專利名稱：磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及包括巨磁致電阻元件的磁傳感器。
背景技術(shù)：
通常已知的巨磁致電阻元件包括自旋閥膜，其包括固定磁化層；自由層，其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變；以及非磁導(dǎo)電間隔層。固定磁化層包括被釘扎層(pinned layer)和用于固定該被釘扎層的磁化方向的釘扎層(pinning layer)，間隔層設(shè)置在被釘扎層和自由層之間。因為固定磁化層的被釘扎層包括單鐵磁層(例如，CoFe層)，所以為了方便起見，該固定磁化層下文中稱為“單層被釘扎固定磁化層(single-layer-pinned fixedmagnetization layer)”，且包括單層被釘扎固定磁化層的自旋閥膜下文中稱為“單層被釘扎自旋閥膜”。包括單層被釘扎固定磁化層的巨磁致電阻元件下文中稱為“傳統(tǒng)GMR元件”。
傳統(tǒng)GMR元件的電阻根據(jù)被釘扎層和自由層的磁化方向形成的角度而變化。具體地，該元件的電阻響應(yīng)于沿著被釘扎層的磁化方向的外磁場分量而變化。因此，該元件探測沿著被釘扎層的固定磁化方向的方向(更適當?shù)卣f，反平行于該被釘扎層的磁化方向的方向)的磁場。為了固定被釘扎層的磁化方向，進行磁場熱處理，其中，例如，包括要作為被釘扎層的鐵磁層和要作為釘扎層的反鐵磁層的復(fù)合膜(composite film)在高溫下被熱處理，同時取向在預(yù)定方向的磁場被施加到該復(fù)合膜。
如圖45A所示，利用傳統(tǒng)GMR元件的磁傳感器通常包括探測預(yù)定方向磁場的兩個傳統(tǒng)GMR元件101和102以及探測在反平行于該預(yù)定方向的方向上的磁場的另兩個傳統(tǒng)GMR元件103和104。以全橋構(gòu)造(full-bridgeconfiguration)連接這些GMR元件從而輸出圖中所示的點之間的電勢差V。圖45B示出圖45A所示的磁傳感器響應(yīng)于在其磁場探測方向的外磁場H的輸出V。
該橋構(gòu)造允許已知磁傳感器即使對于小磁場也產(chǎn)生高輸出。已知磁傳感器中，GMR元件的溫度均勻變化，GMR元件的電阻也相應(yīng)地均勻變化。例如，如果一GMR元件的溫度增加，其它GMR元件的溫度均勻地增加，因此所有GMR元件的電阻均勻變化。因此，輸出V不容易被GMR元件的溫度變化所影響，即使GMR元件的溫度改變，磁傳感器也可以準確地探測外磁場(例如日本未審查的公開號為2004-163419的專利申請中所公開的)。
決定磁場探測方向的被釘扎層的磁化方向與磁場熱處理期間施加到要成為固定磁化層的層的磁場的方向相同。為了形成用于在橋構(gòu)造的探測反平行方向磁場的多個傳統(tǒng)GMR元件，必須施加反平行磁場到具有要成為傳統(tǒng)GMR元件的多個膜的襯底。此外，對于能夠探測沿兩個垂直方向(例如X軸和Y軸方向)的磁場分量的磁傳感器，探測沿正X軸方向、正Y軸方向、負X軸方向、以及負Y軸方向的磁場分量的傳統(tǒng)GMR元件設(shè)置在非常小的襯底上。因此，磁場熱處理期間必須施加取向在這些四個方向的磁場到具有要成為傳統(tǒng)GMR元件的膜的襯底。然而，難以在小區(qū)域中產(chǎn)生這樣的彼此取向在不同方向的磁場。
上面引用的日本未審查的公開號為2004-163419的專利申請已經(jīng)公開了一種利用下面的傳感器結(jié)構(gòu)和磁體陣列制造磁傳感器的方法。具體地，要成為四對(總共八個)傳統(tǒng)GMR元件101到108的膜形成在大致正方形的襯底100a的四邊附近，如圖46中平面圖所示。
磁體陣列包括以四方格子(tetragonal lattice)方式排列的矩形實心永磁體。以這樣的方式排列永磁體使得它們的在一側(cè)的端部表面位于基本相同的平面中，任意兩個相鄰永磁體的端部表面具有彼此相反的磁極性。圖47是磁體陣列中永磁體110的一些的透視圖。圖47示出磁體陣列的上側(cè)和磁體產(chǎn)生的從N極到S極在四個方向的磁場。
為了進行磁場熱處理，具有要成為傳統(tǒng)GMR元件的膜的襯底100a設(shè)置在磁體陣列的上側(cè)之上。對于熱處理，施加從磁體陣列的上側(cè)產(chǎn)生的在四個方向的磁場到要成為傳統(tǒng)GMR元件的膜，如圖48所示。于是產(chǎn)生了圖46所示的磁傳感器100。
磁傳感器100的傳統(tǒng)GMR元件101到104探測沿X軸方向的磁場分量。傳統(tǒng)GMR元件101和102的被釘扎層的磁化方向被固定在負X軸方向。傳統(tǒng)GMR元件103和104的被釘扎層的磁化方向被固定在正X軸方向。通常，以全橋構(gòu)造連接傳統(tǒng)GMR元件101到104，如圖45所示，以形成用于探測在X軸方向上的磁場的X軸磁傳感器。
傳統(tǒng)GMR元件105到108探測沿Y軸方向的磁場分量。傳統(tǒng)GMR元件105和106的被釘扎層的磁化方向被固定在正Y軸方向。傳統(tǒng)GMR元件107和108的被釘扎層的磁化方向被固定在負Y軸方向。以與傳統(tǒng)GMR元件101到104相同的全橋構(gòu)造連接傳統(tǒng)GMR元件105到108，從而形成用于探測在Y軸方向上的磁場的Y軸磁傳感器。
在這樣的垂直雙向(探測)磁傳感器中，傳統(tǒng)GMR元件設(shè)置在襯底100a的四邊附近，因此難以使該磁傳感器(芯片)充分小型化。
在其中傳統(tǒng)GMR元件遠距離布置的磁傳感器中，如果襯底100a或者覆蓋襯底100a的樹脂涂層等由于熱、外部應(yīng)力等等而變形，則傳統(tǒng)GMR元件通過不均勻地作用在其上的應(yīng)力而不均勻地變形。從而，以橋構(gòu)造連接的傳統(tǒng)GMR元件的電阻單獨變化，因此磁傳感器的橋電路變得不平衡。結(jié)果，磁傳感器100不能準確地探測磁場。
此外，因為磁傳感器中傳統(tǒng)GMR元件之間的距離長，增加了形成全橋構(gòu)造的導(dǎo)線(wire)的長度，因此增加了歸因于導(dǎo)線的電阻的損耗。
實用新型內(nèi)容本實用新型提供在單襯底(single substrate)上具有包括單層被釘扎固定磁化層的第一巨磁致電阻元件和包括多層被釘扎固定磁化層的第二巨磁致電阻元件的磁傳感器。
該第一巨磁致電阻元件由單層被釘扎自旋閥膜定義，該單層被釘扎自旋閥膜包括單層被釘扎固定磁化層；自由層，其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變；以及間隔層，其由非磁導(dǎo)電材料制成。該單層被釘扎固定磁化層包括單鐵磁層和釘扎層，該間隔層設(shè)置在該鐵磁層和該自由層之間。該鐵磁層的磁化通過該釘扎層被固定在第一方向(例如正X軸方向)，從而該鐵磁層作為被釘扎層。
該第二巨磁致電阻元件由多層被釘扎自旋閥膜定義，該多層被釘扎自旋閥膜包括多層被釘扎固定磁化層；自由層，其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變；以及間隔層，其由非磁導(dǎo)電材料制成。該多層被釘扎固定磁化層包括第一鐵磁層、鄰接該第一鐵磁層的交換耦合層、鄰接該交換耦合層的第二鐵磁層、以及鄰接該第二鐵磁層的釘扎層。該間隔層設(shè)置在該第一鐵磁層和該自由層之間。該第二鐵磁層的磁化方向通過該釘扎層被固定，該第一鐵磁層的磁化方向通過該第一鐵磁層和第二鐵磁層與在它們之間的該交換耦合層的交換耦合被固定在反平行于該第一方向的第二方向(例如負X軸方向)。因此，該第一鐵磁層作為被釘扎層。
該第一巨磁致電阻元件的被釘扎層的固定磁化方向(第一方向)180°不同于(反平行于)該第二巨磁致電阻元件的被釘扎層的固定磁化方向(第二方向)。
具有要作為第一巨磁致電阻元件的單層被釘扎自旋閥膜和要作為第二巨磁致電阻元件的多層被釘扎自旋閥膜的襯底經(jīng)受磁場熱處理。具體地，在高溫下取向在單方向的磁場施加到這兩種膜。從而，該單層被釘扎自旋閥膜的要作為被釘扎層的鐵磁層的磁化和該多層被釘扎自旋閥膜的第二鐵磁層的磁化被固定在相同方向。同時，該多層被釘扎自旋閥膜的要作為該被釘扎層的第一鐵磁層和該第二鐵磁層交換耦合與在它們之間的該交換耦合層交換耦合，從而該第一鐵磁層的磁化被固定在反平行于該第二鐵磁層的磁化方向的方向。因此，該第一巨磁致電阻元件的被釘扎層(鐵磁層)的磁化和該第二巨磁致電阻元件的被釘扎層(第一鐵磁層)的磁化被固定在彼此反平行的方向。
該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件每個探測在反平行于它們各自的被釘扎層的固定磁化方向的方向上的磁場；因此，這兩個元件探測在反平行方向的磁場(見圖14)。
因此，不同于已知磁傳感器，本實用新型的磁傳感器不需要兩個巨磁致電阻元件長間距地設(shè)置以施加第一磁場和其方向180°地不同于該第一磁場的方向的第二磁場到該巨磁致電阻元件。即，可以通過施加取向在單方向的磁場到形成在該襯底上的兩種類型的膜來制造本實用新型的磁傳感器所述兩種類型的膜中的一種要作為該第一巨磁致電阻元件，另一種要作為該第二巨磁致電阻元件。因此，本實用新型的磁傳感器中，具有180°不同的磁場探測方向的該兩種類型的巨磁致電阻元件(該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件)可以彼此接近地設(shè)置。從而，該磁傳感器可以非常小。
優(yōu)選地，以橋構(gòu)造連接該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件以形成一電路，該電路根據(jù)在其預(yù)定點的電勢產(chǎn)生輸出，該輸出隨著施加到該磁傳感器的磁場的在該第一方向的分量的強度的增加而單調(diào)地增加或減小。
該電路可以是半橋(half-bridge)電路或全橋電路。除了該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件之外，該電路還可以包括固定電阻器。
該磁傳感器可包括兩個第一巨磁致電阻元件和兩個第二巨磁致電阻元件，且連接這些元件以形成全橋電路。
具體地，全橋電路中，該兩個第一巨磁致電阻元件之一的一端連接到該兩個第二巨磁致電阻元件之一的一端以形成第一子電路(sub-circuit)。第一電勢施加到該第一子電路的第一巨磁致電阻元件的另一端，不同于該第一電勢的第二電勢施加到該第一子電路的第二巨磁致電阻元件的另一端。
另外，另一巨磁致電阻元件的一端連接到另一第二巨磁致電阻元件的一端以形成第二子電路。該第一電勢施加到該第二子電路中第二巨磁致電阻元件的另一端，該第二電勢施加到該第二子電路中第一巨磁致電阻元件的另一端。
該構(gòu)造中，該磁傳感器輸出該第一子電路中第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件的連接點與該第二子電路中第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差。
該全橋構(gòu)造需要兩對巨磁致電阻元件，每對中的磁致電阻元件具有反平行磁場探測方向。如所說明的，因為探測反平行方向的磁場的該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件可以容易地設(shè)置在單襯底上小區(qū)域中，兩對該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件可容易地設(shè)置在該襯底上小區(qū)域中。因此，本實用新型可實現(xiàn)具有全橋電路且具有出眾的溫度特性的減小尺寸的磁傳感器。
因為這兩種類型的巨磁致電阻元件可以設(shè)置在單襯底上小區(qū)域中，所以應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)幾乎一致且均勻地作用于(置于)這些巨磁致電阻元件上，即使該襯底或覆蓋該襯底或別的層的樹脂涂層等通過熱或外應(yīng)力而變形。因此，該巨磁致電阻元件的電阻均勻地增加或減小，且可減小該全橋電路失去平衡的可能性。因此，該磁傳感器可準確地探測磁場。
該磁傳感器還可以包括由形成該襯底上的單層被釘扎自旋閥膜定義的第三巨磁致電阻元件、以及由形成該襯底上的多層被釘扎自旋閥膜定義的第四巨磁致電阻元件。該第三巨磁致電阻元件中的鐵磁層的磁化被固定在垂直于該第一方向的第三方向，該第四巨磁致電阻元件中的第一鐵磁層的磁化被固定在反平行于該第三方向的第四方向。
該結(jié)構(gòu)允許該磁傳感器探測沿著兩垂直方向的磁場分量(磁力)。該類型的磁傳感器可以被稱為“垂直雙向磁傳感器”。因為該第三巨磁致電阻元件和該第四巨磁致電阻元件可以設(shè)置在該襯底上小區(qū)域中，如該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的情況，該垂直雙向磁傳感器可以較小。
該垂直雙向磁傳感器中，以橋構(gòu)造連接該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件以形成一電路，其根據(jù)在其預(yù)定點的電勢產(chǎn)生第一輸出，該第一輸出隨著施加到該磁傳感器的磁場的在該第一方向的分量的強度的增加而單調(diào)地增加或減小。另外，以橋構(gòu)造連接該第三巨磁致電阻元件和該第四巨磁致電阻元件以形成一電路，其根據(jù)在其預(yù)定點的電勢產(chǎn)生第二輸出，該第二輸出隨著施加到該磁傳感器的磁場的在該第三方向的分量的強度的增加而單調(diào)地增加或減小。
這些橋構(gòu)造可導(dǎo)致半橋電路或全橋電路。除了該第一和第二巨磁致電阻元件或該第三和第四巨磁致電阻元件之外，這些電路還可每個包括固定電阻器。
該垂直雙向磁傳感器可包括兩個第一巨磁致電阻元件、兩個第二巨磁致電阻元件、兩個第三巨磁致電阻元件、以及兩個第四巨磁致電阻元件。該兩個第一巨磁致電阻元件和該兩個第二巨磁致電阻元件以包括第一子電路和第二子電路的全橋構(gòu)造連接。該兩個第三巨磁致電阻元件和該兩個第四巨磁致電阻元件以另一包括第三子電路和第四子電路的全橋構(gòu)造連接。
該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)包括兩個全橋電路且具有出眾溫度特性的垂直雙向磁傳感器。另外，該兩個第三巨磁致電阻元件和該兩個第四巨磁致電阻元件、以及該兩個第一巨磁致電阻元件和該兩個第二巨磁致電阻元件，可以設(shè)置在該襯底上小區(qū)域中。因此，該垂直雙向磁傳感器可以較小。
因為形成橋電路的該巨磁致電阻元件可以設(shè)置在單襯底上小區(qū)域中，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)幾乎一致地作用于這些巨磁致電阻元件上，即使該襯底或覆蓋該襯底和別的層的樹脂涂層等變形。因此這些巨磁致電阻元件的電阻均勻地增加或減小，且可以減小該全橋電路失去平衡的可能性。因此，該垂直雙向磁傳感器可準確地探測沿著兩垂直方向的磁場分量的每一個。該磁傳感器中，第一電勢和不同于該第一電勢的第二電勢可分別施加到該全橋電路中的一個的諸端，第三電勢和不同于該第三電勢的第四電勢可分別施加到另一全橋電路的諸端。在此情形，該第一電勢和該第三電勢可以相同，該第二電勢和該第四電勢可以相同。
本實用新型的磁傳感器可包括形成在該襯底上的四個巨磁致電阻元件，每個包括(被定義)單層被釘扎自旋閥膜；以及形成在該襯底上的四個巨磁致電阻元件，每個包括(被定義)多層被釘扎自旋閥膜。該單層被釘扎自旋閥膜的四個巨磁致電阻元件以全橋構(gòu)造連接從而形成用于探測在預(yù)定方向上的磁場的電路。該多層被釘扎自旋閥膜的四個巨磁致電阻元件以全橋構(gòu)造連接從而形成用于探測在該預(yù)定方向上的磁場的另一電路。通過利用從這兩個電路的輸出，該磁傳感器可以產(chǎn)生被作用于該元件上的應(yīng)力影響盡可能小的輸出。
為了便于理解，下面要參考圖30到34詳細說明該形式。具體地，在該形式的磁傳感器中，該第一巨磁致電阻元件的數(shù)量是兩個(51G、52G)，該第二巨磁致電阻元件的數(shù)量是兩個(61S、62S)。該兩個第一巨磁致電阻元件和該兩個第二巨磁致電阻元件彼此接近地設(shè)置在第一區(qū)域中。
該磁傳感器還包括兩個第五巨磁致電阻元件(53G、54G)，每個包括(被定義)該襯底上的單層被釘扎自旋閥膜；以及兩個第六巨磁致電阻元件(63S、64S)，每個包括該襯底上的多層被釘扎自旋閥膜。每個第五巨磁致電阻元件中的該鐵磁層的磁化被固定在第二方向。每個第六巨磁致電阻元件中的該第一鐵磁層的磁化被固定在第一方向。該兩個第五巨磁致電阻元件和該兩個第六巨磁致電阻元件彼此接近地設(shè)置在與該第一區(qū)域間隔開的第二區(qū)域中。
如圖32A所示，該磁傳感器中，該兩個第一巨磁致電阻元件的一個元件(51G)的一端連接到該兩個第五巨磁致電阻元件的一個元件(53G)的一端，以形成第五子電路；另一第一巨磁致電阻元件(52G)的一端串聯(lián)連接到另一第五巨磁致電阻元件(54G)的一端，以形成第六子電路。第一電勢(+V)施加到該第五子電路的第一巨磁致電阻元件(51G)的另一端和該第六子電路的第五巨磁致電阻元件(54G)的另一端，不同于該第一電勢的第二電勢(GND)施加到該第五子電路的第五巨磁致電阻元件(53G)的另一端和該第六子電路的第一巨磁致電阻元件(52G)的另一端。這樣形成的電路輸出該第五子電路中該第一巨磁致電阻元件(51G)與該第五巨磁致電阻元件(53G)的連接點(Q10)和該第六子電路中該第一巨磁致電阻元件(52G)與該第五巨磁致電阻元件(54G)的連接點(Q20)之間的電勢差VoxConv。該電勢差VoxConv定義為傳統(tǒng)GMR元件輸出。
另外，如圖33A所示，該兩個第二巨磁致電阻元件的一個元件(61S)的一端連接到該兩個第六巨磁致電阻元件的一個元件(63S)的一端，以形成第七子電路；另一第二巨磁致電阻元件(62S)的一端串聯(lián)連接到另一第六巨磁致電阻元件(64S)的一端，以形成第八子電路。第三電勢(其可以與該第一電勢+V相同)施加到該第七子電路的第二巨磁致電阻元件(61S)的另一端和該第八子電路的第六巨磁致電阻元件(64S)的另一端，不同于該第三電勢的第四電勢(其可以與該第二電勢GND相同)施加到該第七子電路的第六巨磁致電阻元件(63S)的另一端和該第八子電路的第二巨磁致電阻元件(62S)的另一端。這樣形成的電路輸出該第七子電路中該第二巨磁致電阻元件(61S)與該第六巨磁致電阻元件(63S)的連接點(Q30)和該第八子電路中該第二巨磁致電阻元件(62S)與該第六巨磁致電阻元件(64S)的連接點(Q40)之間的電勢差VoxSAF。該電勢差VoxSAF定義為SAF元件輸出。
如圖31所示，該磁傳感器根據(jù)該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv和該SAF元件輸出VoxSAF產(chǎn)生輸出。根據(jù)該傳統(tǒng)GMR元件輸出和該SAF元件輸出的該輸出可以是該傳統(tǒng)GMR元件輸出和該SAF元件輸出之間的電勢差、這兩種輸出的比值、或者其它值。
為了描述方便起見，假定在其中磁場要被探測的方向的正方向反平行于該第一方向；該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv是通過從在該連接點Q10的電勢減去在該連接點Q20的電勢得到的差；以及該SAF元件輸出VoxSAF是通過從在該連接點Q30的電勢減去在該連接點Q40的電勢得到的差。另外，假定該磁傳感器輸出通過從該SAF元件輸出VoxSAF減去該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv得到的差，如圖31所示。
在此情形中，隨著要被探測的磁場的強度的增加，該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv如圖32B所示地下降，且該SAF元件輸出VoxSAF如圖33B所示地增加。從而，該磁傳感器的輸出Vox隨著該磁場的強度的增加而增加，如圖34所示。
該磁傳感器中，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)一致地作用于該第一區(qū)域中該第一巨磁致電阻元件(51G、52G)和第二巨磁致電阻元件(61S、62S)上。另外，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)一致地作用于該第二區(qū)域中該第五巨磁致電阻元件(53G、54G)和第六巨磁致電阻元件(63S、64S)上。
如果壓應(yīng)力作用于該第一區(qū)域中元件上，且張應(yīng)力作用于該第二區(qū)域中元件上，同時要被探測的磁場不改變，該第一區(qū)域中元件(51G、52G、61S、62S)的電阻均勻地減小且該第二區(qū)域中元件(53G、54G、63S、64S)的電阻均勻地增大。從而，在該連接點Q10和Q30的電勢增大且在該連接點Q20和Q40的電勢減小。
從而，該SAF元件輸出VoxSAF和該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv一起增大，因此該磁傳感器的輸出幾乎不變。
如果張應(yīng)力作用于該第一區(qū)域中元件上，且壓應(yīng)力作用于該第二區(qū)域中該元件上，該第一區(qū)域中元件(51G、52G、61S、62S)的電阻均勻地增大且該第二區(qū)域中元件(53G、54G、63S、64S)的電阻均勻地減小。從而，在該連接點Q10和Q30的電勢減小且在該連接點Q20和Q40的電勢增大。
從而，該SAF元件輸出VoxSAF和該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv一起減小，因此該磁傳感器的輸出幾乎不變。
此外，如果張應(yīng)力作用于全部元件上，該第一區(qū)域和第二區(qū)域中元件的電阻全部均勻地增大。于是，在從Q10到Q40的連接點的電勢幾乎不變。從而，該SAF元件輸出VoxSAF和該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv幾乎不變，因此該磁傳感器的輸出，即這兩個輸出的差，幾乎不變。如果壓應(yīng)力作用于全部元件上，在從Q10到Q40的連接點的電勢幾乎不變，且因此該磁傳感器的輸出幾乎不變。
如以上通過范例所描述的，即使置于元件的每個上的應(yīng)力彼此不同，只要該外磁場保持不變，該磁傳感器可產(chǎn)生基本恒定的輸出。因此，該磁傳感器可準確地探測磁場。
本實用新型的該磁傳感器可包括多個第一巨磁致電阻元件(每個具有該單層被釘扎固定磁化層)和與該第一巨磁致電阻元件的數(shù)目相同的數(shù)目的第二巨磁致電阻元件(每個具有該多層被釘扎固定磁化層)。該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件彼此平行交替布置在該襯底的預(yù)定方向上。該第一巨磁致電阻元件串聯(lián)連接以形成一巨磁致電阻元件，且該第二巨磁致電阻元件串聯(lián)連接以形成另一巨磁致電阻元件。
如上所述，因為本實用新型的該磁傳感器可以較小，所以作用于該襯底上巨磁致電阻元件上的應(yīng)力之間的差可以較小。但是，可推斷，該襯底或樹脂涂層的形變產(chǎn)生的且作用于該襯底上元件上的應(yīng)力沿著該襯底的表面逐漸變化。于是，如上述布置，通過在該襯底上沿著預(yù)定方向交替排列該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件，且串聯(lián)連接該第一巨磁致電阻元件以形成一巨磁致電阻元件(第一元件)，串聯(lián)連接該第二巨磁致電阻元件以形成另一巨磁致電阻元件(第二元件)，相似大小(具有相似平均值)的應(yīng)力可作用于該第一元件和該第二元件上。因此，由該第一元件和該第二元件上的應(yīng)力導(dǎo)致的電阻變化變得彼此接近。從而，通過以橋構(gòu)造連接該第一和該第二元件以形成電路，該磁傳感器的輸出不被應(yīng)力影響更小。
本實用新型的磁傳感器可包括四個所述第一巨磁致電阻元件和四個所述第二巨磁致電阻元件。該四個第一巨磁致電阻元件的兩個彼此相鄰設(shè)置且形成第一組，該四個第一巨磁致電阻元件的另外兩個彼此相鄰設(shè)置且形成第二組。該四個第二巨磁致電阻元件的兩個位于彼此相鄰且形成第三組，該四個第二巨磁致電阻元件的另外兩個位于彼此相鄰且形成第四組。該第一到第四組以第一組、第三組、第二組、以及第四組的順序或者以第三組、第一組、第四組、以及第二組的順序沿預(yù)定方向平行排列在該襯底上。
連接該第一巨磁致電阻元件的彼此不相鄰的兩個以形成由該第一巨磁致電阻元件組成的一元件(第三元件)，且連接該第一巨磁致電阻元件的其余的彼此不相鄰的兩個以形成由該第一巨磁致電阻元件組成的一元件(第四元件)。換言之，分別連接兩對不相鄰的第一巨磁致電阻元件以定義由該第一巨磁致電阻元件組成的兩個元件(第三元件、第四元件)。
此外，連接彼此不相鄰的兩個該第二巨磁致電阻元件以形成由該第二巨磁致電阻元件組成的一元件(第五元件)，且連接其余的彼此不相鄰的兩個該第二巨磁致電阻元件以形成由該第二巨磁致電阻元件組成的一元件(第六元件)。換言之，分別連接兩對不相鄰的第二巨磁致電阻元件以定義由該第二巨磁致電阻元件組成的兩個元件(第五元件、第六元件)。
該結(jié)構(gòu)可使該第三到第六元件接受具有更接近大小的應(yīng)力。因此，歸因于應(yīng)力的該第三到第六元件的電阻的變化可以是接近的。因此，通過以全橋構(gòu)造連接這些第三到第六元件從而形成磁傳感器，該磁傳感器可產(chǎn)生被該元件上的應(yīng)力影響更小的輸出。
根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種用于制造該磁傳感器的方法。該方法包括在襯底上形成要作為該第一巨磁致電阻元件的膜和要作為該第二巨磁致電阻元件的膜的膜形成步驟；以及在高溫下(在高溫氣氛下)施加取向在單方向的磁場到該膜以固定每個被釘扎層的磁化方向的磁場熱處理步驟。
根據(jù)該磁場熱處理，該第一巨磁致電阻元件中該被釘扎層的磁化方向和該第二巨磁致電阻元件中該被釘扎層的磁化方向容易地被固定，從而這些磁化方向彼此反平行。因此，其磁場探測方向彼此反平行的兩個巨磁致電阻元件可容易地在單襯底上被制造。
優(yōu)選地，該磁場熱處理步驟使用由包括多個基本矩形實心永磁體的磁體陣列產(chǎn)生的磁場，所述永磁體每個具有垂直于該永磁體的每個的中心軸的基本正方形的端表面。該永磁體以這樣的方式小間距排列該端表面的重心對應(yīng)于四方格子的格點(lattice point)，且該永磁體的任何一個的極性與被最短路線(距離)間隔開的其它相鄰永磁體的極性相反。
優(yōu)選地，該膜形成步驟包括子步驟在該襯底上形成要成為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的之一的第一復(fù)合層(第一膜形成步驟)；除去該第一復(fù)合層的不必要的區(qū)域(第一不必要區(qū)域去除步驟)；除去該不必要區(qū)域之后用絕緣層涂敷該第一復(fù)合層(形成絕緣層步驟)；在該襯底和該絕緣層上形成要成為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的另一膜的第二復(fù)合層(第二膜形成步驟)；以及除去該第二復(fù)合層的不必要區(qū)域(第二不必要區(qū)域去除步驟)。
采用上面的方法，容易地制造出在單襯底上具有該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的磁傳感器。
供選地，該膜形成步驟可包括子步驟在該襯底上以此順序形成(沉積)要作為該第二巨磁致電阻元件的該釘扎層、該第二鐵磁層、以及該交換耦合層從而形成第一預(yù)復(fù)合(pre-composite)層(第一預(yù)復(fù)合層形成步驟)；從要要形成該第一巨磁致電阻元件的區(qū)域完全除去該第一預(yù)復(fù)合層的要作為該交換耦合層的層，而在要具有該第二巨磁致電阻元件的區(qū)域中不除去該第一預(yù)復(fù)合層(第一交換耦合層去除步驟)；以及在除去要作為該交換耦合層的層的步驟之后在層的整個上表面上以此順序形成(沉積)具有與該第二鐵磁層相同的成分的鐵磁層和要作為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的間隔層和自由層的層(第一額外層形成步驟)。
通過上面的方法，要用作為該第二巨磁致電阻元件的包括該第一鐵磁層和該第二鐵磁層并且交換耦合層置于其間的復(fù)合層提供在一側(cè)上，且要作為該第一巨磁致電阻元件的包括通過在該固定磁化層(或被釘扎層)中的兩輪沉積形成的該鐵磁層的另一復(fù)合層提供在另一側(cè)上。這樣，容易地制造出在單襯底上具有該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的磁傳感器。
供選地，該膜形成步驟可包括子步驟在該襯底上以此順序形成(沉積)要作為該第一和第二巨磁致電阻元件的自由層的層、要作為該第一和第二巨磁致電阻元件的間隔層的層、要作為第二巨磁致電阻元件的第一鐵磁層的層、以及要作為該第二巨磁致電阻元件的該交換耦合層的層，從而形成第二預(yù)復(fù)合層(第二預(yù)復(fù)合層形成步驟)；從該第一巨磁致電阻元件形成在其上的區(qū)域完全除去該第二預(yù)復(fù)合層的要作為該交換耦合層的層，而在要具有該第二巨磁致電阻元件的區(qū)域中不除去該第二預(yù)復(fù)合層(第二交換耦合層去除步驟)；以及除去要作為該交換耦合層的層的步驟之后在層的整個上表面之上以此順序形成(沉積)與該第一鐵磁層具有相同成分的鐵磁層以及要作為該第一和第二巨磁致電阻元件的釘扎層的層(第二額外層形成步驟)。
通過上面的方法，要作為該第二巨磁致電阻元件的包括該第一鐵磁層和該第二鐵磁層并且交換耦合層置于其間的復(fù)合層提供在一側(cè)，且要作為第一巨磁致電阻元件的包括通過在該固定磁化層(或被釘扎層)中的兩輪沉積形成的該鐵磁層的另一復(fù)合層提供在另一側(cè)。這樣，容易地制造出在單襯底上具有該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的磁傳感器。
