(57)【要約】  較正（７０、８０、８１）および初期化コイル（８２、８３）を備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサであって、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサ、較正コイル（７０、８０、８１）、および初期化コイル（８２、８３）を備え、較正コイル（７０、８０、８１）は平面コイルであり、初期化コイル（８２、８３）は平面コイルまたは３次元コイルである。平面較正コイル（７０、８０、８１）および平面初期化コイル（８２）は、基板（１）の上かつ磁気抵抗センサユニット（４、４１、５、５１）の下、磁気抵抗センサユニット（４、４１、５、５１）と軟強磁性磁束ガイドとの間、軟強磁性磁束ガイドの上、または軟強磁性磁束ガイドの間隙に設けられ得る。３次元初期化コイル（８３）は、軟強磁性磁束ガイドおよび磁気抵抗センサユニット（４、４１、５、５１）に巻き付けられる。較正コイル（７０、８０、８１）、および初期化コイル（８２、８３）は、磁気抵抗センサユニット（４、４１、５、５１）の位置において、それぞれ固定層の方向に平行な較正磁界および第１層の方向における均一な初期化磁界を生成する。較正コイル（７０、８０、８１）、および初期化コイル（８２、８３）の電流を制御することにより、単一チップＸ軸線形磁気抵抗センサの磁気状態の較正および初期化が実行され得る。【選択図】      図4
2018506036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
較正および初期化コイルを有する単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサであって、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサ、較正コイル、および初期化コイルを備え、
前記高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサは、基板の上で互い違いにされた基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングと、細長い軟強磁性磁束ガイドとを備え、前記軟強磁性磁束ガイドの各々は遮蔽デバイスおよび減衰器を備え、前記基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記感知磁気抵抗センサユニットストリングは、それぞれ前記遮蔽デバイスおよび前記減衰器の表面におけるＹ軸中心線の位置に位置し、前記基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記感知磁気抵抗センサユニットストリングは電気的に接続されて基準ブリッジ構造を形成し、感知方向はＸ軸方向であり、前記基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記感知磁気抵抗センサユニットストリングはいずれも複数の磁気抵抗ユニットを備え、
前記較正コイルは平面コイルであり、前記基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記感知磁気抵抗センサユニットストリングにそれぞれ対応する直列接続された平行な基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤを備え、前記基準ユニット直線ワイヤおよび前記感知ユニット直線ワイヤは、前記基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記感知磁気抵抗センサユニットストリングの前記位置において前記磁気抵抗センサユニットの前記感知方向に沿ってそれぞれ基準ユニット較正磁界および感知ユニット較正磁界を生成し、
前記初期化コイルは、前記感知磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記基準磁気抵抗センサユニットストリングに対して垂直な複数の初期化直線ワイヤを備え、全ての前記磁気抵抗センサユニットストリングの前記位置において前記感知方向に垂直な方向に沿って同じ初期化磁界を生成する、単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項２】
前記較正コイルの前記感知ユニット直線ワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ１であり、前記減衰器の前記Ｙ軸中心線に関して対称であり、前記較正コイルの前記基準ユニット直線ワイヤの各々は、並列接続された２本の直線サブワイヤを備え、前記直線サブワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ２であり、前記２本の直線サブワイヤは前記基準磁気抵抗センサユニットストリングの両側に対称に配置され、Ｌｘ２はＬｘ１よりも小さく、前記基準ユニット直線ワイヤおよび前記感知ユニット直線ワイヤは直列接続される、請求項１に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項３】
前記較正コイルの前記感知ユニット直線ワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ１であり、前記減衰器の前記Ｙ軸中心線に関して対称であり、前記基準ユニット直線ワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ２であり、前記遮蔽デバイスの前記Ｙ軸中心線に関して対称であり、Ｌｘ１はＬｘ２よりも小さく、前記基準ユニット直線ワイヤおよび前記感知ユニット直線ワイヤは直列接続される、請求項１に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項４】
