专利名称：磁传感器及测量外磁场的方法
技术领域：
本发明涉及磁传感器领域，该磁传感器利用具有取决于磁场的电阻的磁致电阻分层结构。
背景技术：
磁致电阻元件特征在于强烈依赖于外加磁场的幅度和/或方向的电阻。因此，磁致电阻元件理论上提供磁场强度和磁场方向的有效测定。例如，当元件的电阻随该元件与所加磁场的方向之间的角度变化时，通过利用这样的元件，可以以无接触方式有效地测量旋转角。
通常，存在利用不同基本效应的大量不同磁致电阻元件。例如，各向异性磁致电阻(AMR)效应显示存在磁场时电阻的变化。AMR传感器通常由软磁材料制成，例如沉积在硅晶片上的镍铁(坡莫合金)薄膜。该磁致电阻效应主要由电流与磁化方向之间的相对方向产生。
另一称为巨磁致电阻(GMR)的效应可以通过使用交替的磁层和非磁层的堆叠来被利用。磁层通常是铁磁的。相邻铁磁层的磁化例如在没有磁场时以反平行方式耦合，并且这样的GMR元件的电阻强烈依赖于相邻放置的磁层的磁化的相互取向。因此，传统GMR元件不允许直接测定磁场的方向。
然而，称为自旋阀的专用GMR系统也提供磁场方向的测定。GMR自旋阀元件特征在于具有固定空间取向的磁反铁磁层，即所谓的钉扎层。通常，该钉扎层、铁磁层即所谓的被钉扎层之间存在强耦合。第二铁磁层即自由层与该被钉扎层相邻地设置。被钉扎层和自由层之间的相对磁化取向决定该层结构的电阻。因为自由层的磁化弱耦合到被钉扎层的磁化，所以自由层的磁化方向以平行的方式跟随外磁场的方向，同时被钉扎层的磁化方向不能跟随外磁场的方向。因此，自旋阀能测量磁场的方向。
只要外磁场与自由层的磁化之间的相互作用力强于自由层和被钉扎层之间的弱耦合力，则自由层的磁化就平行于外磁场的方向。只要外磁场与被钉扎层的磁化之间的相互作用力弱于被钉扎层与钉扎层之间的耦合力，则被钉扎层的磁化方向就独立于外磁场。因此，利用GMR自旋阀，磁场方向能够与其幅度无关地被测定，假定该幅度保持在预定限度内。
在自旋阀系统中以及对于AMR元件，电阻取决于铁磁层的磁化与本征方向即各向异性方向之间的角度。在GMR自旋阀系统中该各向异性方向由被钉扎层定义且在AMR系统中它由电流定义。在两种情况中，外磁场方向能够在0°至180°的范围明确地确定。
原则上，磁场方向的测定需要数个AMR或GMR自旋阀元件构成的组件，这些元件可以例如以桥电路布置，诸如惠斯通电桥。在这样的布置中，AMR和GMR自旋阀元件必须在灵敏平面内相互地旋转。因此，它们的各向异性方向必须指向不同方向。这要求选定GMR自旋阀的人工定向，这在批量生产工艺的框架中是非常不利的。替代地，在生产工艺期间，选定的GMR自旋阀可经受额外的退火工艺，该退火工艺用于相对于未选定自旋阀元件的钉扎方向旋转选定元件的钉扎方向。人工重定向以及进行复杂的退火工艺表现出与生产成本和生产效率有关的缺点，特别是在批量生产工艺中。对于方向磁传感器，利用具有共同钉扎方向或共同各向异性方向的AMR或GMR自旋阀元件的组件将是有利的。
另外，对于一些应用如磁卡读取器、磁梯度仪或磁编码器，必须设置一对磁致电阻元件且以数十或数百微米或者甚至数毫米的间隙将其分隔开。特别地，在批量生产工艺中，当必须沿垂直于平的磁致电阻元件的灵敏平面的方向分隔两个或更多磁致电阻元件时，这是非常复杂的。通常，磁致电阻元件通过在衬底上沉积薄膜层来制造。层的平面例如x-y平面决定在其中磁致电阻元件对磁场灵敏的平面。在z方向上以大的距离布置各种磁致电阻元件需要沉积很厚的绝缘材料层。具有10μm至高达数毫米厚度的层借助于溅镀的沉积是极其耗成本和时间的，因此是不合适的。
因此，本发明所要解决的技术问题是提供利用磁致电阻分层结构的磁传感器，所述磁致电阻分层结构具有公共钉扎方向或各向异性方向且提供外加磁场的方向的明确确定；以及提供能够测量磁场分量的磁传感器，所述磁场分量指向在该磁致电阻元件对磁场不灵敏的方向。
发明内容
本发明提供一种磁传感器，其包括至少第一和至少第二软磁材料结构，所述至少第一和至少第二软磁材料结构被空间分隔开且形成第一间隙。所述第一和第二软磁材料结构适于响应于外磁场在所述第一间隙附近形成沿基本垂直于所述第一间隙的延伸的方向指向的间隙磁场，所述外磁场至少具有沿基本平行于所述第一间隙的所述延伸的方向指向的分量。另外，所述磁传感器包括至少第一磁致电阻分层结构，其位于所述第一间隙内或所述第一间隙附近且对所述间隙磁场灵敏。
软磁材料是磁导率显著高于自由空间的磁导率的材料。通常，软磁材料不能被永久磁化至显著程度。这些特性允许软磁材料以与铜线被用于传导电流很相似的方式传导磁通。软磁材料的普通示例是纯铁和镍铁钢例如坡莫合金、FeAlN、CoFe、CoZrTa。