根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種磁傳感器，其中包括該單層被釘扎固定磁化層的該第一巨磁致電阻元件和包括該多層被釘扎固定磁化層的該第二巨磁致電阻元件彼此交迭(使一個位于另一個之上)在單襯底上。
具體地，該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件形成為彼此交迭(使一個位于另一個之上)在該襯底的主表面的相同位置處。另外，該第一巨磁致電阻元件的被釘扎層的固定磁化取向在反平行于該第二巨磁致電阻元件的被釘扎層的固定磁化方向(即第二方向)的方向(即第一方向)。
因此，不同于已知的磁傳感器，該磁傳感器還不需要兩個巨磁致電阻元件為施加第一磁場和其方向180°不同于該第一磁場的方向的第二磁場到該巨磁致電阻元件而長間距地設(shè)置。即，可通過施加取向在單方向的磁場到兩種類型的膜來制造該磁傳感器，所述兩種類型的膜以該兩種類型的膜彼此交迭的方式形成在該襯底上一種要作為該第一巨磁致電阻元件，且另一種要作為該第二巨磁致電阻元件。因此，本實用新型的該磁傳感器中，具有180°不同的磁場探測方向的該兩種類型的巨磁致電阻元件(即該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件)可接近地設(shè)置。從而，該磁傳感器可以非常小。
通過設(shè)置該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件以使一個位于另一個之上，應(yīng)力(張應(yīng)力或壓應(yīng)力)基本一致地置于這些巨磁致電阻元件上，即使該襯底或覆蓋該襯底的樹脂涂層通過熱或外應(yīng)力等而變形。結(jié)果，甚至當這樣的應(yīng)力置于兩種元件上時，該元件的電阻均勻變化(該元件的電阻變化幾乎相同的量)。因此，通過采用一構(gòu)造(例如橋電路)，其中得到該兩種元件的電阻的差，對于磁傳感器，所得磁傳感器不會被這樣的應(yīng)力所影響。
該磁傳感器還可包括由該單層被釘扎自旋閥膜定義的設(shè)置在該襯底上的第三巨磁致電阻元件和由該多層被釘扎自旋閥膜定義的設(shè)置在該襯底上以重疊該第三巨磁致電阻元件或在其下的第四巨磁致電阻元件。該第三巨磁致電阻元件中該鐵磁層的磁化被固定在垂直于該第一方向的第三方向上，且該第四巨磁致電阻元件中該第一鐵磁層的磁化被固定在反平行于該第三方向的第四方向。
該結(jié)構(gòu)允許該磁傳感器探測沿著兩垂直方向的磁場分量(磁力)；因此，實現(xiàn)了垂直雙向磁傳感器。因為該第三巨磁致電阻元件和該第四巨磁致電阻元件可設(shè)置在該襯底上小區(qū)域中，如該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的情況，該垂直雙向磁傳感器可以是小的。
根據(jù)本實用新型的另一方面，還提供一種用于制造上述磁傳感器的方法。具體地，該方法包括膜形成步驟，在該襯底上形成要作為該第一巨磁致電阻元件的膜和要作為該第二巨磁致電阻元件的膜，從而該膜之一交迭另一膜；以及磁場熱處理步驟，在高溫下施加取向在單方向的磁場到該膜以固定每個被釘扎層的磁化方向。
根據(jù)該磁場熱處理，容易地固定該第一巨磁致電阻元件中該被釘扎層的磁化方向和該第二巨磁致電阻元件中該被釘扎層的磁化方向，從而這些磁化方向彼此反平行。因此，可容易地在單襯底上制造出其磁場探測方向彼此反平行的兩種巨磁致電阻元件。
優(yōu)選地，該磁場熱處理步驟使用由包括多個基本矩形的實心永磁體的磁體陣列產(chǎn)生的磁場，該永磁體每個具有垂直于該永磁體的中心軸的基本正方形的端表面。該永磁體以這樣的方式小間距排列該端表面的重心對應(yīng)于四方格子的格點，且該永磁體的任意一個的極性與另外的被最短路線(距離)間隔開的相鄰永磁體的極性相反。
優(yōu)選地，該膜形成步驟包括子步驟在該襯底上形成第一復(fù)合層，其要成為要作為該第一巨磁致電阻元件的膜和要作為該第二巨磁致電阻元件中膜之一(第一膜形成步驟)；除去該第一復(fù)合層的不必要區(qū)域(即不必要部分)(第一不必要區(qū)域去除步驟)；在除去該不必要區(qū)域之后用絕緣層涂敷該第一復(fù)合層(絕緣層形成步驟)；在該絕緣層上形成第二復(fù)合層，其要成為要作為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的的其它膜的膜(第二膜形成步驟)；以及除去該第二復(fù)合層的不必要區(qū)域(即不必要部分)。
采用上面的方法，容易地制造出在單襯底上具有該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件的磁傳感器。
根據(jù)本實用新型的另一方面，本實用新型的磁傳感器可包括形成在該襯底上的四個巨磁致電阻元件，該四個巨磁致電阻元件中的每個包括單層被釘扎自旋閥膜；以及形成在該襯底上的四個巨磁致電阻元件，該四個巨磁致電阻元件中的每個包括多層被釘扎自旋閥膜，其中該多層被釘扎自旋閥膜分別重疊(位于)在該單層被釘扎自旋閥膜之上或之下。以全橋構(gòu)造連接具有單層被釘扎自旋閥膜的該四個巨磁致電阻元件以形成用于探測在預(yù)定方向上的磁場的電路。以全橋構(gòu)造連接該具有多層被釘扎自旋閥膜的該四個巨磁致電阻元件以形成用于探測在該預(yù)定方向上的磁場的另一電路。該磁傳感器利用從這兩個電路的輸出來探測該預(yù)定方向的磁場。這樣構(gòu)造的該磁傳感器可產(chǎn)生被置于該元件上的應(yīng)力影響盡可能小的輸出。
為了便于理解，下面要參考圖69到75A和75B詳細描述該形式。具體地，在該形式的磁傳感器中，該第一巨磁致電阻元件(251G)和交迭在該第一巨磁致電阻元件(251G)之上或之下的該第二巨磁致電阻元件(261S)定義第十一元件組，且該第十一元件組設(shè)置于該襯底上第十一區(qū)域中。注意，圖69中，每個實線環(huán)中的兩個元件(例如第一巨磁致電阻元件251G和第二巨磁致電阻元件261S)在垂直于襯底210a的主表面的方向上(即Z軸方向)彼此交迭(即一個位于另一個之上)。
該磁傳感器還包括由單層被釘扎自旋閥膜定義的第三巨磁致電阻元件(252G)和由該多層被釘扎自旋閥膜定義的第四巨磁致電阻元件(262S)。該第四巨磁致電阻元件(262S)在襯底上重疊在該第三巨磁致電阻元件(252G)之上或之下。該第三巨磁致電阻元件的鐵磁層的磁化被固定在第一方向，且該第四巨磁致電阻元件的第一鐵磁層的磁化被固定在第二方向。該第三巨磁致電阻元件和該第四巨磁致電阻元件定義第十二元件組，且該第十二元件組設(shè)置在該第十一區(qū)域中接近該第十一元件組。
該磁傳感器還包括由單層被釘扎自旋閥膜定義且其中該鐵磁層的磁化被固定在該第二方向的第五巨磁致電阻元件(253G)、由該多層被釘扎自旋閥膜定義的在該襯底上交迭在該第五巨磁致電阻元件之上或之下且其中該第一鐵磁層的磁化被固定在該第一方向的第六巨磁致電阻元件(263S)、由單層被釘扎自旋閥膜定義且其中該鐵磁層的磁化被固定在該第二方向的第七巨磁致電阻元件(254G)、以及由該多層被釘扎自旋閥膜定義的在該襯底上交迭在該第七巨磁致電阻元件之上或之下且其中該第一鐵磁層的磁化被固定在該第一方向的第八巨磁致電阻元件(264S)。該第五巨磁致電阻元件(253G)和該第六巨磁致電阻元件(263S)定義第十三元件組，且該第十三元件組設(shè)置在該襯底上與該第十一區(qū)域間隔開的第十二區(qū)域中。該第七巨磁致電阻元件(254G)和該第八巨磁致電阻元件(264S)定義第十四元件組，且該第十四元件組設(shè)置在該第十二區(qū)域中接近該第十三元件組。
如圖71A所示，該磁傳感器中，該第一巨磁致電阻元件(251G)的一端連接到該第五巨磁致電阻元件(253G)的一端以形成第一子電路，該第三巨磁致電阻元件(252G)的一端連接到該第七巨磁致電阻元件(254G)的一端以形成第二子電路。第一電勢(+V)施加到該第一巨磁致電阻元件(251G)的另一端和該第七巨磁致電阻元件(254G)的另一端，不同于該第一電勢的第二電勢(GND)施加到該第三巨磁致電阻元件(252G)的另一端和該第五巨磁致電阻元件(253G)的另一端。構(gòu)造該磁傳感器以輸出該第一巨磁致電阻元件(251G)和該第五巨磁致電阻元件(253G)的連接點(Q210)與該第三巨磁致電阻元件(252G)和該第七巨磁致電阻元件(254G)的連接點(Q220)之間的電勢差VoxConv。該電勢差VoxConv被定義為傳統(tǒng)GMR元件輸出。
另外，如圖72A所示，該第二巨磁致電阻元件(261S)的一端連接到該第六巨磁致電阻元件(263S)的一端以形成第三子電路，該第四巨磁致電阻元件(262S)的一端連接到該第八巨磁致電阻元件(264S)的一端以形成第四子電路。第三電勢(可以與該第一電勢+V相同)施加到該第二巨磁致電阻元件(261S)的另一端和該第八巨磁致電阻元件(264S)的另一端，不同于該第三電勢的第四電勢(可以與該第二電勢GND相同)施加到該第四巨磁致電阻元件(262S)的另一端和該第六巨磁致電阻元件(263S)的另一端。構(gòu)造該磁傳感器以輸出該第二巨磁致電阻元件(261S)和該第六巨磁致電阻元件(263S)的連接點(Q230)與該第四巨磁致電阻元件(262S)和該第八巨磁致電阻元件(264S)的連接點(Q240)之間的電勢差VoxSAF。該電勢差VoxSAF被定義為SAF元件輸出。
此外，如圖70所示，該磁傳感器根據(jù)該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv和該SAF元件輸出VoxSAF產(chǎn)生輸出Vox。根據(jù)該傳統(tǒng)GMR元件輸出和該SAF元件輸出的該輸出可以是該傳統(tǒng)GMR元件輸出和該SAF元件輸出之間的電勢差、這兩種輸出的比值、或者利用這兩種輸出的其它值。
該磁傳感器以與參考圖30到34描述的前述磁傳感器相同的方式工作。為了描述方便起見，假定在其中磁場要被探測的方向的正方向反平行于該第一方向；該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv是通過從連接點Q210的電勢減去連接點Q220的電勢所得到的差；該SAF元件輸出VoxSAF是從連接點Q230的電勢減去連接點Q240的電勢所得到的差。另外，假定該磁傳感器輸出通過從該SAF元件輸出VoxSAF減去該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv所得到的差。
該示例中，隨著要被探測的磁場的強度的增加，該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv如圖71B所示地減小且該SAF元件輸出VoxSAF如圖72B所示地增大。從而，該磁傳感器的輸出Vox隨著該磁場的強度的增加而增大，如圖73所示。
該磁傳感器中，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)均勻地置于該第十一區(qū)域中元件(251G、252G、261S、262S)上。另外，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)均勻地置于該第十二區(qū)域中元件(253G、254G、263S、264S)上。
如果壓應(yīng)力置于該第十一區(qū)域中元件上且張應(yīng)力置于該第十二區(qū)域中元件上，同時要探測的磁場不變，該第十一區(qū)域中元件(251G、252G、261S、262S)的電阻均勻地減小且該第十二區(qū)域中元件(253G、254G、263S、264S)的電阻均勻地增大。于是，在連接點Q210和Q230的電勢增加且在連接點Q220和Q240的電勢減小。
從而，該SAF元件輸出VoxSAF和該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv一起增加，因此該磁傳感器的輸出幾乎不變。
如果張應(yīng)力置于該第十一區(qū)域中元件上且壓應(yīng)力置于該第十二區(qū)域中元件上，同時要探測的磁場不變，該第十一區(qū)域中元件(251G、252G、261S、262S)的電阻均勻地增加且該第十二區(qū)域中元件(253G、254G、263S、264S)的電阻均勻地減小。于是，在連接點Q210和Q230的電勢減小且在連接點Q220和Q240的電勢增加。
從而，該SAF元件輸出VoxSAF和該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv一起減小，因此該磁傳感器的輸出幾乎不變。
此外，如果張應(yīng)力置于全部元件上，則在該第十一區(qū)域和該第十二區(qū)域中元件的電阻全部均勻地增加。因此，在連接點Q210到Q240處的電勢幾乎不變。從而，該SAF元件輸出VoxSAF和該傳統(tǒng)GMR元件輸出VoxConv幾乎不變，因此該磁傳感器的輸出，即這兩種輸出的差，幾乎不變。如果壓應(yīng)力置于全部元件上，在連接點Q210到Q240處的電勢也幾乎不變，因此該磁傳感器的輸出幾乎不變。
如用范例所描述的，即使置于該元件的每個上的應(yīng)力彼此不同，只要該外磁場保持不變，則該磁傳感器可產(chǎn)生基本恒定的輸出。因此，該磁傳感器可準確地探測磁場。
根據(jù)本實用新型的另一方面，磁傳感器可包括在單襯底上的第一巨磁致電阻元件(第一巨磁致電阻元件膜)，其包括該單層被釘扎固定磁化層；第二巨磁致電阻元件(第二巨磁致電阻元件膜)，其包括多層被釘扎固定磁化層；以及多個偏置磁體膜，其用于施加偏置磁場到該巨磁致電阻元件。
該傳感器中，該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件在該襯底上彼此接近地設(shè)置。該第一巨磁致電阻元件的被釘扎層的固定磁化方向(即第一方向)反平行于該第二巨磁致電阻元件的被釘扎層的固定磁化方向(即第二方向)。即，該第一方向180°不同于該第二方向。
不同于已知磁傳感器，該磁傳感器還不需要為了施加第一磁場和其方向180°不同于該第一磁場的方向的第二磁場到該巨磁致電阻元件而長間距地設(shè)置兩個巨磁致電阻元件。即，可通過施加取向在單方向的磁場到形成在該襯底上的兩種類型的膜來制造該磁傳感器，所述兩種類型的膜為要作為該第一巨磁致電阻元件的一種膜和要作為該第二巨磁致電阻元件的另一種膜。因此，該磁傳感器中，具有180°不同的磁場探測方向的該兩種類型的巨磁致電阻元件(即該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件)可以接近地設(shè)置。從而，該磁傳感器可以非常小。
該多個偏置磁體膜(bias magnet film)包括設(shè)置在該襯底上從而與該第一巨磁致電阻元件的端部接觸的第一偏置磁體膜、設(shè)置在該襯底上從而與該第二巨磁致電阻元件的端部接觸的第二偏置磁體膜、以及設(shè)置在該襯底上從而與該第一巨磁致電阻元件的另一端和第二巨磁致電阻元件的另一端接觸的第三偏置磁體膜。該第一偏置磁體膜對該第一巨磁致電阻元件施加取向在基本垂直于該第一方向的第三方向上的偏置磁場。該第二偏置磁體膜對該第二巨磁致電阻元件施加取向該第三方向上的偏置磁場。該第三偏置磁體膜對該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件兩者施加取向在該第三方向上的偏置磁場。
該偏置磁體膜的每個產(chǎn)生一偏置磁場，該偏置磁場用于當沒有外磁場施加在該第一或該第二巨磁致電阻元件上時，使該自由層的磁化取向在基本垂直于相應(yīng)的固定磁化層的磁化方向的方向上。該偏置磁體膜的存在減小該磁傳感器對于外磁場的磁滯。通常，該偏置磁體膜設(shè)置在該第一巨磁致電阻元件的兩端和該第二巨磁致電阻元件的兩端。
為了小型化該磁傳感器，優(yōu)選的是，該第一巨磁致電阻元件設(shè)置為盡可能地接近該第二巨磁致電阻元件。因此，根據(jù)本實用新型一方面的磁傳感器中，提供公共偏置磁體膜(第三偏置磁體膜)以與該第一巨磁致電阻元件的一端以及該第二巨磁致電阻元件的一端相接觸。該公共偏置磁體膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁傳感器的至少兩個偏置磁體膜，且允許該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件彼此非常接近地設(shè)置。因此，該磁傳感器的尺寸可以是小的。此外，因為與該第三偏置磁體膜接觸的兩個元件通過該第三(公共)偏置磁體膜彼此電耦合，因此不必要經(jīng)導(dǎo)線連接這兩個元件。因此，可以更便宜地提供橋構(gòu)造的這些巨磁致電阻元件。
具有這樣的公共偏置磁體膜的磁傳感器中，該第一巨磁致電阻元件可以配置為多個單層被釘扎自旋閥膜(該第一巨磁致電阻元件膜)串聯(lián)連接，且該第二巨磁致電阻元件可以配置為多個多層被釘扎自旋閥膜(該第二巨磁致電阻元件膜)串聯(lián)連接。另外，具有這樣的公共偏置磁體膜的磁傳感器中，該磁傳感器可包括一對該第一巨磁致電阻元件(或該第一巨磁致電阻元件膜)和一對該第二巨磁致電阻元件(或該第二巨磁致電阻元件膜)，其被連接以形成全橋電路。
具體地，具有這樣的公共偏置磁體膜的磁傳感器可以是具有包括第一子電路和第二子電路的全橋電路的磁傳感器。該第一子電路以這樣的方式配置第一電勢施加到該第一巨磁致電阻元件的一端；該第一巨磁致電阻元件的另一端連接到該第二巨磁致電阻元件的一端；以及第二電勢通過例如接地施加到該第二巨磁致電阻元件的另一端。該第二子電路以這樣的方式構(gòu)造該第一電勢施加到另一第二巨磁致電阻元件的一端；該第二巨磁致電阻元件的另一端連接到另一第一巨磁致電阻元件的一端；且第二電勢施加到該第一巨磁致電阻元件的另一端。這樣形成的磁傳感器被配置為輸出該第一子電路中第一巨磁致電阻元件與第二巨磁致電阻元件的連接點和該第二子電路中第一巨磁致電阻元件與第二巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差。供選地，該磁傳感器可以是具有單第一巨磁致電阻元件和單第二巨磁致電阻元件的半橋電路傳感器，其中這些元件以半橋構(gòu)造連接，從而輸出該第一巨磁致電阻元件與該第二巨磁致電阻元件的連接點處的電勢。
這些結(jié)構(gòu)中，該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件可以每個具有窄條形部分，其沿基本垂直于該第一方向的相同方向從該第三偏置磁體膜延伸。供選地，該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件可以每個具有窄條形部分，且該窄條形部分沿基本垂直于該第一方向的方向延伸在一列，第三偏置磁體膜設(shè)置在其間。兩種情況中，通常使用在傳統(tǒng)磁傳感器中的兩個偏置磁體膜被單偏置磁體膜(該公共偏置磁體膜或第三偏置磁體膜)代替，因此該磁傳感器可以更小。
優(yōu)選地，該磁傳感器還包括絕緣層，且當從上觀察時該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件彼此部分交叉，該絕緣層在它們之間。
這樣構(gòu)造的磁傳感器中，該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件彼此交叉(當從上觀察時)，從而，該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件可彼此更接近。
另外優(yōu)選的是，該磁傳感器還包括絕緣層，且該第一偏置磁體膜、該第二偏置磁體膜、以及該第三偏置磁體膜的每個具有梯形(trapezoidal)截面，從而該偏置磁體膜的每個具有相對于該襯底的表面的斜面(slants)和平行于該襯底的上表面的上表面。該第一巨磁致電阻元件的一端與該第一偏置磁體膜的斜面接觸且另一端與該第三偏置磁體膜的斜面接觸。該第一巨磁致電阻元件末端之間的部分毗鄰(位于)該襯底的上表面上。該第一巨磁致電阻元件被覆蓋有絕緣層。該絕緣層的上表面與該第一到第三偏置磁體膜的上表面平齊。該第二巨磁致電阻元件的一端與該第二偏置磁體膜的上表面接觸且另一端與該第三偏置磁體膜的上表面接觸。該第二巨磁致電阻元件的端部之間的部分毗鄰(位于)該絕緣層的上表面上。
供選地，該第二巨磁致電阻元件的一端與該第二偏置磁體膜的斜面接觸且另一端與該第三偏置磁體膜的斜面接觸。該第二巨磁致電阻元件的端部之間的部分毗鄰(位于)該襯底的上表面上。該第二巨磁致電阻元件被覆蓋有絕緣層。該絕緣層的上表面與該第一到第三偏置磁體膜的上表面平齊。該第一巨磁致電阻元件的一端與該第一偏置磁體膜的上表面接觸且另一端與該第三偏置磁體膜的上表面接觸。該第一巨磁致電阻元件的端部之間的部分毗鄰(位于)該絕緣層的上表面上。
為了從該偏置磁體膜施加偏置磁場到該巨磁致電阻元件，該巨磁致電阻元件和它們各自的偏置磁體膜應(yīng)該彼此磁耦合。在上述結(jié)構(gòu)中，該巨磁致電阻元件與它們各自的偏置磁體膜接觸，從而偏置磁場容易地施加到該巨磁致電阻元件。
根據(jù)本實用新型的另一方面，提供另一種用于制造該磁傳感器的方法。該方法包括步驟準備單襯底(襯底準備步驟)；在該襯底上形成要作為該第一到第三偏置磁體膜的膜(偏置磁體膜形成步驟)；在該襯底的上表面以及該第一到第三偏置磁體膜的上表面上形成要作為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件之一的第一膜(第一膜形成步驟)；形成絕緣層以覆蓋要作為該偏置磁體膜的膜以及該第一膜的上表面(絕緣層形成步驟)；通過除去該絕緣層、要作為該偏置磁體膜的膜、以及該第一膜來平坦化該絕緣層、要作為該偏置磁體膜的膜、以及該第一膜的上表面，從而要作為該偏置磁體膜的膜的上表面被暴露(平坦化步驟)；在該平坦化的表面上形成要作為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件中另一個的第二膜(第二膜形成步驟)；以及通過在高溫下施加取向在單方向的磁場到該第一膜和該第二膜來進行磁場熱處理，從而固定該被釘扎層的磁化方向(磁場熱處理步驟或熱退火步驟)。
通過上面的方法，首先形成偏置磁體膜，隨后形成要作為該第一巨磁致電阻元件和該第二巨磁致電阻元件之一的膜(包括構(gòu)圖該膜成為預(yù)定形狀的步驟)，然后在整個表面上沉積絕緣層。
隨后，該絕緣層被部分去除，從而該偏置磁體膜的上表面被暴露且與該絕緣層的表面平齊。然后，形成要作為另一巨磁致電阻元件的另一膜(包括構(gòu)圖該膜成為預(yù)定形狀的步驟)。最后，實施磁場熱處理以固定該被釘扎層的磁化方向。
在上面的方法中，通過該磁場熱處理，該第一巨磁致電阻元件中被釘扎層的磁化方向和該第二巨磁致電阻元件中該被釘扎層的磁化方向容易地被固定，使得這些磁化方向彼此反平行。因此，其磁場探測方向反平行的兩個巨磁致電阻元件可容易地制造出且彼此接近地設(shè)置。
另外，因為該第一巨磁致電阻元件與該第二巨磁致電阻元件通過該絕緣層電絕緣，因此可以容易地制造具有彼此接近地設(shè)置的這兩個元件的磁傳感器。此外，該第一和該第二巨磁致電阻元件可以以這樣的方式設(shè)置該元件之一重疊在另一個之上或之下(一個位于另一個之上)，或者在豎直方向彼此交叉。因此，所得磁傳感器可以更小。
對于上面的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，要作用于該第一到第三偏置磁體膜的膜每個形成為具有相對于該襯底的表面的斜面。
因為每個偏置磁體膜具有斜面，該第一膜的端部可以容易地接觸到該偏置磁體膜的斜面。另外，因為每個偏置磁體膜的上表面被暴露時進行該第二膜的形成，所以該第二膜可以容易地接觸到該偏置磁體膜的上表面。
優(yōu)選地，該磁場熱處理使用由包括多個基本矩形的實心永磁體的磁體陣列產(chǎn)生的磁場，該永磁體具有垂直于該永磁體之一的中心軸的正方形端表面。該永磁體以這樣的方式小間距排列該端表面的重心對應(yīng)于四方格子的格點，且該永磁體的任何一個的極性與被最短路線間隔開的其它相鄰永磁體的極性相反(即每個永磁體具有與其相鄰永磁體的極性相反的極性)。
因此，具有180°不同的磁場探測方向的至少兩個巨磁致電阻元件可以容易地且有效地形成在單襯底上小區(qū)域中。
根據(jù)本發(fā)明的磁傳感器具有許多優(yōu)點。例如，其可以制造地比較小，且其輸出受元件上應(yīng)力的影響盡可能地小等。


圖1是根據(jù)本實用新型第一實施例的磁傳感器(N型)的平面圖；圖2是圖1所示的傳統(tǒng)GMR元件的放大平面圖；圖3是沿圖2中線1-1截取的傳統(tǒng)GMR元件的示意性剖視圖；圖4A是圖1所示的傳統(tǒng)GMR元件的示意性表示；圖4B是圖1所示的傳統(tǒng)GMR元件的概念性透視圖；圖4C是示出圖1所示的傳統(tǒng)GMR元件的電阻響應(yīng)于外磁場的變化的曲線圖；圖5A是圖1所示的SAF元件的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5B是圖1所示的SAF元件的概念性透視圖；圖5C是示出圖1所示的SAF元件的電阻響應(yīng)于外磁場的變化的曲線圖；圖6A是包括在圖1所示的該磁傳感器中的X軸磁傳感器的等效電路；圖6B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，該X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖7A是包括在圖1所示的該磁傳感器中的Y軸磁傳感器的等效電路；圖7B是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向上的分量，該Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖8是用于制造圖1所示的該磁傳感器的晶片(襯底)的局部平面圖；圖9是用于固定圖1所示的該磁傳感器的被釘扎層的磁化的磁體陣列的平面圖；
圖10是沿圖9中2-2線截取的磁體陣列的剖視圖；圖11是圖9中的磁體陣列的永磁體中的五個的透視圖；圖12是用于固定圖1所示的磁傳感器中的傳統(tǒng)GMR元件以及SAF元件的被釘扎層的磁化方向的磁體陣列和晶片的局部平面圖；圖13是關(guān)系圖，示出磁場熱處理中的磁場方向與所得的傳統(tǒng)GMR元件的特性之間的每種關(guān)系；圖14是是關(guān)系圖，示出磁場熱處理中的磁場方向與所得的傳統(tǒng)GMR元件或SAF元件的特性之間的每種關(guān)系；圖15是根據(jù)本實用新型第一實施例的磁傳感器(S型)的平面圖；圖16A是根據(jù)用于制造圖1所示的磁傳感器的第一方法，用于在襯底上形成要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜的步驟的制造工藝視圖；圖16B是跟著圖16A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖16C是跟著圖16B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖17A是跟著圖16C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖17B是跟著圖17A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖17C是跟著圖17B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖18A是跟著圖17C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖18B是跟著圖18A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖18C是跟著圖18B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖19A是跟著圖18C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖19B是跟著圖19A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖19C是跟著圖19B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖20A是跟著圖19C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖20B是跟著圖20A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖20C是跟著圖20B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖21A是跟著圖20C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖21B是跟著圖21A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖22A是根據(jù)用于制造圖1所示的磁傳感器的第二方法，用于在襯底上形成要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜的步驟的制造工藝視圖；圖22B是跟著圖22A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖22C是跟著圖22B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；