前記較正コイルの前記基準ユニット直線ワイヤおよび前記感知ユニット直線ワイヤは全て、隣り合った遮蔽デバイスと減衰器との間隙に位置し、前記基準ユニット直線ワイヤは前記遮蔽デバイスに近い一側部に位置し、前記感知ユニット直線ワイヤは前記減衰器に近い一側部に位置し、前記感知ユニット直線ワイヤおよび前記基準ユニット直線ワイヤは全て細長い形状を有し、それぞれ幅Ｌｘ１およびＬｘ２であり、Ｌｘ１はＬｘ２より小さく、前記基準ユニット直線ワイヤおよび前記感知ユニット直線ワイヤは直列接続される、請求項１に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項５】
前記感知ユニット較正磁界対前記基準ユニット較正磁界の比は、前記感知磁気抵抗センサユニットストリングおよび前記基準磁気抵抗センサユニットストリングの前記位置における前記感知方向に沿ったＸ軸印加磁界の磁界比に等しい、またはそれより大きい、請求項２〜４のいずれかに記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項６】
前記較正コイルは、前記基板の上かつ前記磁気抵抗センサユニットの下、または前記磁気抵抗センサユニットと前記軟強磁性磁束ガイドとの間、または前記軟強磁性磁束ガイドの上に設けられる、請求項２または３に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項７】
前記較正コイルは、前記基板の上かつ前記磁気抵抗センサユニットの下、または前記磁気抵抗センサユニットと前記軟強磁性磁束ガイドとの間、または前記磁気抵抗センサユニットの上かつ前記軟強磁性磁束ガイドの前記遮蔽デバイスと前記減衰器との間隙に設けられる、請求項４に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項８】
前記初期化コイルは平面初期化コイルであり、前記初期化直線ワイヤは、前記Ｘ軸方向に沿って配置された磁気抵抗センサユニットアレイの磁気抵抗センサユニット列の真上または真下に位置する、請求項１に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項９】
前記初期化コイルは３次元初期化コイルであり、前記Ｙ軸中心線に対して垂直な上部直線ワイヤおよび下部直線ワイヤを備え、前記上部直線ワイヤおよび前記下部直線ワイヤは直列接続されて３次元コイルを形成し、前記３次元コイルは、前記軟強磁性磁束ガイドおよび前記磁気抵抗センサユニットに巻き付けられ、前記上部直線ワイヤおよび前記下部直線ワイヤは、それぞれ前記軟強磁性磁束ガイドおよび前記磁気抵抗センサユニットの表面に同じ間隔で配置される、請求項１に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１０】
前記平面初期化コイルは、前記基板の上かつ前記磁気抵抗センサユニットの下、または前記磁気抵抗センサユニットと前記軟強磁性磁束ガイドとの間、または前記軟強磁性磁束ガイドの上に設けられる、請求項８に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１１】
前記初期化コイルおよび前記較正コイルは高導電性材料で作られ、前記高導電性材料はＣｕ、Ａｕ、またはＡｇである、請求項１〜１０のいずれかに記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１２】
前記初期化コイルおよび／または前記較正コイルは、絶縁材料によって前記高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサから絶縁され、前記絶縁材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ポリイミド、またはフォトレジストである、請求項１〜１０のいずれかに記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１３】
前記較正コイルは正ポートおよび負ポートを備え、前記２つのポートに較正電流が流れると前記較正コイルによって生成される較正磁界の振幅範囲は前記磁気抵抗センサユニットの線形作用域の範囲内である、請求項１、２、３、４、または７に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１４】
前記較正電流は１または複数の設定電流値である、請求項１３に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１５】
前記初期化コイルは２つのポートを備え、前記２つのポートに初期化電流が流れると前記初期化コイルによって生成される前記初期化磁界のマグニチュードは、前記磁気抵抗センサユニットの飽和磁界の値よりも高い、請求項１、８、９、または１０に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【請求項１６】
前記初期化電流はパルス電流または直流電流である、請求項１５に記載の較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサの分野に関し、特に、較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン磁気センサは主に、ホールセンサ、ＡＭＲセンサ、およびＧＭＲセンサを含む。ホールセンサに関して、たとえばテルル化インジウムなどの半導体フィルムが基板に堆積され、様々な抵抗をもたらすために外部磁界によって担持体の経路が偏向する。これらの利点として、ホールセンサは、比較的広範囲の磁界を測定することができるが、欠点として、このセンサは低い磁界感度を有し、概して外部磁界を増幅するための磁束コンセントレータを導入する必要がある。ＡＭＲセンサに関して、単層磁気フィルムが基板に堆積され、磁気フィルムの磁気モーメント方向は外部磁界に応答して変化し、その結果、両端にわたって測定される抵抗が変化する。センサユニットおよびその電極は、電流方向と磁界方向との間に所望の角度が形成されるように傾斜した棒状にパターニングされ、そうすることで磁界方向が検出され得る。このセンサユニットの利点は、単純かつ１層のフィルムしか有さないことであるが、欠点は、比較的低い磁気抵抗を有するために感度が乏しいことである。ＧＭＲ多層フィルム磁気センサは、強磁性フィルムおよび導電性フィルムから成るナノメートル厚さの多層フィルム構造によって形成される磁気抵抗センサであり、磁気フィルム層の磁化方向の相対変化に応答して抵抗を変化させることによって、電気担持体が多層フィルムを通過する際に磁界を通って移動しなければならない経路に変化が生じる。それによって、ＡＭＲセンサと比べて磁気抵抗の更なる改善がもたらされる。
