本发明专利技术提供磁传感器及测量外磁场的方法。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁传感器领域，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。
技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术提供一种磁传感器，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。根据本专利技术的优选实施例，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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。根据本专利技术的另一优选实施例，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，第三和第四软磁结本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
EP 2004-12-15 04106588.91.一种磁传感器，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：休伯特格里姆，简马里恩，罗尔夫谢弗，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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