圖23A是跟著圖22C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖23B是跟著圖23A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖24A是跟著圖23B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖24B是圖24A所示的第一SAF復(fù)合層的放大視圖；圖25A是跟著圖24A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖25B是圖25A所示的抗蝕劑層R5的端部及該端部的附近的放大視圖；圖26A是跟著圖25A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖26B是通過圖26A所示的步驟形成的抗蝕劑層R5的端部的放大視圖；圖26C是跟著圖26A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖27A是跟著圖26C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖27B是通過圖27A所示的步驟形成的Ru層及其附近的層的放大視圖；圖28A是跟著圖27A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖28B是跟著圖28A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖28C是跟著圖28B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖29是示出根據(jù)用于制造圖1所示的磁傳感器的第三方法，用于形成要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜的步驟的流程圖；圖30是根據(jù)本實用新型第二實施例的磁傳感器的平面圖；圖31是包括在圖30所示的磁傳感器中的X軸磁傳感器的電路的框圖；圖32A是包括在圖30所示的磁傳感器中的第一X軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖32B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，該第一X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖33A是包括在圖30所示的磁傳感器中的第二X軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖33B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，該第二X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖34是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，圖30所示的磁傳感器的X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；
圖35是包括在圖30所示的磁傳感器中的Y軸磁傳感器的電路的框圖；圖36A是包括在圖30所示的磁傳感器中的第一Y軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖36B是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向上的分量，該第一Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖37A是包括在圖30所示的磁傳感器中的第二Y軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖37B是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向上的分量，圖30所示的該第二Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖38是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向上的分量，圖30所示的磁傳感器的Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖39是根據(jù)本實用新型第三實施例的磁傳感器的元件組的平面圖；圖40是根據(jù)該第三實施例的磁傳感器的另一元件組的平面圖；圖41是根據(jù)本實用新型第四實施例的磁傳感器的平面圖；圖42是圖41所示的磁傳感器的X軸磁探測元件組的平面圖；圖43是圖41所示的磁傳感器的Y軸磁探測元件組的平面圖；圖44A是根據(jù)本實用新型的修改的磁傳感器的等效電路的示意圖；圖44B是根據(jù)本實用新型的另一修改的磁傳感器的等效電路的示意圖；圖45A是公知磁傳感器的等效電路的示意圖；圖45B是示出響應(yīng)于外磁場，該公知磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖46是該公知磁傳感器的平面圖；圖47是用于固定該公知磁傳感器的固定磁化層的磁化方向的磁體陣列中的永磁體中的五個的透視圖；圖48是當該固定磁化層的磁化方向被固定時，圖47所示的磁體陣列和晶片之間的位置關(guān)系的平面圖；圖49是根據(jù)本實用新型第五實施例的磁傳感器(N型)的平面圖；圖50是圖49所示的傳統(tǒng)GMR元件的放大平面圖；圖51是圖49所示的SAF元件的放大平面圖；圖52是圖49所示的第六元件組(包括傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件)的放大平面圖；
圖53是沿圖52的53-53線截取的第六元件組的示意性剖視圖；圖54A是包括在圖49所示的磁傳感器中的X軸磁傳感器的等效電路的示意圖圖54B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，圖49所示的X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖55A是包括在圖49所示的磁傳感器中的Y軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖55B是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向上的分量，圖49所示的Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖56是用于制造圖49所示的磁傳感器的晶片(襯底)的局部平面圖；圖57是圖9所示的磁體陣列中的永磁體的五個的透視圖；圖58是用于固定圖49所示的磁傳感器的傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的被釘扎層的磁化方向的磁體陣列和晶片的局部平面圖；圖59是關(guān)系圖，示出磁場熱處理中的磁場方向與所得的傳統(tǒng)GMR元件的特性之間的每種關(guān)系；圖60是根據(jù)本實用新型第五實施例的磁傳感器(S型)的平面圖；圖61A是根據(jù)用于制造圖49所示的磁傳感器的方法，用于在襯底上形成要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜的步驟的制造工藝視圖；圖61B是跟著圖61A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖61C是跟著圖61B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖62A是跟著圖61C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖62B是跟著圖62A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖62C是跟著圖62B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖63A是跟著圖62C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖63B是跟著圖63A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖63C是跟著圖63B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖64A是跟著圖63C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖64B是跟著圖64A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖64C是跟著圖64B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖65A是跟著圖64C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖65B是跟著圖65A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；
圖65C是跟著圖65B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖66A是跟著圖65C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖66B是跟著圖66A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖66C是跟著圖66B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖67A是跟著圖66C所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖67B是跟著圖67A所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖67C是跟著圖67B所示的步驟的步驟的制造工藝視圖；圖68是根據(jù)本實用新型第六實施例的磁傳感器的第六元件組的放大平面圖；圖69是根據(jù)本實用新型第七實施例的磁傳感器的平面圖；圖70是包括在圖69所示的磁傳感器中的X軸磁傳感器的電路的框圖；圖71A是包括在圖69所示的磁傳感器中的第一X軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖71B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向的分量，第一X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖72A是包括在圖69所示的磁傳感器中的第二X軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖72B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向的分量，圖69所示的第二X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖73是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，圖69所示的磁傳感器的X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖74是包括在圖69所示的磁傳感器中的Y軸磁傳感器的電路的框圖；圖75A是包括在圖69所示的磁傳感器中的第一Y軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖75B是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向的分量，第一Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖76A是包括在圖69所示的磁傳感器中的第二Y軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖76B是是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向的分量，圖69所示的第二Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖77是示出響應(yīng)于外磁場在正Y軸方向上的分量，圖69所示的磁傳感器的Y軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖78A是根據(jù)本實用新型第八實施例的磁傳感器的平面圖；圖78B是圖78A所示的磁傳感器的等效電路的示意圖；圖79是根據(jù)本實用新型另一修改的磁傳感器的等效電路的示意圖；圖80是根據(jù)本實用新型第九實施例的磁傳感器(N型)的平面圖；圖81是圖80所示的磁傳感器的X軸磁傳感器的放大平面圖；圖82是沿圖81的線1-1截取的X軸磁傳感器的剖視圖；圖83是沿圖81的線2-2截取的X軸磁傳感器的剖視圖；圖84A是圖81所示的X軸磁傳感器的等效電路的示意圖；圖84B是示出響應(yīng)于外磁場在正X軸方向上的分量，圖81所示的X軸磁傳感器的輸出的變化的曲線圖；圖85是用于制造圖80所示的磁傳感器的方法的一步驟的制造工藝視圖；圖86是用于制造圖80所示的磁傳感器的方法的一步驟的制造工藝視圖；圖87是用于制造圖80所示的磁傳感器的方法的一步驟的制造工藝視圖；圖88是用于制造圖80所示的磁傳感器的晶片(襯底)的局部平面圖；圖89是圖9所示的磁體陣列中的永磁體的五個的透視圖；圖90是用于固定圖80所示的磁傳感器的傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的被釘扎層的磁化方向的磁體陣列和晶片的局部平面圖；圖91是當它們在磁場中經(jīng)歷熱處理時，傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的特性與該磁場的方向之間的關(guān)系圖；圖92是包括在根據(jù)本實用新型第十實施例的磁傳感器中的X軸磁傳感器的平面圖；圖93是包括在根據(jù)第十一實施例的磁傳感器中的X軸磁傳感器的平面圖；圖94是沿圖93的線4-4截取的X軸磁傳感器的剖視圖；以及圖95是圖93所示的X軸磁傳感器的等效電路的示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將參考附圖描述本實用新型的磁傳感器的實施例。
第一實施例磁傳感器結(jié)構(gòu)圖1是根據(jù)本實用新型第一實施例的磁傳感器10的平面圖。磁傳感器10包括單襯底(單片芯片)10a和總共八個巨磁致電阻元件11到14和21到24。為了方便起見，將磁傳感器10稱為“N型磁傳感器10”。
襯底10a是由硅制成的薄硅片。平面圖中，襯底10a具有由沿著相互正交的X軸和Y軸延伸的四邊定義的矩形(基本正方形)形狀。襯底10a沿著與X和Y軸正交的Z軸具有小的厚度。
巨磁致電阻元件11、12、21、以及22是傳統(tǒng)GMR元件。其它的巨磁致電阻元件13、14、23、以及24是具有包括多層被釘扎固定磁化層的合成自旋閥膜(synthetic spin-valve film)的元件(為了方便起見，下文中稱為“SAF元件”，后面要詳細描述)。
本實施例中，巨磁致電阻元件11、12、13、以及14可以分別被稱為第一、第二、第三、以及第四X軸磁探測元件；巨磁致電阻元件21、22、23、以及24可以分別被稱為第一、第二、第三、以及第四Y軸磁探測元件。傳統(tǒng)GMR元件11和12可以被稱為第一巨磁致電阻元件；SAF元件13和14可以被稱為第二巨磁致電阻元件；傳統(tǒng)GMR元件21和22可以被稱為第三巨磁致電阻元件；SAF元件23和24可以被稱為第四巨磁致電阻元件。
傳統(tǒng)GMR元件11、12、21、以及22基本具有相同的結(jié)構(gòu)，除了它們在襯底10a上的位置。下面的描述說明傳統(tǒng)GMR元件11的結(jié)構(gòu)作為代表性示例。
圖2是傳統(tǒng)GMR元件11的放大平面圖，圖3是沿圖2的線1-1截取的傳統(tǒng)GMR元件11的示意性剖視圖。如圖2和3所示，傳統(tǒng)GMR元件11包括多個(本例中為六個)窄條形部分11a1到11a6、多個(本例中為7個)偏置磁體膜11b1到11b7、以及一對端子(連接部分)11c1和11c2。
窄條形部分11a1到11a6每個沿Y軸方向延伸。該窄條形部分11a1設(shè)置在X軸方向上的最正的側(cè)。窄條形部分11a1沿Y軸方向的負端形成在偏置磁體膜11b1上。偏置磁體膜11b1連接到端子11c1。窄條形部分11a1的另一端，或沿Y軸方向的正端，形成在偏置磁體膜11b2上。
與窄條形部分11a1相鄰的窄條形部分11a2在沿X軸方向的負側(cè)的一端形成在偏置磁體膜11b2上且在偏置磁體膜11b2上連接到窄條形部分11a1。窄條形部分11a2的另一端形成在偏置磁體膜11b3上。
與窄條形部分11a2相鄰的窄條形部分11a3在沿X軸方向的負側(cè)的一端形成在偏置磁體膜11b3上且在偏置磁體膜11b3上連接到窄條形部分11a2。窄條形部分11a3的另一端形成在偏置磁體膜11b4上。
與窄條形部分11a3相鄰的窄條形部分11a4在沿X軸方向的負側(cè)的一端形成在偏置磁體膜11b4上且在偏置磁體膜11b4上連接到窄條形部分11a3。窄條形部分11a4的另一端形成在偏置磁體膜11b5上。
與窄條形部分11a4相鄰的窄條形部分11a5在沿X軸方向的負側(cè)的一端形成在偏置磁體膜11b5上且在偏置磁體膜11b5上連接到窄條形部分11a4。窄條形部分11a5的另一端形成在偏置磁體膜11b6上。
與窄條形部分11a5相鄰的窄條形部分11a6在沿X軸方向的負側(cè)的一端形成在偏置磁體膜11b6上且在偏置磁體膜11b6上連接到窄條形部分11a5。窄條形部分11a6的另一端形成在偏置磁體膜11b7上。偏置磁體膜11b7連接到端子11c2。如上所述，傳統(tǒng)GMR元件11具有以迂回(鋸齒形)方式串聯(lián)連接的多個窄條形部分。
窄條形部分11a1到11a6中的每個由圖4A所示的傳統(tǒng)自旋閥膜組成。該自旋閥膜包括形成(沉積)在襯底10a上的自由層F、形成在自由層F上的間隔層S、形成在間隔層S上的固定磁化層P、以及形成在固定磁化層P上的保護層(蓋帽層)C。實際上，由SiO2或SiN形成的絕緣/布線(wiring)層(未示出)可形成在襯底10a和自由層F之間。
自由層F的磁化方向根據(jù)外磁場的方向而改變。自由層F包括形成在襯底10a上的CoZrNb非晶磁層、形成在該CoZrNb非晶磁層上的NiFe磁層、以及形成在該NiFe磁層上的CoFe磁層。這些層組成軟鐵磁膜。
因為窄條形部分11a1到11a6沿Y軸方向延伸，自由層F也沿Y軸方向延伸以具有沿Y軸方向的縱向方向。當外磁場未施加到自由層F時，由于形狀各向異性(單軸各向異性)，自由層F的磁化(下文中也稱為“初始磁化”)取向在自由層F的縱向方向(對于傳統(tǒng)GMR元件11是正Y軸方向)。
間隔層S由非磁導(dǎo)電材料制成(本實施例中為Cu)。
固定磁化層P是單層被釘扎固定磁化層，其是由CoFe制成的鐵磁層Pd和由含有45到55摩爾％的Pt的PtMn合金制成的反鐵磁層Pi的疊層。CoFe磁層Pd的磁化(磁化矢量)通過與作為釘扎層的反鐵磁層Pi的交換耦合而被固定在正X軸方向上，從而作為被釘扎層。每個傳統(tǒng)GMR元件中被釘扎層的固定磁化方向是由CoFe制成的磁層Pd的磁化方向。
保護層C由鈦(Ti)或者鉭(Ta)制成。
再次參考圖2和3，偏置磁體膜11b1到11b7由具有高矯頑力和高剩磁率(remanence ratio)的硬磁材料例如CoCrPt制成，且被磁化以作為永磁膜(hard magnet film硬磁膜)。偏置磁體膜11b1到11b7中的每個與形成在該磁膜的每個的正上面的自由層F磁耦合，且沿自由層F的縱向方向施加磁場到自由層F(對傳統(tǒng)GMR元件11是正Y軸方向)。
采用上面的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)GMR元件11的電阻等于窄條形部分11a1到11a6的電阻的總和，且從端子11c1和11c2處得到。因此，如圖4B和4C所示，傳統(tǒng)GMR元件11具有根據(jù)外磁場H而變化的電阻，所述外磁場H沿固定磁化層P中CoFe磁層Pd的固定磁化方向(本情況中為正X軸方向)在-Hc到+Hc的范圍內(nèi)變化。即，該電阻隨著沿正X軸方向的外磁場的強度的增加而減小。換言之，傳統(tǒng)GMR元件11探測沿反平行于(180°不同于)鄰接(毗鄰)間隔層S的CoFe磁層Pd的固定磁化方向的方向的磁場。此示例中，傳統(tǒng)GMR元件11對于沿Y軸變化的外磁場表現(xiàn)出基本恒定的電阻。
關(guān)于SAF元件13、14、23、以及24，這些元件具有基本相同的結(jié)構(gòu)，除了它們在襯底10a上的位置。下面的描述說明SAF元件13的結(jié)構(gòu)作為代表性示例。
SAF元件13具有與傳統(tǒng)GMR元件11幾乎相同的膜結(jié)構(gòu)，除了它的自旋閥膜結(jié)構(gòu)。SAF元件13是圖5A所示的合成自旋閥膜。該合成自旋閥膜包括形成在襯底10a上的自由層F、形成在自由層F上的間隔層S、形成在間隔層S上的固定磁化層P′、以及形成在固定磁化層P′上的保護層(蓋帽層)C。
合成自旋閥膜中，自由層F、間隔層S、以及保護層C具有與圖4A所示的傳統(tǒng)自旋閥膜的這些相同的結(jié)構(gòu)。換言之，如上面提到的，僅固定磁化層P′具有不同于傳統(tǒng)自旋閥膜的固定磁化層P的結(jié)構(gòu)。
固定磁化層P′是多層被釘扎固定磁化層，其是由CoFe制成的第一鐵磁層P1、由Ru制成且形成在第一鐵磁層P1上的交換耦合層Ex、由CoFe制成且形成在交換耦合層Ex上的第二鐵磁層P2、以及由含有45到55摩爾％的Pt的PtMn合金制成的交換偏置層(反鐵磁層)Eb的疊層。即，以此順序沉積第一鐵磁層P1、交換耦合層Ex、第二鐵磁層P2、交換偏置層Eb。
交換耦合層Ex以夾層方式位于第一鐵磁層P1和第二鐵磁層P2之間。第一鐵磁層P1作為被釘扎層，因為交換耦合層Ex和第二鐵磁層P2的共同作用，其磁化方向被固定從而不響應(yīng)于外磁場的變化而改變。交換偏置層Eb作為釘扎層，用于與第二鐵磁層P2和交換耦合層Ex一起固定第一鐵磁層P1的磁化方向，第一鐵磁層P1是被釘扎層。注意，替代地，第一鐵磁層P1、交換耦合層Ex、以及第二鐵磁層P2可一起被稱為被釘扎層。
交換偏置層Eb與第二鐵磁層P2建立交換耦合以固定第二鐵磁層P2的磁化(磁化矢量)在正X軸方向。第一鐵磁層P1和第二鐵磁層P2通過其間的交換耦合層Ex交換耦合。因此，第一鐵磁層P1的磁化方向反平行于第二鐵磁層P2的磁化方向，如圖5B中箭頭所示。從而，第一鐵磁層P1的磁化被固定在負X軸方向。
具有上述結(jié)構(gòu)的SAF元件13具有根據(jù)外磁場H而變化的電阻，所述外磁場H沿固定磁化層P′中第一鐵磁層(被釘扎層)P1的固定磁化方向在-Hc到+Hc的范圍內(nèi)變化，如圖5C所示。即，該電阻隨著沿正X軸方向的外磁場的強度的增加而增加。換言之，SAF元件13探測沿反平行于鄰接(毗鄰)間隔層S的第一磁層P1的固定磁化方向的方向的磁場。此示例中，SAF元件13對于沿Y軸變化的外磁場表現(xiàn)出基本恒定的電阻。
再參考圖1，傳統(tǒng)GMR元件11設(shè)置在襯底10a的沿X軸正方向的端部的附近且在襯底10a的沿Y軸方向的上中位置。傳統(tǒng)GMR元件11的磁場探測方向是負X軸方向。傳統(tǒng)GMR元件12設(shè)置在襯底10a的沿X軸正方向的端部的附近且在襯底10a的沿Y軸方向的下中位置。傳統(tǒng)GMR元件12的磁場探測方向是負X軸方向。
SAF元件13設(shè)置在襯底10a的沿Y軸方向的上中位置且在傳統(tǒng)GMR元件11的沿X軸方向的負側(cè)，其間有短的距離。SAF元件13的磁場探測方向是正X軸方向。SAF元件14設(shè)置在襯底10a的沿Y軸方向的下中位置且在傳統(tǒng)GMR元件12的沿X軸方向的負側(cè)，其間有短的距離。SAF元件14的磁場探測方向是正X軸方向。
如上所述，這些元件11到14彼此相鄰地設(shè)置在襯底10a的沿X軸正方向的端部附近的區(qū)域中(第一小區(qū)域)。
傳統(tǒng)GMR元件21設(shè)置在襯底10a的沿Y軸正方向的端部的附近且在襯底10a的沿X軸方向的左中位置。傳統(tǒng)GMR元件21的磁場探測方向是負Y軸方向。傳統(tǒng)GMR元件22設(shè)置在襯底10a的沿Y軸正方向的端部的附近且在襯底10a的沿X軸方向的右中位置。傳統(tǒng)GMR元件22的磁場探測方向是負Y軸方向。
SAF元件23設(shè)置在襯底10a的沿X軸方向的左中位置且在傳統(tǒng)GMR元件21的沿Y軸方向的負側(cè)，其間有短的距離。SAF元件23的磁場探測方向是正Y軸方向。SAF元件24設(shè)置在襯底10a的沿X軸方向的右中位置且在傳統(tǒng)GMR元件22的沿Y軸方向的負側(cè)，其間有短的距離。SAF元件24的磁場探測方向是正Y軸方向。
如上所述，這些元件21到24彼此相鄰地設(shè)置在襯底10a的沿Y軸正方向的端部附近的區(qū)域中(以預(yù)定距離離開第一小區(qū)域的第二小區(qū)域)。
磁傳感器10包括由元件11到14組成的X軸磁傳感器(其磁場探測方向沿X軸方向)和由元件21到24組成的Y軸磁傳感器(其磁場探測方向沿Y軸方向)。
如圖6A的等效電路所示，X軸磁傳感器包括通過圖1未示出的導(dǎo)電線以全橋構(gòu)造連接的元件11到14。圖6A中與元件11到14相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性，即，響應(yīng)于沿X軸方向變化的外磁場(外磁場H沿著正X軸方向的分量Hx)的強度的電阻R的變化。傳統(tǒng)GMR元件每個由跟著它們各自附圖標記的“Conv”表示；SAF元件每個由跟著它們各自附圖標記的“SAF”表示。整個說明書中，這樣的曲線圖以及字母“Conv”和“SAF”在類似附圖中有相似的意義。
下面要進一步詳細說明X軸磁傳感器。傳統(tǒng)GMR元件11的一端連接到SAF元件13的一端以形成第一子電路。第一電勢+V(圖中未示出的恒定電壓源提供的恒定電壓)施加到傳統(tǒng)GMR元件11的另一端。SAF元件13的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到SAF元件13的該另一端。
另外，傳統(tǒng)GMR元件12的一端連接到SAF元件14的一端以形成第二子電路。第一電勢+V施加到SAF元件14的另一端。傳統(tǒng)GMR元件12的另一端接地(連接到GND)。換言之，第二電勢施加到傳統(tǒng)GMR元件12的該另一端。
傳統(tǒng)GMR元件11和SAF元件13相連接的連接點Q1處的電勢VQ1與傳統(tǒng)GMR元件12和SAF元件14連接的連接點Q2處的電勢VQ2之間的電勢差Vox(＝VQ2-VQ1)作為X軸磁傳感器的輸出(第一輸出)被得到。因此，X軸磁傳感器輸出電壓Vox，其與外磁場Hx基本成比例且隨著外磁場Hx增加而減小，如圖6B所示。
如圖7A的等效電路所示，Y軸磁傳感器包括通過圖1未示出的導(dǎo)電線以全橋構(gòu)造連接的元件21到24。圖7A中與元件21到24相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性，即，響應(yīng)于沿Y軸方向變化的外磁場(外磁場H沿著正Y軸方向的分量Hy)的強度的電阻R的變化。
下面要進一步詳細說明Y軸磁傳感器。傳統(tǒng)GMR元件21的一端連接到SAF元件23的一端以形成第三子電路。第一電勢+V施加到傳統(tǒng)GMR元件21的另一端。SAF元件23的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢差施加到SAF元件23的該另一端。
另外，傳統(tǒng)GMR元件22的一端連接到SAF元件24的一端以形成第四子電路。第一電勢+V施加到SAF元件24的另一端。傳統(tǒng)GMR元件22的另一端接地(連接到GND)。換言之，第二電勢施加到傳統(tǒng)GMR元件22的該另一端。
傳統(tǒng)GMR元件21和SAF元件23連接的連接點Q3處的電勢VQ3與傳統(tǒng)GMR元件22和SAF元件24連接的連接點Q4處的電勢VQ4之間的電勢差Voy(＝VQ3-VQ4)作為Y軸磁傳感器的輸出(第二輸出)被得到。因此，Y軸磁傳感器輸出電壓Voy，其與在Y軸方向變化的外磁場Hy基本成比例且隨著外磁場Hy增加而增加，如圖7B所示。
被釘扎層的磁化方向的固定現(xiàn)在要描述一種用于固定元件11到14和21到24的被釘扎層的磁化方向的技術(shù)。首先，對應(yīng)于元件11到14和21到24的多個膜M以島狀方式形成在后面將要成為襯底10a的襯底10a-1上，如圖8的平面圖所示。這些膜M設(shè)置為使得當襯底10a-1在切割步驟中沿著圖8中的點畫線CL切割成多個如圖1所示的磁傳感器10時，元件11到14以及21到24如圖1所示地排列在襯底10a上。稍后要描述如何形成這些膜M。
準備圖9和10所示的磁體陣列30。圖9是磁體陣列30的平面圖。圖10是沿圖9的2-2線截取的磁體陣列30的剖視圖。磁體陣列30包括多個矩形實心永磁體(條形永磁體)31和透明石英玻璃制成的板32。以四方格子方式排列永磁體31，它們的上表面被固定到板32的下表面。永磁體31排列為這種方式任何兩個相鄰永磁體31的在相同平面中的端表面具有彼此相反的極性。
