專利名稱：測(cè)量磁場(chǎng)的至少一個(gè)分量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量磁場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)分量的裝置。作為層狀的磁場(chǎng)敏感測(cè)量元件， 可以使用對(duì)層平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量起反應(yīng)的、例如磁阻層膜電阻或者豎向的霍爾元件。起作用的磁場(chǎng)分量的方向和強(qiáng)度由軟磁磁通導(dǎo)向來確定。該裝置適用于測(cè)量低強(qiáng)度磁場(chǎng)，例如用于實(shí)現(xiàn)電子指南針。
背景技術(shù)：
上述類型的裝置是已知的。因此在公開文獻(xiàn)US2002/00211M中提出一種傳感器， 其中使用具有垂直于傳感器層面形成的磁場(chǎng)靈敏度的霍爾傳感器，用于確定平行于傳感器層面經(jīng)過的磁場(chǎng)方向?；魻杺鞲衅骺拷吘壍卦O(shè)置在圓形的軟磁性磁通聚集面的下方，該磁通聚集面在應(yīng)該確定其中的磁場(chǎng)方向的平面內(nèi)延伸。在磁通聚集面的邊緣附近出現(xiàn)了非常強(qiáng)的、垂直于其平面地定向的磁場(chǎng)分量，該磁場(chǎng)分量的方向在圓形面的對(duì)置邊緣處是反過來的。因而，安置在那里的霍爾傳感器提供大小相同的初始電壓，但符號(hào)相反。在兩個(gè)傳感器的連線方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以由兩個(gè)信號(hào)之差求出。與第一傳感器對(duì)構(gòu)成90°角的第二傳感器對(duì)及其連線的使用因此允許確定在磁通聚集器平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量的情況，進(jìn)而允許指明磁場(chǎng)方向。在公開文獻(xiàn)US2007/0029998中提出了類似的裝置，其采用通過使用許多霍爾傳感器對(duì)來確定磁場(chǎng)方向的不同方法。上述裝置的缺點(diǎn)一方面在于霍爾傳感器的相對(duì)低的磁場(chǎng)靈敏度，另一方面在于磁通聚集器限制了場(chǎng)增大。為此，盡管有有利的差分方法，但是不產(chǎn)生足夠高的霍爾電壓以便在出現(xiàn)不可避免的傳感器偏移電壓的情況下在確定角度時(shí)獲得足夠小的誤差。在公開文獻(xiàn)DE19956361中描述了使用多層GMR條形電阻，它們?cè)O(shè)置在圓形的分成多個(gè)扇形段的磁通聚集器的裂隙中。多層GMR條形電阻確實(shí)具有比霍爾傳感器高的場(chǎng)靈敏度，但其電阻變化與場(chǎng)方向是正是負(fù)與否無關(guān)。因此排除了信號(hào)倍增的差分測(cè)量。通過分成扇形段的磁通聚集器在裂隙中造成的場(chǎng)增強(qiáng)取決于距中心的距離和相對(duì)場(chǎng)的角度，并且在場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的偏離信號(hào)正弦性的程度增大，這在多層GMR條形電阻中一開始是沒有的。但是，這是計(jì)算分析時(shí)的前提。在公開文獻(xiàn)US2006/01262^中說明了一種用于在高場(chǎng)強(qiáng)時(shí)限制在磁通聚集器裂隙中的場(chǎng)增強(qiáng)的裝置。但該裝置僅用于確定場(chǎng)方向，不用于測(cè)量磁場(chǎng)分量強(qiáng)度。