置磁体之间距离的变化。
不同类型的铁磁性磁阻传感器是公知的各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器及隧道效应磁阻(TMR)传感器。
AMR出现在铁类材料中。当不平行于一铁类材料薄条中电流的磁场被施加时，电阻将发生变化。当所施加的磁场垂直于电流时此电阻具有最大值。
AMR传感器典型地由单层Ni-Fe薄膜组成并被构造成蛇曲形状。根据R(θ)＝R(0°)+ΔR(1-cos2θ)/2，这些传感器的电阻取决于通过蛇曲条的电流与Ni-Fe的磁化方向之间的角θ。
GMR和TMR传感器均是具有至少两层的多层配置，在旋转阀(spinvalve)GMR和TMR角传感器中，两层中的一层或者是通过交换偏置(exchange biasing)被钉扎到例如Ir-Mn、Fe-Mn或NiO的抗铁磁体(AF)层，或者由人造抗铁磁体(AAF)组成，所述人造抗铁磁体通过例如由一个AF层所交换偏置的CoFe/Ru/CoFe构成。所述磁层的磁化方向限定了主参考磁化轴。另一层(自由层)被制作得尽可能地软以便于顺从一个外部磁场方向。
在GMR和TMR传感器中，根据R(θ)＝R(0°)+ΔR(1-cosθ)/2电阻取决于所钉扎磁层的磁化方向和软磁层的磁化方向之间的角θ，其中所钉扎磁层的方向限定主参考磁化轴。
从上述论文中所知的磁阻传感器因其固有的角相关性，所以非常适合于模似量角感测。
公知的磁阻传感器的一个缺点是在相对弱的磁场下，输出信号偏离理想的正弦输出信号。在正弦输出信号中的失真出现在AMR传感器和GMR传感器两者中并且在很大程度上是由于软磁材料例如Ni-Fe的各向异性所导致，这将在此后加以解释。
在AMR传感器中，磁化方向由条形Ni-Fe材料的单轴各向异性与外部磁场之间的平衡而确定。在淀积过程中所导致的单轴各向异性通常是在淀积过程中所导致的晶体各向异性与形状各向异性的组合。在没有施加外部磁场时，磁化方向是沿着由各向异性所设置的易磁化轴的两个方向中的任何之一方向。在一个强且饱和的磁场中，磁化方向接近所施加的磁场方向。在旋转磁场中获得正弦的电阻变化。在相对弱的场中，磁化方向显著地偏离所施加场的方向，其导致基于AMR的角度传感器的周期性输出信号的失真。然而，弱工作场令人感兴趣，因为可以用廉价的铁钡氧化物偏置磁体来产生这些场。AMR传感器仅在约为100kA/m或更高的强场中才提供高的角精确度，这只能够由昂贵的SmCo或NdFeB磁体产生。
在旋转阀GMR和TMR角度传感器中，软磁层通常具有有限的各向异性并且通过橘皮(orange-peel)耦合和静磁耦合将其耦合到被钉扎的层。需要一个最小磁场强度以克服耦合和各向异性，以便于将外部场方向强加到自由层的磁化方向。但是，强磁场也影响被钉扎层或AAF的磁化方向，该磁化方向作为GMR或TMR元件的参考方向。实际上，若不在所有的场方向上影响所钉扎层或AAF的磁化方向，则无法使自由层完全饱和。这限制了在GMR基角位置传感器中可以获得的精度。
本发明的一个目的是提供一种在首段所述类型的磁阻传感器，这种传感器很容易实现并且能够在宽磁场强度范围内精确感测出角方向。
根据本发明，这一目的得以实现，因为主传感元件被电连接到具有第一参考磁轴的第一校正传感元件和具有第二参考磁轴的第二校正传感元件，第一和第二参考磁轴使与主参考轴的校正角θ在反号的5°和85°之间。在使用期间，主传感器的正弦输出信号包括一个失真，这一失真在很大程度上是由于在例如Ni-Fe软磁材料中的各向异性造成的。特别是在弱磁场中，磁化并不完全顺着磁场方向。通过添加两个校正传感元件，来自主传感器输出中的误差被校正。第一和第二传感元件的参考磁化方向被布置在相对于主传感受元件的主参考磁化方向的校正角上，例如在主传感受元件相应侧上到其的正和负角处。对于AMR传感器元件优选地是与主传感元件的偏置电流相比，通过物理性地使校正元件相对于主传感器元件成一角度，每个校正元件的偏置电流按一个角度被布置。对于一个磁阻GMR或TMR传感元件优选地是每个校正元件的偏置磁化方向相对于主传感元件的偏置磁化方向按一个角度被布置。校正传感元件的引入增加了在宽磁场强度范围内确定外部场方向的精确度。