即，磁體陣列30具有多個基本矩形的實心永磁體31，每個具有垂直于該永磁體之一的中心軸的基本正方形的截面。以小間距排列永磁體31使得該永磁體的端表面的重心中的每個對應(yīng)四方格子的格點中的每個，且它們的磁極具有與它們的相鄰永磁體31的磁極的極性相反的極性，端表面具有與該截面相同的形狀。
圖11是永磁體31中的五個的透視圖。圖11清楚地示出，永磁體31的端表面(設(shè)有磁極的表面)產(chǎn)生磁場，其磁場線從N極指向其相鄰的S極。即，在磁體陣列30之上產(chǎn)生具有彼此90°不同的方向的磁場。本實施例中，這些磁場被用于固定元件11到14和21到24中被釘扎層的磁化方向。
接下來，具有膜M的襯底10a-1被設(shè)置在磁體陣列30之上。具體地，襯底10a-1和磁體陣列30以一相對位置關(guān)系放置，使得通過沿CL線切割襯底10a-1形成的每個方形的沒有膜M與其相鄰的兩個相鄰邊以及它們的交叉點與相應(yīng)的永磁體的兩個相鄰邊及其它們的交叉點對齊，如圖12中的平面圖所示。因此，每個膜M被暴露于沿垂直于膜M的窄條形部分的縱向方向的方向取向的磁場，如圖11和12中的箭頭所示。
然后，這樣的一組襯底10a-1和磁體陣列30在真空中被加熱到250到280℃且然后允許保持約4小時用于磁場熱處理。結(jié)果，傳統(tǒng)GMR元件的固定磁化層P(被釘扎層Pd)和SAF元件的固定磁化層P′(被釘扎層P1)的磁化方向被固定。
現(xiàn)在參考圖13，例如，為了形成兩個接近地設(shè)置的其磁場探測方向彼此反平行(180°不同)的傳統(tǒng)GMR元件，磁場熱處理期間施加在膜中的要成為傳統(tǒng)GMR元件之一的一個膜M1的磁場必須沿反平行于施加在要成為另一個傳統(tǒng)GMR元件的另一個膜M2上的磁場的方向的方向取向。然而，通常難以在小區(qū)域中產(chǎn)生大的反平行磁場。因為，在公知工藝中，以較大的距離設(shè)置兩個傳統(tǒng)GMR元件以允許它們分別暴露于從磁體陣列30的一N極到其兩個相鄰S極(或者從磁體陣列30的一S極到其兩個相鄰N極)的兩個反平行磁場。
另一方面，如圖14所示，如果取向在相同方向的磁場被施加到分別要成為一傳統(tǒng)GMR元件和一SAF元件的兩個接近地設(shè)置的膜M3和M4以用于磁場熱處理，則產(chǎn)生其磁場探測方向彼此反平行的巨磁致電阻元件。這是因為要成為傳統(tǒng)GMR元件的膜中固定磁化層P的被釘扎層Pd(CoFe磁層)的磁化與要成為SAF元件的膜中固定磁化層P′的第二鐵磁層P2的磁化被固定在彼此相同的方向上，同時固定磁化層P′的第一鐵磁層P1的磁化方向反平行于第二鐵磁層P2的磁化方向。
于是，該技術(shù)可提供排列在非常小的區(qū)域中的具有彼此反平行的磁場探測方向的至少兩個巨磁致電阻元件。
實際上，磁場熱處理之后，具有膜的襯底10a-1經(jīng)歷必要的處理，包括偏置磁體膜的極化，其后，其被沿著圖12所示的CL線切割。結(jié)果，同時制造出多個圖1所示的磁傳感器10和多個圖15所示的磁傳感器40。
為了方便起見，這樣制造的磁傳感器40被稱為“S型磁傳感器40”。S型磁傳感器40包括巨磁致電阻元件41到44和51到54。元件41、42、51、以及52是傳統(tǒng)GMR元件；元件43、44、53、以及54是SAF元件。這些元件中的自由層的初始磁化和被釘扎層(鄰接間隔層的鐵磁層)的方向反平行于磁場探測方向的固定磁化如圖15所示地取向。
元件41、42、43、以及44分別被稱為第一、第二、第三、以及第四X軸磁探測元件。這些X軸磁探測元件以全橋構(gòu)造連接以形成X軸磁傳感器，如磁傳感器10的元件11、12、13、以及14中一樣。類似地，元件51、52、53、以及54分別被稱為第一、第二、第三、以及第四Y軸磁探測元件。這些Y軸磁探測元件以全橋構(gòu)造連接以形成Y軸磁傳感器，象磁傳感器10的元件21、22、23、以及24中一樣。
用于形成膜M的第一方法現(xiàn)在要說明用于形成膜M(要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件)的第一方法(膜形成步驟或形成膜步驟)。
步驟1如圖16A所示地準備襯底10a。襯底10a具有包括用于橋構(gòu)造的導(dǎo)線10a1和覆蓋導(dǎo)線10a1的絕緣層10a2的絕緣/布線層。絕緣層10a2具有用于電連接的通孔VIA。導(dǎo)線10a1部分暴露在通孔VIA的底部處。
步驟2參見16B，要成為偏置磁體膜的CoCrPt層10b通過濺鍍形成在襯底10a的上表面上。
步驟3參見16C，抗蝕劑層R1形成在CoCrPt層10b的上表面上。構(gòu)圖抗蝕劑層R1從而僅覆蓋用于偏置磁體膜的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R1形成為抗蝕劑掩模。
步驟4參見圖17A，CoCrPt層10b的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟5參見圖17B，除去抗蝕劑層R1。
步驟6參見圖17C，如圖4A所示的要成為傳統(tǒng)GMR元件的復(fù)合層10c形成在襯底10a的上表面上。
步驟7參見圖18A，抗蝕劑層R2形成在復(fù)合層10c的上表面上，隨后被構(gòu)圖從而僅覆蓋復(fù)合層10c的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R2形成為抗蝕劑掩模。
步驟8參見圖18B，復(fù)合層10c的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟9參見圖18C，抗蝕劑層R2被除去。
步驟10參見圖19A，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成SiN絕緣間層INS1。供選地，絕緣間層INS1可以由SiO2形成。
步驟11參見圖19B，抗蝕劑層R3形成在絕緣間層INS1的上表面上，隨后被構(gòu)圖從而僅覆蓋要具有傳統(tǒng)GMR元件的區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R3形成為抗蝕劑掩模。
步驟12參見圖19C，絕緣間層INS1的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟13參見圖20A，抗蝕劑層R3被除去。
步驟14參見圖20B，要成為SAF元件的如圖5A所示的復(fù)合層10d形成在襯底10a的上表面上。
步驟15參見圖20C，抗蝕劑層R4形成在復(fù)合層10d的上表面上，隨后被構(gòu)圖從而僅覆蓋復(fù)合層10d的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R4形成為抗蝕劑掩模。
步驟16參見圖21A，復(fù)合層10d的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟17參見圖21B，抗蝕劑層R4被除去。
采用上面的步驟，要作為傳統(tǒng)GMR元件的膜提供在圖21B的左邊，要作為SAF元件的膜提供在右邊。接著這些步驟，實施上述磁場熱處理。
注意，盡管上面的方法中要作為傳統(tǒng)巨磁致電阻元件的膜形成在要作為SAF元件的膜形成之前，但是要作為SAF元件的膜可以形成在要作為傳統(tǒng)巨磁致電阻元件的膜形成之前。
如上所述，該第一方法包括膜形成步驟，該膜形成步驟包括子步驟在單襯底上形成(沉積)要作為第一巨磁致電阻元件(傳統(tǒng)GMR元件)和第二巨磁致電阻元件(SAF元件)之一的第一復(fù)合層(或者膜)(步驟6)；除去該第一復(fù)合層的不必要區(qū)域(步驟7到9)；該第一復(fù)合層的不必要區(qū)域被除去之后，用絕緣層覆蓋(涂敷)該第一復(fù)合層(步驟10到13)；在該襯底和該絕緣層上形成(沉積)要作為另一個巨磁致電阻元件的第二復(fù)合層(或膜)(步驟14)；以及除去該第二復(fù)合層的不必要區(qū)域(步驟15到17)。
通過上述方法，要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜不間斷地(以連續(xù)方式)形成在單襯底上。
用于形成膜M的第二方法現(xiàn)在將描述用于形成膜M的第二方法。該第二方法提供其中固定磁化層P和P′形成在襯底上且間隔層S和自由層F形成在固定磁化層P和P′上的膜。此類型的膜可以被稱為底自旋閥膜。
步驟1如圖22A所示地準備襯底10a。該襯底與圖16A所示的襯底10a具有相同的結(jié)構(gòu)。
步驟2參見圖22B，要成為偏置磁體膜的CoCrPt層10b通過濺鍍形成在襯底10a的上表面上。
步驟3參見圖22C，抗蝕劑層R1形成在CoCrPt層10b的上表面上。構(gòu)圖該抗蝕劑層R1從而僅覆蓋用于偏置磁體膜的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R1形成為抗蝕劑掩模。
步驟4參見圖23A，CoCrPt層10b的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟5參見圖23B，抗蝕劑層R1被除去。此方法的直到步驟5的步驟與第一方法的直到步驟5的步驟相同。
步驟6參見圖24A，以此順序形成(沉積或?qū)盈B)PtMn層、CoFe層、以及Ru層，從而形成要作為SAF元件的復(fù)合層的一部分(下文可稱為“第一SAF復(fù)合層”)。圖24B是第一SAF復(fù)合層的放大視圖。
步驟7參見圖25A，抗蝕劑層R5形成在第一SAF復(fù)合層的上表面上，隨后被構(gòu)圖從而覆蓋用于第一SAF復(fù)合層的必要區(qū)域及其附近區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R5形成為抗蝕劑掩模。圖25B是抗蝕劑層R5的端部及其附近區(qū)域的放大視圖。
步驟8參見圖26A，通過離子研磨除去第一SAF復(fù)合層所需的區(qū)域中的Ru層和部分CoFe層。圖26B是該離子研磨之后該第一SAF復(fù)合層的放大視圖。
步驟9參見圖26C，抗蝕劑層R5被除去。
步驟10參見圖27A，CoFe層，要作為間隔層的Cu層，要作為自由層的CoFe層、NiFe以及CoZrNb層，以此順序形成(沉積或?qū)盈B)在通過步驟1到9已經(jīng)形成的層的上表面之上。圖27B是所得復(fù)合層的放大視圖。然后，對所得復(fù)合層進行磁場熱處理。
步驟11參見圖28A，抗蝕劑層R6形成在該復(fù)合層的上表面上，隨后被構(gòu)圖從而僅覆蓋要具有傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R6形成為抗蝕劑掩模。
步驟12參見圖28B，該復(fù)合層的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟13參見圖28C，抗蝕劑層R6被除去。
采用上述步驟，要作為SAF元件的膜提供在圖28C的左側(cè)，要作為傳統(tǒng)GMR元件的膜提供在右側(cè)。
如上所述，該第二方法包括膜形成步驟，該膜形成步驟包括子步驟要作為第二巨磁致電阻元件(SAF元件)的釘扎層、第二鐵磁層、以及交換耦合層的諸層以此順序形成(沉積)在襯底上，從而形成預(yù)復(fù)合層(第一SAF復(fù)合層)(步驟6)；從要具有第一巨磁致電阻元件(傳統(tǒng)GMR元件)的區(qū)域完全除去該第一預(yù)復(fù)合層的要作為交換耦合層的層，而沒有從要具有第二巨磁致電阻元件的區(qū)域除去該第一預(yù)復(fù)合層(步驟7到9)；以及從要具有第一巨磁致電阻元件的區(qū)域除去該第一預(yù)復(fù)合層的要作為交換耦合層的層之后，在整個上表面上以此順序進一步形成(沉積)與第二鐵磁層具有相同成分的要作為鐵磁層的層、以及要作為第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件的間隔層和自由層的層(步驟10)。
通過上述方法，要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜不間斷地(以連續(xù)方式)形成在單襯底上。
用于形成膜M的第三方法現(xiàn)在要參考圖29描述用于形成膜M的第三方法。該第三方法提供與第一方法中具有相同結(jié)構(gòu)的膜，其中自由層F形成在襯底上，間隔層S以及固定磁化層P和P′形成在自由層F上。此類型的膜稱為頂自旋閥膜。
步驟1如圖29的步驟1所示，要作為自由層F的復(fù)合層(CoZrNb層、NiFe層、以及CoFe層)、要作為間隔層S的層、CoFe層、以及Ru層以此順序形成(沉積)在具有通過實施第一方法的步驟1到步驟5得到的要作為偏置磁體膜的層10b的襯底10a上。
步驟2參見圖29的步驟2，抗蝕劑層形成在要具有SAF元件的區(qū)域。然后，通過離子研磨從不必要區(qū)域除去Ru層和Ru層下面的CoFe層的上部分。
步驟3該抗蝕劑層被除去。
步驟4參見圖29的步驟4，CoFe層、PtMn層、以及Ta層以此順序形成(沉積)，從而在留有Ru層的部分提供要作為SAF元件的固定磁化層P′的層，且在沒有Ru層的區(qū)域上提供要作為傳統(tǒng)GMR元件的固定磁化層P的層。
步驟5然后，進行磁場熱處理以固定該固定磁化層P和P′中被釘扎層的磁化方向。
步驟6最后，實施與圖28A到28C所示的步驟中相同的構(gòu)圖從而形成傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件。
如上所述，該第三方法包括膜形成步驟，該膜形成步驟包括子步驟以所列順序在襯底上形成(沉積)要作為第一巨磁致電阻元件(傳統(tǒng)GMR元件)和第二巨磁致電阻元件(SAF元件)的自由層的層、要作為該第一和第二巨磁致電阻元件的間隔層的層、要作為該第二巨磁致電阻元件的第一鐵磁層的CoFe層、以及要作為該第二巨磁致電阻元件的交換耦合層的層，從而形成第二預(yù)復(fù)合層(步驟1)；從要具有該第一巨磁致電阻元件的區(qū)域完全除去該第二預(yù)復(fù)合層的要作為交換耦合層的層，而沒有從要具有第二巨磁致電阻元件的區(qū)域中除去該第二預(yù)復(fù)合層(步驟2和3)；以及從要具有第一巨磁致電阻元件的區(qū)域去除該第二預(yù)復(fù)合層的要作為交換耦合層的層之后，在整個上表面上以所列順序形成與要作為該第一鐵磁層的層具有相同成分的鐵磁層(CoFe層)和要作為該第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件的釘扎層的層(步驟4)。
通過上述方法，要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜不間斷地(以連續(xù)方式)形成在單襯底上。
如上所述，磁傳感器10包括在單襯底上的傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件。通過彼此接近地形成要作為這些元件的膜且對該膜施加取向在單方向上的磁場，其磁場探測方向彼此反平行的元件可設(shè)置在非常小的區(qū)域中。因此，磁傳感器10可以非常小。
用樹脂膜等涂敷形成在磁傳感器10的襯底10a上的巨磁致電阻元件11到14和21到24。因此，如果襯底10a或樹脂膜通過熱或外應(yīng)力而變形，則巨磁致電阻元件11到14和21到24因而也通過熱或應(yīng)力而變形，且它們的電阻改變。從而，磁傳感器的橋電路，其中巨磁致電阻元件如在磁傳感器10中一樣以橋構(gòu)造連接，失去其平衡且輸出通過應(yīng)力而改變。因此，這樣的磁傳感器不能準確地探測外磁場的強度。
然而，在磁傳感器10中，形成全橋電路的巨磁致電阻元件11到14(或者巨磁致電阻元件21到24)設(shè)置在襯底10a上非常小的區(qū)域中，因此，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)幾乎均勻地置于這些元件上。巨磁致電阻元件的電阻因而均勻地增加或減小。因此，可減小橋電路失去平衡的可能性。因此，磁傳感器10可準確地探測磁場。
第二實施例現(xiàn)在要描述根據(jù)本實用新型第二實施例的磁傳感器。如圖30所示，磁傳感器50包括單襯底50a、傳統(tǒng)GMR元件51G到54G、SAF元件61S到64S、傳統(tǒng)GMR元件71G到74G、以及SAF元件81S到84S。
襯底50a是與襯底10a具有相同的形狀的薄硅片。
傳統(tǒng)GMR元件51G到54G以及71G到74G每個與前述傳統(tǒng)GMR元件11具有相同的結(jié)構(gòu)。SAF元件61S到64S以及81S到84S每個與前述SAF元件13具有相同的結(jié)構(gòu)。構(gòu)造每個元件的自旋閥膜(例如自旋閥膜的層的厚度)，使得如果具有同樣強度的磁場沿元件的各自磁場探測方向施加到各元件時，元件具有相同的電阻，并且使得如果具有相同大小(和相同方向)的應(yīng)力分別置于各元件上時，各元件的電阻變化相同的量(相同的程度)。
本實施例中，傳統(tǒng)GMR元件51G和52G可被稱為第一巨磁致電阻元件；SAF元件61S和62S可被稱為第二巨磁致電阻元件；傳統(tǒng)GMR元件53G和54G可被稱為第五巨磁致電阻元件；SAF元件63S和64S可被稱為第六巨磁致電阻元件。
圖30和下面的表1到4示出元件在襯底50a上的位置、傳統(tǒng)GMR元件51G到54G和71G到74G的固定磁化層P中被釘扎層Pd的固定磁化方向、SAF元件61S到64S和81S到84S的固定磁化層P′中第一鐵磁層P1(即被釘扎層)的固定磁化方向、以及每個元件的磁場探測方向。
表1

表2


SAF元件61S和62S分別設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件51G和52G的沿X軸方向的正側(cè)，其間有短的距離；SAF元件63S和64S分別設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件53G和54G的沿X軸方向的負側(cè)，其間有短的距離。
表3

表4

SAF元件81S和82S分別設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件71G和72G的沿Y軸方向的負側(cè)，其間有短的距離；SAF元件83S和84S分別設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件73G和74G的沿Y軸方向的正側(cè)，其間有短的距離。
傳統(tǒng)GMR元件51G和52G(第一巨磁致電阻元件)以及SAF元件61S和62S(第二巨磁致電阻元件)彼此接近地設(shè)置在具有小面積的第一區(qū)域中(在襯底50a的沿X軸方向的負側(cè))；因此，這些元件位于相同的應(yīng)力施加到這些元件的位置處，因此它們可彼此類似地變形。
傳統(tǒng)GMR元件53G和54G(第五巨磁致電阻元件)以及SAF元件63S和64S(第六巨磁致電阻元件)彼此接近地設(shè)置在具有小面積的第二區(qū)域中(在襯底50a的沿X軸方向的正側(cè))；因此，這些元件位于相同的應(yīng)力施加到這些元件的位置處，因此它們可彼此類似地變形。
傳統(tǒng)GMR元件71G和72G以及SAF元件81S和82S彼此接近地設(shè)置在具有小面積的第三區(qū)域中(在襯底50a的沿Y軸方向的正側(cè))；因此，這些元件位于相同的應(yīng)力施加到這些元件的位置處，因此它們可彼此類似地變形。
傳統(tǒng)GMR元件73G和74G以及SAF元件83S和84S彼此接近地設(shè)置在具有小面積的第四區(qū)域中(在襯底50a的沿Y軸方向的負側(cè))；因此，這些元件位于相同的應(yīng)力施加到這些元件的位置處，因此它們可彼此類似地變形。
磁傳感器50具有X軸磁傳感器50X，其包括第一X軸磁傳感器50X1、第二X軸磁傳感器50X2、以及差分電路50Xdif，如圖31所示。
第一X軸磁傳感器50X1包括用導(dǎo)電線(圖30中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個傳統(tǒng)GMR元件51G到54G，如圖32A中的等效電路所示。
將進一步描述第一X軸磁傳感器50X1。傳統(tǒng)GMR元件51G的一端連接到傳統(tǒng)GMR元件53G的一端以形成第五子電路。第一電勢+V(從圖中未示出的恒定電壓源提供的恒定電壓)施加到傳統(tǒng)GMR元件51G的另一端。傳統(tǒng)GMR元件53G的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到傳統(tǒng)GMR元件53G的該另一端。
另外，傳統(tǒng)GMR元件54G的一端連接到傳統(tǒng)GMR元件52G的一端以形成第六子電路。第一電勢+V施加到傳統(tǒng)GMR元件54G的另一端。傳統(tǒng)GMR元件52G的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到傳統(tǒng)GMR元件52G的該另一端。
傳統(tǒng)GMR元件51G連接到傳統(tǒng)GMR元件53G的連接點Q10處的電勢VQ10與傳統(tǒng)GMR元件54G連接到傳統(tǒng)GMR元件52G的連接點Q20處的電勢VQ20之間的電勢差VoxConv(＝VQ10-VQ20)作為該第一X軸磁傳感器的輸出(傳統(tǒng)GMR元件輸出，X軸傳統(tǒng)GMR元件輸出)被取出。
圖32A中與傳統(tǒng)GMR元件51G到54G相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該傳統(tǒng)GMR元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hx的變化。
當傳統(tǒng)GMR元件51G到54G未受應(yīng)力時，第一X軸磁傳感器50X1的輸出VoxConv基本比例于外磁場Hx，且隨著外磁場Hx的強度的增加而減小，如圖32B中的實線所示。
第二X軸磁傳感器50X2包括用導(dǎo)電線(圖30中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個SAF元件61S到64S，如圖33A中的等效電路所示。
將進一步描述第二X軸磁傳感器50X2。SAF元件61S的一端連接到SAF元件63S的一端以形成第七子電路。第一電勢+V施加到SAF元件61S的另一端。SAF元件63S的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到SAF元件63S的該另一端。
另外，SAF元件64S的一端連接到SAF元件62S的一端以形成第八子電路。第一電勢+V施加到SAF元件64S的另一端。SAF元件62S的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到SAF元件62S的該另一端。
SAF元件61S連接到SAF元件63S的連接點Q30處的電勢VQ30與SAF元件64S連接到SAF元件62S的連接點Q40處的電勢VQ40之間的電勢差VoxSAF(＝VQ30-VQ40)作為該第二X軸磁傳感器50X2的輸出(SAF元件輸出，X軸SAF元件輸出)被取出。
圖33A中與SAF元件61S到64S相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該SAF元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該SAF元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該SAF元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hx的變化。
因此，當SAF元件61S到64S未受應(yīng)力時，第二X軸磁傳感器50X2的輸出VoxSAF基本比例于外磁場Hx，且隨著外磁場Hx的強度增加而增加，如圖33B中實線所示。
差分電路50Xdif從第二X軸磁傳感器50X2的輸出VoxSAF減去第一X軸磁傳感器50X1的輸出VoxConv，且所得的差被輸出，其被定義為X軸磁傳感器50X的輸出Vox，如圖31所示。磁傳感器50的該輸出(X軸輸出)Vox基本比例于外磁場Hx，且隨著外磁場Hx的強度增加而增加，如圖34所示。
磁傳感器50還具有Y軸磁傳感器50Y，如圖35所示。Y軸磁傳感器50Y包括第一Y軸磁傳感器50Y1、第二Y軸磁傳感器50Y2、以及差分電路50Ydif。
第一Y軸磁傳感器50Y1包括用導(dǎo)電線(圖30中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個傳統(tǒng)GMR元件71G到74G，如圖36A中等效電路所示。
將進一步描述第一Y軸磁傳感器50Y1。傳統(tǒng)GMR元件71G的一端連接到傳統(tǒng)GMR元件73G的一端以形成第九子電路。第一電勢+V施加到傳統(tǒng)GMR元件71G的另一端。傳統(tǒng)GMR元件73G的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到傳統(tǒng)GMR元件73G的該另一端。
另外，傳統(tǒng)GMR元件74G的一端連接到傳統(tǒng)GMR元件72G的一端以形成第十子電路。第一電勢+V施加到傳統(tǒng)GMR元件74G的另一端。傳統(tǒng)GMR元件72G的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到傳統(tǒng)GMR元件72G的該另一端。
傳統(tǒng)GMR元件71G連接到傳統(tǒng)GMR元件73G的連接點Q50處的電勢VQ50與傳統(tǒng)GMR元件74G連接到傳統(tǒng)GMR元件72G的連接點Q60處的電勢VQ60之間的電勢差VoyConv(＝VQ50-VQ60)作為該第一Y軸磁傳感器的輸出(傳統(tǒng)GMR元件輸出，Y軸傳統(tǒng)GMR元件輸出)被取出。
圖36A中與傳統(tǒng)GMR元件71G到74G相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該傳統(tǒng)GMR元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hy的變化。
當傳統(tǒng)GMR元件71G到74G未受應(yīng)力時，第一Y軸磁傳感器50Y1的輸出VoyConv基本比例于外磁場Hy，且隨著外磁場Hy的強度的增加而增加，如圖36B中的實線所示。
第二Y軸磁傳感器50Y2包括用導(dǎo)電線(圖30中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個SAF元件81S到84S，如圖37A中的等效電路所示。
將進一步描述第二Y軸磁傳感器50Y2。SAF元件81S的一端連接到SAF元件83S的一端以形成第十一子電路。第一電勢+V施加到SAF元件81S的另一端。SAF元件83S的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到SAF元件83S的該端。
另外，SAF元件84S的一端連接到SAF元件82S的一端以形成第十二子電路。第一電勢+V施加到SAF元件84S的另一端。SAF元件82S的另一端接地(連接到GND)。換言之，與第一電勢不同的第二電勢施加到SAF元件82S的該另一端。
SAF元件81S連接到SAF元件83S的連接點Q70處的電勢VQ70與SAF元件84S連接到SAF元件82S的連接點Q80處的電勢VQ80之間的電勢差VoySAF(＝VQ70-VQ80)作為該第二Y軸磁傳感器50Y2的輸出(SAF元件輸出，Y軸SAF元件輸出)被取出。
圖37A中與SAF元件81S到84S相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該SAF元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該SAF元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該SAF元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hy的變化。
當SAF元件81S到84S未受應(yīng)力時，第二Y軸磁傳感器50Y2的輸出VoySAF基本比例于外磁場Hy，且隨著外磁場Hy的強度增加而減小，如圖37B中實線所示。
差分電路50Ydif從第一Y軸磁傳感器50Y1的輸出VoyConv減去第二Y軸磁傳感器50Y2的輸出VoySAF，且輸出所得到的差，其被定義為Y軸磁傳感器50Y的輸出Voy，如圖35所示。因此，磁傳感器50的輸出(Y軸輸出)Voy基本比例于外磁場Hy，且隨著外磁場Hy的強度增加而增加，如圖38所示。
現(xiàn)在將根據(jù)具體情況描述具有上述結(jié)構(gòu)的磁傳感器50是如何工作的。因為X軸磁傳感器50X和Y軸磁傳感器50Y以相同方式運行，除了它們的磁場探測方向彼此有90°不同，所以下面的說明示出X軸磁傳感器50X的工作。
(1)當沒有應(yīng)力施加在傳統(tǒng)GMR元件51G到54G和SAF元件61S到64S時
X軸磁傳感器50X輸出隨著外磁場Hx增加而增加的電壓Vox。
(2)當張應(yīng)力置于在第一區(qū)域中元件上(傳統(tǒng)GMR元件51G和52G，SAF元件61S和62S)，同時壓應(yīng)力置于第二區(qū)域中元件上(傳統(tǒng)GMR元件53G和54G，SAF元件63S和64S)時不管外磁場Hx的強度，傳統(tǒng)GMR元件51G和52G的電阻增加一基本恒定的值(如圖32A中元件51G和52G的曲線圖中虛線所示)。不管外磁場Hx的強度，傳統(tǒng)GMR元件53G和54G的電阻下降一基本恒定的值(如圖32A中元件53G和54G的曲線圖中雙點畫線所示)。從而，不管外磁場Hx的強度，第一X軸磁傳感器50X1的輸出VoxConv下降一恒定值，如圖32B中的點畫線所示。