在國(guó)際公幵文獻(xiàn)“NVE Corporation Catalog :Analog Sensors, Application Notes，p. 94，，中描述了如何可以用多層GMR條形電阻(盡管其在磁場(chǎng)中具有對(duì)稱特性線)在初始信號(hào)與溫度不太相關(guān)情況下實(shí)現(xiàn)具有高磁場(chǎng)靈敏度的橋電路。為此，在裂隙內(nèi)的、兩個(gè)沿對(duì)角線對(duì)置位于橋電路中的GMR-電阻條設(shè)置在一個(gè)場(chǎng)聚集器的兩個(gè)軟磁表面之間，另外兩個(gè)沿對(duì)角線的 GMR電阻條設(shè)置在軟磁表面的下方。于是，取消了對(duì)后兩個(gè)GMR電阻條的待測(cè)場(chǎng)磁通影響。 增強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用于裂隙內(nèi)的GMR電阻條。當(dāng)磁場(chǎng)沿縱向延伸方向施加時(shí)，在裂隙內(nèi)的場(chǎng)增強(qiáng)近似由磁通聚集器在場(chǎng)方向上的縱向延伸尺寸與裂隙寬度之比得出。在出現(xiàn)方向偏差時(shí)，隨著角度增大而出現(xiàn)與正弦形信號(hào)曲線更大的差，結(jié)果，一個(gè)分量測(cè)量被排除。
因?yàn)槠渚哂懈叩膱?chǎng)靈敏度，所以自旋閥GMR傳感器非常適用(A.Bart0S， “GMR-Sensoren fiir die Messung kleiner magnetischer FeldstSrken (用于測(cè)量小的磁場(chǎng)強(qiáng)度的 GMR 傳感器)，，,9. Symposium Magnetoresistive Sensoren und Magnetische Systeme (磁阻傳感器和磁力系統(tǒng)學(xué)術(shù)論壇)，13. -14. 03. 2007,ffetzlar, H 112頁)。當(dāng)如果要用該傳感器制造用于不同的磁場(chǎng)分量的橋電路，則需要在兩個(gè)不同方向上調(diào)節(jié)用于每個(gè)橋的自旋閥層系的自旋層的磁化。因?yàn)樾枰獪y(cè)量多達(dá)3個(gè)分量，所以出現(xiàn)6個(gè)調(diào)節(jié)方向。 為此要進(jìn)行巨大的花費(fèi)，如例如從公開文獻(xiàn)DE19830344中看到的。還很困難的是，其反鐵磁體能更容易地旋轉(zhuǎn)(這簡(jiǎn)化了自旋層方向的調(diào)節(jié)過程)的自旋閥層系對(duì)于熱和磁負(fù)荷或干擾(如在安裝和釬焊作業(yè)時(shí)所出現(xiàn)的)是相對(duì)不穩(wěn)定的。對(duì)于穩(wěn)定的反鐵磁體，沒有任何經(jīng)濟(jì)的定向方法是已知的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提出一種用于測(cè)量磁場(chǎng)的至少一個(gè)分量的裝置，該裝置也能被用在指南針中并且允許簡(jiǎn)單的制造方法和即便在熱磁干擾后的穩(wěn)定運(yùn)行。該任務(wù)將通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1的裝置來完成。從屬權(quán)利要求2-9給出了有利的實(shí)施方式。權(quán)利要求10描述了多個(gè)磁場(chǎng)分量的測(cè)量，在這里，在后續(xù)的權(quán)利要求中描述了其它有利的實(shí)施方式。對(duì)于磁場(chǎng)分量測(cè)量裝置，使用磁通聚集器，它由軟磁性表面區(qū)構(gòu)成，該軟磁性表面區(qū)通過一個(gè)裂隙被分為兩個(gè)局部區(qū)域。該裂隙的走向是非直線的，而是由具有不同縱向的多個(gè)裂隙段組成。有至少這樣一個(gè)裂隙段，其縱向與外邊界與裂隙中心線的兩個(gè)交點(diǎn)的連線形成一個(gè)角度，該角度的值近似為45°或者90°。