为了明确确定AMR在180°范围内的外部磁场方向及GMR或TMR在360°范围内的外部磁场方向，根据本发明的两个同种类型的磁阻传感器是必须的。为此本发明也涉及如权利要求2所限定的一种传感器装置。两个主传感元件的主参考磁化轴被相互旋转过主传感元件周期性输出信号的四分之一周期。为了校正每个主传感元件的输出，有必要了解误差信号。误差信号具有两倍于两个主传感元件的输出信号周期的周期。通过在每个主传感元件的每一侧添加第一和第二校正传感元件，该误差信号可以至少被部分地消除。第一和第二传感元件的参考磁化方向和主参考磁化方向之间的校正角被选定为每个校正传感元件的1/8周期。误差信号几乎完全得到消除，这是因为校正元件的输出信号具有与误差信号相同的周期并且被移动半个误差信号周期。根据本发明的传感器装置的一个实施例在权利要求3中加以限定。
优选地是也要提供第二阶或更高阶的角校正，例如本发明的一个实施例的磁阻传感器可能包括多个第二阶校正或更高阶校正元件，它们在主传感元件的任一侧上相互电连接。附加的校正传感元件具有参考磁化轴，这种参考磁化轴使相对主参考磁化轴的异号角基本上为第一主传感器输出信号周期的n.1/16，其中n为一个整数。
本发明还包括一个磁阻惠斯登桥型角传感器装置，其可能包括被提供有如上所述的至少第一阶角校正元件的四个磁传感元件。这样的装置在权利要求5中加以限定。惠斯登桥角传感器装置的优点在于温度对电阻的影响被抑制。
本发明的另一个目的是提供一种制造磁阻传感器的方法，这种传感器能够在宽的磁场强度范围内准确地感测出磁场的角方向，所述方法容易可行。
本发明的另一个目的通过权利要求6所限定的方法而获得。
本发明包括例如构成相应角，这个相应角是在校正元件所拟采用的角度处具有偏置方向的足够强偏置磁场中，通过局部将每个校正元件加热到交换偏置的阻塞温度之上而构成。根据本发明所述方法的优选实施例在权利要求7中加以限定。
优选地是，局部加热是靠让电流通过第一或第二传感元件而完成。另一选择是，局部加热借助激光而实现。
上述磁阻传感器装置可能采用单掩模在单芯片上被制造出来而同时仍然提供对输出信号中失真的校正。这种制造方法简单且便宜。
从下面的详细描述并且结合通过实例举例说明本发明原理的附图中，本发明的其它特点和优点将变得显而易见。
图1显示作为所施加低值磁场方向的函数，由基于AMR效应的磁阻传感器所感测出的角，上面的曲线即虚线表示一个未校正角传感器的结果并且下面的曲线表示根据本发明传感器的一个实施例的结果。
图2显示出与根据本发明的具有校正装置的惠斯登桥配置相比较，两个相互被旋转过45°的AMR惠斯登桥配置的误差信号。
图3举例说明一个根据本发明传感器的AMR实施例。
图4显示一个应用在根据本发明的惠斯登桥配置中的AMR角传感器装置。
图5显示出与根据本发明的具有校正装置的惠斯登桥配置相比较，两个相互被旋转过90°的AMR惠斯登桥配置的误差信号。
图6显示出一个根据本发明传感器的GMR实施例。
图7显示一个应用在根据本发明的惠斯登桥配置中的GMR角传感器装置。
图8显示一个GMR主传感元件在紧接淀积之后、这个主传感元件在退火之后以及根据本发明传感器的一个实施例在退火之后的角误差，这个角误差为磁场强度的函数。
本发明参考某些附图及某些实施例被加以说明，但是本发明并不仅局限于此。