由所述至少第一和第二软磁材料结构形成的该间隙磁场基本跨过由该至少两个软磁结构形成的间隙指向。特别地，该软磁结构具有一几何形状且以一方式布置，使得当外加磁场不具有跨过该间隙指向的分量时甚至也产生间隙磁场。例如，假设磁传感器有平面几何形状，当第一和第二软磁结构沿y方向分隔开时，间隙的延伸可指向x方向。在x-y平面沿任意方向施加外磁场，则导致间隙磁场沿正或负y方向的形成。即使外磁场基本指向x方向，即沿间隙的延伸的方向，沿基本垂直方向指向的间隙磁场仍然形成且可借助于所述至少第一磁致电阻分层结构被测量和检测。另外，如果外磁场基本跨过该间隙指向，所述间隙磁场仍然产生且可被测量。因此，外磁场和间隙磁场变得大致垂直。
原则上，所述至少第一和第二软磁结构的几何形状和布置允许重定向和偏转该第一间隙附近的外磁场。因此，外磁场可被局部地偏转和重定向，允许通过测量间隙磁场来测量外磁场。当例如外磁场沿所述至少第一磁致电阻分层结构非常不灵敏的方向指向时，通过至少外磁场的分量的重定向和偏转，磁致电阻分层结构有效地变得适用于测量磁场的分量，该磁致电阻分层结构对于该分量本来不灵敏。
根据本发明的优选实施例，所述间隙磁场指向第一或者相反的第二方向，所述第一和相反的第二方向基本垂直于所述第一间隙的所述延伸。另外，布置在所述第一间隙附近的所述磁致电阻分层结构适于提供表示所述第一或第二方向的输出。因此，该磁致电阻分层结构必须提供取决于所施加磁场的方向的电阻。优选地，本发明的磁致电阻分层结构可以通过AMR或GMR自旋阀元件实现。
指向例如正或负y方向的间隙磁场的方向取决于外磁场的取向。根据所述至少第一和第二软磁结构的几何形状以及它们的相互布置，间隙磁场的方向可因为外磁场的不同取向而翻转。该不同取向还可被称为翻转角。通常，当翻转角度增加180°时该间隙磁场重复地翻转。
以该方式，本发明的磁传感器提供外磁场的南北检测。与其它AMR或GMR自旋阀元件结合，外加磁场的方向可在0°至360°的范围明确地确定。因此，本发明的磁传感器用作南北传感器且因而提供用于消除传统方向磁传感器的180°不确定性。
根据本发明的另一优选实施例，所述第一软磁材料结构在所述第一间隙附近包括第三软磁材料结构，所述第二软磁材料结构在所述第一间隙附近包括第四软磁材料结构。所述第三和第四软磁材料结构与所述第一和第二软磁材料结构相比具有较低的磁化饱和阈值。布置所述至少第一磁致电阻分层结构使得其被夹在第三和第四软磁材料结构之间。
第三和第四软磁结构与第一和第二软磁结构相比通常具有小得多的平面几何形状。另外，第三和第四软磁结构与第一和第二软磁结构相比可包括不同的软磁材料，因而导致不同磁化饱和阈值。此外，第三和第四软磁结构与第一和第二软磁结构相比可具有更小的厚度。这也可导致所需的更低的磁化饱和阈值，即使当第一和第三以及第二和第四软磁结构包括相同的材料时。例如，第一和第二软磁结构可具有微米范围内的厚度，而第三和第四软磁结构具有亚微米范围内的厚度。
由于它们的较低磁化饱和阈值，第三和第四软磁结构用作磁通限幅器(flux limiter)，有效地防止间隙磁场会超过某一阈值幅度。该第三和第四软磁结构即该磁通限幅器因而提供有效的方式来在一意义上使间隙磁场均匀，即对于外磁场的取向角的大范围，间隙磁场具有恒定幅度。此外，磁通限幅器还提供间隙磁场的可变增益。因此，对于具有相当小幅度的外磁场，第一、第二、第三和第四软磁结构的布置有效地为发出间隙磁场提供相当高的增益系数，而对于幅度相当大的外磁场，第三和第四软磁结构被驱使进入饱和从而增加有效间隙尺寸，导致间隙磁场的较小的增益系数。
根据本发明的又一优选实施例，所述间隙磁场在所述外磁场的方向与参考方向之间的角度的第一角度范围具有基本恒定的幅度。该角度可表示为α且可例如指定为外磁场的取向与x方向例如该第一间隙的延伸的方向之间的角度。取决于第一、第二、第三和第四软磁结构的实际几何形状，对于第一角范围第三和第四软磁结构可以完全饱和。因此，该间隙磁场在该第一角范围具有恒定幅度。
根据本发明的又一优选实施例，在所述第一角范围所述间隙磁场还可具有基本恒定的方向。只有在翻转角附近，该间隙磁场的方向才会偏离跨过间隙的主要方向。
根据本发明的又一优选实施例，所述第一角范围从0°扩展至约180°。从0°到约180°的范围代表理想情况。在实际实施中，间隙磁场的幅度在该第一角范围会稍微变化。另外，对于翻转角附近的角度，该间隙磁场的方向会稍微偏离跨过间隙的方向。在翻转角附近的某一视盲范围，该间隙磁场的幅度和取向会不同于所述恒定幅度和/或方向。