【０００３】
上記技術と比べて、ＴＭＲセンサは、強磁性層に導入される上昇／下降電子スピンの相対パーセンテージをそれぞれ変化させ、これらの層は、自由層の磁化方向が外部磁界に応答して比例的に動くように自由層を設計することによって、非金属性絶縁層によって強磁性自由層から分離された強磁性固定層である。その後、強磁性自由層と基準層との間をトンネルする電流が変化し、その結果、センサの抵抗が変化する。それらの磁気抵抗変化マグニチュードは２００％を超え、ホール、ＡＭＲ、またはＧＭＲ型の磁気抵抗センサよりも大幅に高くなり得る。
【０００４】
現在、シリコン磁気３軸線形磁気抵抗センサは、たとえば携帯電話、タブレットコンピュータ、および他の電子製品などの消費者エレクトロニクスにおいて幅広く用いられている。３軸線形磁気抵抗センサは、Ｘ軸線形磁気抵抗センサ、Ｙ軸線形磁気抵抗センサ、およびＺ軸線形磁気抵抗センサを含む。これらのセンサは多くの場合、ホールセンサ、ＡＭＲセンサ、またはＧＭＲセンサである。
【０００５】
したがって、ＴＭＲ磁気抵抗センサの応用分野および範囲を拡大するために、本発明は、優れた線形範囲および磁界感度を有し、既存のホール、ＡＭＲ、またはＧＭＲ型Ｘ軸線形磁気抵抗センサに取って代わるものとして十分適格な、較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサを提案する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、較正および初期化コイルを有する単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサを提案する。較正および初期化コイルはチップ上に導入され、適切な電流が較正コイルに流れ、磁気抵抗感知ユニットストリングおよび基準磁気抵抗ユニットストリングの位置においてそれぞれＸ方向に沿って較正磁界が生成され、較正電流を調整することによって較正磁界のマグニチュードの精確な調整がもたらされる。較正コイルはＸ軸センサチップに位置するので、測定中、較正電流を印加する間の迅速な測定のみが必要であり、その結果、測定の効率精度が向上する。
【０００７】
同様に、外部磁界の作用中、Ｘ軸磁気抵抗センサにおいて磁気状態の不可逆変化が生じ、初期化コイルに電流が流入し、全ての磁気抵抗センサユニットの位置において自由層の初期磁化方向に沿った外部磁界が生成され、その結果、自由層の磁気状態が復元され、磁界の効果によって軟磁性フィルムの磁化状態における履歴的影響が除去される。
【０００８】
本発明は、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサ、較正コイル、および初期化コイルを含む、較正および初期化コイルを備えた単一チップ高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサを提案し、
ここにおいて、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサは、基板の上で互い違いにされた基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングと、細長い軟強磁性磁束ガイドとを含み、軟強磁性磁束ガイドの各々は遮蔽デバイスおよび減衰器を含み、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングは、それぞれ遮蔽デバイスおよび減衰器の表面におけるＹ軸中心線の位置に位置し、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングは電気的に接続されて基準ブリッジ構造を形成し、感知方向はＸ軸方向であり、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングはいずれも複数の磁気抵抗ユニットを含み、較正コイルは平面コイルであり、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングにそれぞれ対応する直列接続された平行な基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤを含み、２つのグループの直線ワイヤは、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングの位置において、磁気抵抗センサユニットの感知方向に沿ってそれぞれ基準ユニット較正磁界および感知ユニット較正磁界を生成し、
初期化コイルは、感知磁気抵抗センサユニットストリングおよび基準磁気抵抗センサユニットストリングに対して垂直な複数の初期化直線ワイヤを含み、全ての磁気抵抗センサユニットストリングの位置において感知方向に垂直な方向に沿って同じ初期化磁界を生成する。
【０００９】
較正中、較正コイルに較正電流が流れ、それによって感知磁気抵抗センサユニットストリングおよび基準磁気抵抗センサユニットストリングの位置においてＸ方向感知ユニット較正磁界および基準ユニット較正磁界がそれぞれ生成され、較正関数は、Ｘ軸磁気抵抗センサの出力信号を測定することによって実行され、初期化中、初期化コイルに初期化電流が流れ、各磁気抵抗センサユニットの位置においてＹ方向に沿って初期化磁界が生成され、その結果、磁気抵抗センサユニットの磁界状態が復元される。
【００１０】