在此裂隙段中，設(shè)置優(yōu)選呈條形的至少一個(gè)磁場(chǎng)敏感元件(縱向尺寸明顯大于橫向尺寸)。因?yàn)樵摯艌?chǎng)敏感元件通過合適的已知的分析電路產(chǎn)生待測(cè)場(chǎng)的圖像，所以以下將針對(duì)術(shù)語“磁場(chǎng)敏感元件”也使用術(shù)語“測(cè)量值產(chǎn)生元件”。通常，軟磁性表面區(qū)以及磁場(chǎng)敏感元件按照薄膜方法被涂覆到載體材料(硅、陶瓷等)上，在這里，該單元以下被稱為傳感器芯片。上述的磁場(chǎng)敏感元件在一個(gè)與芯片表面平行的平面內(nèi)具有靈敏方向。而且，最大靈敏方向的方向有利地被選擇為垂直于容納用裂隙段。一個(gè)待測(cè)的外磁場(chǎng)按照軟磁性局部區(qū)域的導(dǎo)磁性和裂隙的導(dǎo)磁性而在軟磁性表面區(qū)內(nèi)經(jīng)過并且根據(jù)與裂隙同軟磁性表面區(qū)的外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線的方向相關(guān)的磁場(chǎng)場(chǎng)線方向作用于裂隙內(nèi)的磁場(chǎng)敏感元件。如果外磁場(chǎng)場(chǎng)線方向與裂隙同軟磁性表面區(qū)的外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線的方向重合，則在磁通聚集器內(nèi)的磁場(chǎng)只在兩個(gè)軟磁性局部區(qū)域中經(jīng)過，不會(huì)出現(xiàn)從一個(gè)軟磁性局部區(qū)域經(jīng)過分離用裂隙過渡到另一個(gè)軟磁性局部區(qū)域。如果外磁場(chǎng)場(chǎng)線方向與裂隙同軟磁性表面區(qū)的外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線的方向形成一個(gè)90 °角度，則在磁通聚集器內(nèi)的整個(gè)磁場(chǎng)經(jīng)過分離用裂隙并且可能被裂隙中的磁場(chǎng)敏感材料測(cè)到。對(duì)于外磁場(chǎng)方向，磁場(chǎng)敏感材料的影響最大，就是說，該裝置對(duì)于該場(chǎng)方向具有最大的靈敏度。圖4針對(duì)不同的場(chǎng)方向示出了在磁通聚集器的例如所選擇的本發(fā)明形狀中的外加磁場(chǎng)變化曲線的計(jì)算。因?yàn)槠渲性O(shè)有磁場(chǎng)敏感材料的裂隙段與裂隙和軟磁性表面區(qū)外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線形成一個(gè)45°或90°的角度，并且磁場(chǎng)敏感材料的最大靈敏方向垂直于裂隙段方向，這意味著，當(dāng)外磁場(chǎng)的方向和磁場(chǎng)敏感材料的最大靈敏方向不同于現(xiàn)有技術(shù)地沒有恰好重合，而是形成一個(gè)45°或90° 的角度時(shí)，磁場(chǎng)敏感元件則受到最強(qiáng)的影響。為了舉例說明這些條件，參見圖1、圖2和圖 9。可以有利地如此構(gòu)成兩個(gè)軟磁性表面區(qū)之間的裂隙，在裂隙區(qū)即其中設(shè)有磁場(chǎng)敏感元件的裂隙段中，裂隙寬度明顯小于在其它的裂隙段中。為此，在該裂隙段中從一個(gè)軟磁性表面區(qū)轉(zhuǎn)入另一個(gè)軟磁性表面區(qū)的磁通部分是在整個(gè)裂隙處轉(zhuǎn)入的磁通的主要部分。這樣一來，在該磁場(chǎng)部分內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度與外加長(zhǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度相比顯著增大，場(chǎng)方向與裂隙段縱向形成一個(gè)角度，該角度僅略微偏離90°。