原则上，该磁传感器提供在大的外磁场取向范围具有恒定幅度和/或恒定方向的间隙磁场。以一方式构造磁致电阻分层结构，使得磁致电阻元件的输出表明间隙磁场指向第一方向还是指向相反的第二方向。
根据本发明的又一优选实施例，该磁传感器包括第三软磁材料结构，其与所述第一或第二软磁材料结构形成第二间隙。该磁传感器还包括第二磁致电阻分层结构，其位于所述第一间隙内；以及第三磁致电阻分层结构，其位于所述第二间隙内。另外，该磁传感器具有电阻元件，其具有预定电阻。此外，第一、第二和第三磁致电阻分层结构以及所述电阻元件电互连且形成桥电路，优选惠斯通电桥。
优选地，所述电阻元件可通过被例如第三软磁材料结构从外磁场屏蔽的第四磁致电阻元件实现。在该构造中，该第四磁致电阻元件有效充当桥电路的参考电阻器。
第一、第二和第三磁致电阻分层结构位于第一和第二间隙内或第一和第二间隙附近，使得它们经受相对于外磁场的取向具有不同翻转角的各间隙磁场。因此，示出每个磁致电阻元件的电阻对外磁场角关系曲线的图具有不同的角偏离，也称为相位偏离(phase offset)。根据该相位偏离，在外磁场取向的0°到360°角度范围桥电路的输出可具有高达四种不同的、基本恒定的输出水平。因此，该桥电路允许辨别外磁场指向北、东、南还是西方向。结合该桥电路与对所加磁场的取向具有角度依赖性的其它磁致电阻元件，允许构建360°传感器。
根据本发明的又一优选实施例，所述第一、第二、第三和第四磁致电阻分层结构对跨过所述第一和第二间隙指向的磁场灵敏。此外，所述第一、第二、第三和第四磁致电阻分层结构取向沿共同方向。例如，当实施为GMR自旋阀元件时，所述磁致电阻分层结构全部具有相同的钉扎方向。这允许在专用于明确确定外磁场取向的应用中利用相同地钉扎因而相同地退火的GMR自旋阀元件。因此，不再必须实施如现有技术中进行的特定GMR自旋阀元件的人工布置和定向。代替地，具有相同特性的大量磁致电阻分层结构可以以批量生产工艺制造且在方向磁传感器应用中实现。
根据本发明的又一优选实施例，所述桥电路的输出在所述外磁场方向与所述参考方向之间的角的360°第二角范围包括至少两种不同的基本恒定的水平。当各磁致电阻分层结构测量的间隙磁场的翻转角约为90°时，这可以被实现。在这种情况中，桥输出或多或少类似夹在第一和第二软磁结构之间的单个磁致电阻元件的输出。以该实施方式，通过检测桥输出高于还是低于特定阈值可实现南北磁传感器。
根据本发明的又一优选实施例，所述桥电路的输出在所述第二角范围包括四种不同的基本恒定的水平。当间隙磁场具有不同的翻转角且当各磁致电阻分层结构的相应角输出曲线图具有例如30°至60°的不同相位偏移(phaseshift)时，这可有效地实现。该相位偏移必须在大于磁致电阻元件的输出非恒定的角度范围的范围，即在间隙磁场的翻转的附近。间隙磁场经历翻转的角范围还可表示为视盲角度范围(blind angular range)。
当该桥电路的输出包括四种不同水平时，该磁传感器适于用作北、东、南、西传感器且允许与具有90°不确定性的方向灵敏磁致电阻元件结合确定所加磁场的绝对方向。
根据本发明的又一优选实施例，所述第一、第二、第三和第四软磁材料结构包括平面几何形状且布置在平坦衬底上。因此，所述软磁材料结构可通过沉积工艺如溅射或电镀在批量生产中大量制造。以类似的方式，第一、第二、第三和第四磁致电阻分层结构还可利用在诸如晶片的平坦衬底上沉积各种层来制造。
根据本发明的又一优选实施例，第一和第二软磁材料结构包括体几何形状(bulk geometry)，第一和第二软磁材料结构还适于响应所述外磁场的沿平行于所述磁致电阻分层结构的表面法线的方向指向的分量而形成跨过所述间隙指向的间隙磁场。由所述至少第一和第二体软磁结构形成的间隙磁场在磁致电阻分层结构灵敏的平面内发出。
因此，在该实施例中，该磁传感器有效地提供外磁场到可被所述磁致电阻分层结构检测的方向的重定向和偏转。当外磁场指向基本平行于该磁致电阻分层结构的表面法线的方向时，这是优选适用的。通常，诸如AMR、GMR或GMR自旋阀元件的磁致电阻元件仅对与平行于所述分层结构的平面一致的磁场灵敏。
例如，磁致电阻元件可具有在x-y平面内的平面结构且因而仅能够检测和测量该专门平面内的磁场。这样的磁致电阻元件对磁场的z分量相当不灵敏。所述至少第一和第二软磁材料结构现在提供将外磁场的z分量重定向和偏转至x-y平面，且因此提供对基本平行于所包括的磁致电阻元件的表面法线的磁场的分量的测量。