較正コイルの感知ユニット直線ワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ１であり、減衰器のＹ軸中心線に関して対称であり、較正コイルの基準ユニット直線ワイヤの各々は、並列接続された２本の直線サブワイヤを含み、直線サブワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ２であり、２本の直線サブワイヤは基準磁気抵抗センサユニットストリングの両側に対称に配置され、Ｌｘ２はＬｘ１よりも小さく、基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤは直列接続される。
【００１１】
好適には、較正コイルの感知ユニット直線ワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ１であり、減衰器のＹ軸中心線に関して対称であり、較正コイルの基準ユニット直線ワイヤは細長い形状を有し、幅Ｌｘ２であり、遮蔽デバイスのＹ軸中心線に関して対称であり、Ｌｘ１はＬｘ２よりも小さく、基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤは直列接続される。
【００１２】
好適には、較正コイルの基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤは全て、隣り合った遮蔽デバイスと減衰器との間隙に位置し、基準ユニット直線ワイヤは遮蔽デバイスに近い一側部に位置し、感知ユニット直線ワイヤは減衰器に近い一側部に位置し、感知ユニット直線ワイヤおよび基準ユニット直線ワイヤは全て細長い形状を有し、それぞれ幅Ｌｘ１およびＬｘ２であり、Ｌｘ１はＬｘ２より小さく、基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤは直列接続される。
【００１３】
感知磁気抵抗センサユニットストリングおよび基準磁気抵抗センサユニットストリングの位置における感知方向に沿って生成された較正コイルの磁界比は、感知磁気抵抗センサユニットストリングおよび基準磁気抵抗センサユニットストリングの位置における感知方向に沿ったＸ外部磁界の磁界比に近い、またはそれより大きい。
【００１４】
較正コイルは、基板の上かつ磁気抵抗センサユニットの下、または磁気抵抗センサユニットと軟強磁性磁束ガイドとの間、または軟強磁性磁束ガイドの上に設けられる。
【００１５】
好適には、較正コイルは、基板の上かつ磁気抵抗センサユニットの下、または磁気抵抗センサユニットと軟強磁性磁束ガイドとの間、または磁気抵抗センサユニットの上かつ軟強磁性磁束ガイドの遮蔽デバイスと減衰器との間隙に設けられる。
【００１６】
初期化コイルは平面初期化コイルであり、初期化直線ワイヤは、Ｘ軸方向に沿って配置された磁気抵抗センサユニットアレイの磁気抵抗センサユニット列の真上または真下に位置する。
【００１７】
初期化コイルは３次元初期化コイルであり、Ｙ軸中心線に対して垂直な上部直線ワイヤおよび下部直線ワイヤを含み、上部直線ワイヤおよび下部直線ワイヤは直列接続されて３次元コイルを形成し、３次元コイルは、軟強磁性磁束ガイドおよび磁気抵抗センサユニットに巻き付けられ、上部直線ワイヤおよび下部直線ワイヤは、それぞれ軟強磁性磁束ガイドおよび磁気抵抗センサユニットの表面に同じ間隔で配置される。
【００１８】
平面初期化コイルは、基板の上かつ磁気抵抗センサユニットの下、または磁気抵抗センサユニットと軟強磁性磁束ガイドとの間、または軟強磁性磁束ガイドの上に設けられる。
【００１９】
初期化コイルおよび較正コイルは高導電性材料で作られ、高導電性材料はＣｕ、Ａｕ、またはＡｇである。
【００２０】
初期化コイルおよび／または較正コイルは、絶縁材料によって高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサから絶縁され、絶縁材料はＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ポリイミド、またはフォトレジストである。
【００２１】
較正コイルは正ポートおよび負ポートを含み、２つのポートに較正電流が流れると較正コイルによって生成される較正磁界の振幅範囲は、磁気抵抗センサユニットの線形作用域の範囲内である。
【００２２】
較正電流は、電流値または複数の電流値に設定されてよい。
【００２３】
初期化コイルは２つのポートを含み、２つのポートに初期化電流が流れると初期化コイルによって生成される初期化磁界のマグニチュードは、磁気抵抗センサユニットの飽和磁界の値よりも高い。
【００２４】
初期化電流は、パルス電流または直流電流であってよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサの第１の構造図である。
【図２】図２は、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサの第２の構造図である。
【図３】図３は、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサの断面構造図である。
【図４】図４は、第１の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの構造図である。
【図５】図５は、第１の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの第１の断面図である。
【図６】図６は、第１の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの第２の断面図である。
【図７】図７は、第１の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの第３の断面図である。
【図８】図８は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける第１の型の平面較正コイルの磁界分布の第１の図である。