為了獲得由該裝置產(chǎn)生的測(cè)量值與外磁場(chǎng)方向的盡量呈正弦形的關(guān)聯(lián)性，該裂隙寬度在軟磁性表面區(qū)的外邊緣附近在一個(gè)有利的裝置中被測(cè)定為很小，但在這里，小裂隙寬度僅被選擇用于裂隙的一小段長(zhǎng)度，以盡量減小再次轉(zhuǎn)入的漏磁通。圓形或者僅略微不同于圓形的曲線有利地作為軟磁性表面區(qū)的外邊界，用于盡量減小與在該裝置相對(duì)待測(cè)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在具有磁場(chǎng)敏感元件的直線裂隙段內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)的正弦形變化過程的差異?？傮w上在本發(fā)明裝置的構(gòu)造中，盡量對(duì)稱地構(gòu)成帶有開設(shè)的裂隙段的表面區(qū)是有利的，用于在該裝置在待測(cè)磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)獲得在直線裂隙段內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)的盡量最佳的正弦性變化過程。在表面區(qū)呈圓形時(shí)，裂隙關(guān)于圓心具有點(diǎn)對(duì)稱性是非常有利的。為了測(cè)量一個(gè)待測(cè)磁場(chǎng)的位于一個(gè)平面的相互垂直的分量，還有利的是，在芯片上設(shè)有具有上述特征的兩個(gè)表面區(qū)，其中，這兩個(gè)表面區(qū)具有相對(duì)轉(zhuǎn)過90°的最大靈敏方向。圖3示出了其一個(gè)可能的實(shí)施方式，在這里，作為進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在表面區(qū)所加入的磁場(chǎng)敏感元件的靈敏方向是相同的。為了測(cè)量所有三個(gè)相互正交的外磁場(chǎng)分量，在之前預(yù)定的裝置的一個(gè)改進(jìn)方案中，在一個(gè)軟磁性表面區(qū)旁邊，對(duì)置設(shè)有至少另外兩個(gè)具有相同的靈敏方向磁場(chǎng)敏感元件。這另外兩個(gè)磁場(chǎng)敏感元件被用于測(cè)量垂直于芯片平面的磁場(chǎng)分量。垂直于芯片平面的磁場(chǎng)分量通過軟磁性材料至少部分在磁場(chǎng)敏感材料的平面內(nèi)經(jīng)過，其中，局部磁通矢量在芯片平面上的投影在磁場(chǎng)敏感元件所在地具有不同的符號(hào)，但最好相同的幅度。對(duì)于平行于芯片平面的外磁場(chǎng)分量，通過磁通聚集器的軟磁性材料出現(xiàn)這樣的情況，局部磁通矢量在傳感器平面上的投影具有相同的符號(hào)和幾乎相同的幅度。就是說，通過對(duì)由磁場(chǎng)敏感元件產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)求差，位于芯片平面內(nèi)的分量被抑制，而與之垂直的分量被增強(qiáng)。為了舉例說明，參見以下描述的圖5和圖6。在直線的裂隙段中，在所有裝置中設(shè)有磁場(chǎng)敏感元件，其靈敏方向與其縱向形成直角并且位于芯片平面內(nèi)。最好為此采用由多個(gè)薄膜條構(gòu)成的磁阻電阻。也可以在一個(gè)裂隙段中安置多個(gè)層膜條或者電阻。