另一方面，不管外磁場Hx的強度，SAF元件61S和62S的電阻增加一恒定值(如圖33A中元件61S和62S的曲線圖中虛線所示)。不管外磁場Hx的強度，SAF元件63S和64S下降一恒定值(如圖33A中元件63S和64S的曲線圖中雙點畫線所示)。從而，不管外磁場Hx的強度，第二X軸磁傳感器50X2的輸出VoxSAF下降一恒定值，如圖33B中的點畫線所示。在此示例中，第一X軸磁傳感器50X1的輸出VoxConv和第二X軸磁傳感器50X2的輸出VoxSAF兩者都下降一恒定值。因此，這兩個輸出之間的差(X軸磁傳感器50X的輸出Vox)不變。
(3)當壓應(yīng)力置于第一區(qū)域中元件上(傳統(tǒng)GMR元件51G和52G，SAF元件61S和62S)，同時張應(yīng)力置于第二區(qū)域中元件上(傳統(tǒng)GMR元件53G和54G，SAF元件63S和64S)時不管外磁場Hx的強度，傳統(tǒng)GMR元件51G和52G的電阻下降一基本恒定的值(如圖32A中元件51G和52G的曲線圖中雙點畫線所示)。不管外磁場Hx的強度，傳統(tǒng)GMR元件53G和54G的電阻增加一基本恒定的值(如圖32A中元件53G和54G的曲線圖中虛線所示)。從而，不管外磁場Hx的強度，第一X軸磁傳感器50X1的輸出VoxConv增加一恒定值，如圖32B中的虛線所示。
另一方面，不管外磁場Hx的強度，SAF元件61S和62S的電阻下降一恒定值(如圖33A中元件61S和62S的曲線圖中雙點畫線所示)。不管外磁場Hx的強度，SAF元件63S和64S增加一恒定值(如圖33A中元件63S和64S的曲線圖中虛線所示)。從而，不管外磁場Hx的強度，第二X軸磁傳感器50X2的輸出VoxSAF增加一恒定值，如圖33B中的虛線所示。在此示例中，第一X軸磁傳感器50X1的輸出VoxConv和第二X軸磁傳感器50X2的輸出VoxSAF兩者都增加一恒定值。從而，這兩個輸出之間的差(X軸磁傳感器50X的輸出Vox)不變。
(4)當壓應(yīng)力置于第一和第二區(qū)域中全部元件上時每個元件的電阻減小一恒定值，因此，第一X軸磁傳感器的輸出VoxConv和第二X軸磁傳感器的輸出VoxSAF不變。從而，X軸磁傳感器50X的輸出Vox不變。
(5)當張應(yīng)力置于第一和第二區(qū)域中全部元件上時每個元件的電阻增加一恒定值，因此，第一X軸磁傳感器的輸出VoxConv和第二X軸磁傳感器的輸出VoxSAF不變。從而，X軸磁傳感器50X的輸出Vox不變。
如上所述，除非外磁場變化，第二實施例的磁傳感器50可產(chǎn)生基本恒定的輸出，即使置于元件上的應(yīng)力發(fā)生變化。因此，磁傳感器50可準確地探測磁場。
第三實施例根據(jù)本實用新型第三實施例的磁傳感器不同于圖1所示的第一實施例的磁傳感器10僅在于包括一傳統(tǒng)GMR元件(例如傳統(tǒng)GMR元件11)和一SAF元件(例如SAF元件13)的其中該傳統(tǒng)GMR元件和該SAF元件彼此接近地設(shè)置的組被圖39或40所示的組代替。下面的說明將示出該不同。
具體地，在第三實施例的磁傳感器中，第一實施例的磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件11和SAF元件13組成的第一元件組被圖39所示的元件組91所代替。元件組91設(shè)置在與圖1所示的襯底10a上的設(shè)置第一元件組的位置對應(yīng)的位置。
元件組91包括四個傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4以及四個SAF元件91s1到91s4。平面圖中傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4以及SAF元件91s1到91s4每個具有相同的窄條形。每個元件的縱向方向沿著Y軸方向。這些元件從襯底10a的X軸方向的正緣沿負X軸方向按此順序排列傳統(tǒng)GMR元件91g1；SAF元件91S1；傳統(tǒng)GMR元件91g2；SAF元件91s2；傳統(tǒng)GMR元件91g3；SAF元件91s3；傳統(tǒng)GMR元件91g4；以及SAF元件91s4。因此，元件組91包括襯底10a上這樣的排列，其中傳統(tǒng)GMR元件(第一巨磁致電阻元件)和SAF元件(第二巨磁致電阻元件)彼此平行地交替沿預(yù)定方向(負X軸方向)設(shè)置。
傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4的每個的膜結(jié)構(gòu)是與圖4所示的傳統(tǒng)自旋閥膜相同的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4的每個的固定磁化層P的被釘扎層Pd的磁化被固定在正X軸方向。傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4的每個中自由層F的初始磁化取向在正Y軸方向。
傳統(tǒng)GMR元件91g1沿Y軸方向的負端連接到端子91a。傳統(tǒng)GMR元件91g1的Y軸方向正端連接到傳統(tǒng)GMR元件91g2的Y軸方向正端。傳統(tǒng)GMR元件91g2的Y軸方向負端連接到傳統(tǒng)GMR元件91g3的Y軸方向負端。傳統(tǒng)GMR元件91g3的Y軸方向正端連接到傳統(tǒng)GMR元件91g4的Y軸方向正端。傳統(tǒng)GMR元件91g4的Y軸方向負端連接到另一端子91b。
因此，傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4的電阻的總和從端子91a和91b取出，代替磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件11的電阻。傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4的電阻的總和與傳統(tǒng)GMR元件11的電阻以相同的方式變化。換言之，傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4組成傳統(tǒng)GMR元件的修改形式。即，多個傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4串聯(lián)連接以形成一個巨磁致電阻元件(第一元件)。
四個SAF元件91s1到91s4中每個的膜結(jié)構(gòu)是與圖5所示的合成自旋閥膜相同的結(jié)構(gòu)。SAF元件91s1到91s4的每個中固定磁化層P′的被釘扎層(第一磁層P1)的磁化被固定在負X軸方向。SAF元件91s1到91s4的每個中自由層F的初始磁化取向在正Y軸方向。
SAF元件91s1的Y軸方向負端連接到端子91c。SAF元件91s1的Y軸方向正端連接到SAF元件91s2的Y軸方向正端。SAF元件91s2的Y軸方向負端連接到SAF元件91s3的Y軸方向負端。SAF元件91s3的Y軸方向正端連接到SAF元件91s4的Y軸方向正端。SAF元件91s4的Y軸方向負端連接到另一端子91d。
因此，SAF元件91s1到91s4的電阻的總和從端子91c和91d取出，代替磁傳感器10中SAF元件13的電阻。SAF元件91s1到91s4的電阻的總和與SAF元件13的電阻以相同的方式變化。換言之，SAF元件91s1到91s4組成修改的SAF元件13。即，多個SAF元件91s1到91s4串聯(lián)連接以形成另一巨磁致電阻元件(第二元件)。
傳統(tǒng)GMR元件91g1到91g4和SAF元件91s1到91s4中每個的兩端都提供有偏置磁體膜(圖39中未示出)，用于向?qū)?yīng)的自由層F施加與自由層F的初始磁化方向取向在相同的方向上的磁場。
第三實施例的磁傳感器中，另外，第一實施例的磁傳感器10中由傳統(tǒng)GMR元件12和SAF元件14組成的第二元件組被與圖39所示的元件組91具有相同結(jié)構(gòu)的元件組所代替。該元件組設(shè)置在與圖1所示的在襯底10a上設(shè)置第二元件組的位置對應(yīng)的位置中。如上所述，在第三實施例的磁傳感器中，修改的傳統(tǒng)GMR元件12和修改的SAF元件14設(shè)置在與設(shè)置磁傳感器10的第二元件組的位置對應(yīng)的位置中。
此外，第三實施例的磁傳感器中，由第一實施例的磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件21和SAF元件23組成的第三元件組被圖40所示的元件組92所代替。元件組92設(shè)置在與圖1所示的在襯底10a上設(shè)置第三元件組的位置對應(yīng)的位置中。
如圖40所示，元件組92與圖39所示的元件組91具有相同的結(jié)構(gòu)。更具體地，元件組92包括傳統(tǒng)GMR元件92g1到92g4以及SAF元件92s1到92s4。當從上觀察時這些元件每個具有窄條形狀。元件組92中的元件沿X軸方向延伸且如圖40所示地連接。自由層F的初始磁化和固定磁化層P和P′的被釘扎層的固定磁化取向在圖40所示的方向。因此，第三實施例的磁傳感器具有元件組92，其在與磁傳感器10中設(shè)置第三元件組的位置對應(yīng)的位置中。換言之，元件組92包括修改的傳統(tǒng)GMR元件21和修改的SAF元件23。
此外，第三實施例的磁傳感器中，第一實施例的磁傳感器10中由傳統(tǒng)GMR元件22和SAF元件24組成的第四元件組被與圖40所示的元件組92具有相同結(jié)構(gòu)的元件組所代替。該元件組設(shè)置在與圖1所示的在襯底10a上設(shè)置第四元件組的位置對應(yīng)的位置中。如上所述，第三實施例的磁傳感器中，修改的傳統(tǒng)GMR元件22和修改的SAF元件24設(shè)置在與設(shè)置磁傳感器10的第四元件組的位置對應(yīng)的位置中。
另外，第三實施例的磁傳感器中，修改的傳統(tǒng)GMR元件11、12、21、以及22和修改的SAF元件13、14、23、以及24如磁傳感器10中一樣以全橋構(gòu)造連接，從而形成X軸磁傳感器和Y軸磁傳感器。
如上所述的在單襯底上包括多個巨磁致電阻元件的傳感器中，應(yīng)力通過襯底或覆蓋巨磁致電阻元件的樹脂的形變而置于巨磁致電阻元件上?？赏茢啵瑧?yīng)力沿著襯底的表面逐漸變化。
從而非常合理的是，在具有如第三實施例中的結(jié)構(gòu)的磁傳感器中，其中串聯(lián)連接以形成第一元件組的傳統(tǒng)GMR元件和串聯(lián)連接以形成第二元件組的SAF元件沿預(yù)定方向(本實施例中，X軸方向或Y軸方向)彼此平行地交替排列在襯底10a上，具有相同大小的應(yīng)力施加到第一元件和第二元件兩者上。因此，應(yīng)力引起的第一和第二元件的電阻的變化是接近的。
因此，通過以橋構(gòu)造連接這些元件形成的X軸和Y軸磁傳感器可產(chǎn)生受置于這些元件上的應(yīng)力影響更小的輸出。因此，第三實施例的磁傳感器可產(chǎn)生比來自第一實施例的磁傳感器10的輸出受置于該元件上的應(yīng)力影響更小的輸出，從而更準確地探測磁場。
第三實施例地磁傳感器(元件組91和92)中，元件的排列順序可變。例如，元件可以從襯底10a的X軸方向的正緣在負X軸方向以此順序排列SAF元件91s1、傳統(tǒng)GMR元件91g1、SAF元件91s2、傳統(tǒng)GMR元件91g2、SAF元件91s3、傳統(tǒng)GMR元件91g3、SAF元件91s4、傳統(tǒng)GMR元件91g4，或者從襯底10a的Y軸方向的正緣在負Y軸方向以此順序排列SAF元件91s1、傳統(tǒng)GMR元件91g1、SAF元件91s2、傳統(tǒng)GMR元件91g2、SAF元件91s3、傳統(tǒng)GMR元件91g3、SAF元件91s4、傳統(tǒng)GMR元件91g4。
此外，圖39和40所示的元件組可應(yīng)用于圖30所示的磁傳感器50。
第四實施例圖41示出根據(jù)本實用新型第四實施例的磁傳感器95的平面圖。磁傳感器95包括與襯底10a相似的單襯底95a、X軸磁探測元件組96、以及Y軸磁探測元件組97。X軸磁探測元件組96設(shè)置在襯底95a的X軸方向上正緣附近且在襯底95a的Y軸方向上的中間位置。Y軸磁探測元件組97設(shè)置在襯底95a的Y軸方向上正緣附近且在襯底95a的X軸方向上的中間位置。
X軸磁探測元件組96包括四個傳統(tǒng)GMR元件96g1到96g4以及四個SAF元件96s1到96s4，如圖42所示。當從上面觀察時，傳統(tǒng)GMR元件96g1到96g4以及SAF元件96s1到96s4每個具有相同的窄條形狀，且在Y軸方向延伸。這些元件從襯底95a的X軸方向正緣沿負X軸方向以此順序排列傳統(tǒng)GMR元件96g1、傳統(tǒng)GMR元件96g2、SAF元件96s1、SAF元件96s2、傳統(tǒng)GMR元件96g3、傳統(tǒng)GMR元件96g4、SAF元件96s3、以及SAF元件96s4。
傳統(tǒng)GMR元件96g1到96g4每個由圖4所示的傳統(tǒng)自旋閥膜形成。傳統(tǒng)GMR元件96g1到96g4的每個中固定磁化層P的被釘扎層Pd的磁化被固定在正X軸方向。傳統(tǒng)GMR元件96g1到96g4的每個中自由層F的初始磁化取向在正Y軸方向。
傳統(tǒng)GMR元件96g1的Y軸方向負端連接到端子96a1。傳統(tǒng)GMR元件96g1的Y軸方向正端連接到傳統(tǒng)GMR元件96g3的Y軸方向正端。傳統(tǒng)GMR元件96g3的Y軸方向負端連接到端子96a2。
因此，傳統(tǒng)GMR元件96g1和96g3的電阻的總和從端子96a1和96a2被取出。該取出的電阻與磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件11的電阻以相同的方式變化。換言之，傳統(tǒng)GMR元件96g1和96g3組成傳統(tǒng)GMR元件11的修改形式。
另外，傳統(tǒng)GMR元件96g2的Y軸方向負端連接到端子96b1。傳統(tǒng)GMR元件96g2的Y軸方向正端連接到傳統(tǒng)GMR元件96g4的Y軸方向正端。傳統(tǒng)GMR元件96g4的Y軸方向負端連接到端子96b2。
因此，傳統(tǒng)GMR元件96g2和96g4的電阻的總和從端子96b1和96b2被取出。該取出的電阻與磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件12的電阻以相同的方式變化。換言之，傳統(tǒng)GMR元件96g2和96g4組成傳統(tǒng)GMR元件12的修改形式。
SAF元件96s1到96s4每個由圖5所示的合成自旋閥膜形成。SAF元件96s1到96s4的每個中固定磁化層P′的被釘扎層(第一磁層P1)的磁化固定在負X軸方向。SAF元件96s1到96s4的每個中的每個自由層F的初始磁化取向在正Y軸方向。
SAF元件96s1的Y軸方向負端連接到端子96c1。SAF元件96s1的Y軸方向正端連接到SAF元件96s3的Y軸方向正端。SAF元件96s3的Y軸方向負端連接到端子96c2。
因此，SAF元件96s1和96s3的電阻的總和從端子96c1和96c2被取出。該取出的電阻與磁傳感器10中SAF元件13的電阻以相同的方式變化。換言之，SAF元件96s1和96s3組成SAF元件13的修改形式。
另外，SAF元件96s2的Y軸方向負端連接到端子96d1。SAF元件96s2的Y軸方向正端連接到SAF元件96s4的Y軸方向正端。SAF元件96s4的Y軸方向負端連接到端子96d2。
因此，SAF元件96s2和96s4的電阻的總和從端子96d1和96d2被取出。該取出的電阻與磁傳感器10中SAF元件14的電阻以相同的方式變化。換言之，SAF元件96s2和96s4組成SAF元件14的修改形式。
注意，傳統(tǒng)GMR元件96g1到96g4以及SAF元件96s1到96s4的每個的兩端都設(shè)置有偏置磁體膜(圖42中未示出)，用于向相應(yīng)的自由層F施加取向在與該自由層F的初始磁化相同的方向上的偏置磁場。
傳統(tǒng)GMR元件11和12以及SAF元件13和14的修改形式與磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件11和12以及SAF元件13和14按相同的方式以全橋構(gòu)造連接，從而形成X軸磁傳感器。
如圖43所示，Y軸磁探測元件組97與圖42所示的X軸磁探測元件組96具有相同的結(jié)構(gòu)。具體地，Y軸磁探測元件組97包括傳統(tǒng)GMR元件97g1到97g4以及SAF元件97s1到97s4。當從上觀察時，這些元件的每個具有窄條形狀。該元件在X軸方向延伸且如圖43所示地連接。自由層F的初始磁化和固定磁化層P和P′的被釘扎層的固定磁化取向在圖43所示的方向上。
因此，傳統(tǒng)GMR元件97g1和97g3組成傳統(tǒng)GMR元件21的修改形式。傳統(tǒng)GMR元件97g2和97g4組成傳統(tǒng)GMR元件22的修改形式。另外，SAF元件97s1和97s3組成SAF元件23的修改形式，且SAF元件97s2和97s4組成SAF元件24的修改形式。
傳統(tǒng)GMR元件21和22以及SAF元件23和24的修改形式與磁傳感器10中傳統(tǒng)GMR元件21和22以及SAF元件23和24按相同的方式以全橋構(gòu)造連接，從而形成Y軸磁傳感器。
注意力集中在例如第四實施例的磁傳感器95中的X軸磁傳感器上，該X軸磁傳感器包括四個傳統(tǒng)GMR元件和四個SAF元件。彼此相鄰的兩個傳統(tǒng)GMR元件形成第一組(傳統(tǒng)GMR元件96g1和96g2)；另外兩個彼此相鄰的傳統(tǒng)GMR元件形成第二組(傳統(tǒng)GMR元件96g3和96g4)；彼此相鄰的兩個SAF元件形成第三組(SAF元件96s1和96s2)；另外兩個彼此相鄰的SAF元件形成第四組(SAF元件96s3和96s4)。這四組彼此平行地沿預(yù)定方向(本例中，負X軸方向)以此順序設(shè)置在襯底10a上第一組、第三組、第二組、以及第四組(或者第三組、第一組、第四組、以及第二組)。
X軸磁傳感器中，彼此不相鄰的兩個傳統(tǒng)GMR元件(即傳統(tǒng)GMR元件96g1和96g3)串聯(lián)連接以形成僅由傳統(tǒng)GMR元件組成的一元件(第三元件)，且另兩個彼此不相鄰的傳統(tǒng)GMR元件(即傳統(tǒng)GMR元件96g2和96g4)串聯(lián)連接以形成僅由傳統(tǒng)GMR元件組成的另一元件(第四元件)。此外，彼此不相鄰的兩個SAF元件(即SAF元件96s1和96s3)串聯(lián)連接以形成僅由SAF元件組成的另一元件(第五元件)，且另兩個彼此不相鄰的SAF元件(即SAF元件96s2和96s4)串聯(lián)連接以形成僅由SAF元件組成的另一元件(第六元件)。
采用上面的結(jié)構(gòu)，第三到第六元件處于大小彼此接近的應(yīng)力下是合理的。因此，第三到第六元件的應(yīng)力引起的電阻變化可以是接近的。于是，磁傳感器95中的通過以全橋構(gòu)造連接第三到第六元件形成的X軸磁傳感器可產(chǎn)生受置于元件上的應(yīng)力影響更小的輸出。
修改本實用新型的磁傳感器中，例如，SAF元件14和傳統(tǒng)GMR元件12可以以半橋構(gòu)造連接以形成X軸磁傳感器，在元件的連接點T1處的電勢作為輸出Vox被取出，如圖44A所示。另外，如圖44B所示，全橋電路可包括固定電阻器98和99，且在連接點T2處的電勢與在連接點T3處的電勢之間的電勢差作為X軸磁傳感器的輸出Vox被取出。
另一修改中，例如，在如圖6所示的電路中固定電阻器可分別串聯(lián)設(shè)置在SAF元件13與連接點Q1之間以及SAF元件14與連接點Q2之間。
第五實施例磁傳感器的結(jié)構(gòu)圖49是根據(jù)本實用新型第五實施例的磁傳感器210的平面圖。磁傳感器210包括與前述實施例中使用的襯底10a相同的單襯底(monolithic chip單塊芯片)以及總共八個巨磁致電阻元件211到214和221到224。為方便起見，磁傳感器210被稱為“N型磁傳感器210”。
巨磁致電阻元件211、212、221、以及222是上述傳統(tǒng)GMR元件。巨磁致電阻元件213、214、223、以及224是上述SAF元件。SAF元件213、214、223、以及224分別形成在傳統(tǒng)GMR元件211、212、221、以及222之上(即與其交迭(overlap)、覆蓋(overlie)、重疊(lap over))，如稍后詳細描述的。注意，圖49所示的每個實線環(huán)中的兩個元件(例如元件211和213)在垂直襯底210a的主表面的方向上(Z軸方向)彼此交迭。
也在本實施例中，巨磁致電阻元件211、212、213、以及214可分別被稱為第一、第二、第三、以及第四X軸磁探測元件；巨磁致電阻元件221、222、223、以及224可分別被稱為第一、第二、第三、以及第四Y軸磁探測元件。
傳統(tǒng)GMR元件211和SAF元件213組成第六元件組G6；傳統(tǒng)GMR元件212和SAF元件214組成第七元件組G7；傳統(tǒng)GMR元件221和SAF元件223組成第八元件組G8；傳統(tǒng)GMR元件222和SAF元件224組成第九元件組G9。第六到第九元件組G6到G9具有基本相同的結(jié)構(gòu)，除了在襯底210a上它們的位置。因此，下面的說明示出第六元件組G6的結(jié)構(gòu)作為代表性示例。
圖50是傳統(tǒng)GMR元件211的放大平面圖。傳統(tǒng)GMR元件211包括多個(本情況中為6個)窄條形部分211a1到211a6、多個(本情況中為7個)偏置磁體膜211b1到211b7、以及一對端子211c1和211c2。
窄條形部分211a1到211a6每個在Y軸方向上延伸，且它們從位于X軸方向上最正的位置處的窄條形部分211a1平行地沿負X軸方向設(shè)置。窄條形部分211a1的Y軸方向正端形成在偏置磁體膜211b1上。偏置磁體膜211b1連接到端子211c1。窄條形部分211a1的Y軸方向負端形成在偏置磁體膜211b2上。
窄條形部分211a2的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜211b2和211b3上。窄條形部分211a2的Y軸方向的負端在偏置磁體膜211b2上連接到窄條形部分211a1的Y軸方向的負端。窄條形部分211a3的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜211b3和211b4上。窄條形部分211a3的Y軸方向的正端在偏置磁體膜211b3上連接到窄條形部分211a2的Y軸方向的正端。
窄條形部分211a4的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜211b4和211b5上。窄條形部分211a4的Y軸方向的負端在偏置磁體膜211b4上連接到窄條形部分211a3的Y軸方向的負端。窄條形部分211a5的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜211b5和211b6上。窄條形部分211a5的Y軸方向的正端在偏置磁體膜211b5上連接到窄條形部分211a4的Y軸方向的正端。
窄條形部分211a6的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜211b6和211b7上。窄條形部分211a6的Y軸方向的負端在偏置磁體膜211b6上連接到窄條形部分211a5的Y軸方向的負端。偏置磁體膜211b7連接到端子211c2。因此，傳統(tǒng)GMR元件211由以迂回方式串聯(lián)連接的多個窄條形部分形成。圖50中，點畫線CL21表示貫穿每個窄條形部分的在Y軸方向上的中心的中心線。
窄條形部分211a1到211a6中的每個由圖4A所示的傳統(tǒng)自旋閥膜形成。因為窄條形部分211a1到211a6在Y軸方向上延伸，所以該自旋閥膜的自由層F在Y軸方向延伸。從而，當沒有外磁場施加到自由層F時自由層F的初始磁化通過形狀各向異性取向在自由層F的縱向方向上(對傳統(tǒng)GMR元件211來說是正Y軸方向)。
偏置磁體膜211b1到211b7由與偏置磁體膜11b1到11b7相同的硬鐵磁材料制成的永磁體膜(硬磁體膜)形成。偏置磁體膜211b1到211b7與直接在偏置磁體膜上的自由層F磁耦合以向自由層F施加在它們的縱向方向的偏置磁場(對于傳統(tǒng)GMR元件211來說是正Y軸方向)。
因此，窄條形部分211a1到211a6的電阻的總和作為傳統(tǒng)GMR元件211的電阻從端子211c1和211c2被取出。從而，傳統(tǒng)GMR元件211的電阻如圖4B和4C所示地以與傳統(tǒng)GMR元件11相同的方式變化。更具體地，隨著在正X軸方向上外磁場的強度的增加，該電阻減小。
如圖51所示，SAF元件213具有如在中心線CL21折后的傳統(tǒng)GMR元件211的形式(與傳統(tǒng)GMR元件211的形式基本相同的形式)。換言之，SAF元件213和傳統(tǒng)GMR元件211關(guān)于中心線CL21對稱。
更具體地，SAF元件213包括多個(本情況中為6個)窄條形部分213a1到213a6、多個(本情況中為7個)偏置磁體膜213b1到213b7、以及一對端子213c1和213c2。
窄條形部分213a1到213a6每個在Y軸方向上延伸，且它們從位于X軸方向上最正向的位置處的窄條形部分213a1平行沿負X軸方向設(shè)置。窄條形部分213a1的Y軸方向的負端形成在偏置磁體膜213b1上。偏置磁體膜213b1連接到端子213c1。窄條形部分213a1的Y軸方向正端形成在偏置磁體膜213b2上。
窄條形部分213a2的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜213b2和213b3上。窄條形部分213a2的Y軸方向的正端在偏置磁體膜213b2上連接到窄條形部分213a1的Y軸方向的正端。窄條形部分213a3的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜213b3和213b4上。窄條形部分213a3的Y軸方向的負端在偏置磁體膜213b3上連接到窄條形部分213a2的Y軸方向的負端。
窄條形部分213a4的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜213b4和213b5上。窄條形部分213a4的Y軸方向的正端在偏置磁體膜213b4上連接到窄條形部分213a3的Y軸方向的正端。窄條形部分213a5的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜213b5和213b6上。窄條形部分213a5的Y軸方向的負端在偏置磁體膜213b5上連接到窄條形部分213a4的Y軸方向的負端。
窄條形部分213a6的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜213b6和213b7上。窄條形部分213a6的Y軸方向的正端在偏置磁體膜213b6上連接到窄條形部分213a5的Y軸方向的正端。偏置磁體膜213b7連接到端子213c2。因此，SAF元件213由以迂回方式串聯(lián)連接的多個窄條形部分形成。
圖51所示的點畫線CL22表示貫穿窄條形部分在Y軸方向的中心的中心線。SAF元件213基本在傳統(tǒng)GMR元件211上面(或下面)從而其中心線CL22與傳統(tǒng)GMR元件211的中心線CL21對齊，如圖52和53所示，圖53是沿圖52的LIII-LIII線截取的SAF元件213的剖視圖。如圖53所示，絕緣層設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件211和SAF元件213之間。
SAF元件213由具有圖5A所示的結(jié)構(gòu)的合成自旋閥膜形成。合成自旋閥膜包括自由層F、自由層F上的間隔層S、間隔層S上的固定磁化層P′、以及固定磁化層P′上的保護層(蓋帽層)C。
具有上述結(jié)構(gòu)的SAF元件213具有響應(yīng)于沿固定磁化層P′中第一鐵磁層(被釘扎層)P1的固定磁化方向在-Hc到+Hc的范圍內(nèi)變化的外磁場H而變化的電阻(電阻隨著在正X軸方向上外磁場的強度的增加而增加)，如圖5C所示。
返回參見圖49，包括傳統(tǒng)GMR元件211和SAF元件213的第六元件組設(shè)置在襯底210a的X軸方向正緣的附近且在Y軸方向的上中位置。傳統(tǒng)GMR元件211的磁場探測方向是負X軸方向。SAF元件213的磁場探測方向是正X軸方向。包括傳統(tǒng)GMR元件212和SAF元件214的第七元件組設(shè)置在襯底210a的X軸方向正緣的附近且在Y軸方向的下中位置。傳統(tǒng)GMR元件212的磁場探測方向是負X軸方向。SAF元件214的磁場探測方向是正X軸方向。如所述，第六元件組G6和第七元件組G7彼此接近地設(shè)置在襯底210a的X軸方向正緣的附近(第一小區(qū)域中)。
包括傳統(tǒng)GMR元件221和SAF元件223的第八元件組設(shè)置在襯底210a的Y軸方向正緣且在X軸方向上的左中位置。傳統(tǒng)GMR元件221的磁場探測方向是負Y軸方向。SAF元件223的磁場探測方向是正Y軸方向。包括傳統(tǒng)GMR元件222和SAF元件224的第九元件組設(shè)置在襯底210a的Y軸方向正緣的附近且在X軸方向上的右中位置。傳統(tǒng)GMR元件222的磁場探測方向是負Y軸方向。SAF元件224的磁場探測方向是正Y軸方向。如所述，第八元件組G8和第九元件組G9彼此接近地設(shè)置在襯底210a的Y軸方向正緣的附近(距離該第一小區(qū)域預(yù)定距離的第二小區(qū)域)。