【図９】図９は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における第１の型の平面較正コイルのＸ方向磁界分布の第１の図である。
【図１０】図１０は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける第１の型の平面較正コイルの磁界分布の第２の図である。
【図１１】図１１は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における第１の型の平面較正コイルのＸ方向磁界分布の第２の図である。
【図１２】図１２は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける第１の型の平面較正コイルの磁界分布の第３の図である。
【図１３】図１３は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における第１の型の平面較正コイルのＸ方向磁界分布の第３の図である。
【図１４】図１４は、第２の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの構造図である。
【図１５】図１５は、第２の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの断面図である。
【図１６】図１６は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける第２の型の平面較正コイルの磁界分布の図である。
【図１７】図１７は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける第２の型の平面較正コイルの磁界分布の第２の図である。
【図１８】図１８は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における第２の型の平面較正コイルのＸ方向磁界分布の図である。
【図１９】図１９は、第３の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの構造図である。
【図２０】図２０は、第３の型の平面較正コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの断面図である。
【図２１】図２１は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける第３の型の平面較正コイルの磁界分布の図である。
【図２２】図２２は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における第３の型の平面較正コイルのＸ方向磁界分布の図である。
【図２３】図２３は、平面初期化コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの構造図である。
【図２４】図２４は、平面初期化コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの断面図である。
【図２５】図２５は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける平面初期化コイルの磁界分布の図である。
【図２６】図２６は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における平面初期化コイルのＹ方向磁界分布の図である。
【図２７】図２７は、３次元初期化コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの構造図である。
【図２８】図２８は、３次元初期化コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの断面図である。
【図２９】図２９は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサにおける３次元初期化コイルの磁界分布の図である。
【図３０】図３０は、高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの磁気抵抗センサユニットの位置における平面初期化コイルのＹ方向磁界分布の図である。
【図３１】図３１は、平面較正コイルおよび初期化コイルを含む高磁界Ｘ軸線形磁気抵抗センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
中国特許第２０１３１０７１９２５５．９号は、図１および図２に示すように、基板１と、基板の上に設けられた基準磁気抵抗センサユニットストリング４および４１と、感知磁気抵抗センサユニットストリング５および５１と、軟強磁性磁束ガイドとを含む、高磁界のための単一チップ基準ブリッジ磁気センサを開示する。軟強磁性磁束ガイドは、基準磁気抵抗センサユニットストリング４および４１にそれぞれ対応する遮蔽デバイス２および２１と、感知磁気抵抗センサユニットストリング５および５１にそれぞれ対応する減衰器３および３１とを含む。基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングは、電気的に接続されて基準ブリッジ構造を形成し、ワイヤ６を介して接続され、ここにおいてポートは、電源端子７、接地端子９、および信号出力端子８および１０を含む。図１および図２は、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングが異なる順序で配置されている点で異なっており、図１の場合、２つの中間感知磁気抵抗センサユニットが隣り合い、対応する両側に２つの基準磁気抵抗センサユニットが配置されるが、図２の場合、２つの中間基準磁気抵抗センサユニットストリングが隣り合い、対応する両側に２つの感知磁気抵抗センサユニットストリングが配置されており、基準磁気抵抗センサユニットストリングおよび感知磁気抵抗センサユニットストリングは、遮蔽デバイスおよびそれに対応する減衰器のＹ軸中心線に設けられ、磁気抵抗センサユニットストリングの磁界感知方向はＸ軸方向である。