如果使用電阻變化取決于各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)的電阻，則這些電阻為了使特性曲線線性化而按照已知方式配設(shè)有高傳導(dǎo)性層的螺旋條紋相間(Barberpol)結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用一個(gè)具有相同傾斜角度的螺旋條紋相間結(jié)構(gòu)用于所有的AMR層膜條時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)由每個(gè)布置在裂隙中的電阻和一個(gè)設(shè)置在軟磁性表面區(qū)之上或之下的電阻構(gòu)成的半橋電路。在使用具有反向相同的傾斜角度的螺旋條紋相間結(jié)構(gòu)時(shí)，在磁場(chǎng)中的電阻變化是相反的并且半橋可以由兩個(gè)設(shè)置在一個(gè)裂隙內(nèi)的電阻構(gòu)成。如果設(shè)置兩個(gè)或更多的平行的直線裂隙段，則可以利用在各自兩個(gè)并列的裂隙段中出現(xiàn)的磁場(chǎng)，用于實(shí)現(xiàn)在螺旋條紋相間結(jié)構(gòu)的相同傾斜角度時(shí)的半橋電阻的相反變化。 具有同樣傾斜的螺旋條紋相間結(jié)構(gòu)的電橋有利地具有較小的偏移電壓值。因?yàn)橛糜趦蓚€(gè)或者三個(gè)磁場(chǎng)分量的本發(fā)明測(cè)量裝置是如此構(gòu)成的，即，所以磁阻層膜條能平行布置且具有相同的靈敏方向，所以在所有的多部件裝置中也出現(xiàn)這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。作為磁場(chǎng)敏感元件，同樣可以采用層膜電阻，其電阻變化由“巨磁阻”(GMR)效應(yīng)引起。最好采用自旋閥層系，其包括具有調(diào)定的磁化方向的自旋層和具有要通過所加磁場(chǎng)來調(diào)定的磁化方向的自由層。該層的電阻值隨著兩個(gè)磁化方向之間的角度而變化。為了使在磁場(chǎng)周圍的線性特性曲線區(qū)達(dá)到零，這些層膜條平行于直線裂隙段的縱向布置，該自旋層的磁化方向被調(diào)節(jié)至沿其橫向。如已經(jīng)針對(duì)使用AMR傳感器的情況所描述地，如此形成根據(jù)本發(fā)明的軟磁性層區(qū)，可以用具有唯一靈敏方向的條形電阻實(shí)現(xiàn)半橋結(jié)構(gòu)和全橋結(jié)構(gòu)。 這有利地不僅適用于測(cè)量一個(gè)分量、兩個(gè)分量和三個(gè)分量的裝置。這對(duì)于自旋閥傳感器是特別有意義的，因?yàn)樵谶@里調(diào)節(jié)出方向相反的靈敏度將要求自旋層的反向磁化。這種調(diào)節(jié)費(fèi)事復(fù)雜，尤其在這樣的自旋層的情況，該自旋層在測(cè)量裝置的構(gòu)建和使用中不易受磁干擾和熱干擾。在本發(fā)明的裝置中，自旋層的磁化調(diào)節(jié)可以簡(jiǎn)單地在生產(chǎn)過程中完成。如果還是要出現(xiàn)該調(diào)節(jié)的變化，則該初始狀態(tài)可以通過整個(gè)傳感器芯片在磁場(chǎng)內(nèi)的簡(jiǎn)單加熱過程而重現(xiàn)，無需采用局部加熱或者局部不同的磁場(chǎng)。軟磁材料表面區(qū)最好由電鍍的鐵鎳合金構(gòu)成。這樣的層能夠以約30微米的厚度制造。借此，軟磁材料層厚比磁阻電阻的層膜條厚度大許多，這尤其對(duì)測(cè)量垂直于芯片平面的磁場(chǎng)分量有利。由在平行相鄰的直線裂隙段中的場(chǎng)敏感元件構(gòu)成的裝置允許消除測(cè)量誤差，該測(cè)量誤差因?yàn)樵诹严抖沃械膱?chǎng)方向略偏離橫向而出現(xiàn)在若干電阻中。該裝置的對(duì)稱性簡(jiǎn)化了用于具有相同性能的不同部件的測(cè)量裝置的制造。