图1显示作为所施加磁场角方向函数的一个传统的AMR基角传感器(虚线)的所测量角(左侧的Y轴)。该磁场可能通过一个相对传感器旋转的磁体被施加。所施加的磁场相对较弱并且太弱以致于不能使传感器饱和；这个效应由可观察到的非线性曲线反映出来。
图2显示在两个磁场强度(10kA/mt 30kA/m)下，对于相对彼此以45°放置且具有3kJ/m3各向异性的两个传统AMR惠斯登桥类型的角传感器装置所测量出的非线性度(即；误差信号)。所述非线性被定义为AMR惠斯登类型角传感器装置的两个实际输出信号的比率与经过arctanθ转换的最佳拟合直线之差。因此通过从最佳拟合直线中减去输出可计算出误差信号。可以看出对于较强的磁场(与实线相比较的虚线)非线性度下降。两个非校正的相互被旋转过45°的惠斯登类型角传感器输出信号的非线性粗略为正弦曲线，该正弦曲线具有45°的周期，其是一个惠斯登桥类型的角传感器装置的输出信号周期的四分之一。校正传感元件至少部分地将所测量角的误差消除到1°以下。
按照根据本发明的传感器的一个实施例，如在图3示意性所示，校正传感器元件6、8被添加到AMR角传感器1的主传感元件2的任一侧上。主传感元件2被提供有多个细长的铁磁条4例如Ni-Fe，其以180°蛇曲(或转回蛇曲)的形状提供一个元件电阻R0。传感AMR元件2的输出被添加到两个附加的校正元件6、8的输出上，如图3所示，所述的两个附加的校正元件中的一个被放置到传感元件2的每一侧上并且被串联地电连接到传感元件2上。如在主传感元件中所述，每个校正元件6、8可能分别由细长的铁磁元件5和7来构造。校正元件6、8相对于第一主传感元件2以一个角θ这样的方式被布置，以便于至少部分地补偿主传感元件2输出信号的非线性。例如，相对于主传感元件2，在传感元件2一侧(还被称为后侧(trailing side))上的校正元件6被旋转过-22.5°角并且在另一侧(还被称为前侧(leadingside))的校正元件被旋转过22.5°角。所述术语前侧和后侧涉及到这样的事实，即当角传感器1相对一个磁场被旋转时，校正元件8领先于传感元件2并且校正元件6落在最后。
校正元件6、8的输出信号被位移主传感元件2误差信号的半个周期。这些相对于主传感元件2输出的角位移信号总和造成至少部分消除传感器1输出中的非线性。为了校正误差信号的振幅，校正元件6、8要具有主传感元件2电阻R0的1/√2R0的电阻。
线性度的改进在图1(实线，参考图中右侧的Y轴)及在图2(圆的虚线和矩形虚线)中显示。总输出量的一些损失被获得，例如，输出信号量降低到校正前输出信号量的约80％。
一个具有四个磁阻传感器12；13；14；15的完整AMR惠斯登桥11的实施例被显示在图4中，其中主传感元件22；25；28；31分别相似于如上所述的传感元件2。每个主传感器元件22；25；28；31具有两个校正元件21，23；24，26；27，29；30，32，一个校正元件以到主传感元件的一个角例如+/-22.5°被放置在该主传感元件的每侧。校正元件21，23；24，26；27，29；30，32可以按照如上所述校正元件6、8所描述的相同方法加以设计。每个传感器12；13；14；15分别由三个元件21，22，23；24，25，26；27，28，29；30，31，32组成。到惠斯登桥的连接是通过导电垫16、17、18、19而完成的。
第二及更高阶的校正可能通过在相对于每个主传感器例如33.75、11.25、-11.25和-33.75的角处添加另外的校正元件而获得。每个校正元件具有一个最优化的电阻，以便使这些附加的校正元件有助于消除剩余的非线性。