该实施例优选适用于磁场的特定分量必须在两不同位置处测量的格局中，其中所述位置沿垂直于必须被测量的分量方向的方向被分隔开。例如，在不同的z位置测量磁场的x或y分量，或者在相关于x或y的不同位置测量磁场的z分量，只要所用磁致电阻元件的灵敏性与x-y平面一致。
根据本发明的又一优选实施例，该磁传感器对所述外磁场的沿基本垂直于所述第一磁致电阻分层结构的表面或层平面的方向指向的分量灵敏。这允许设计磁传感器组件，提供在垂直于所包括的磁致电阻元件的平面的方向的磁灵敏度。因此，可以在平坦衬底上制造对磁场的z分量灵敏且在x-y平面被分隔开的各种磁传感器，而不需要在传感器元件之间沉积相当厚的分隔层。
另一方面，本发明提供一种磁南北传感器装置，包括至少一个本发明的磁传感器以及控制单元，该控制单元适于将该磁传感器的输出归于所述外磁场的方向与所述参考方向之间角度的角度范围。
另一方面，本发明提供一种磁传感器装置，包括至少第一和第二本发明的传感器，所述至少第一和第二本发明的传感器布置在平坦衬底上且适于响应沿基本垂直于所述至少第一和第二传感器的所述磁致电阻结构的平坦表面的方向指向的所述外磁场的至少一分量而产生输出。
另一方面，本发明提供一种磁卡读取装置，包括并利用所述磁传感器或磁传感器装置的至少一种。
另一方面，本发明提供一种磁梯度仪，包括并利用所述磁传感器或磁传感器装置的至少一种。
另一方面，本发明提供一种磁编码装置，包括并利用所述磁传感器或磁传感器装置的至少一种。
再一方面，本发明提供一种测量外磁场的方法，该外磁场沿基本平行于沉积在平坦衬底上的至少第一磁致电阻分层结构的表面法线的第一方向指向。本发明的方法包括利用所述至少第一磁致电阻分层结构测量所述外磁场，且包括施加所述外磁场到具有至少一个软磁材料结构的平坦衬底，所述至少一个软磁材料结构适于至少部分地使所述外磁场偏转到基本平行于所述至少第一磁致电阻分层结构的表面的方向。
所述至少一个软磁材料结构布置在所述至少第一磁致电阻分层结构附近。该方法还包括测量所述至少第一磁致电阻分层结构的电阻，所述电阻取决于通过所述至少一个软磁材料结构偏转的所述磁场的幅度和/或方向。最后，该方法包括利用所述至少第一磁致电阻分层结构的电阻确定所述外磁场的幅度和/或方向。
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例，附图中图1以平面几何示意性示出磁传感器；图2示出磁传感器的理想输出的曲线图；图3以极座标图示出磁传感器的可变增益；图4示出间隙磁场的角度对外磁场的角度之间的关系曲线；图5示意性示出形成桥电路的磁致电阻元件和软磁结构的几何布置；图6以极座标图示出桥电路的输出；图7示意性示出体几何形状的磁传感器的横截面视图；图8示出软磁结构的体几何形状的透视图；图9示出局部磁场偏转的模拟；图10示意性示出特定的传感器应用。
具体实施例方式
图1以平面几何示出本发明的磁传感器的顶视图。该磁传感器具有第一软磁结构100和第二软磁结构102，且还具有第三软磁结构104和第四软磁结构106。另外，磁传感器具有位于由第一和第二软磁结构100、102形成的间隙108内或其附近的至少一个磁致电阻分层结构。这里，通常实现为AMR或GMR自旋阀元件的该磁致电阻分层结构未明确示出。AMR或GMR自旋阀元件适于检测跨过两个软磁结构100、102之间的间隙108发出的间隙磁场112。
特别地，软磁结构100、102具有一几何形状且以一方式布置，使得间隙磁场(Hgap)112总是向上或向下跨过间隙108指向。因此，间隙磁场112基本沿垂直于间隙108的延伸方向的方向指向。在示出的实施例中，间隙108的延伸方向是如虚线所示的水平方向。
施加外磁场(Hext)110导致间隙磁场112的产生和形成。例如，在水平方向施加外磁场110，软磁结构100、102的左手侧可表现出磁南极，而软磁结构100、102的右手侧可表现出磁北极。因此，在间隙108附近，软磁结构100代表磁北极，而软磁结构102代表磁南极。因此，间隙磁场112可向下指向，即使外磁场110不包括这样的分量。
改变外磁场相对于参考方向114的入射角(incidence angle)对间隙磁场112的方向基本没有有效影响(net effect)。在区别角度(distinct angle)也称为翻转角度(flipping angle)的外磁场下，间隙磁场112的方向可翻转。该翻转角度强烈依赖于软磁结构100、102的几何形状以及它们的相互布置。