これらの原理は次のとおりである。Ｘ軸方向に磁界が作用すると、基準磁気抵抗センサユニットストリングにおいて生成される磁界成分減衰率は極めて高く、遮蔽デバイスは比較的大きな幅を有するので、それらの減衰器の幅は、基準磁気抵抗センサユニットストリングの幅よりもはるかに大きい。一方、感知磁気抵抗センサユニットストリングにおいて生成される磁界成分減衰振幅は比較的小さく、減衰器は比較的小さな幅を有するので、それらの幅振幅は感知磁気抵抗センサユニットストリングの幅に近い。その結果、磁気抵抗センサユニットストリングが比較的低い測定可能磁界値を有する場合でも、減衰器が、測定可能磁界値よりもはるかに大きい外部磁界を測定可能磁界範囲まで減衰することができ、遮蔽デバイスは、外部磁界を測定可能磁界振幅よりもはるかに小さい範囲まで減衰することができるので、基準ブリッジ高磁界測定Ｘ軸磁界センサが形成される。
【００２７】
図３は、高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気センサの断面図であり、下から上に向かって順に、基板１、基準磁気抵抗センサユニットストリング４および感知磁気抵抗センサユニットストリング５を含む磁気抵抗ユニット、および軟強磁性磁束ガイド、すなわち基準磁気抵抗センサユニットストリング４の表面にある遮蔽デバイス２および感知磁気抵抗センサユニットストリング５の表面にある減衰器３を含み、加えて、基板１と磁気抵抗センサユニットとを隔離するための絶縁材料層１１、軟強磁性磁束ガイドと磁気抵抗センサユニットとの間の絶縁材料層１２、および表面層を被覆する絶縁層１３を更に含む。また、７は４つの電極を表す。
【００２８】
図１および図２において、高磁界のための単一チップ基準ブリッジ磁気センサにおける磁気抵抗センサユニットストリングは、自由層、固定層、および中間バリア層を含むＴＭＲ磁気抵抗センサユニットである。それらの自由層の初期磁化方向はＹ方向であり、固定層の磁化方向、すなわち磁界感知方向はＸ方向である。上記単一チップＸ軸磁気抵抗センサは、Ｘ軸からの外部磁界成分における測定を実現することができるが、以下の問題点を有する。
【００２９】
１）ウェハ試験段階において、電磁コイルおよび電磁コイル電源を含む複雑なＸ方向外部磁界生成システムを設計する必要があり、電磁コイルシステムはプローブプラットフォームを伴って移動する必要があるため、測定費用が増加し、測定の効率に影響を及ぼす。
【００３０】
２）電磁コイルシステムの磁界の印加および配置に測定確度の問題があり、その結果、測定精度に影響を及ぼす。
【００３１】
３）自由層の軟磁性フィルムに磁区が存在することにより、外部磁界の作用中、磁壁の移動は不可逆であり、その結果、外部磁界の除去後、自由層の磁気フィルムは初期状態に復元することができず、履歴現象が生じるので、センサの測定の反復性を保証することが難しい。
【００３２】
本発明は、添付図面を参照し、実施形態とともに以下で詳しく説明される。
【００３３】
便宜上、チップにおける較正コイルおよび初期化コイルの配置型および特徴は、例として図２に示す高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサを用いて以下で説明されるが、その結果は、図１に示す高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサにも適用可能である。
【００３４】
実施形態１
図４は、第１の型の較正コイル７０の構造および分布の図である。較正コイル７０は平面コイルであり、直列接続された細長い感知ユニット直線ワイヤ１０１および基準ユニット直線ワイヤ１０４を含む。感知ユニット直線ワイヤ１０１は幅Ｌｘ１を有し、そのＹ軸中心線は、感知磁気抵抗センサユニットストリング５１に沿って配置される。基準ユニット直線ワイヤ１０４の各々は、２本の直線サブワイヤ１０２および１０３を含む。直線サブワイヤ１０２および１０３は並列接続され、Ｙ方向に沿って、基準磁気抵抗センサユニットストリング４１の両側に対称に配置される。直線サブワイヤ１０２および１０３はいずれも幅Ｌｘ２を有する。
【００３５】
図５〜７は、それぞれ図４に示す第１の型の較正コイル７０を含むＸ軸磁気抵抗センサの断面図である。図５において、平面較正コイルは、基板１の上かつ磁気抵抗センサユニットの下に設けられ、感知ユニット直線ワイヤ１０１は、感知磁気抵抗センサユニットストリング５１の下に設けられ、基準ユニット直線ワイヤ１０４は、並列接続された２本の直線サブワイヤ１０２および１０３を含み、１０２および１０３は基準磁気抵抗センサユニットストリング４１の両側に対称に配置される。
【００３６】
図６において、第１の型の較正コイル７０は、磁気抵抗センサユニット４１および５１と軟強磁性磁束ガイド２１および３１との間に設けられる。図７において、第１の型の較正コイル７０は、軟強磁性磁束ガイド２１および３１の上に設けられる。また、第１の型の較正コイル７０とＸ軸磁気抵抗センサの他の部品との間の電気絶縁を確実にするために、絶縁材料層１４、１５、および１６が差し挟まれる。
【００３７】
図８は、第１の型の較正コイルが磁気抵抗センサユニット４１および５１の下かつ基板の上に設けられる場合、較正コイルに含まれる、減衰器３１に対応する直線ワイヤ１０１および遮蔽デバイス２１に対応する直線ワイヤ１０４によって生成される磁界の分布の図であり、１０４は、並列接続された２本の直線サブワイヤ１０２および１０３を含み、ｍ１〜ｍ９はそれぞれ磁気抵抗センサの位置に対応する。
【００３８】
図９は、図８に示すｍ１〜ｍ９を接続する磁気抵抗センサに対応する直線上のＸ軸磁界成分の分布の図であり、図から分かるように、減衰器に対応するｍ１、ｍ３、ｍ５、ｍ７、およびｍ９は同じ磁界値を有し、遮蔽デバイスに対応するｍ２、ｍ４、ｍ６、およびｍ８もまた同じ磁界値を有し、前者は後者よりもはるかに大きく、Ｂｓ／Ｂｆ＝８．２８であり、ここでＢｓは高感度磁界振幅値であり、Ｂｆは基準磁界振幅値である。
【００３９】