磁傳感器210包括由元件211到214組成的X軸磁傳感器(其磁場探測方向是X軸方向)以及由元件221到224組成的Y軸磁傳感器(其磁場探測方向是Y軸方向)。
如圖54A中的等效電路所示，X軸磁傳感器包括用導(dǎo)電線(圖49中未示出)以全橋構(gòu)造連接的元件211到214。元件211到214與圖6所示的元件11到14以相同的方式連接。傳統(tǒng)GMR元件211連接到AF元件213的連接點Q1處的電勢VQ1與傳統(tǒng)GMR元件212連接到SAF元件214的連接點Q2處的電勢VQ2之間的電勢差Vox(＝VQ2-VQ1)作為來自X軸磁傳感器的輸出(第一輸出)被取出。從而，X軸磁傳感器輸出基本比例于沿X軸變化的外磁場Hx且隨著該外磁場Hx增加而減小的電壓Vox，如圖54B所示。
如圖55A中的等效電路所示，Y軸磁傳感器包括用導(dǎo)電線(圖49中未示出)以全橋構(gòu)造連接的元件221到224。元件221到224與圖7所示的元件21到24以相同的方式連接。傳統(tǒng)GMR元件221連接到SAF元件223的連接點Q3處的電勢VQ3與傳統(tǒng)GMR元件222連接到SAF元件224的連接點Q4處的電勢VQ4之間的電勢差Voy(＝VQ3-VQ4)作為Y軸磁傳感器的輸出(第二輸出)被取出。從而，Y軸磁傳感器輸出基本比例于沿Y軸變化的外磁場Hy且隨著該外磁場Hy增加而增加的電壓Voy，如圖55B所示。
用于制造磁傳感器210的方法——被釘扎層的磁化方向的固定現(xiàn)在將描述用于形成元件211到214以及221到224(用于固定被釘扎層的磁化方向)的方法。首先，要作為元件211到214以及221到224的多個膜M以島狀方式形成在將作為襯底210a的襯底210a-1上，如圖56中平面圖所示。這些膜M設(shè)置為使得當襯底210a-1在切割步驟中被沿著圖56中的點畫線CL切割成為多個如圖49所示的磁傳感器210時，元件211到214以及221到224如圖49所示地排列在襯底210a上。稍后將描述如何形成這些膜M。
然后，準備圖9和10中所示的磁體陣列30。也在本實施例中，永磁體31之上產(chǎn)生的磁場被用于固定元件211到214以及221到224中被釘扎層的磁化方向，如圖57所示。
具有膜M的襯底210a-1設(shè)置在磁體陣列30之上。具體地，以相對位置關(guān)系設(shè)置襯底210a-1和磁體陣列使得通過沿CL線切割襯底210a-1形成的每個方形的兩個相鄰的且沒有膜M與其相鄰的邊以及它們的交叉點與對應(yīng)永磁體的兩個相鄰邊及其它們的交叉點對齊，如圖58中的平面圖所示。因此，每個膜M被暴露于取向在垂直于膜M的窄條形部分的縱向方向的方向上的磁場中，如圖57和58中的箭頭所示。
然后，這樣的一組襯底210a-1和磁體陣列30在真空中被加熱到250到280℃且然后允許保持約4小時以用于磁場熱處理。從而，傳統(tǒng)GMR元件的固定磁化層P(被釘扎層Pd)和SAF元件的固定磁化層P′(被釘扎層P1)的磁化方向被固定。
通過上述步驟，如圖59所示，在磁場熱處理期間，取向在單方向的磁場被施加到要作為傳統(tǒng)GMR元件的膜M3和要作為SAF元件的膜M4的對上，該膜對設(shè)置為一個在另一個之上(即，彼此交疊)。從而，得到了其磁場探測方向彼此反平行的兩個巨磁致電阻元件。這是因為要成為傳統(tǒng)GMR元件的膜中固定磁化層P的被釘扎層(CoFe磁層)的磁化與要成為SAF元件的膜中固定磁化層P′的第二鐵磁層P2的磁化被固定在彼此相同的方向上，同時固定磁化層P′的第一鐵磁層P1的磁化取向在與第二鐵磁層P2的磁化方向反平行的方向上。
因此，該技術(shù)也可以提供排列在非常小的區(qū)域中的具有彼此反平行的磁場探測方向的至少兩個巨磁致電阻元件。
實際上，磁場熱處理之后，具有膜的襯底210a-1經(jīng)受必要的處理，包括偏置磁體膜的極化，且沿著圖58所示的線CL被切割。結(jié)果，同時制造出多個圖49所示的磁傳感器210和多個圖60所示的磁傳感器240。
為了方便起見，磁傳感器240被稱為“S型磁傳感器240”。磁傳感器240包括巨磁致電阻元件241到244以及246到249。元件241、242、246、以及247是傳統(tǒng)GMR元件；元件243、244、248、以及249是SAF元件。SAF元件243、244、248、以及249分別在傳統(tǒng)GMR元件241、242、246、以及247之上。這些元件中自由層的初始磁化和其方向反平行于磁場探測方向的被釘扎層(鄰接間隔層的鐵磁層)的固定磁化如圖60所示地取向。圖60所示地每個實線環(huán)中的兩個元件(例如元件241和243)在垂直于襯底210a的主表面的方向上(Z軸方向)彼此交迭。
元件241、242、243、以及244分別被稱為第一、第二、第三、以及第四X軸磁探測元件。這些X軸磁探測元件以全橋構(gòu)造連接以形成X軸磁傳感器，如磁傳感器210的元件211、212、213、以及214中一樣。類似地，元件246、247、248、以及249分別被稱為第一、第二、第三、以及第四Y軸磁探測元件。這些Y軸磁探測元件以全橋構(gòu)造連接以形成Y軸磁傳感器，如磁傳感器210的元件221、222、223、以及224中一樣。
用于形成膜M的方法現(xiàn)在將描述用于形成膜M(要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件)的方法(膜形成步驟)。
步驟31準備如圖61A所示的襯底210a。襯底210a具有包括用于橋構(gòu)造的導(dǎo)線210a1和覆蓋導(dǎo)線210a1的絕緣層210a2的絕緣/布線層。絕緣層210a2具有用于電連接的通孔VIA。導(dǎo)線210a1部分暴露在通孔VIA的底部。
步驟32參見圖61B，要成為偏置磁體膜的層211b(用于形成偏置磁體膜211b1到211b7的CoCrPt層)通過濺鍍形成在襯底210a上。
步驟33參見圖61C，抗蝕劑層R1形成在CoCrPt層211b的上表面上。構(gòu)圖抗蝕劑層R1以僅覆蓋用于偏置磁體膜的CoCrPt層211b的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R1形成為抗蝕劑掩模。
步驟34參見圖62A，用于偏置磁體膜的CoCrPt層211b的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟35參見圖62B，抗蝕劑層R1被除去。
步驟36參見圖62C，如圖4A所示的要成為傳統(tǒng)GMR元件的復(fù)合層211a(用于形成窄條形部分211a1到211a6的層)形成在襯底210a的上表面之上。
步驟37參見圖63A，抗蝕劑層R2形成在復(fù)合層211a的上表面上，隨后被構(gòu)圖從而僅覆蓋用于形成傳統(tǒng)GMR元件的復(fù)合層211a的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R2形成為抗蝕劑掩模。
步驟38參見圖63B，復(fù)合層211a的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟39參見圖63C，抗蝕劑層R2被除去。
步驟40參見圖64A，SiN絕緣層IN通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成在襯底210a之上的上表面上。供選地，絕緣層IN可以由SiO2形成。
步驟41參見圖64B，抗蝕劑層R3形成在絕緣層IN的除了將形成通孔VIA的區(qū)域外的上表面上。換言之，抗蝕劑層R3作為抗蝕劑掩模。
步驟42參見圖64C，絕緣層IN的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去，從而形成通孔VIA。
步驟43參見圖65A，抗蝕劑層R3被除去。
步驟44參見圖65B，要成為偏置磁體膜的層213b(用于形成偏置磁體膜213b1到213b7的CoCrPt層)通過濺鍍形成在襯底210a之上的上表面上。
步驟45參見圖65C，抗蝕劑層R4形成在CoCrPt層213b的上表面上。構(gòu)圖抗蝕劑層R4從而僅覆蓋用于偏置磁體膜的CoCrPt層213b的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R4形成為抗蝕劑掩模。
步驟46參見圖66A，用于偏置磁體膜的CoCrPt層213b的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟47參見圖66B，抗蝕劑層R4被除去。
步驟48參見圖66C，圖5A所示的要成為SAF元件的復(fù)合層213a(用于形成窄條形部分213a1到213a6的層)形成在襯底210a之上的上表面上。
步驟49參見圖67A，抗蝕劑層R5形成在復(fù)合層213a的上表面上，然后被構(gòu)圖從而覆蓋用于形成SAF元件的復(fù)合層213a的必要區(qū)域。換言之，抗蝕劑層R5形成為抗蝕劑掩模。
步驟50參見圖67B，SAF元件復(fù)合層213a的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去。
步驟51參見圖67C，抗蝕劑層R5被除去。
這樣，分別要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的復(fù)合膜211a和213a形成為一個在另一個之上(形成為彼此交迭)。然后，實施上述磁場熱處理。
盡管上面的方法中要作為傳統(tǒng)GMR元件的膜形成在要作為SAF元件的膜之前，但是要作為SAF元件的膜可以形成在形成要作為傳統(tǒng)GMR元件的膜之前。
如上所述，上面的方法包括膜形成步驟(步驟31到51)，其在襯底210a上(更準確地，在將成為襯底210a的襯底210a-1上)形成要作為傳統(tǒng)GMR元件的復(fù)合層211a(膜)和要作為SAF元件的復(fù)合層213a，該傳統(tǒng)GMR元件是第一巨磁致電阻元件，該SAF元件是第二巨磁致電阻元件；以及磁場熱處理，其用于在高溫下向膜施加取向在單方向上的磁場以固定膜中被釘扎層的磁化方向。
該磁場熱處理步驟容易地將每個傳統(tǒng)GMR元件(例如傳統(tǒng)GMR元件211)中固定磁化層的被釘扎層的磁化以及每個SAF元件(例如SAF元件213)中固定磁化層的被釘扎層的磁化固定在彼此反平行的方向上。因此，在單襯底上容易地制造出具有彼此反平行的磁場探測方向的兩個巨磁致電阻元件。
另外，該磁場熱處理使用從磁體陣列30產(chǎn)生的磁場。因此，可以有效地一次制造大量磁傳感器，可以容易地得到探測彼此垂直的兩個方向例如X軸和Y軸方向的巨磁致電阻元件和磁傳感器。
此外，該膜形成步驟包括子步驟在襯底上形成(沉積)要成為偏置磁體膜的層(第一偏置磁層)211b(步驟32)；除去第一偏置磁層211b的不必要區(qū)域(步驟33到35)；在該襯底上形成(沉積)要成為第一巨磁致電阻元件(傳統(tǒng)GMR元件)或者第二巨磁致電阻元件(SAF元件)的第一復(fù)合層(步驟36)；除去第一復(fù)合層的不必要區(qū)域(步驟37到39)；該第一復(fù)合層的不必要區(qū)域被除去之后用絕緣層IN覆蓋(涂敷)第一復(fù)合層(步驟40)；
除去絕緣層IN的不必要區(qū)域從而形成通孔VIA(步驟41到43)；在絕緣層IN上形成(沉積)要成為偏置磁體膜的層(第二偏置磁層)213b(步驟44)；除去第二偏置磁層213b的不必要區(qū)域(步驟45到47)；在絕緣層IN以及通孔VIA之上形成(沉積)要成為另一巨磁致電阻元件的第二復(fù)合層(步驟48)；以及除去第二復(fù)合層的不必要區(qū)域(步驟49到51)。
通過上述方法，要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜不間斷地(以連續(xù)形式)形成在單襯底上。
如上所述，磁傳感器210具有在單襯底上的傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件，所述元件在垂直方向上(即垂直于襯底的主表面的方向)一個位于另一個之上(彼此交迭)。從而，通過對這些元件簡單地施加取向在單方向的磁場，所得的磁傳感器210可具有其磁場探測方向彼此反平行且設(shè)置在小區(qū)域中的元件。因此，磁傳感器210可以非常小。
磁傳感器210的形成在襯底210a上的巨磁致電阻元件211到214以及221到224被涂敷樹脂膜(resin film)等。因此，如果襯底210a或樹脂膜通過熱或外應(yīng)力而變形，則巨磁致電阻元件211到214以及221到224也因此通過熱或外應(yīng)力而變形，且它們的電阻改變。因此，磁傳感器的橋電路，其中巨磁致電阻元件如磁傳感器210中一樣以橋構(gòu)造連接，失去其平衡，且輸出由于應(yīng)力而改變。因此，這樣的磁傳感器不能準確地探測外磁場的強度。
然而，在磁傳感器210中，形成全橋電路的巨磁致電阻元件211到214(或者巨磁致電阻元件221到224)設(shè)置在襯底210a上小區(qū)域中，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或壓應(yīng)力)幾乎均勻地置于這些元件上。巨磁致電阻元件的電阻因此均勻地增大或減小。因此，可以減小橋電路失去平衡的可能性。因此，磁傳感器210可準確地探測磁場。
第六實施例現(xiàn)在將描述根據(jù)本實用新型第六實施例的磁傳感器。圖68示出第六實施例的磁傳感器的放大平面圖。該磁傳感器中，傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件以這樣的方式彼此交迭(使一個位于另一個之上)當從上面觀察時，傳統(tǒng)GMR元件的窄條形部分與SAF元件的窄條形部分交叉。
更具體地，第六實施例的磁傳感器包括第六到第九元件組G6′到G9′，其替代第五實施例的磁傳感器210的第六到第九元件組G6到G9。第六到第九元件組G6′到G9′具有基本相同的結(jié)構(gòu)，除了在襯底210a上的它們的位置。下面的說明示出第六元件組G6′的結(jié)構(gòu)作為代表性示例。
第六元件組G6′的傳統(tǒng)GMR元件211′包括多個(本例中為四個)窄條形部分211a1′到211a4′、多個(本例中為五個)偏置磁體膜211b1′到211b5′、以及一對端子211c1′和211c2′，如圖68所示。
窄條形部分211a1′到211a4′之中窄條形部分211a1′位于X軸方向的最正向位置。窄條形部分211a1′在相對于正X軸方向順時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分211a1′的Y軸方向的正端形成在偏置磁體膜211b1′上。偏置磁體膜211b1′連接到端子211c1′。窄條形部分211a1′的Y軸方向的負端形成在偏置磁體膜211b2′上。
另一窄條形部分211a2′與窄條形部分211a1′相鄰。窄條形部分211a2′在相對于正X軸方向逆時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分211a2′的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜211b2′和211b3′上。窄條形部分211a2′的Y軸方向負端在偏置磁體膜211b2′上連接到窄條形部分211a1′的Y軸方向負端。
另一窄條形部分211a3′與窄條形部分211a2′相鄰。窄條形部分211a3′在相對于正X軸方向順時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分211a3′的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜211b3′和211b4′上。窄條形部分211a3′的Y軸方向正端在偏置磁體膜211b3′上連接到窄條形部分211a2′的Y軸方向正端。
另一窄條形部分211a4′與窄條形部分211a3′相鄰。窄條形部分211a4′在相對于正X軸方向逆時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分211a4′的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜211b4′和211b5′上。窄條形部分211a4′的Y軸方向負端在偏置磁體膜211b4′上連接到窄條形部分211a3′的Y軸方向負端。偏置磁體膜211b5′連接到端子211c2′。如所述，傳統(tǒng)GMR元件211′由以迂回方式串聯(lián)連接的多個窄條形部分形成。
第六元件組G6′的SAF元件213′包括多個(本例為四個)窄條形部分213a1′到213a4′、多個(本例為五個)偏置磁體膜213b1′到213b5′、以及一對端子213c1′和213c2′。
窄條形部分213a1′到213a4′之中窄條形部分213a1′位于X軸方向的最正向位置。窄條形部分213a1′在相對于正X軸方向逆時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分213a1′的Y軸方向的負端形成在偏置磁體膜213b1′上。偏置磁體膜213b1′連接到端子213c1′。窄條形部分213a1′的Y軸方向的正端形成在偏置磁體膜213b2′上。
另一窄條形部分213a2′與窄條形部分213a1′相鄰。窄條形部分213a2′在相對于正X軸方向順逆時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分213a2′的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜213b2′和213b3′上。窄條形部分213a2′的Y軸方向正端在偏置磁體膜213b2′上連接到窄條形部分213a1′的Y軸方向正端。
另一窄條形部分213a3′與窄條形部分213a2′相鄰。窄條形部分213a3′在相對于正X軸方向逆逆時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分213a3′的Y軸方向的負端和正端分別形成在偏置磁體膜213b3′和213b4′上。窄條形部分213a3′的Y軸方向負端在偏置磁體膜213b3′上連接到窄條形部分213a2′的Y軸方向負端。
另一窄條形部分213a4′與窄條形部分213a3′相鄰。窄條形部分213a4′在相對于正X軸方向順逆時針旋轉(zhuǎn)銳角θ的方向上延伸。窄條形部分213a4′的Y軸方向的正端和負端分別形成在偏置磁體膜213b4′和213b5′上。窄條形部分211a4′的Y軸方向正端在偏置磁體膜213b4′上連接到窄條形部分213a3′的Y軸方向正端。偏置磁體膜213b5′連接到端子213c2′。如所述，SAF元件213′由以迂回方式串聯(lián)連接的多個窄條形部分形成。SAF元件213′的窄條形部分設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件211′的窄條形部分之上，從而當從上面觀察時與它們交叉。SAF元件213′的窄條形部分和傳統(tǒng)GMR元件211′的窄條形部分通過至少在它們交叉點處的絕緣層(未示出)被分隔開。
根據(jù)第六實施例的磁傳感器具有在單襯底210a上垂直方向上(垂直于該襯底的主表面)一個位于另一個之上的傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件，象磁傳感器210中一樣。因此，通過向要作為這些元件的膜施加取向在單方向的磁場，可以在單襯底上小區(qū)域中容易且高效地形成具有180°不同的磁場探測方向的至少兩個巨磁致電阻元件。因此，第六實施例的磁傳感器可以非常小。盡管，第六實施例描述了其中SAF元件213′在傳統(tǒng)GMR元件211′上且其間有絕緣層的磁傳感器，但是傳統(tǒng)GMR元件211′可以在SAF元件213′上，其間有絕緣層。
第七實施例現(xiàn)在將描述根據(jù)本實用新型第七實施例的磁傳感器。如圖69所示，磁傳感器250包括單襯底250a、傳統(tǒng)GMR元件251G到254G和271G到274G、以及SAF元件261S到264S和281S到284S。圖69所示的每個實線環(huán)中的兩個元件(例如元件251G和261S)在垂直于襯底210a的主表面的方向上(Z軸方向)一個位于另一個之上(彼此交迭)，其間有絕緣層。
襯底250a由與襯底10a具有相同結(jié)構(gòu)的薄硅片制成。
傳統(tǒng)GMR元件251G到254G和271G到274G每個與前述傳統(tǒng)GMR元件11具有相同的結(jié)構(gòu)。SAF元件261S到264S和281S到284S每個與前述SAF元件13具有相同的結(jié)構(gòu)。
構(gòu)造每個元件的自旋閥膜(例如自旋閥膜的層的厚度)，使得如果在元件的各自的磁場探測方向上向元件施加具有相同強度的磁場，則元件具有相同的電阻，并且使得如果具有相同大小(以及相同方向)的應(yīng)力分別置于元件上，則元件的電阻變化相同的量(相同的程度)。
傳統(tǒng)GMR元件251G到254G和271G到274G以及SAF元件261S到264S和281S到284S形成表5和6所示的第十一到第十八元件組。表5和6示出元件組的位置、傳統(tǒng)GMR元件251G到254G和271G到274G的固定磁化層P的被釘扎層Pd的固定磁化方向以及SAF元件261S到264S和281S到284S的固定磁化層P′中第一鐵磁層P1(即被釘扎層)的固定磁化方向、以及每個元件的磁場探測方向。圖69和表5、6所示的第十一到第十四區(qū)域的每個中的元件處于由例如襯底250a的形變導(dǎo)致的均勻應(yīng)力下。
表5


表6

本實施例中，傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件可稱為如表7所示的指定名稱。
表7


磁傳感器250具有包括第一X軸磁傳感器250X1、第二X軸磁傳感器250X2、以及差分電路250Xdif的X軸磁傳感器250X，如圖70所示。
第一X軸磁傳感器250X1包括用導(dǎo)電線(圖69未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個傳統(tǒng)GMR元件251G到254G，如圖71A中的等效電路所示。第一X軸磁傳感器250X1是圖32A所示的第一X軸磁傳感器50X1的修改形式，傳統(tǒng)GMR元件251G到254G分別對應(yīng)傳統(tǒng)GMR元件51G到54G。
因此，第一X軸磁傳感器250X1輸出傳統(tǒng)GMR元件251G連接到傳統(tǒng)GMR元件253G的連接點Q210處的電勢VQ210與傳統(tǒng)GMR元件254G連接到傳統(tǒng)GMR元件252G的連接點Q220處的電勢VQ220之間的差VoxConv(＝VQ210-VQ220)(傳統(tǒng)GMR元件輸出、X軸傳統(tǒng)GMR元件輸出)。
圖71A中與傳統(tǒng)GMR元件251G到254G相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該傳統(tǒng)GMR元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時電阻R根據(jù)外磁場Hx的變化。
當傳統(tǒng)GMR元件251G到254G未受應(yīng)力時，第一X軸磁傳感器250X1的輸出VoxConv基本比例于外磁場Hx，且隨著外磁場Hx的強度增加而減小，如圖71B中的實線所示。
第二X軸磁傳感器250X2包括用導(dǎo)電線(圖69中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個SAF元件261S到264S，如圖72A中的等效電路所示。第二X軸磁傳感器250X2是圖33A所示的第二X軸磁傳感器50X2的修改形式，SAF元件261S到264S分別對應(yīng)SAF元件61S到64S。
因此，第二X軸磁傳感器250X2輸出SAF元件261S連接到SAF元件263S的連接點Q230處的電勢VQ230與SAF元件264S連接到SAF元件262S的連接點Q240處的電勢VQ240之間的差VoxSAF(＝VQ230-VQ240)(SAF元件輸出、X軸SAF元件輸出)。
圖72A中與SAF元件261S到264S相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該SAF元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該SAF元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該SAF元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hx的變化。
當SAF元件261S到264S未受應(yīng)力時，第二X軸磁傳感器250X2的輸出VoxSAF基本比例于外磁場Hx，且隨著外磁場Hx的強度增加而增加，如圖72B中實線所示。
差分電路250Xdif從第二X軸磁傳感器250X2的輸出VoxSAF減去第一X軸磁傳感器250X1的輸出VoxConv，且輸出所得的差，其被定義為X軸磁傳感器250X的輸出Vox，如圖70所示。因此，磁傳感器250的該輸出(X軸輸出)Vox基本比例于外磁場Hx，且隨著外磁場Hx的強度增加而增加，如圖73所示。
磁傳感器250還具有Y軸磁傳感器250Y，如圖74所示。Y軸磁傳感器250Y包括第一Y軸磁傳感器250Y1、第二Y軸磁傳感器250Y2、以及差分電路250Ydif。
第一Y軸磁傳感器250Y1包括用導(dǎo)電線(圖69中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個傳統(tǒng)GMR元件271G到274G，如圖75A中等效電路所示。第一Y軸磁傳感器250Y1是圖36A所示的第一Y軸磁傳感器50Y1的修改形式，傳統(tǒng)GMR元件271G到274G分別對應(yīng)傳統(tǒng)GMR元件71G到74G。
因此，第一Y軸磁傳感器250Y1輸出傳統(tǒng)GMR元件271G連接到傳統(tǒng)GMR元件273G的連接點Q250處的電勢VQ250與傳統(tǒng)GMR元件274G連接到傳統(tǒng)GMR元件272G的連接點Q260處的電勢VQ260之間的電勢差VoyConv(＝VQ250-VQ260)(傳統(tǒng)GMR元件的輸出，傳統(tǒng)GMR元件的Y軸輸出)。
圖75A中與傳統(tǒng)GMR元件271G到274G相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該傳統(tǒng)GMR元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該傳統(tǒng)GMR元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hy的變化。
當傳統(tǒng)GMR元件271G到274G未受應(yīng)力時，第一Y軸磁傳感器250Y1的輸出VoyConv基本比例于外磁場Hy，且隨著外磁場Hy的強度增加而增加，如圖75B中的實線所示。
第二Y軸磁傳感器250Y2包括用導(dǎo)電線(圖69中未示出)以全橋構(gòu)造連接的四個SAF元件281S到284S，如圖76A中的等效電路所示。第二Y軸磁傳感器250Y2是圖37A所示的第二Y軸磁傳感器50Y2的修改形式，SAF元件281S到284S分別對應(yīng)SAF元件81S到84S。
因此，第二Y軸磁傳感器250Y2輸出SAF元件281S連接到SAF元件283S的連接點Q270處的電勢VQ270與SAF元件284S連接到SAF元件282S的連接點Q280處的電勢VQ280之間的差VoySAF(＝VQ270-VQ280)(SAF元件輸出，Y軸SAF元件輸出)。
圖76A中與SAF元件281S到284S相鄰的曲線圖每個示出它們的相鄰元件的特性。在每個曲線圖中，實線、虛線、以及雙點畫線分別表示當該SAF元件未受應(yīng)力時、當張應(yīng)力施加到該SAF元件時、以及當壓應(yīng)力施加到該SAF元件時電阻R響應(yīng)于外磁場Hy的變化。
當SAF元件281S到284S未受應(yīng)力時，第二Y軸磁傳感器250Y2的輸出VoySAF基本比例于外磁場Hy，且隨著外磁場Hy的強度增加而減小，如圖76B中的實線所示。
差分電路250Ydif從第一Y軸磁傳感器250Y1的輸出VoyConv減去第二Y軸磁傳感器250Y2的輸出VoySAF，且輸出所得的差，其被定義為Y軸磁傳感器250Y的輸出Voy，如圖74所示。因此，磁傳感器250的輸出Voy(Y軸輸出)基本比例于外磁場Hy，且隨著外磁場Hy的強度增加而增加，如圖77所示。
第七實施例的磁傳感器250與磁傳感器50以完全相同的方式運行，不再重復(fù)描述磁傳感器250如何運行。除非外磁場改變，即使置于元件上的應(yīng)力改變，磁傳感器250以及磁傳感器50也可產(chǎn)生基本恒定的輸出。因此，磁傳感器250可準確地探測磁場。此外，磁傳感器250中，傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件(例如傳統(tǒng)GMR元件251G和SAF元件261S)一個位于另一個之上，因此，非常接近的應(yīng)力施加到彼此交迭的這兩個元件上。結(jié)果，磁傳感器250比磁傳感器50受應(yīng)力影響更小。
第八實施例現(xiàn)在將說明根據(jù)本實用新型第八實施例的磁傳感器。第八實施例的磁傳感器中，僅圖49所示的第五實施例的磁傳感器210中第六元件組G6(傳統(tǒng)GMR元件211和SAF元件213)設(shè)置在襯底Sub上，如圖78A所示。SAF元件213和傳統(tǒng)GMR元件211以半橋構(gòu)造連接，在元件的連接點T1處的電勢作為X軸磁傳感器的輸出Vox被取出，如圖78B所示。代替上述垂直雙向磁傳感器，本實用新型的磁傳感器可以是僅包括X軸磁傳感器的單向磁傳感器。
