[发明专利]薄膜磁电阻传感元件、多个传感元件的组合及与该组合耦合的电子装置

说明书

技术领域

本发明涉及利用一系列磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction）传感元件的一种矢量磁场测量传感系统，其包括具有垂直磁各向异性的铁磁材料。

背景技术

矢量磁场传感器可以用来制造电子罗盘，这在手机等消费电子和汽车导航系统中的应用正在不断成长，同时也包括定位和测量等许多具体的应用领域。这些器件通常要求低功耗，低成本，并适合大批量生产，以满足消费电子的大量需求。

现有多种装置可以作为矢量磁场传感器来探测磁信号，而其中，又有多种适合集成到单个半导体芯片当中。这些技术包括半导体霍尔器件以及磁电阻器件，其中磁电阻器件包括各向异性磁电阻（AMR，Anisotropic Magnetoresistance）和巨磁电阻（GMR，Giant Magnetoresistance）。霍尔效应器件本身比较昂贵且分辨率低。它们通常对垂直于它们所沉积的基片平面的磁场敏感。AMR和GMR器件虽然具有相对较高的分辨率，但由于输出信号幅值较小，因而需要对后端电路进行更好的设计，从而增加了系统的复杂性和大小，因此增加了系统的整体成本。AMR和GMR传感器通常对平行于其所沉积的基片平面方向的磁场敏感。

传感器通过隧道磁电阻（TMR）效应来检测磁场，其具有体积小、分辨率高和输出信号幅值大的特点，这些特点可用于简化电路设计，从而降低整体系统成本。AMR和GMR传感器，以及MTJ传感器的敏感方向平行于它们所沉积的基片平面。

同大多数半导体器件一样，最好的实现低成本和大批量生产的方式是将所有的器件集成到一个单一的半导体基片上。但是，由于通常的传感器只检测平行或垂直的磁场分量，因而将一个三轴矢量磁强计完全集成到一个单一的芯片上非常困难。为了解决这个问题，可以采用两个或两个以上的集成有传感元件的基片成直角对齐，然后封装到一起，但这增加了尺寸和成本。

采用现有的传感元件组成一个双轴磁场芯片已经有多种不同的实现方式。然而，这些方案都不能测量垂直于基片平面的磁场分量。通过软磁屏蔽层的聚磁作用，已构成了霍尔效应器件的三轴磁场传感器，或是采用范得堡瓦技术测量平面内的磁场分量，但这些器件都是相对高功耗和低灵敏度。

其它的被认为可行的技术方案是将检测垂直分量和检测平行分量的传感器结合起来，比如霍尔传感器与AMR、GMR或MTJ传感器的结合，但是，由于它们的灵敏度差异，以及可能存在的生产工艺的不兼容性使得它成为一个并不太具吸引力的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供用于制作对垂直于基片方向的磁场敏感的MTJ传感器，以用于集成式单片矢量磁强计系统。

本发明一方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层，自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁藕合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成，隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。

本发明另一方面提供一种多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

本发明第三方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

本发明第四方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层。自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该参考层具有比自由层更高的矫顽力，隔离层由绝缘或是导电材料制成。

本发明第五方面提供一种多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

本发明第六方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。