図１０は、第１の型の較正コイルが磁気抵抗センサユニット４１および５１の上かつ軟強磁性磁束ガイド２１および３１の下に設けられる場合、較正コイルに含まれる、減衰器３１に対応する直線ワイヤ１０１および遮蔽デバイス２１に対応する直線ワイヤ１０４によって生成される磁界の分布の図であり、１０４は、並列接続された２本の直線サブワイヤ１０２および１０３を含み、ｍ１１〜ｍ１９はそれぞれ磁気抵抗センサの位置に対応する。
【００４０】
図１１は、図１０に示すｍ１１〜ｍ１９を接続する磁気抵抗センサに対応する直線上のＸ磁界成分の分散の図であり、図から分かるように、減衰器に対応するｍ１１、ｍ１３、ｍ１５、ｍ１７、およびｍ１９は同じ磁界値を有し、遮蔽デバイスに対応するｍ１２、ｍ１４、ｍ１６、およびｍ１８もまた同じ磁界値を有し、前者は後者よりもはるかに大きく、Ｂｓ／Ｂｆ＝８．８６である。
【００４１】
図１２は、第１の型の較正コイルが軟強磁性磁束ガイド２１および３１の上に設けられる場合、較正コイルに含まれる減衰器に３１に対応する直線ワイヤ１０１および遮蔽デバイス２１に対応する直線ワイヤ１０４によって生成される磁界の分布の図であり、１０４は、並列接続された２本の直線サブワイヤ１０２および１０３を含み、ｍ２１〜ｍ２９はそれぞれ磁気抵抗センサの位置に対応する。
【００４２】
図１３は、図１２に示すｍ２１〜ｍ２９を接続する磁気抵抗センサに対応する直線上のＸ軸磁界成分の分布の図であり、図から分かるように、減衰器に対応するｍ２１、ｍ２３、ｍ２５、ｍ２７、およびｍ２９は同じ磁界値を有し、遮蔽デバイスに対応するｍ２２、ｍ２４、ｍ２６、およびｍ２８もまた同じ磁界値を有し、前者は後者よりもはるかに大きいが、外部磁界における軟強磁性磁束ガイドの遮蔽効果によって減衰器および遮蔽デバイスは全て大幅に減衰され、特に、減衰器磁界の磁界振幅は図１０および図８に比べて著しく低減し、Ｂｓ／Ｂｆ＝９．３６である。
【００４３】
実施形態２
図１４は、高磁界単一チップＸ軸線形磁気抵抗センサにおける第２の型の平面較正コイル８０の構造図である。第２の型の平面較正コイル８０は、２本の直線ワイヤ、すなわち基準ユニット直線ワイヤ１０５および感知ユニット直線ワイヤ１０６を含み、これらは遮蔽デバイス２１と減衰器３１との間隙にそれぞれ設けられる。また、基準ユニット直線ワイヤ１０５はより大きな幅を有し、遮蔽デバイス２１に近い一側部に設けられる。感知ユニット直線ワイヤ１０６はより小さな幅を有し、減衰器３１に近い一側部に設けられ、感知ユニット直線ワイヤ１０６および基準ユニット直線ワイヤ１０５は互いに直列接続される。
【００４４】
図１５は、高磁界単一チップＸ軸線形磁気抵抗センサにおける第２の型の平面較正コイル８０の断面図であり、基準ユニット直線ワイヤ１０５および感知ユニット直線ワイヤ１０６は減衰器３１と遮蔽デバイス２１との間隙、かつ磁気抵抗センサユニット４１および５１の上に設けられる。
【００４５】
図１６は、第２の型の平面較正コイル８０の動作中の磁界分布の図であり、この図から、基準ユニット直線ワイヤおよび感知ユニット直線ワイヤにおける合計１２の磁気抵抗センサユニットｍ３１〜ｍ４２の相対位置関係、およびそれらの磁界分布が分かる。図１７は、図１６に示す基準磁気抵抗センサユニットおよび感知磁気抵抗センサユニットの位置における磁界の分布の図である。感知磁気抵抗センサユニット５１における磁界強度は、基準磁気抵抗センサユニット４１における磁界強度よりも明らかに強く、そのＸ方向磁界成分の分布の図は図１８に示すとおりであり、基準磁気抵抗センサユニットの位置におけるＸ方向磁界は０に近く、感知磁気抵抗センサユニットにおけるＸ方向磁界は突起部を有し、Ｂｓ／Ｂｆ＝１２８．９６である。
【００４６】
説明を容易にするために、解決策は、第２の型の平面較正コイル８０が、磁気抵抗センサユニット４１および５１の上、かつ隣り合った減衰器２１と遮蔽デバイス３１との間に設けられた事例のみを記載する。実際は、第２の型の平面較正コイル８０は、基板の上かつ磁気抵抗センサユニットの下に設けられてもよく、または磁気抵抗センサの上かつ軟強磁性磁束ガイドの下に設けられてもよい。
【００４７】
実施形態３
図１９は、高磁界単一チップＸ軸磁気抵抗センサにおける第３の型の平面較正コイル８１の分布の図である。第３の型の平面較正コイル８１は、直列接続された感知ユニット直線ワイヤ１０７および基準ユニット直線ワイヤ１０８を含み、基準ユニット直線ワイヤ１０８は遮蔽デバイス２１に対応し、感知ユニット直線ワイヤ１０７は減衰器３１に対応し、基準ユニット直線ワイヤ１０８および感知ユニット直線ワイヤ１０７はいずれも細長く、それぞれ減衰器３１および遮蔽デバイス２１のＹ軸中心線と一致し、感知ユニット直線ワイヤ１０７の幅は基準ユニット直線ワイヤ１０８の幅よりも小さい。
【００４８】
図２０は、高磁界単一チップＸ軸磁気抵抗センサにおける第３の型の平面較正コイル８１の断面図である。基準ユニット直線ワイヤ１０８および感知ユニット直線ワイヤ１０７は、それぞれ基準磁気抵抗センサユニットストリング４１および感知磁気抵抗センサユニットストリング５１の下に設けられる。この例は説明を容易にするために１つの状況を提供しているにすぎず、実際は、第３の型の平面較正コイル８１は、磁気抵抗センサユニットと軟強磁性磁束ガイドとの間、または軟強磁性磁束ガイドの上に設けられてもよい。また、第３の型の平面較正コイル８１と磁気抵抗センサユニット４１および５１との間の電気絶縁を確実にするために、絶縁層１４１が差し挟まれる。
【００４９】
図２１は、高磁界単一チップＸ軸磁気抵抗センサにおける第３の型の平面較正コイル８１によって生成される磁界の分布の図であり、ｍ５１〜ｍ５９はそれぞれ基準磁気抵抗センサユニットおよび感知磁気抵抗センサユニットの位置におけるＸ軸磁界の分布の図を表し、そのＸ磁界値は図２２に示すとおりである。基準磁気抵抗センサユニットにおけるＸ方向磁界成分は非常に小さいが、感知磁気抵抗センサユニットにおけるＸ方向磁界成分は明らかに増加しており、Ｂｓ／Ｂｆ＝５．６８であることが分かる。
【００５０】
実施形態４