另一修改本實用新型的磁傳感器可以具有包括固定電阻器Rfix1和Rfix2的全橋電路，如圖79所示。連接點T2和連接點T3之間的電勢差作為X軸磁傳感器的輸出Vox被取出。
另一修改磁傳感器中的橋電路可以包括固定電阻器。例如，在圖54A所示的電路中，固定電阻器可以分別串聯(lián)設(shè)置在SAF元件213和連接點Q1之間以及SAF元件214和連接點Q2之間，或者SAF元件211和連接點Q1之間以及SAF元件212和連接點Q2之間。
另一修改在該襯底上SAF元件可以以這樣的方式設(shè)置在傳統(tǒng)GMR元件之下，其間具有絕緣層每個SAF元件的窄條形部分的中心線CL22與每個傳統(tǒng)GMR元件的窄條形部分的中心線CL21對齊。
第九實施例磁傳感器的結(jié)構(gòu)圖80是根據(jù)本實用新型第九實施例的磁傳感器310的平面圖。磁傳感器310包括與前述襯底10a相同的單襯底(單塊芯片)310a、X軸磁傳感器311、以及Y軸磁傳感器321。為了方便起見，磁傳感器310稱為“N型磁傳感器310”。
X軸磁傳感器311探測外磁場的X軸方向的分量。X軸磁傳感器311在襯底310a上設(shè)置在襯底310a的X軸方向正緣附近且在襯底310a的Y軸方向的基本中間位置。Y軸磁傳感器321探測外磁場在Y軸方向的分量。Y軸磁傳感器321在襯底310a上設(shè)置在襯底310a的Y軸方向的正緣附近且在襯底310a的X軸方向的基本中間位置。如圖80所示，Y軸磁傳感器321具有與X軸磁傳感器311相同的結(jié)構(gòu)，除了其所處狀態(tài)為X軸磁傳感器311在平面圖中逆時針旋轉(zhuǎn)90°。下面的描述將說明X軸磁傳感器。
X軸磁傳感器311包括四個偏置磁體膜312到315，一對傳統(tǒng)GMR元件(第一巨磁致電阻元件)316和317、以及一對SAF元件(第二巨磁致電阻元件)318和319，如圖81所示。
偏置磁體膜312到315每個由永磁體膜(硬磁體膜)形成且被極化從而它們的磁化取向在正Y軸方向，該永磁體膜(硬磁體膜)由與偏置磁體膜11b1到11b7相同的硬鐵磁材料制成。如圖82和83所示，其分別是沿圖81的1-1線和2-2線截取的X軸磁傳感器311的剖視圖，偏置磁體膜312到315的每個具有相對于襯底310a的上表面(主表面)的斜面以及平行于襯底310a的表面的上表面；因此偏置磁體膜具有梯形橫截面(作為垂直截面)。偏置磁體膜312到315的上表面位于(出現(xiàn)在)相同的平面中。
如圖81所示，當從上面觀察時偏置磁體膜312形成為T形。偏置磁體膜312設(shè)置在襯底310a的X軸方向正緣的附近且在Y軸方向的中間位置。偏置磁體膜313在平面圖中具有矩形形狀，且設(shè)置在沿正Y軸方向距偏置磁體膜312第一距離處。
偏置磁體膜314在平面圖中與偏置磁體膜312具有相同的T形，且設(shè)置在沿負X軸方向距偏置磁體膜312第二距離處，該第二距離短于該第一距離。偏置磁體膜315在平面圖中具有與偏置磁體膜313相同的矩形形狀，且設(shè)置在沿負Y軸方向距偏置磁體膜312第一距離處。
傳統(tǒng)GMR元件316在平面圖中具有窄條形且沿Y軸方向延伸，如圖81所示。如圖82所示，傳統(tǒng)GMR元件316形成在襯底310a的上表面上。傳統(tǒng)GMR元件316的一端與偏置磁體膜312的斜面接觸，且另一端與偏置磁體膜313的斜面接觸。
傳統(tǒng)GMR元件316的膜結(jié)構(gòu)是與圖4A所示的傳統(tǒng)自旋閥膜相同的結(jié)構(gòu)。SiO2或者SiN絕緣/布線層(未示出)可設(shè)置在襯底310a的上表面與自由層F之間。襯底310a和絕緣/布線層可組成“襯底”。
施加外磁場之前自由層F的初始磁化通過形狀各向異性取向在其縱向方向(對傳統(tǒng)GMR元件316為正Y軸方向)。
傳統(tǒng)GMR元件316中，固定磁化層P的鄰接間隔層S的CoFe磁層Pd的磁化被固定在正X軸方向。因此，傳統(tǒng)GMR元件316的磁場探測方向是在負X軸方向。
傳統(tǒng)GMR元件316的自由層F與直接在傳統(tǒng)GMR元件316的兩端下面的偏置磁體膜312和313磁耦合。從而，偏置磁體膜312和313在自由層F的縱向方向(對傳統(tǒng)GMR元件316為正Y軸方向)向傳統(tǒng)GMR元件316的自由層F施加偏置磁場。
傳統(tǒng)GMR元件317與傳統(tǒng)GMR元件316具有相同的形狀、結(jié)構(gòu)、以及特性。因此，傳統(tǒng)GMR元件317的磁場探測方向是在負X軸方向。如圖83所示，傳統(tǒng)GMR元件317形成在襯底310a的上表面上。傳統(tǒng)GMR元件317的一端與偏置磁體膜314的斜面接觸，且另一端與偏置磁體膜315的斜面接觸。從而，偏置磁體膜314和315在正Y軸方向向傳統(tǒng)GMR元件317(傳統(tǒng)GMR元件317的自由層F)施加偏置磁場。
當從上面觀察時，SAF元件318包括平行于Y軸方向延伸的窄條形部分，如圖81所示。SAF元件318的Y軸方向的正端具有稍微小于偏置磁體膜313的矩形形狀，且位于偏置磁體膜313的上表面上。SAF元件318的Y軸方向的負端具有稍微小于偏置磁體膜314的T形，且位于偏置磁體膜314的上表面上。SAF元件318的窄條形部分形成在絕緣層INS的上表面上，如圖81和83所示。絕緣層INS形成在襯底310a上，使得其上表面與偏置磁體膜313和314(以及偏置磁體膜312和315)的上表面位于相同的平面中；因此，SAF元件318位于由偏置磁體膜313和314的上表面以及絕緣層INS的上表面定義的平面上。
SAF元件318的膜結(jié)構(gòu)是圖5A所示的合成自旋閥膜。SAF元件318中，固定磁化層P′的鄰接間隔層S的第一磁層P1的磁化固定在負X軸方向。因此SAF元件318的磁場探測方向是在正X軸方向。
SAF元件318的自由層F與直接在SAF元件318的兩端下面的偏置磁體膜313和314磁耦合。從而，偏置磁體膜313和314在自由層F的縱向方向(對SAF元件318為正Y軸方向)向SAF元件318的自由層F施加偏置磁場。
SAF元件319與SAF元件318具有相同的形狀、結(jié)構(gòu)、以及特性。因此SAF元件319的磁場探測方向是在正X軸方向。如圖81所示，當從上面觀察時SAF元件319具有平行于Y軸方向的窄條形部分。SAF元件319的Y軸方向的正端具有稍微小于偏置磁體膜312的T形，且位于偏置磁體膜312的上表面上。SAF元件319的Y軸方向的負端具有稍微小于偏置磁體膜315的矩形形狀，且位于偏置磁體膜315的上表面上。SAF元件319的窄條形部分形成在絕緣層INS的上表面上，如圖81和82所示。絕緣層INS形成在襯底310a上使得其上表面與偏置磁體膜312和315的上表面位于相同的平面中；因此，SAF元件319位于由偏置磁體膜312和315的上表面以及絕緣層INS的上表面定義的平面上。
SAF元件319的自由層F與直接在SAF元件319的兩端下面的偏置磁體膜312和315磁耦合。從而，偏置磁體膜312和315在自由層F的縱向方向(對SAF元件319為正Y軸方向)向SAF元件319的自由層F施加偏置磁場。
如上所述，X軸磁傳感器311中，偏置磁體膜312到315的每個向單傳統(tǒng)GMR元件和單SAF元件施加偏置磁場。換言之，傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的對接收來自公共偏置磁體膜的偏置磁場。
X軸磁傳感器311中，元件316到319以全橋構(gòu)造連接，如圖84A中的等效電路所示。然后，第一電勢+Vd(來自未示出的恒定電壓源的恒定電壓)通過未示出的路徑施加到偏置磁體膜313，且偏置磁體膜315接地(連接到GND)，從而不同于第一電勢的第二電勢(0V)施加到它上面。偏置磁體膜312的電勢Voutl與偏置磁體膜314的電勢Vout2之間的差作為X軸磁傳感器311的輸出Vox被取出。因此，X軸磁傳感器311輸出基本比例于在X軸方向的外磁場分量Hx且隨外磁場Hx增加而增加的電壓Vox，如圖84B所示。
在平面圖中，Y軸磁傳感器321與逆時針旋轉(zhuǎn)90°的X軸磁傳感器相同。因此，Y軸磁傳感器321輸出基本比例于外磁場的Y軸方向強度Hy或Y軸分量且隨著外磁場強度Hy增加而增加的電壓Voy。
用于制造磁傳感器310的方法現(xiàn)在將描述一種用于制造磁傳感器310(X軸磁傳感器311和Y軸磁傳感器321)的方法。X軸磁傳感器311和Y軸磁傳感器321在相同工藝中同時形成。下面的描述將參考圖85到87說明如何制造X軸磁傳感器311。圖85到87是沿圖81的線1-1截取的截面圖，每個示出制造磁傳感器310過程中的狀態(tài)。
首先，準備襯底310a(襯底準備步驟)。然后，沉積用于形成偏置磁體膜312到315的層。具體地，用于形成偏置磁體膜312到315的層通過濺鍍沉積在襯底310a的整個上表面上，隨后用抗蝕劑層掩模化該層的必要區(qū)域。然后，不必要的區(qū)域通過離子研磨被除去，其后除去抗蝕劑層。于是，要作為偏置磁體膜312、313、315、以及314(圖85中未示出314)的膜形成在預(yù)定位置。
接著，形成傳統(tǒng)GMR元件316和317。具體地，用于形成傳統(tǒng)GMR元件316和317的復(fù)合層沉積在襯底310a的和要作為偏置磁體膜的膜的整個上表面上。其后，抗蝕劑層形成(沉積)在該復(fù)合層的上表面上，且被構(gòu)圖從而僅覆蓋要成為傳統(tǒng)GMR元件316和317的該復(fù)合層的必要區(qū)域。通過離子研磨除去該復(fù)合層的不必要區(qū)域，且該抗蝕劑層被除去。于是，要作為傳統(tǒng)GMR元件316和317(圖85中未示出317)的第一膜形成在預(yù)定位置。這些工藝稱為第一膜形成步驟。
接著，如圖86所示，SiN絕緣層INS通過CVD形成在襯底310a、要作為偏置磁體膜312到315的膜、以及要作為傳統(tǒng)GMR元件316和317的第一膜的上表面上。供選地，絕緣層INS可以由SiO2制成。該步驟稱為絕緣層形成步驟。
其后，絕緣層INS被除去直到要作為偏置磁體膜312到315的膜被暴露。要作為偏置磁體膜312到315的膜、絕緣層INS、以及第一膜316和317的端部的表面被研磨至彼此平齊。該步驟稱為平坦化步驟。
接著，如圖87所示，一對要作為SAF元件318和319的膜形成在該平坦化的表面上。具體地，用于形成要作為SAF元件318和319的膜的復(fù)合層形成(沉積)在整個平坦化的表面上。然后，抗蝕劑層形成(沉積)在該復(fù)合層的上表面上，且被構(gòu)圖從而僅覆蓋該復(fù)合層的必要區(qū)域。其后，該復(fù)合層的不必要區(qū)域通過離子研磨被除去，抗蝕劑層被除去。于是，要作為SAF元件319和318(圖87中未示出318)的第二膜形成在預(yù)定位置。這些工藝稱為第二膜形成步驟。通過上述步驟，在圖80所示的位置設(shè)置具有圖81所示的形狀且將成為X軸磁傳感器311和Y軸磁傳感器321的膜。
實際上，將成為X軸磁傳感器311和Y軸磁傳感器321的多組膜M形成在包括多個襯底310a的襯底310a-1上，如圖88所示。此示例中，在襯底310a-1上設(shè)置膜M使得襯底310a-1在下面描述的切割步驟中被沿線CL切割成磁傳感器310(襯底310a)之后膜M如圖80所示地定位在襯底310a上。
隨后，取向在單方向的磁場在高溫被施加到要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的所得膜上，從而固定該膜的被釘扎層的磁化方向。該步驟稱為磁場熱處理步驟。
磁場熱處理步驟使用圖9和10所示的磁體陣列30。也在本實施例中，產(chǎn)生在永磁體31之上的磁場被用于固定元件316到319中被釘扎層的磁化方向，如圖89所示。
具體地，具有膜M的襯底310a-1以一相對位置關(guān)系設(shè)置于磁體陳列30之上，使得通過沿線CL切割襯底310a-1而形成的每個正方形的沒有膜M與其相鄰的兩邊及其交叉點與對應(yīng)的永磁體的兩邊及其交叉點對齊，如圖90中的平面圖所示。因此，每個膜M暴露于如圖89和90的箭頭所示的取向在垂直于該膜M的窄條形部分的縱向方向的方向上的磁場中。
然后，這樣一組襯底310a-1和磁體陣列30在真空中被加熱到250到280℃且隨后允許保持約4小時以用于磁場熱處理。結(jié)果，傳統(tǒng)GMR元件的固定磁化層P(被釘扎層Pd)和SAF元件的固定磁化層P′(被釘扎層P1)的磁化方向被固定。
更具體地，取向在單方向的磁場通過磁場熱處理被施加到要作為傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件的膜上，如圖91所示。從而，得到其磁場探測方向彼此反平行的巨磁致電阻元件的對。因此根據(jù)本實施例的上述制造方法可在非常小的區(qū)域中制造其磁場探測方向在負X軸方向的兩個傳統(tǒng)GMR元件(例如，傳統(tǒng)GMR元件316和317)和其磁場探測方向在正X軸方向的兩個SAF元件(例如SAF元件318和319)的組。
注意，實際上，磁場熱處理之后，具有膜的襯底310a-1經(jīng)歷必要的處理，包括偏置磁體膜的極化，且沿著圖90所示的線CL被切割成多個圖80所示的磁傳感器310和多個S型磁傳感器(未示出)。
如上所述，磁傳感器310的X軸磁傳感器311和Y軸磁傳感器321每個具有以全橋構(gòu)造連接的一對傳統(tǒng)GMR元件和一對SAF元件。通過施加取向在單方向的磁場到傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件，這兩種類型的巨磁致電阻元件的磁場探測方向彼此反平行。因此，根據(jù)本實施例的磁傳感器310可具有“其磁場探測方向彼此反平行的巨磁致電阻元件”，其是形成橋構(gòu)造所需要的，且彼此非常接近地設(shè)置。因此，磁傳感器310可以非常小。
本實施例中，磁傳感器310包括形成在襯底310a上使得接觸第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件316)的端部的第一偏置磁體膜(例如偏置磁體膜312)，該第一偏置磁體膜施加取向在基本垂直于第一方向(例如負X軸方向)的第三方向(例如正Y軸方向)的偏置磁場到第一巨磁致電阻元件；形成在襯底310a上從而接觸第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件318)的端部的第二偏置磁體膜(例如偏置磁體膜314)，該第二偏置磁體膜施加取向在該第三方向的偏置磁場到第二巨磁致電阻元件；以及形成在襯底310a上從而接觸第一巨磁致電阻元件的另一端和第二巨磁致電阻元件的另一端的單第三偏置磁體膜(例如公共偏置磁體膜、偏置磁體膜313)，該第三偏置磁體膜施加取向在該第三方向的偏置磁場到第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件。
此外，磁傳感器310包括形成在襯底310a上從而接觸第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件316)的端部的第一偏置磁體膜(例如偏置磁體膜313)，該第一偏置磁體膜施加取向在基本垂直于第一方向(例如負X軸方向)的第三方向(例如正Y軸方向)的偏置磁場到第一巨磁致電阻元件；形成在襯底310a上從而接觸第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件319)的端部的第二偏置磁體膜(例如偏置磁體膜315)，該第二偏置磁體膜施加取向在該第三方向的偏置磁場到第二巨磁致電阻元件；以及形成在襯底310a上從而接觸第一巨磁致電阻元件的另一端和第二巨磁致電阻元件的另一端的單第三偏置磁體膜(例如公共偏置磁體膜、偏置磁體膜312)，該第三偏置磁體膜施加取向在該第三方向的偏置磁場到第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件。
如上所述，磁傳感器310的X軸磁傳感器311或者Y軸磁傳感器321中，單偏置磁體膜(偏置磁體膜312到315的任一個)取代分別被第一巨磁致電阻元件的一端和第二巨磁致電阻元件的一端所需要的兩個偏置磁體膜。因此，第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件可彼此更接近地設(shè)置。此外，因為接觸單(公共)偏置磁體膜的兩個元件彼此電連接，不需要導(dǎo)線用于連接此兩個元件。
注意，磁傳感器310(例如X軸磁傳感器311)中，第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件316)和第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件318)的窄條形部分從公共偏置磁體膜(第三偏置磁體膜、偏置磁體膜313)向基本垂直于該第一方向的相同方向(本情況中為負Y軸方向)延伸。
另外，磁傳感器310(例如X軸磁傳感器311)中，第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件316)和第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件319)兩個元件的窄條形部分在基本垂直于該第一方向的方向上(正Y軸方向)沿一直線延伸。另外，第三偏置磁體膜(偏置磁體膜312)設(shè)置在第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件316)和第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件319)之間。也在該示例中，單偏置磁體膜(第三偏置磁體膜312)取代通常在傳統(tǒng)磁傳感器中需要的兩個偏置磁體膜。因此，磁傳感器310可以更小。
上面的實施例中，磁傳感器310的第一巨磁致電阻元件(傳統(tǒng)GMR元件)形成在襯底310a的上表面上，第二巨磁致電阻元件(SAF元件)形成在絕緣層INS的上表面上。然而，兩種巨磁致電阻元件的任何一個可以設(shè)置在襯底310a的上表面上。例如，在圖81到83所示的X軸磁傳感器311中，傳統(tǒng)GMR元件316和317可以由SAF元件取代同時SAF元件318和319由傳統(tǒng)GMR元件取代。
根據(jù)本實施例的磁傳感器310中，因為形成單全橋電路的巨磁致電阻元件316到319設(shè)置在襯底310a上小區(qū)域中，應(yīng)力(例如張應(yīng)力或者壓應(yīng)力)幾乎一致地置于這些元件上。因此，由于巨磁致電阻元件的電阻均勻地增加或減小，可減小橋電路失去平衡地可能性。因此，磁傳感器310能準確地探測外磁場，即使應(yīng)力置于巨磁致電阻元件上。
第十實施例現(xiàn)在將描述根據(jù)本實用新型第十實施例的磁傳感器。第十實施例的磁傳感器在下面的兩點與第九實施例的磁傳感器310不同
磁傳感器310的X軸磁傳感器311被圖92所示的X軸磁傳感器341所取代；以及磁傳感器310的Y軸磁傳感器321被與在平面圖中逆時針旋轉(zhuǎn)90°的X軸磁傳感器341相同類型的磁傳感器所取代。
因此，下面的描述將說明X軸磁傳感器341。
X軸磁傳感器341探測外磁場在X軸方向上的分量。X軸磁傳感器341包括12個偏置磁體膜342a到3421、一對傳統(tǒng)GMR元件343和344、以及一對SAF元件345和346。
偏置磁體膜342a到3421每個具有梯形橫截面，與根據(jù)第九實施例的偏置磁體膜312到315中一樣。偏置磁體膜342a到3421與偏置磁體膜312到315由相同的材料制成，且作為極化在正Y軸方向的永磁體膜。兩個偏置磁體膜342a和342g每個具有彼此相同的T形。其它的偏置磁體膜每個具有彼此相同的矩形形狀。偏置磁體膜342a到3421的上表面位于相同的平面中。
偏置磁體膜342a設(shè)置在襯底310a的X軸方向上的正緣附近且在襯底310a的Y軸方向上的中間。設(shè)置偏置磁體膜342g為在負X軸方向距偏置磁體膜342a第三距離處。四個偏置磁體膜342c、342e、342i、以及342k設(shè)置在這兩個偏置磁體膜342a和342g之間。
偏置磁體膜342c位于沿負X軸方向距偏置磁體膜342a一短距離處。偏置磁體膜342e位于沿負X軸方向離偏置磁體膜342c一短距離處且在沿X軸方向離偏置磁體膜342g一短距離處。偏置磁體膜342c和342e的Y軸方向的正緣與偏置磁體膜342a和342g的Y軸方向的正緣對齊。
偏置磁體膜342b設(shè)置于沿正Y軸方向離偏置磁體膜342a第一距離處，從而對著偏置磁體膜342a和342c。偏置磁體膜342d設(shè)置于沿負X軸方向離偏置磁體膜342b一短距離處從而對著偏置磁體膜342c和342e。偏置磁體膜342f設(shè)置于沿負X軸方向離偏置磁體膜342d一短距離處從而對著偏置磁體膜342e和342g。偏置磁體膜342b、342d、以及342f在Y軸方向的負緣對齊在一條直線中。
偏置磁體膜342k設(shè)置于在負X軸方向離偏置磁體膜342a一短距離處。偏置磁體膜342i設(shè)置于在負X軸方向離偏置磁體膜342k一短距離處且在正X軸方向離偏置磁體膜342g一短距離。偏置磁體膜342i和342k的負Y軸方向的邊緣與偏置磁體膜342a和342g的負Y軸方向的邊緣對齊。
偏置磁體膜342h設(shè)置于在負Y軸方向離偏置磁體膜342g第一距離處，從而對著偏置磁體膜342g和342i。偏置磁體膜342j設(shè)置于在正X軸方向離偏置磁體膜342h一短距離處從而對著偏置磁體膜342i和342k。偏置磁體膜3421設(shè)置于在正X軸方向離偏置磁體膜342j一短距離處從而對著偏置磁體膜342k和342a。偏置磁體膜342h、342j、以及3421在Y軸方向的正緣對齊在一條直線中。
傳統(tǒng)GMR元件343由三個傳統(tǒng)GMR元件膜343a到343c形成。這些元件膜343a到343c每個在平面圖中具有窄條形且在Y軸方向延伸，如圖92所示。元件膜343a到343c的中間部分每個與襯底310a的上表面接觸，與第九實施例的傳統(tǒng)GMR元件316中一樣。
元件膜343a的一端與偏置磁體膜342a的斜面接觸且另一端與偏置磁體膜342b的斜面接觸。元件膜343b的一端與偏置磁體膜342b的斜面接觸且另一端與偏置磁體膜342c的斜面接觸。元件膜343c的一端與偏置磁體膜342c的斜面接觸且另一端與偏置磁體膜342d的斜面接觸。因此，傳統(tǒng)GMR元件343的電阻等于元件膜343a到343c的電阻的總和。
傳統(tǒng)GMR元件344由三個傳統(tǒng)GMR元件膜344a到344c形成。這些元件膜344a到344c每個在平面圖中具有窄條形且在Y軸方向延伸，如圖92所示。元件膜344a到344c的中間部分與襯底310a的上表面接觸，同第九實施例的傳統(tǒng)GMR元件316中一樣。
元件膜344a的一端與偏置磁體膜342g的斜面接觸且另一端與偏置磁體膜342h的斜面接觸。元件膜344b的一端與偏置磁體膜342h的斜面接觸且另一端與偏置磁體膜342i的斜面接觸。元件膜344c的一端與偏置磁體膜342i的斜面接觸且另一端與偏置磁體膜342j的斜面接觸。因此，傳統(tǒng)GMR元件344的電阻等于元件膜344a到344c的電阻的總和。
SAF元件345包括三個SAF元件膜345a到345c。這些元件膜345a到345c每個在平面圖中具有在Y軸方向延伸的窄條形部分，如圖92所示。元件膜345a到345c每個設(shè)置在絕緣層的上表面上，象第九實施例的SAF元件318中一樣。該絕緣層在襯底310a上使得該絕緣層與偏置磁體膜342a到3421的上表面位于相同平面內(nèi)。
元件膜345a的一端具有稍微小于偏置磁體膜342g的T形且形成在偏置磁體膜342g的上表面上。元件膜345a的另一端具有比偏置磁體膜342f稍小的矩形形狀且形成在偏置磁體膜342f的上表面上。元件膜345a的該另一端在偏置磁體膜342f的上表面上連接到元件膜345b的一端。元件膜345b的另一端具有比偏置磁體膜342e稍小的矩形形狀且形成在偏置磁體膜342e的上表面上。元件膜345b的該另一端在偏置磁體膜342e的上表面上連接到元件膜345c的一端。元件膜345c的另一端具有比偏置磁體膜342d稍小的矩形形狀且形成在偏置磁體膜342d的上表面上。因此，SAF元件345的電阻等于元件膜345a到345c的電阻的總和。
SAF元件346包括三個SAF元件膜346a到346c。元件膜346a到346c每個在平面圖中具有在Y軸方向延伸的窄條形部分，如圖92所示。元件膜346a到346c每個設(shè)置在絕緣層的上表面上，象第九實施例的SAF元件318中一樣。
元件膜346a的一端具有比偏置磁體膜342a稍小的T形且形成在偏置磁體膜342a的上表面上。元件膜346a的另一端具有比偏置磁體膜3421稍小的矩形形狀且形成在偏置磁體膜3421的上表面上。元件膜346a的該另一端在偏置磁體膜3421的上表面上連接到元件膜346b的一端。元件膜346b的另一端具有比偏置磁體膜342k稍小的矩形形狀且形成在偏置磁體膜342k的上表面上。元件膜346b的該另一端在偏置磁體膜342k的上表面上連接到元件膜346c的一端。元件膜346c的另一端具有比偏置磁體膜342j稍小的矩形形狀且形成在偏置磁體膜342j的上表面上。因此，SAF元件346的電阻等于元件膜346a到346c的電阻的總和。
具有上述結(jié)構(gòu)的X軸磁傳感器341具有圖84A的等效電路(與磁傳感器310的全橋電路相同)中所示的全橋電路。
X軸磁傳感器341中，傳統(tǒng)GMR元件343的元件膜343a和SAF元件346的元件膜346a接收來自同一(單公共)偏置磁體膜342a的偏置磁場。傳統(tǒng)GMR元件343的元件膜343c和SAF元件345的元件膜345c接收來自同一(單公共)偏置磁體膜342d的偏置磁場。SAF元件345的元件膜345a和傳統(tǒng)GMR元件344的元件膜344a接收來自同一(單公共)偏置磁體膜342g的偏置磁場。傳統(tǒng)GMR元件344的元件膜344c和SAF元件346的元件膜346c接收來自同一(單公共)偏置磁體膜342j的偏置磁場。
因此，X軸磁傳感器341中，單偏置磁體膜取代了通常在傳統(tǒng)磁傳感器中需要的兩個偏置磁體膜，從而傳統(tǒng)GMR元件和SAF元件更接近地設(shè)置，如磁傳感器310中一樣。從而，X軸磁傳感器和Y軸磁傳感器可以小型化，因此第十實施例的磁傳感器341可以小型化。
第十一實施例現(xiàn)在將描述根據(jù)本實用新型第十一實施例的磁傳感器。第十一實施例的磁傳感器在下面兩點不同于第九實施例的磁傳感器310磁傳感器310的X軸磁傳感器311被圖93所示的X軸磁傳感器351所取代；以及磁傳感器310的Y軸磁傳感器321被與在平面圖中逆時針旋轉(zhuǎn)90°的X軸磁傳感器351相同類型的磁傳感器所取代。
因此，下面的描述將說明X軸磁傳感器351。
X軸磁傳感器351探測外磁場在X軸方向上的分量。X軸磁傳感器351包括12個偏置磁體膜352a到3521、SAF元件353和355、以及傳統(tǒng)GMR元件354和356。
偏置磁體膜352a到3521每個具有梯形橫截面，如根據(jù)第九實施例的磁傳感器的偏置磁體膜312到315中一樣。偏置磁體膜352a到3521與偏置磁體膜312到315由相同的材料制成，且作為極化在正Y軸方向的永磁體膜。兩個偏置磁體膜352a和352g每個具有彼此相同的矩形形狀，且其它的偏置磁體膜具有彼此相同的矩形形狀。偏置磁體膜352a到3521設(shè)置在圖93所示的位置中。偏置磁體膜352a到3521的上表面位于相同平面中。
SAF元件353包括三個SAF元件膜353a到353c。元件膜353a到353c每個在平面圖中具有窄條形部分，如圖93所示。兩個元件膜353a和353c在相對于正Y軸方向傾斜一小角度θ(θ＞0)的方向上延伸。元件膜353b的窄條形部分在相對于正Y軸方向傾斜一小角度-θ的方向上延伸。元件膜353a到353c的鄰接它們各自的間隔層S的第一磁層P1的每個磁化被固定在負X軸方向；因此，膜353a到353c的磁場探測方向的每個是在正X軸方向。
元件膜353a的一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352a的基本整個上表面接觸。元件膜353a的另一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352b的基本整個上表面接觸。元件膜353b的一端在偏置磁體膜352b的上表面上連接到元件膜353a。元件膜353b的另一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352f的基本整個上表面接觸。元件膜353c的一端在偏置磁體膜352f的上表面上連接到元件膜353b。元件膜353c的另一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352d的基本整個上表面接觸。
傳統(tǒng)GMR元件354由三個傳統(tǒng)GMR元件膜354a到354c形成。元件膜354a到354c每個在平面圖中具有窄條形，如圖93所示。元件膜354a在Y軸方向上延伸；元件膜354b在相對于正Y軸方向傾斜一小角度-θ的方向上延伸；元件膜354c在相對于正Y軸方向傾斜一小角度θ的方向上延伸。元件膜354a到354c的鄰接它們各自的間隔層S的磁層P(固定磁化層P)的每個磁化被固定在正X軸方向；因此，元件膜354a到354c的磁場探測方向的每個在負X軸方向。
傳統(tǒng)GMR元件膜354a到354c形成為與襯底310a的上表面接觸，象第九實施例的傳統(tǒng)GMR元件316中一樣。元件膜354a的一端與偏置磁體膜352e的斜面接觸且另一端接觸偏置磁體膜352d的斜面。元件膜354b的一端與偏置磁體膜352e的斜面接觸且另一端接觸偏置磁體膜352c的斜面。元件膜354c的一端與偏置磁體膜352c的斜面接觸且另一端接觸偏置磁體膜352g的斜面。