從以下描述的實(shí)施例中以及結(jié)合附圖得到了本發(fā)明其它優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)。加入以下附圖圖1示出了用于測(cè)量位于芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量的本發(fā)明原理；圖2示出了用于利用磁通導(dǎo)向或者磁通聚集器來確定位于芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量的現(xiàn)有技術(shù)；圖3示出了用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交的位于芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量的本發(fā)明裝置；圖4示出了在具有不同方向的磁場(chǎng)情況下的本發(fā)明軟磁性表面區(qū)中的場(chǎng)線走向；圖5示出了用于測(cè)量垂直于芯片平面的磁場(chǎng)分量的裝置；圖6示出了在具有垂直于和平行于芯片平面的場(chǎng)時(shí)的在帶有磁場(chǎng)敏感層條的厚的軟磁性層上的磁場(chǎng)線走向；圖7示出了分別用磁阻全橋測(cè)量位于芯片平面內(nèi)的兩個(gè)磁場(chǎng)分量的完整的裝置。圖8示出了測(cè)量在芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量和與之垂直的磁場(chǎng)分量的原理；圖9示出了借助全橋測(cè)量磁場(chǎng)分量的其它裝置；圖10示出了分別用磁阻全橋和設(shè)置在三個(gè)平行的直線裂隙段中的磁阻電阻來測(cè)量位于芯片平面中的兩個(gè)磁場(chǎng)分量的完整的裝置。
具體實(shí)施方式
圖1以草圖示出了示例性的用于利用磁場(chǎng)敏感元件2測(cè)量在傳感器芯片1的平面的磁場(chǎng)分量的裝置。傳感器芯片1的平面為x-y平面。ζ向垂直于傳感器芯片1的平面并且在此朝上指。最初為圓形的軟磁材料表面將通過一個(gè)裂隙6被分為兩個(gè)局部區(qū)域5。裂隙6由多個(gè)裂隙段組成，這些裂隙段具有彼此不同的方向。在一個(gè)裂隙段中設(shè)有該磁場(chǎng)敏感測(cè)量元件，其靈敏方向4垂直于該容納用裂隙段的伸展方向。該容納用裂隙段的伸展方向6'和裂隙與軟磁表面區(qū)的外邊界相交的兩個(gè)交點(diǎn)的連線6"形成一個(gè)45°的角度8。待測(cè)的外磁場(chǎng)9在軟磁材料中引入并且從一個(gè)局部區(qū)域5經(jīng)裂隙6轉(zhuǎn)入對(duì)置的另一個(gè)局部區(qū)域5并且可以在裂隙6中借助磁場(chǎng)敏感層條2被探測(cè)到。該裝置恰好在所示的方向9上具有最大靈敏度，其中，該磁場(chǎng)敏感層條的靈敏方向4相對(duì)于該方向9具有45°角度。為了在與本發(fā)明相似的裝置中說明最大靈敏度，在此參見圖4。圖1中的裝置的外邊界近似為圓形。在此有利的是，該裝置還以初始圓的中心為中心是點(diǎn)對(duì)稱的。因此當(dāng)該裝置轉(zhuǎn)動(dòng)360° 時(shí)，將獲得由磁場(chǎng)敏感層條2構(gòu)成的測(cè)量值的正弦形變化曲線。在圖2中示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、用于磁場(chǎng)測(cè)量的磁通導(dǎo)向和加強(qiáng)裝置的例子。 在兩個(gè)軟磁表面5之間的裂隙6種設(shè)有一個(gè)磁場(chǎng)敏感元件2。裂隙6在這里不是由具有不同方向的多個(gè)裂隙段組成，而是呈連貫的直線狀。磁場(chǎng)敏感元件2的靈敏方向4在這里也垂直于磁場(chǎng)敏感元件2的縱向延伸尺寸。