図２３は、直列接続された２つの型の直線ワイヤ１０９および１１０を含む単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサにおける平面初期化コイル８２の分布の図である。直線ワイヤはＹ軸中心線に対して垂直であり、直線ワイヤ１０９は、Ｘ方向に沿った磁気抵抗センサユニットアレイの磁気抵抗センサユニット列の真上または真下に設けられ、直線ワイヤ１１０は、磁気抵抗センサユニット列の両外側における２つの隣り合った磁気抵抗センサユニット列または位置の間隙に設けられる。
【００５１】
図２４は、単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサにおける平面初期化コイル８２の断面図である。平面初期化コイルは、基板の上かつ磁気抵抗センサユニットの下に設けられる。説明を容易にするために、この例は１つの事例のみを提供する。実際の実施中、平面初期化コイル８２は、磁気抵抗センサユニットと軟強磁性磁束ガイドとの間、または軟強磁性磁束ガイドの上に設けられてもよい。また、平面初期化コイル８２と磁気抵抗センサユニット４１および５１との間の電気絶縁を確実にするために、絶縁材料１４３が差し挟まれる。
【００５２】
図２５は、単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサにおける平面初期化コイル８２の磁界分布の図である。磁気抵抗センサユニットｍ６１〜ｍ６５は減衰器２１または遮蔽デバイス３１の表面に設けられ、そのＸ軸磁界の分布の曲線は、図２６に示すとおりである。図２４から分かるように、磁気抵抗センサユニットｍ６１〜ｍ６５の位置は、同じＹ方向磁界成分を有する。
【００５３】
実施形態５
図２７は、Ｙ軸中心線に対して垂直な直線ワイヤを含み、かつ上部直線ワイヤ１１１および下部直線ワイヤ１１２を含む、単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサにおける３次元初期化コイル８３の分布の図である。上部直線ワイヤ１１１および下部直線ワイヤ１１２は３次元ソレノイドコイル構造を形成し、軟強磁性磁束ガイドおよび磁気抵抗センサユニットは磁心として用いられ、３次元ソレノイドコイル構造の軸中心方向はＹ方向として用いられ、上部直線ワイヤ１１１間および下部直線ワイヤ１１２間には同じ間隔が設けられる。
【００５４】
図２８は、単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサにおける３次元初期化コイル８３の断面図である。３次元初期化コイルの上部直線ワイヤ１１２は、軟強磁性磁束ガイド２１および３１の上に設けられ、下部直線ワイヤ１１２は、基板の上かつ磁気抵抗センサユニット４１および５１の下に設けられる。３次元初期化コイル８３と他の部品との間の電気絶縁を確実にするために、絶縁材料層１３１および１４４が差し挟まれる。
【００５５】
図２９は、単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサにおける３次元初期化コイル８３の磁界分布の図であり、ｍ７１〜ｍ７５はそれぞれ減衰器２１または遮蔽デバイス３１における磁気抵抗センサユニット４１および５１の分布であり、対応するＹ方向磁界成分は図３０に示すとおりである。Ｙ方向磁界成分は周期的分布特性を有しており、３次元初期化コイル８３の上部直線ワイヤ１１１および下部直線ワイヤ１１２が等しい間隔を有し、かつ磁気抵抗センサユニット４１および５１がそれぞれ減衰器２１および遮蔽デバイス３１のＹ方向に沿って等しい周期的分布を有する限り、磁気抵抗センサユニットのＹ方向磁界の分布特徴も確保され得ることが分かる。
【００５６】
実施形態６
上記は、単一較正コイルまたは単一初期化コイルを含む単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサである。図３１は、較正コイルおよび初期化コイルを同時に含む単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサを示し、ここで初期化コイルは平面初期化コイルであり初期化直線ワイヤ１０９および１１０を含み、較正コイルは平面コイルであり基準ユニット直線ワイヤ１０１および感知ユニット直線ワイヤ１０４を含み、１０１および１０４は磁気センサユニットの上かつ軟強磁性磁束ガイドの下に設けられ、感知ユニット直線ワイヤは２本の直線サブワイヤ１０２および１０３を含む。また、較正コイルおよび初期化コイルと他の部品との間の電気絶縁を確実にするために、絶縁材料層１１１、１２２、および１５２が差し挟まれる。
【００５７】
説明を容易にするために、この例は、較正コイルおよび初期化コイルを含む単一チップ高磁界Ｘ軸磁気抵抗センサのみを提供する。実際は、較正コイルは第１の型、第２の型、および第３の型のいずれかであってよく、初期化コイルは平面初期化コイルまたは３次元初期化コイルであってよい。それらの位置に関して、較正コイルおよび平面初期化コイルは、基板の上かつ磁気抵抗センサユニットの下、または磁気抵抗センサユニットと軟強磁性磁束ガイドとの間、または軟強磁性磁束ガイドの上の任意の位置に設けられてよく、それらは互いに独立しており、較正コイルおよび３次元初期化コイルの場合、較正コイルは上記の位置に設けられてよいが、３次元初期化コイルは、軟強磁性磁束ガイドおよび磁気抵抗センサユニットを中心として３次元初期化コイルが巻き付けられる状態のみを有する。
【００５８】
初期化コイルおよび／または較正コイルは、絶縁材料を用いて高磁界単一チップ基準ブリッジＸ軸磁気抵抗センサから絶縁される。絶縁材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ポリイミド、またはフォトレジストである。初期化コイルおよび較正コイルは、たとえばＣｕ、Ａｕ、またはＡｇなどの高導電性材料で作られる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【国際調査報告】
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