图5显示在两个磁场强度(20kA/m和40kA/m)下对于相对彼此以90°放置的两个传统GMR惠斯登桥类型的角传感器装置所测量出的非线性(即；误差信号)程度。所述非线性度被定义为AMR惠斯登角传感器装置的两个实际输出信号的比率与经过arctanθ转换的最佳拟合直线之差。因此通过从最佳拟合直线中减去输出可以计算出误差信号。可以看出对于较强的磁场(与实线相比较的虚线)非线性度下降。相对彼此以90°被放置的两个非校正的惠斯登类型角传感器输出信号的非线性粗略为正弦曲线，该正弦曲线具有90°的周期，其是一个惠斯登桥类型角传感器装置的输出信号周期的四分之一。按照根据本发明的传感器的一个实施例，通过采用一个主传感元件和两个串联其上的校正元件获得第一极校正，其中被钉扎的层或校正元件的被钉扎的AAF具有与主校正元件的偏置磁化方向成角θ的偏置磁化方向。例如，偏置角基本上为误差信号周期的一半，即相对于主传感器元件为-45和45度。每个校正元件的电阻被优化，例如等于主传感元件电阻值的1/√2的一个电阻值。这个传感器的工作原理与在图3中所示的工作原理相似，即由校正元件所提供的对总传感器1输出的贡献要如此，以便于消除至少信号的一部分非线性。在图5中显示出对两个不同的磁场通过这种校正方法所取得的非线性降低。校正传感元件至少部分地将所测量角中的误差消除到+/-1°以下。
图6显示出一个作为根据本发明传感器实施例的GMR角传感器40，其包括一个单GMR主传感元件34以及放置在其每一侧的两个校正元件36、38。在图6中所示的箭头指示由AF层或AAF所导致的所述三元件34、36、38的偏置方向。每个元件34、36、38包括细长多层条35，其构成一个180°的蛇曲。注意因为元件34、36、38被布置在一条直线上，所以主元件34和校正元件的偏置磁化方向之间的角θ为45°。因此，本发明不仅包括物理地以到主传感元件的一个角放置校正传感器，而且还包括改变校正元件的偏置磁化方向以获得相同的效果或上述这些方法的组合。
通过再添加在中间角例如+/-22.5°具有偏置磁化方向的校正元件，可以获得更高阶的校正。
图7显示根据本发明适合于作为具有第一阶校正的GMR惠斯登桥使用的传感器装置的另一实施例。该装置具有四个传感器11；12；13；14，其中的主传感元件22；25；28；31分别与上述的传感元件34相类似。每个主传感元件22；25；28；31具有两个校正元件21，23；24，26；27，29；30，32，每个校正元件均被放置在主传感元件的每一侧，借此校正元件的偏置磁化方向与主传感元件的偏置磁化方向成一角度，例如+/-45°。校正元件21，23；24，26；27，29；30，32可以按照与如上所述的校正元件36，38相类似的方法构造。每个传感器11；12；13；14分别由三个元件21，22，23；24，25，26；27，28，29；30，31，32组成。到惠斯登桥的连接通过导电垫16、17、18和19实现。惠斯登桥配置的优点在于输出信号比传感器1的输出信号大并且信号与噪声比得到改善。
对于AMR传感器，添加具有旋转任何适合角度的参考方向的附加校正元件是相对比较简单的。仅是用于淀积铁磁层的遮光板设计必须更改以结合这种校正。
对于具有所钉扎层的GMR或TMR传感器，更困难地是限定在一个传感器芯片上的不同偏置方向。在由Ir-Mn所偏置的传感器中，偏置方向可以在淀积期间被限定。但是，困难地是将六个不同的磁场方向同时加到一个小的传感器芯片上。淀积后，如果元件被加热到交换偏置的阻塞温度(blocking temperature)之上，则偏置方向可以被改变。通过在足够强的磁场下对单个元件进行选择性加热，每个元件的偏置方向可以设置在任何方向上。选择性加热可以借助将一大电流传送通过所选择的元件、借助激光加热或借助其它利用光选择性地加热晶片(wafer)上固定点的方法进行。