但是，由所實(shí)現(xiàn)的裝置總體結(jié)構(gòu)決定地，該裝置的根據(jù)方向9的最大靈敏方向和磁場(chǎng)敏感元件的靈敏方向4是相同的。在該裝置轉(zhuǎn)動(dòng)360° 時(shí)可以看到，該裝置的最小靈敏度和最大靈敏度在此也分別錯(cuò)移90°，但是，由元件2形成的測(cè)量值因?yàn)檐洿判跃植繀^(qū)域5的幾何形狀而在此未顯示出正弦變化曲線。圖3示出了測(cè)量?jī)蓚€(gè)正交的位于芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)方向的裝置。兩個(gè)如圖所示具有近似圓形的外邊界的元件中的每個(gè)具有所述特征，即，一個(gè)由軟磁性材料構(gòu)成的表面區(qū)通過一個(gè)裂隙被分為各自兩個(gè)局部區(qū)域5。裂隙分別由多個(gè)裂隙段組成，這些裂隙段具有不同的縱向。用于所加入的磁場(chǎng)敏感元件2的最大靈敏方向4對(duì)于兩個(gè)元件是相同的，這在加工技術(shù)方面提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。外邊屏與裂隙6的中心線的兩個(gè)交點(diǎn)的連線在兩個(gè)元件中與容納磁場(chǎng)敏感元件2的裂隙段縱向形成45°角度。但是，右側(cè)元件的裂隙關(guān)于左側(cè)元件中的裂隙鏡像對(duì)稱地開設(shè)，從而外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線與左側(cè)元件的裂隙的中心線相互垂直，而外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線與右側(cè)元件的裂隙的中心線相互垂直。這實(shí)際上意味著，這兩個(gè)元件具有相互垂直的最大靈敏方向 9。左側(cè)元件因此適用于測(cè)量作用于該裝置的磁場(chǎng)的y分量，右側(cè)元件適用于測(cè)量作用于該裝置的磁場(chǎng)的χ分量。有利的是，在每個(gè)元件中的裂隙區(qū)具有不同的裂隙寬度，這尤其盡量減小了由從磁場(chǎng)敏感元件2那方不希望轉(zhuǎn)入的磁通所引起的誤差影響。圖4針對(duì)圖3的基本結(jié)構(gòu)示出了與外磁場(chǎng)方向相關(guān)的、三種不同的關(guān)于傳感器元件內(nèi)的磁通導(dǎo)向的情況。在圖如中，磁場(chǎng)方向和裂隙口的連線相互垂直。在此情況下，所有的場(chǎng)線必須在傳感器元件中從一個(gè)軟磁性局部區(qū)域經(jīng)過裂隙轉(zhuǎn)入兩個(gè)軟磁性局部區(qū)域。在例如安裝有磁場(chǎng)敏感元件的內(nèi)側(cè)裂隙段區(qū)域中，場(chǎng)線垂直于裂隙段的方向。對(duì)于這種狀況， 傳感器元件的靈敏度是最大的。如果磁場(chǎng)和裂隙口連線相互成45°角度(圖4b)，則部分磁通至在軟磁性區(qū)域經(jīng)過，一部分優(yōu)先在內(nèi)側(cè)裂隙段的區(qū)域中經(jīng)過裂隙在兩個(gè)軟磁性表面區(qū)之間經(jīng)過。如果外磁場(chǎng)和根據(jù)圖4c的裂隙口連線具有相同的方向，則該磁場(chǎng)只在軟磁性區(qū)域經(jīng)過。不會(huì)出現(xiàn)跨過裂隙區(qū)的過渡，或許設(shè)置在裂隙中的磁場(chǎng)敏感元件不受影響。因此，傳感器元件對(duì)在所示方向上的磁場(chǎng)分量不敏感。為了測(cè)量外磁場(chǎng)的ζ分量，圖5示出一個(gè)裝置例子。在芯片平面內(nèi)安置有軟磁材料11平面，在軟磁材料平面的邊緣上，同樣在X-Y平面(芯片平面)中平行地設(shè)有具有相同的靈敏方向4的兩個(gè)磁場(chǎng)敏感元件2。后面的圖6示出了在有外磁場(chǎng)H時(shí)的兩個(gè)磁場(chǎng)敏感元件影響。