SAF元件353的元件膜353a到353c每個形成在覆蓋襯底310a和傳統(tǒng)GMR元件354的絕緣層INS的上表面上，如第九實施例的SAF元件318一樣。因此，元件膜353b布設(shè)在元件膜354c上從而與元件膜354c交叉，其間有絕緣層INS，如圖94所示，圖94是沿圖93的4-4線截取的X軸磁傳感器351的剖視圖。另外，元件膜353c布設(shè)在元件膜354b之上從而與元件膜354b交叉，其間有絕緣層INS。
SAF元件355包括三個SAF元件膜355a到355c。元件膜355a到355c每個在平面圖中具有窄條形部分，如圖93所示。元件膜355a的窄條形部分延伸在Y軸方向上；元件膜355b的窄條形部分在相對于正Y軸方向傾斜一小角度θ的方向上延伸；元件膜355c的窄條形部分在相對于正Y軸方向傾斜一小角度-θ的方向上延伸。元件膜355a到355c的鄰接它們各自的間隔層S的第一磁層P1的每個磁化被固定在負X軸方向；因此，元件膜355a到355c的磁場探測方向的每個是在正X軸方向。
元件膜355a的一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352j的基本整個上表面接觸。元件膜355a的另一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352i的基本整個上表面接觸。元件膜355b的一端在偏置磁體膜352i的上表面上連接到元件膜355a，且元件膜355b的另一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352k的基本整個上表面接觸。元件膜355c的一端在偏置磁體膜352k的上表面上連接到元件膜355b。元件膜355c的另一端具有矩形形狀且與偏置磁體膜352g的基本整個上表面接觸。
傳統(tǒng)GMR元件356由三個傳統(tǒng)GMR元件膜356a到356c形成。元件膜356a到356c每個在平面圖中具有窄條形，如圖93所示。元件膜356a在相對于正Y軸方向傾斜一小角度-θ的方向上延伸；元件膜356b在相對于正Y軸方向傾斜一小角度θ的方向上延伸；元件膜356c在相對于正Y軸方向傾斜一小角度-θ的方向上延伸。元件膜356a到356c的鄰接它們各自的間隔層S的磁層P(固定磁化層P)的每個磁化被固定在正X軸方向；因此，元件膜356a到356c的磁場探測方向的每個在負X軸方向。
傳統(tǒng)GMR元件膜356a到356c形成為與襯底310a的上表面接觸，象第九實施例的傳統(tǒng)GMR元件316中一樣。元件膜356a的一端與偏置磁體膜352a的斜面接觸，且另一端接觸偏置磁體膜3521的斜面。元件膜356b的一端與偏置磁體膜3521的斜面接觸，且另一端接觸偏置磁體膜352h的斜面。元件膜356c的一端與偏置磁體膜352h的斜面接觸，且另一端接觸偏置磁體膜352j的斜面。
SAF元件355的元件膜355a到355c每個形成在覆蓋襯底310a和傳統(tǒng)GMR元件356的絕緣層INS的上表面上，如第九實施例的SAF元件318一樣。因此，元件膜355b布設(shè)在元件膜356c上從而與元件膜356c交叉，其間有絕緣層INS。另外，元件膜355c布設(shè)在元件膜356b上從而與元件膜356b交叉，其間有絕緣層INS。
具有上述結(jié)構(gòu)的X軸磁傳感器351中，其磁場探測方向是負X軸方向的一對傳統(tǒng)GMR元件354和356以及其磁場探測方向是正X軸方向的一對SAF元件353和355以全橋構(gòu)造連接，如圖95中的等效電路所示。第一電勢+Vd施加到偏置磁體膜352a。偏置磁體膜352g接地從而第二電勢(OV)施加到該膜352g。從偏置磁體膜352d取出電勢Vout1，偏置磁體膜352d是SAF元件353連接到傳統(tǒng)GMR元件354的連接點，從偏置磁體膜352j取出電勢Vout2，偏置磁體膜352j是SAF元件355連接到傳統(tǒng)GMR元件356的連接點。電勢Vout1和電勢Vout2之間的差作為X軸磁傳感器351的輸出Vox被得到。
如上所述，根據(jù)本實用新型第十一實施例的磁傳感器包括形成在襯底310a上從而與第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件356的元件膜356a)的一端接觸且向該第一巨磁致電阻元件施加取向在基本垂直于第一方向(例如負X軸方向)的第三方向(例如正Y軸方向)上的偏置磁場的第一偏置磁體膜(例如偏置磁體膜3521)；形成在襯底310a上從而與第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件353的元件膜353a)的一端接觸且向該第二巨磁致電阻元件施加取向在所述第三方向上的偏置磁場的第二偏置磁體膜(例如偏置磁體膜352b)；及形成在襯底310a上從而與第一矩此致電阻元件的另一端和第二巨磁致電阻元件的另一端接觸且向該第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件施加取向在第三方向上的偏置磁場的第三偏置磁體膜(例如偏置磁體膜352a，其是單公共偏置磁體膜)。
此外，根據(jù)第十一實施例的磁傳感器包括形成在襯底310a上從而與第一巨磁致電阻元件(例如傳統(tǒng)GMR元件354的元件膜354a)的一端接觸且向該第一巨磁致電阻元件施加取向在基本垂直于第一方向(例如負X軸方向)的第三方向(例如正Y軸方向)上的偏置磁場的第一偏置磁體膜(例如偏置磁體膜352e)；形成在襯底310a上從而與第二巨磁致電阻元件(例如SAF元件353的元件膜353c)的一端接觸且向該第二巨磁致電阻元件施加取向在第三方向上的偏置磁場的第二偏置磁體膜(例如偏置磁體膜352f)；及形成在襯底310a上從而與第一巨磁致電阻元件的另一端和第二巨磁致電阻元件的另一端接觸且向該第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件施加取向在第三方向上的偏置磁場的第三偏置磁體膜(例如偏置磁體膜352d，其是單公共偏置磁體膜)。
另外，偏置磁體膜352j和352g也作為公共偏置磁體膜(即第三偏置磁體膜)。
根據(jù)第十一實施例的磁傳感器中，和磁傳感器310中一樣，單偏置磁體膜(偏置磁體膜352a、352d、352j、以及352g中任一個)取代兩個偏置磁體膜，其中之一是第一巨磁致電阻元件的一端所需要的，且其中的另一個是第二巨磁致電阻元件的一端所需要的。因此，該第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件可以彼此更接近地設(shè)置。
根據(jù)第十一實施例的磁傳感器中，第一巨磁致電阻元件的每個(例如傳統(tǒng)GMR元件354的元件膜354b)形成為與襯底310a的上表面接觸，且當從上面觀察時第二巨磁致電阻元件的每個(例如SAF元件353的元件膜353c)具有與第一巨磁致電阻元件的交叉。該第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件通過絕緣層INS分隔開。
當從上面觀察時(平面圖中)，該結(jié)構(gòu)允許第一巨磁致電阻元件在襯底之上交叉第二巨磁致電阻元件。因此，該第一巨磁致電阻元件和第二巨磁致電阻元件可更接近地設(shè)置。
盡管在第十一實施例的磁傳感器中，第一巨磁致電阻元件(傳統(tǒng)GMR元件)形成在襯底310a的上表面上且第二巨磁致電阻元件(SAF元件)形成在絕緣層INS的上表面上，但是所述巨磁致電阻元件的任一都可形成在襯底310a的上表面上。例如，在如圖93所示的X軸磁傳感器351中，傳統(tǒng)GMR元件354和356可被SAF元件取代同時SAF元件353和355可被傳統(tǒng)GMR元件所取代。
根據(jù)上面公開的實施例的任何磁傳感器是小的且其輸出受置于元件上的應(yīng)力的影響盡可能地小。本實用新型不局限于公開的實施例，可以進行各種修改。例如，本實用新型的磁傳感器可以是垂直雙向磁傳感器，如在某些實施例中描述的，或者是僅由X軸或者Y軸磁傳感器定義的單向磁傳感器。
權(quán)利要求1.一種磁傳感器，其特征在于包括單襯底；設(shè)置在所述襯底上的第一巨磁致電阻元件，所述第一巨磁致電阻元件由單層被釘扎自旋閥膜形成，所述單層被釘扎自旋閥膜包括單層被釘扎固定磁化層，其包括單鐵磁層和釘扎層，自由層，其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變，以及間隔層，其由非磁導(dǎo)電材料制成，設(shè)置在所述鐵磁層和所述自由層之間，其中所述鐵磁層的磁化通過所述釘扎層固定在第一方向，從而所述鐵磁層作為被釘扎層；以及設(shè)置在所述襯底上的第二巨磁致電阻元件，所述第二巨磁致電阻元件由多層被釘扎自旋閥膜形成，所述多層被釘扎自旋閥膜包括多層被釘扎固定磁化層，其包括第一鐵磁層、鄰接所述第一鐵磁層的交換耦合層、鄰接所述交換耦合層的第二鐵磁層、以及鄰接所述第二鐵磁層的釘扎層，自由層，其磁化方向影響于外磁場而改變，以及間隔層，其由非磁導(dǎo)電材料制成，設(shè)置在所述第一鐵磁層和所述自由層之間，其中所述第二鐵磁層的磁化方向通過所述釘扎層固定，且所述第一鐵磁層的磁化方向通過其間具有所述交換耦合層的所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層的交換耦合固定在與所述第一方向反平行的第二方向，從而所述第一鐵磁層作為被釘扎層。
2.如權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其特征在于所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件以橋構(gòu)造連接來形成電路，所述電路產(chǎn)生響應(yīng)于所述電路的預(yù)定點的電勢的輸出，所述輸出隨著施加到所述磁傳感器的磁場在所述第一方向的分量的強度增加而單調(diào)地增加或減小。
3.如權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其特征在于包括所述第一巨磁致電阻元件的兩個和所述第二巨磁致電阻元件的兩個，其中所述兩個第一巨磁致電阻元件中的一個的一端連接到所述兩個第二巨磁致電阻元件中的一個的一端從而形成第一子電路，且所述另一個第一巨磁致電阻元件的一端連接到所述另一個第二巨磁致電阻元件的一端從而形成第二子電路，其中第一電勢施加到所述第一子電路中的所述第一巨磁致電阻元件的另一端和所述第二子電路中的所述第二巨磁致電阻元件的另一端，且不同于所述第一電勢的第二電勢施加到所述第一子電路中的所述第二巨磁致電阻元件的另一端和所述第二子電路中的所述第一巨磁致電阻元件的另一端，以及其中所述磁傳感器輸出所述第一子電路中所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第二巨磁致電阻元件的連接點與所述第二子電路中所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第二巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差。
4.如權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其特征在于還包括所述襯底上由單層被釘扎自旋閥膜形成的第三巨磁致電阻元件、以及所述襯底上由多層被釘扎自旋閥膜形成的第四巨磁致電阻元件，其中所述第三巨磁致電阻元件中的所述鐵磁層的磁化固定在垂直于所述第一方向的第三方向，且所述第四巨磁致電阻元件中的所述第一鐵磁層的磁化固定在反平行于所述第三方向的第四方向。
5.如權(quán)利要求4所述的磁傳感器，其特征在于所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件以橋構(gòu)造連接來形成電路，所述電路產(chǎn)生響應(yīng)于所述電路中預(yù)定點的電勢的第一輸出，所述第一輸出隨著施加到所述磁傳感器的磁場在所述第一方向的分量的強度增加而單調(diào)地增加或減小，并且其中所述第三巨磁致電阻元件和所述第四巨磁致電阻元件以橋構(gòu)造連接來形成電路，所述電路產(chǎn)生響應(yīng)于所述電路預(yù)定點的電勢的第二輸出，所述第二輸出隨著施加到所述磁傳感器的磁場的在所述第三方向的分量的強度增加而單調(diào)地增加或減小。
6.如權(quán)利要求4所述的磁傳感器，其特征在于包括所述第一巨磁致電阻元件的兩個、所述第二巨磁致電阻元件的兩個、所述第三巨磁致電阻元件的兩個、以及所述第四巨磁致電阻元件的兩個，其中所述兩個第一巨磁致電阻元件中的一個的一端連接到所述兩個第二巨磁致電阻元件中的一個的一端從而形成第一子電路；另一個所述第一巨磁致電阻元件的一端連接到另一個所述第二巨磁致電阻元件的一端從而形成第二子電路；第一電勢施加到所述第一子電路中所述第一巨磁致電阻元件的另一端和所述第二子電路中所述第二巨磁致電阻元件的另一端；并且不同于所述第一電勢的第二電勢施加到所述第一子電路中所述第二巨磁致電阻元件的另一端和所述第二子電路中所述第一巨磁致電阻元件的另一端，其中所述兩個第三巨磁致電阻元件中的一個的一端連接到所述兩個第四巨磁致電阻元件中的一個的一端從而形成第三子電路；另一個所述第三巨磁致電阻元件的一端連接到另一個所述第四巨磁致電阻元件的一端從而形成第四子電路；第三電勢施加到所述第三子電路中所述第三巨磁致電阻元件的另一端和所述第四子電路中所述第四巨磁致電阻元件的另一端；并且不同于所述第三電勢的第四電勢施加到所述第三子電路中所述第四巨磁致電阻元件的另一端和所述第四子電路中所述第三巨磁致電阻元件的另一端，由此所述磁傳感器配置為產(chǎn)生第一輸出和第二輸出，所述第一輸出是所述第一子電路中所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第二巨磁致電阻元件的連接點與所述第二子電路中所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第二巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差，所述第二輸出是所述第三子電路中所述第三巨磁致電阻元件連接到所述第四巨磁致電阻元件的連接點與所述第四子電路中所述第三巨磁致電阻元件連接到所述第四巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差。
7.如權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其特征在于包括所述第一巨磁致電阻元件的兩個；所述第二巨磁致電阻元件的兩個；第五巨磁致電阻元件的兩個，每個在所述襯底上由所述單層被釘扎自旋閥膜形成，每個第五巨磁致電阻元件中所述鐵磁層的磁化固定在所述第二方向；以及兩個第六巨磁致電阻元件，每個在所述襯底上由所述多層被釘扎自旋閥膜形成，每個第六巨磁致電阻元件中所述第一鐵磁層的磁化固定在所述第一方向，其中所述第一巨磁致電阻元件的所述兩個和所述第二巨磁致電阻元件的所述兩個彼此接近地設(shè)置在第一區(qū)域中；所述第五巨磁致電阻元件的所述兩個和所述第六巨磁致電阻元件的所述兩個彼此接近地設(shè)置在遠離所述第一區(qū)域的第二區(qū)域中；其中所述第一巨磁致電阻元件的所述兩個中的一個的一端連接到所述第五巨磁致電阻元件的所述兩個中的一個的一端從而形成第五子電路；另一個所述第一巨磁致電阻元件的一端連接到另一個所述第五巨磁致電阻元件的一端從而形成第六子電路；第一電勢施加到所述第五子電路的所述第一巨磁致電阻元件的另一端和所述第六子電路的所述第五巨磁致電阻元件的另一端；不同于所述第一電勢的第二電勢施加到所述第五子電路的所述第五巨磁致電阻元件的另一端和所述第六子電路的所述第一巨磁致電阻元件的另一端；以及其中所述第二巨磁致電阻元件的所述兩個的一個的一端連接到所述第六巨磁致電阻元件的所述兩個中的一個的一端從而形成第七子電路；另一個所述第二巨磁致電阻元件的一端連接到另一個所述第六巨磁致電阻元件的一端從而形成第八子電路；第三電勢施加到所述第七子電路的所述第二巨磁致電阻元件的另一端和所述第八子電路的所述第六巨磁致電阻元件的另一端；不同于所述第三電勢的第四電勢施加到所述第七子電路的所述第六巨磁致電阻元件的另一端和所述第八子電路的所述第二巨磁致電阻元件的另一端，由此所述磁傳感器配置為產(chǎn)生響應(yīng)于傳統(tǒng)GMR元件輸出和SAF元件輸出的輸出，所述傳統(tǒng)GMR元件輸出是所述第五子電路中所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第五巨磁致電阻元件的連接點與所述第六子電路中所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第五巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差，所述SAF元件輸出是所述第七子電路中所述第二巨磁致電阻元件連接到所述第六巨磁致電阻元件的連接點與所述第八子電路中所述第二巨磁致電阻元件連接到所述第六巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差。
8.如權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其特征在于包括多個所述第一巨磁致電阻元件和與所述第一巨磁致電阻元件的數(shù)目相同的數(shù)目的第二巨磁致電阻元件；其中所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件彼此平行設(shè)置且在所述襯底的預(yù)定方向上彼此交替排列；所述第一巨磁致電阻元件串聯(lián)連接從而形成一巨磁致電阻元件；且所述第二巨磁致電阻元件串聯(lián)連接從而形成另一巨磁致電阻元件。
9.如權(quán)利要求1所述的磁傳感器，其特征在于包括所述第一巨磁致電阻元件的四個和所述第二巨磁致電阻元件的四個；其中所述第一巨磁致電阻元件的兩個彼此相鄰設(shè)置從而形成第一組且所述第一巨磁致電阻元件的另外兩個彼此相鄰設(shè)置從而形成第二組；所述第二巨磁致電阻元件的兩個彼此相鄰設(shè)置從而形成第三組且所述第二巨磁致電阻元件的另外兩個彼此相鄰設(shè)置從而形成第四組；所述第一到第四組按如下順序在所述襯底上沿預(yù)定方向平行排列所述第一組、所述第三組、所述第二組、以及所述第四組，或者所述第三組、所述第一組、所述第四組、以及所述第二組，并且其中所述第一組的所述第一巨磁致電阻元件的一個串聯(lián)連接到所述第二組的所述第一巨磁致電阻元件的一個從而形成由第一巨磁致電阻元件組成的元件，并且所述第一組的另一個所述第一巨磁致電阻元件串聯(lián)連接到所述第二組的另一個所述第一巨磁致電阻元件從而形成由第一巨磁致電阻元件組成的元件；所述第三組的所述第二巨磁致電阻元件的一個串聯(lián)連接到所述第四組的所述第二巨磁致電阻元件的一個從而形成由第二巨磁致電阻元件組成的元件，并且所述第三組的另一個所述第二巨磁致電阻元件串聯(lián)連接到所述第四組的另一個所述第二巨磁致電阻元件從而形成由第二巨磁致電阻元件組成的元件。
10.一種磁傳感器，其特征在于包括單襯底；設(shè)置在所述襯底上的第一巨磁致電阻元件，所述第一巨磁致電阻元件由單層被釘扎自旋閥膜形成，所述單層被釘扎自旋閥膜包括包括單鐵磁層和釘扎層的單層被釘扎固定磁化層，其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變的自由層，以及由非磁導(dǎo)電材料制成且設(shè)置在所述鐵磁層和所述自由層之間的間隔層，其中所述鐵磁層的磁化通過所述釘扎層固定在第一方向，從而所述鐵磁層作為被釘扎層；以及第二巨磁致電阻元件，其在所述襯底上設(shè)置為位于所述第一巨磁致電阻元件之上或之下，所述第二巨磁致電阻元件由多層被釘扎自旋閥膜形成，所述多層被釘扎自旋閥膜包括多層被釘扎固定磁化層，其包括第一鐵磁層、鄰接所述第一鐵磁層的交換耦合層、鄰接所述交換耦合層的第二鐵磁層、以及鄰接所述第二鐵磁層的釘扎層，自由層，其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變，以及間隔層，其由非磁導(dǎo)電材料制成且設(shè)置在所述第一鐵磁層和所述自由層之間，其中所述第二鐵磁層的磁化方向通過所述釘扎層固定且所述第一鐵磁層的磁化方向通過其間具有交換耦合層的所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層的交換耦合固定在反平行于所述第一方向的第二方向，從而所述第一鐵磁層作為被釘扎層。
11.如權(quán)利要求10所述的磁傳感器，其特征在于還包括設(shè)置在所述襯底上的由所述單層被釘扎自旋閥膜形成的第三巨磁致電阻元件、以及設(shè)置在所述襯底上從而位于所述第三巨磁致電阻元件之上或之下的由所述多層被釘扎自旋閥膜形成的第四巨磁致電阻元件，其中所述第三巨磁致電阻元件中所述鐵磁層的磁化固定在垂直于所述第一方向的第三方向上，且所述第四巨磁致電阻元件中所述第一鐵磁層的磁化固定在反平行于所述第三方向的第四方向上。
12.如權(quán)利要求10所述的磁傳感器，其特征在于還包括由所述單層被釘扎自旋閥膜形成的第三巨磁致電阻元件，所述第三巨磁致電阻元件的所述鐵磁層的磁化固定在所述第一方向；在所述襯底上位于所述第三巨磁致電阻元件之上或之下的由所述多層被釘扎自旋閥膜形成的第四巨磁致電阻元件，所述第四巨磁致電阻元件的所述第一鐵磁層的磁化固定在所述第二方向；由所述單層被釘扎自旋閥膜形成的第五巨磁致電阻元件，所述第五巨磁致電阻元件的所述鐵磁層的磁化固定在所述第二方向；在所述襯底上位于所述第五巨磁致電阻元件之上或之下的由所述多層被釘扎自旋閥膜形成的第六巨磁致電阻元件，所述第六巨磁致電阻元件的所述第一鐵磁層的磁化固定在所述第一方向；由所述單層被釘扎自旋閥膜形成的第七巨磁致電阻元件，所述第七巨磁致電阻元件的所述鐵磁層的磁化固定在所述第二方向；以及在所述襯底上位于所述第七巨磁致電阻元件之上或之下的由所述多層被釘扎自旋閥膜形成的第八巨磁致電阻元件，所述第八巨磁致電阻元件的所述第一鐵磁層的磁化固定在所述第一方向；其中由所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件形成的第十一元件組設(shè)置在所述襯底上第十一區(qū)域中；由所述第三巨磁致電阻元件和所述第四巨磁致電阻元件形成的第十二元件組在所述第十一區(qū)域中設(shè)置為接近所述第十一元件組；由所述第五巨磁致電阻元件和所述第六巨磁致電阻元件形成的第十三元件組設(shè)置在所述襯底上遠離所述第十一區(qū)域的第十二區(qū)域中；由所述第七巨磁致電阻元件和所述第八巨磁致電阻元件形成的第十四元件組在所述第十二區(qū)域中設(shè)置為接近所述第十三元件組；所述第一巨磁致電阻元件的一端連接到所述第五巨磁致電阻元件的一端從而形成第一子電路；所述第三巨磁致電阻元件的一端連接到所述第七巨磁致電阻元件的一端從而形成第二子電路；第一電勢施加到所述第一巨磁致電阻元件的另一端和所述第七巨磁致電阻元件的另一端，且不同于所述第一電勢的第二電勢施加到所述第三巨磁致電阻元件的另一端和所述第五巨磁致電阻元件的另一端；所述第二巨磁致電阻元件的一端連接到所述第六巨磁致電阻元件的一端從而形成第三子電路；所述第四巨磁致電阻元件的一端連接到所述第八巨磁致電阻元件的一端從而形成第四子電路；第三電勢施加到所述第二巨磁致電阻元件的另一端和所述第八巨磁致電阻元件的另一端，且不同于所述第三電勢的第四電勢施加到所述第四巨磁致電阻元件的另一端和所述第六巨磁致電阻元件的另一端，并且所述磁傳感器配置為產(chǎn)生響應(yīng)于傳統(tǒng)GMR元件輸出和SAF元件輸出的輸出，所述傳統(tǒng)GMR元件輸出是所述第一巨磁致電阻元件連接到所述第五巨磁致電阻元件的連接點與所述第三巨磁致電阻元件連接到所述第七巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差，所述SAF元件輸出是所述第二巨磁致電阻元件連接到所述第六巨磁致電阻元件的連接點與所述第四巨磁致電阻元件連接到所述第八巨磁致電阻元件的連接點之間的電勢差。
13.一種磁傳感器，其特征在于包括單襯底；設(shè)置在所述襯底上的第一巨磁致電阻元件，所述第一巨磁致電阻元件由單層被釘扎自旋閥膜形成，所述單層被釘扎自旋閥膜包括包括釘扎層和單鐵磁層的單層被釘扎固定磁化層；其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變的自由層；以及由非磁導(dǎo)電材料制成且設(shè)置在所述鐵磁層和所述自由層之間的間隔層，其中所述鐵磁層的磁化通過所述釘扎層固定在第一方向，從而所述鐵磁層作為被釘扎層；設(shè)置在所述襯底上接近于所述第一巨磁致電阻元件的第二巨磁致電阻元件，所述第二巨磁致電阻元件由多層被釘扎自旋閥膜形成，所述多層被釘扎自旋閥膜包括多層被釘扎固定磁化層，其包括所述第一鐵磁層、鄰接所述第一鐵磁層的交換耦合層、鄰接所述交換耦合層的第二鐵磁層、以及鄰接所述第二鐵磁層的釘扎層；其磁化方向響應(yīng)于外磁場而改變的自由層；以及由非磁導(dǎo)電材料制成且設(shè)置在所述第一鐵磁層和所述自由層之間的間隔層，其中所述第二鐵磁層的磁化方向通過所述釘扎層固定，且所述第一鐵磁層的磁化方向通過其間具有交換耦合層的所述第一鐵磁層和所述第二鐵磁層的交換耦合固定在反平行于所述第一方向的第二方向上，從而所述第一鐵磁層作為被釘扎層；設(shè)置在所述襯底上從而與所述第一巨磁致電阻元件的一端接觸的第一偏置磁體膜，所述第一偏置磁體膜向所述第一巨磁致電阻元件施加取向在基本垂直于所述第一方向的第三方向上的偏置磁場；設(shè)置在所述襯底上從而與所述第二巨磁致電阻元件的一端接觸的第二偏置磁體膜，所述第二偏置磁體膜向所述第二巨磁致電阻元件施加取向在所述第三方向上的偏置磁場；設(shè)置在所述襯底上從而與所述第一巨磁致電阻元件的另一端和所述第二巨磁致電阻元件的另一端都接觸的第三偏置磁體膜，所述第三偏置磁體膜向所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件施加取向在所述第三方向上的偏置磁場。
14.如權(quán)利要求13所述的磁傳感器，其特征在于所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件每個具有從所述第三偏置磁體膜沿基本垂直于所述第一方向的相同方向延伸的窄條形部分。
15.如權(quán)利要求13所述的磁傳感器，其特征在于所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件每個具有窄條形部分，所述窄條形部分在基本垂直于所述第一方向的方向上沿一直線延伸，且所述第三偏置磁體膜設(shè)置在所述第一巨磁致電阻元件的所述窄條形部分和所述第二巨磁致電阻元件的所述窄條形部分之間。
16.如權(quán)利要求13所述的磁傳感器，其特征在于還包括絕緣層，其中當從上面觀察時所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件彼此部分交叉，所述絕緣層在所述第一巨磁致電阻元件和所述第二巨磁致電阻元件之間。
17.如權(quán)利要求13所述的磁傳感器，其特征在于還包括絕緣層，其中所述第一偏置磁體膜、所述第二偏置磁體膜、以及所述第三偏置磁體膜的每個具有梯形截面，從而所述偏置磁體膜的每個具有相對于所述襯底的表面的斜面和與所述襯底的上表面平行的上表面；所述第一巨磁致電阻元件的一端接觸所述第一偏置磁體膜的所述斜面且所述第一巨磁致電阻元件的另一端接觸所述第三偏置磁體膜的所述斜面；所述第一巨磁致電阻元件的所述端之間的部分設(shè)置在所述襯底的所述上表面上；所述第一巨磁致電阻元件覆蓋以所述絕緣層從而所述絕緣層的上表面與所述第一到第三偏置磁體膜的上表面平齊；所述第二巨磁致電阻元件的一端接觸所述第二偏置磁體膜的所述上表面且所述第二巨磁致電阻元件的另一端接觸所述第三偏置磁體膜的所述上表面；且所述第二巨磁致電阻元件的所述端之間的部分設(shè)置在所述絕緣層的所述上表面上。
18.如權(quán)利要求13所述的磁傳感器，其特征在于還包括絕緣層，其中所述第一偏置磁體膜、所述第二偏置磁體膜、以及所述第三偏置磁體膜的每個具有梯形截面，從而所述偏置磁體膜的每個具有相對于所述襯底的表面的斜面和與所述襯底的上表面平行的上表面；所述第二巨磁致電阻元件的一端接觸所述第二偏置磁體膜的所述斜面且所述第二巨磁致電阻元件的另一端接觸所述第三偏置磁體膜的所述斜面；所述第二巨磁致電阻元件的所述端之間的部分設(shè)置在所述襯底的所述上表面上；所述第二巨磁致電阻元件覆蓋以所述絕緣層從而所述絕緣層的上表面與所述第一到第三偏置磁體膜的所述上表面平齊；所述第一巨磁致電阻元件的一端接觸所述第一偏置磁體膜的所述上表面且所述第一巨磁致電阻元件的另一端接觸所述第三偏置磁體膜的所述上表面；且所述第一巨磁致電阻元件的所述端之間的部分設(shè)置在所述絕緣層的所述上表面上。
專利摘要本實用新型涉及磁傳感器。該磁傳感器包括單襯底、由包括單層被釘扎固定磁化層的自旋閥膜形成的傳統(tǒng)GMR元件、以及由包括多層被釘扎固定磁化層的合成自旋閥膜形成的SAF元件。當要作為該傳統(tǒng)GMR元件的該自旋閥膜和要作為該SAF元件的該合成自旋閥膜經(jīng)受在高溫施加的取向在單方向的磁場時，它們成為其磁場探測方向彼此反平行的巨磁致電阻元件。因為要作為該傳統(tǒng)GMR元件和該SAF元件的膜可以彼此接近地設(shè)置，所以具有其磁場探測方向彼此反平行的巨磁致電阻元件的該磁傳感器可以是小的。
文檔編號G01D5/16GK2884541SQ200520129269
公開日2007年3月28日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月28日
發(fā)明者涌井幸夫, 大村昌良 申請人:雅馬哈株式會社