软磁结构104、106与软磁结构100、102相比优选具有更低的磁化饱和阈值。软磁结构104、106有效地用作磁通限幅器，因为即使对于较小幅度的外磁场110，磁通限幅器104、106也可提供饱和的磁化。通常，磁致电阻分层结构布置在软磁结构104、106之间且有效地用于测量软磁结构104、106之间的间隙磁场。因为软磁结构104、106优选处于饱和磁化状态，发出的间隙磁场112的幅度可保持基本恒定，即使对于大范围的外磁场110与参考方向114之间的角度α。
磁致电阻元件必须有效检测间隙磁场112指向向上还是向下。磁致电阻元件优选在间隙108附近以这样的方式取向，即例如对于向上指向的间隙磁场磁致电阻元件的相邻层以平行取向磁化，且当间隙磁场112向下指向时所述各层以反平行方式磁化。因此，如果磁致电阻元件例如实现为GMR自旋阀，对于向上或向下指向的间隙磁场其电阻将为最小或最大。
GMR自旋阀元件的电阻的最小和最大幅度可以明确地归于自由铁磁层和被钉扎铁磁层的平行或反平行排列。通常间隙磁场112的方向在从0到180°的α范围保持恒定。因此，所示的传感器用作磁场的南北传感器(north-south sensor)。它有效地允许测定外磁场110具有相对于参考方向114在从0到180°还是从180到360°范围的角度。
磁通限幅器不仅用于与角度α无关地保持间隙磁场112的幅度，而且它们还用于根据外磁场110的幅度改变磁传感器的增益系数(gain factor)。除了外磁场110的幅度和方向之外，间隙磁场112的幅度还取决于间隙108的几何形状和尺寸。特别地，对于小间隙尺寸，间隙磁场112的幅度甚至可超过外加磁场110的幅度。对于磁南北传感器，具有与外磁场110的幅度和/或方向无关的间隙磁场112是有利的。因此，放大非常小的外磁场及削弱非常大的外磁场110是有利的。
磁通限幅器104、106的实现可达到该要求。对于非常小的外磁场，磁通限幅器104、106不会磁化到超过它们的磁化饱和阈值。在这种情况中，通常具有微米范围的间隙尺寸的间隙108可提供外磁场110的足够放大。然而，如果外磁场110幅度相当大，软磁结构104、106会完全饱和，且它们的磁特性变得类似于自由空间的磁特性。因此，间隙108的有效尺寸增加，导致间隙108的降低的增益系数。这样，所示的布置提供了可变增益，即对于小磁场的大增益和对于大磁场的小增益。由于磁致电阻元件仅可运行在预定范围内，所以整个磁传感器的有效运行范围可有效扩展。
可变磁化饱和阈值的软磁结构可通过改变平坦结构的厚度来构造。例如，软磁结构100、102可具有数微米的厚度，而软磁结构104、106可具有显著更小的厚度，例如在低于1微米的范围。
图2示出理想曲线图200，显示磁致电阻元件的输出信号202对外加磁场110相对于参考方向114的角α204的关系曲线。曲线图200展现曲线206，其具有较低水平(lower level)和较高水平(upper level)。对于90°至270°之间的角度，信号处于较低水平，对于在从270°至90°范围的角度，信号202处于高水平。测量信号202并将该信号与虚线表示的某一阈值比较允许辨别外加磁场指向90°至270°之间的方向还是指向270°至90°之间的方向。由于曲线图200只代表理想曲线206，在实际实现中，在90°至270°曲线不会表现出无限大的斜率而会具有某一角度范围，该范围内信号202既不处于高水平也不处于低水平。
图3示出曲线图300，显示传感器的增益系数304对外磁场的角度α302的关系曲线。特别地，对于外磁场的不同幅度曲线图300示出两条曲线306、308。曲线306对应1000A/m的幅度，曲线308对应1000000A/m。对于外加磁场的较低幅度正弦曲线306的振幅(amplitude)较大，而对于更强100倍的外磁场曲线308的振幅较小。因此，图1所示组件的增益系数随外加磁场110的幅度增加而降低。
另外，从曲线图300可以看出，对于α＝0，间隙磁场具有非零幅度。间隙磁场具有零幅度的角α也表示为相位偏移(phase shift)θ，其可取决于外磁场的幅度。例如，曲线306的相位偏移可确定为几乎30°，曲线308的相位偏移可确定为约22°。相位偏移还取决于软磁结构100、102的内部几何形状以及取决于它们的相互取向和定位。对于专门应用，至少两个软磁结构和一个磁致电阻元件的组件的相位偏移可通过改变软磁结构的几何形状和/或改变软磁结构关于磁致电阻元件的位置的相对位置来适当设计。