另一选择方法是利用当铁磁层在一磁场中被淀积在抗铁磁(AF)层上时在一些铁磁层内所存在的分散(dispersion)，当铁磁层很薄时(＜2-3nm)分散尤其大。这些层在磁场方向上的平均偏置方向是处在磁场方向上但是分散导致在显微的尺度下偏置方向扩展到一个角度范围，这个角度范围随着铁磁层厚度的减小而增加。适当在+/-45°范围内的分散具有与如图8所示采用具有离散偏置方向的附加GMR元件的校正方案相类似的效果。分散降低了最大的GMR效果。
虽然参考所优选的实施例已经对本发明进行了显示和说明，但是本领域的一般技术人员要理解到在形式和细节上可以进行各种改动或修改而不违背本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种磁阻传感器1，其包括一个具有主参考磁化轴3的主传感元件2，其用于确定所述主参考磁化轴3与磁场方向之间的角，其特征在于主传感元件2被电连接到具有第一参考磁化轴9的第一校正传感元件6及具有第二参考磁化轴10的第二校正传感元件8上，第9和第10参考磁化轴与主参考轴3形成反号的5°和85°之间校正角θ。
2.一种包括如权利要求1所述类型的第一传感器和第二传感器的传感器装置，其特征在于第二传感器的主参考磁化轴3被旋转过第一传感器主传感元件的周期性输出信号的四分之一周期，并且校正角为每个校正传感元件的1/8周期。
3.如权利要求2所述的传感器装置，其特征在于第一和第二校正传感元件6、8具有基本上为主传感元件电阻的1/√2倍的电阻。
4.如权利要求1所述的传感器或如权利要求2或3所述的传感器装置，其包括附加的与第一和第二校正传感元件6、8同类型的校正传感元件，所述附加的校正传感元件具有参考磁化轴，该参考磁化轴使相对主参考磁化轴的异号角基本上为第一主传感器1输出信号周期的n.1/16，其中n为一个整数。
5.一种包括四个如权利要求1所限定类型的磁阻传感器的传感器装置，所述磁阻传感器被结合进一个惠斯登桥配置。
6.一种制造如权利要求1所限定类型的磁阻传感器的方法，根据所述方法，所有的传感元件2、6、8被喷射淀积到一个单基片上并且第一和第二校正传感元件6、8的参考磁化轴9、10与主参考磁化轴3之间的校正角θ通过将所喷射的材料形成图案而构成。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于主参考磁化轴3与第一和第二校正传感元件6、8的参考磁化轴9、10之间的角θ以下述方式构成，即通过在具有与校正角θ相同方向的偏置磁场中局部或单独加热第一和第二传感元件6、8而构成，其中校正角θ为主参考磁化轴3与第一校正传感元件6和第二校正传感元件8的参考磁化轴9、10之间的角。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于局部加热是借助于使电流通过第一校正传感元件6或第二校正传感元件8而实现。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于加热是借助于激光而实现。
全文摘要
提供有一种用于确定磁场方向的磁阻角传感器(1)。获得在宽磁场强度范围内的高角精确度。所述磁阻角传感器包括一个主传感元件(2),该主传感元件(2)被电连接到具有第一参考磁化轴(9)的第一校正传感元件(6)和具有第二参考磁化轴(10)的第二校正元件(8)上,第一(9)和第二(10)参考磁化轴使与主参考轴(3)的校正角θ在异号的5°和85°之间。
文档编号H01L43/08GK1388901SQ01802722
公开日2003年1月1日 申请日期2001年5月31日 优先权日2000年7月13日
发明者D·J·阿德莱尔霍夫 申请人:皇家菲利浦电子有限公司