图4示出相应的曲线图400，描述间隙磁场的角度404对外磁场的入射角α402的关系曲线。这里，曲线408对应曲线图300的曲线308的外磁场，曲线406对应曲线图300的曲线306。从曲线图400可以清楚看出，间隙磁场的角度404是90°或-90°。几乎与外磁场的幅度无关。在几乎180°的范围，两条曲线406、408保持在恒定水平。因此曲线408、406直接相当于图2的理想曲线206，除了图4的曲线代表间隙磁场112的角度，而曲线206对应南北传感器112的输出信号。因此，利用具有高灵敏度的，即对于相当小幅度的间隙磁场已经表现出其最大电阻的磁致电阻元件是有利的。
在这样的配置中，磁致电阻元件的相邻层不是平行或反平行的角度范围变得相当小。因此，对于α的大角度范围，磁致电阻元件的电阻可为或者最大或者最小，因此允许直接的并且不复杂的信号分析。
此外，从曲线图400还可以确定磁传感器的视盲角度范围。该视盲角度范围可定义为角α的一角度范围，对于角α的该角度范围间隙磁场的角度404既不在90°范围内也不在-90°范围。例如，对于曲线406，该视盲角度范围可从20°扩展到约50°。因此，对于该特定角度范围以及α约200°的相应角度范围，该磁传感器不会正常工作。然而，在桥电路布置中，该视盲范围可由另一磁致电阻元件覆盖。
图5示出了四个磁致电阻元件508、510、512、514和三个软磁结构502、504、506的组件500的顶视图。两间隙之间的间隙磁场518指向向上或向下方向。外磁场表示为箭头516。磁致电阻元件508、…、514如电路图520所示地电互连。特别地，磁致电阻元件508和510位于软磁结构502和软磁结构506之间的间隙内。磁致电阻元件512位于形成在软磁结构506和软磁结构504之间的间隙附近。第四磁致电阻元件514位于软磁结构504之上或之下。大体上，磁致电阻元件514借助于软磁结构504从外磁场516有效地被屏蔽。因此，磁致电阻元件514有效地用作所示惠斯通电桥520的参考电阻器。
磁致电阻元件508、…、514全取向在共同方向，即当实现为GMR自旋阀元件时，磁致电阻元件508、…、514沿共同方向退火。磁致电阻元件508、…、514对x-y平面内的磁场敏感。当例如外磁场沿水平方向施加时，不同间隙内的间隙磁场会指向不同方向。例如，当软磁结构502、504、506表现出左手侧为磁南极且右手侧为磁北极时，跨过结构502和结构506之间的间隙发出的间隙磁场会指向向下，而跨过由软磁结构506和软磁结构504形成的间隙的间隙磁场会指向向上。因此，两个不同间隙和相应的间隙磁场表现出不同的翻转角。因此，诸如曲线图300和400的图在磁致电阻元件508、510和512所处的位置具有不同的横向偏离(horizontal offset)。
图6示出对于磁致电阻元件508、510和512的特性曲线之间的各种相位偏移角(phase shift angle)θ电路图520给出的桥的输出信号。曲线图600示出毫伏单位的桥输出(Uout)对外磁场的角α的关系曲线。三条曲线606、608、610分别对应θ＝30°、60°、和80°的相位偏移。对于几乎90°的相位偏移，曲线610给出的输出信号具有约8mV和-4mV的两种不同水平，每种水平对于α的大于100°的角范围是恒定的。当例如信号602高于或低于预定阈值时，曲线610有效地允许触发南北传感器的输出。例如选择约6mV的上阈值且选择约-3mV的下阈值，不能产生明确的输出信号的角范围下降到例如160至180°以及350至10°。因此，这样的南北传感器的视盲角度范围小至20°的两倍。
曲线606对应θ＝30°的相位偏移且示出四个不同水平的几乎恒定输出电压。恒定输出电压的这些水平允许辨别且确定外加磁场的北、东、南、西方向。这样的北、东、南、西传感器可有效地利用比较输出电压602与相应的阈值水平。以类似方式，曲线608代表对于在各磁致电阻元件508、510、512和514之间θ＝60°的相位偏移桥输出对α的关系曲线。
图7示出跨过传感器装置700的横截面图，其中软磁结构704、706实现为体(bulk)软磁结构。图7所示的横截面图对应x-z平面内的横截面。磁致电阻分层结构702具有x-y平面内的灵敏度，因此不适合检测和测定指向z方向的外磁场710。然而，体软磁结构704、706的特别几何形状以及它们的相互布置有效地允许使外磁场710偏转并重取向到x方向。以这种方式，磁致电阻元件720可确定取向在x-y平面内的间隙磁场708的幅度和/或方向。
以这种方式传感器装置700有效地提供磁场的局部偏转和重取向，且允许通过本来对磁场710不敏感的磁致电阻分层结构702测量磁场710。当适当校准时，传感器装置700允许通过测量间隙磁场708的幅度确定外磁场710的幅度，只要体软磁结构704、706两者都没有被外磁场710磁化到超过磁化饱和阈值。此外，与南北传感器相反，磁致电阻分层结构702不会以饱和方式工作。
图8示出体软磁结构804和806的组件800的透视图。体软磁结构804、806形成间隙802且适于将指向z方向的磁场重定向和偏转到指向x方向的间隙磁场。因此，体软磁结构804和806分别对应图7的体软磁结构704、706。
图9示出图8所示的组件800的间隙区域802周围的模拟磁场分布900。模拟磁场分布900可大致分成三部分，即左部分902、中心部分904和右部分906。左和右部分902、906对应非磁体材料的左和右部分。中心部分代表在其中心具有间隙802的软磁体材料804。
小箭头908、910、912和914对应局部磁场的方向。可以看出，图9左部分的局部磁场908和910指向右方向，右部分906的局部磁场也是如此。在中心部分904，局部磁场912和914指向向上的方向，如小箭头所示。这里，局部磁场914代表软磁材料体内的局部磁场，而局部磁场912代表两个体软磁结构804和806之间的间隙磁场。
因此，体软磁结构804、806的组件800有效地用于局部偏转且局部重定向外加磁场。通过使软磁材料804的在间隙802附近的尖部(tip)成形，间隙内的磁通可被局部影响。在图8的所示例子中，以使得间隙的中心的间隙磁通总是指向平行于x轴的方向。
通过在间隙802内布置对x-y平面内的磁场灵敏的磁致电阻元件，磁场的z分量的强度原则上可借助于本来对外加磁场的z分量不灵敏的磁致电阻元件来测量。磁场分量的该局部重定向和偏转对于这样的应用特别有利，该应用中磁场的分量必须在沿基本垂直于该磁场分量的方向分开的不同位置测量。
图10示出这样的磁传感器装置730的实施例。原则上，传感器装置730包括布置和定位在两个不同x位置的两个传感器700。
传感器装置730的第一传感器包括两个体软磁结构704和706以及磁致电阻元件702。第二传感器包括类似的元件，即体软磁结构714、716以及磁致电阻元件712。两个磁传感器沿x方向分开距离722。另外，磁致电阻分层结构702适于测量外磁场的z分量710，而磁致电阻元件712适于测量外磁场的z分量720。两个z分量710、720分别在磁致电阻元件702、712附近被局部偏转和重定向。以该方式，磁传感器装置730有效地用于测量外磁场的在不同的x位置的z分量710、720。
实现这样的装置通常需要在磁致电阻元件上沉积绝缘层，然后在绝缘层上沉积额外的磁致电阻元件。在这种情况中，绝缘层必须提供对应于传感器装置730的距离722的厚度。这样厚的层的沉积是相当昂贵、耗时间的，且因此非常低效率。利用本发明的局部偏转和重定向磁通，这样的传感器装置和它们的磁致电阻元件702、712可在公共沉积工艺期间沉积在公共衬底上。提供在沿基本垂直于磁场分量方向的方向分隔开的不同位置测量该磁场分量的传感器装置对于在磁卡读取器、磁梯度仪以及磁编码器框架内的应用是高价值的。
权利要求
1.一种磁传感器，包括至少第一和至少第二软磁材料结构(100、102)，其空间分隔开且形成第一间隙(108)，所述至少第一和第二软磁材料结构适于响应于外磁场(110)在所述第一间隙附近形成沿基本垂直于所述第一间隙的延伸的方向指向的间隙磁场(112)，所述外磁场(110)至少具有沿基本平行于所述第一间隙的所述延伸的方向指向的分量；至少第一磁致电阻分层结构(508、510)，其位于所述第一间隙内且对所述间隙磁场灵敏。
2.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述间隙磁场(112)指向第一或者相反的第二方向，所述第一和第二方向基本垂直于所述第一间隙(108)的所述延伸，且其中所述磁致电阻分层结构(508、510)适于提供表示所述第一或第二方向的输出。
3.如权利要求1或2所述的磁传感器，其中所述第一软磁材料结构(100)在所述第一间隙附近包括第三软磁材料结构(104)，且其中所述第二软磁材料结构(102)在所述第一间隙附近包括第四软磁材料结构(106)，所述第三和第四软磁结构与所述第一和第二软磁材料结构相比具有更低的磁化饱和阈值，所述磁致电阻分层结构位于所述第三和第四软磁材料结构之间。
4.如权利要求3所述的磁传感器，其中所述间隙磁场(112)在所述外磁场(110)的方向与参考方向(114)之间的角度的第一角度范围具有基本恒定的幅度。
5.如权利要求1至4的任一项所述的磁传感器，其中所述间隙磁场(112)在所述第一角度范围具有基本恒定的方向。
6.如权利要求4或5所述的磁传感器，其中所述第一角度范围从0°扩展高达约180°。
7.如权利要求1至6的任一项所述的磁传感器，还包括第三软磁材料结构(504)，其与所述第一或第二软磁材料结构形成第二间隙；第二磁致电阻分层结构(510)，其位于所述第一间隙内；第三磁致电阻分层结构(512)，其位于所述第二间隙内；电阻元件，其具有预定电阻，其中所述第一、第二和第三磁致电阻分层结构及所述电阻元件电互连且形成桥电路(520)。
8.如权利要求7所述的磁传感器，其中所述至少第一、第二和第三磁致电阻分层结构(508、510、512)对跨过所述第一和第二间隙指向的磁场灵敏，且其中所述磁致电阻分层结构取向在所述相同方向。
9.如权利要求7或8所述的磁传感器，其中所述桥电路(520)的输出在所述外磁场的方向与所述参考方向之间的角度的360°第二角度范围包括至少两种不同的基本恒定的水平。
10.如权利要求7至9的任一项所述的磁传感器，其中所述桥电路(520)的输出在所述第二角度范围包括四种不同水平。
11.如权利要求1至10的任一项所述的磁传感器，其中所述第一、第二、第三和第四软磁材料结构(100、102、104、106)包括平坦几何形状且布置在平坦衬底上。
12.如权利要求1至11的任一项所述的磁传感器，其中所述第一和第二软磁材料结构(704、706、804、806)包括体几何形状，且其中所述第一和第二软磁材料结构适于响应所述外磁场的沿平行于所述磁致电阻分层结构的表面法线的方向指向的分量而形成跨过所述间隙指向的所述间隙磁场。
13.如权利要求1至12的任一项所述的磁传感器，其对所述外磁场的沿基本垂直于所述第一磁致电阻分层结构的表面的方向指向的分量灵敏。
14.一种磁南北传感器装置，包括根据权利要求1至13的任一项所述的磁传感器；控制单元，其适于将所述磁传感器的输出归于所述外磁场的方向与所述参考方向之间的角度的角度范围。
15.一种磁传感器装置，包括根据权利要求1至13的任一项所述的至少第一和第二传感器，所述至少第一和第二传感器布置在平坦衬底上且适于响应所述外磁场的至少沿基本垂直于所述至少第一和第二传感器的所述磁致电阻结构的平坦表面的方向指向的分量而产生输出。
16.一种磁卡读取装置，包括根据权利要求1至13的任一项所述的磁传感器中的至少一种。
17.一种磁梯度仪，包括根据权利要求1至13的任一项所述的磁传感器中的至少一种。
18.一种磁编码装置，包括根据权利要求1至13的任一项所述的磁传感器的至少一种。
19.一种测量外磁场(710)的方法，该外磁场(710)沿基本平行于沉积在平坦衬底上的至少第一磁致电阻分层结构(702)的表面法线的第一方向指向，该方法包括利用所述至少第一磁致电阻分层结构测量所述外磁场且包括步骤向具有至少一个软磁材料结构(704、706)的所述平坦衬底施加所述外磁场，所述至少一个软磁材料结构(704、706)适于将所述外磁场至少部分地偏转到基本平行于所述至少第一磁致电阻分层结构的表面的方向，所述至少一个软磁材料结构布置在所述至少第一磁致电阻分层结构附近。测量所述至少第一磁致电阻分层结构的电阻，所述电阻取决于通过所述至少一个软磁材料结构偏转的磁场的幅度和/或方向；利用所述至少第一磁致电阻分层结构的所述电阻确定所述外磁场的所述幅度和/或方向。
全文摘要
本发明提供磁传感器及测量外磁场的方法。本发明提供具有至少一个磁致电阻元件的磁传感器且利用特别设计的软磁材料结构。所述磁致电阻元件位于形成在第一和第二软磁材料结构之间的间隙附近且适于检测跨过所述间隙发出的间隙磁场。该间隙磁场的方向可基本不同于外加磁场的方向。因此该传感器可应用于将外加磁场局部重定向且偏转至所述磁致电阻元件基本灵敏的方向。如果外磁场指向基本平行于磁致电阻元件的表面法线的方向，这是特别适用的。此外，间隙磁场在外磁场的方向与参考方向之间的角度的大范围可表现出恒定的取向和恒定的幅度。因此，该磁传感器可用作南北传感器或者甚至北、东、南、西传感器，允许与取向灵敏磁致电阻元件结合明确确定磁场的方向。
文档编号H01L43/10GK1790044SQ20051012480
公开日2006年6月21日 申请日期2005年11月15日 优先权日2004年12月15日
发明者休伯特·格里姆, 简·马里恩, 罗尔夫·谢弗 申请人:国际商业机器公司