在圖6a中，磁場(chǎng)沿ζ向作用于該裝置。由軟磁性材料中的磁通導(dǎo)向決定地， 此時(shí)在兩個(gè)磁場(chǎng)敏感元件2所在處出現(xiàn)磁通矢量12，其關(guān)于一個(gè)垂直于芯片平面1的平面是對(duì)稱的。就是說，這兩個(gè)磁場(chǎng)敏感元件恰好受到彼此反向的磁通部分的影響。如果待測(cè)磁場(chǎng)平行于芯片平面，則兩個(gè)磁通矢量在磁場(chǎng)敏感材料條所在地起作用，其分量在芯片平面具有相同取向。如果材料條忠實(shí)地反映出在該平面內(nèi)的外磁場(chǎng)分量的幅度和方向，則通過求差做到了掌握垂直于芯片平面的磁場(chǎng)分量，而平行于芯片平面的磁場(chǎng)分量在求差之后恰好留下來。在迄今描述的圖1-圖6中，僅規(guī)定了使用一個(gè)或兩個(gè)磁阻電阻用于每個(gè)磁場(chǎng)分量。但如本身已知地，也可以用由這樣的電阻構(gòu)成的電橋電路獲得好許多的測(cè)量結(jié)果。從圖7中看到了電橋電路如何被納入本發(fā)明的解決方案中。像在圖3中一樣，示出了多個(gè)各由兩個(gè)軟磁性表面區(qū)構(gòu)成的相同的磁通聚集器。用于場(chǎng)的χ-分量的惠斯通電橋由四個(gè)并行的磁阻電橋元件構(gòu)成。其中兩個(gè)電橋元件2總是并排布置在直線的裂隙段中。另外兩個(gè)電橋元件位于傳感器芯片1上，在軟磁性表面區(qū)的下方。在裂隙段中的電橋元件遇到位于那里的加強(qiáng)場(chǎng)，而在軟磁性表面下方的電橋元件因其緊鄰軟磁性表面而與外磁場(chǎng)屏蔽開。 就是說，它們對(duì)電橋信號(hào)無貢獻(xiàn)并且只是需要用來調(diào)節(jié)出小的電橋偏移和其弱的溫度依賴性。用于場(chǎng)的y分量的電橋結(jié)構(gòu)與所述的結(jié)構(gòu)是徑向?qū)ΨQ的。電橋元件的所有磁場(chǎng)敏感方向4是相同的。就是說，其通過自旋閥層膜電阻來實(shí)現(xiàn)還是有利的。圖8示出了用于測(cè)量在傳感器芯片1平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量χ和與之垂直的分量的裝置的原理。χ分量如上所述由位于裂隙內(nèi)的磁場(chǎng)敏感元件2求出。為了確定ζ分量，采用附加的磁場(chǎng)敏感元件2，它緊接安置在軟磁性區(qū)域5的邊緣上并且具有與在裂隙內(nèi)的元件一樣的磁場(chǎng)敏感方向。圖9示出了另一個(gè)用于測(cè)量在芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量的裝置。在裂隙段中，還是只安置多個(gè)磁場(chǎng)敏感元件，它們具有相同的靈敏方向并且布線連接成一個(gè)測(cè)量電橋。要注意的是，與在圖2中舉例說明的現(xiàn)有技術(shù)不同，磁場(chǎng)敏感元件的靈敏方向4和該裝置(=傳感器)的靈敏方向9形成一個(gè)90°角度。該裝置的靈敏度和測(cè)量精度的提高可以通過進(jìn)一步改善的裂隙幾何形狀來做到。 圖10舉例示出了用于確定在傳感器芯片1的平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量x、y的裝置。在這里，裂隙包括三個(gè)平行的直線裂隙段。在裂隙段中的場(chǎng)方向在此還是又沿著裂隙段縱向的橫向，它們?cè)诘谝缓偷谌叫械牧严抖沃兄睾喜⑶以谥醒肓严抖沃信c之相反。這樣一來，就可以將該電橋的所有四個(gè)磁阻電阻安置在該裂隙中，盡管有相同的特性線和靈敏方向，并且獲得每個(gè)半電橋的電阻的相反的電阻變化。該裝置除了較高的靈敏度外還有以下優(yōu)點(diǎn)，未精確地相對(duì)該直線裂隙段的縱向轉(zhuǎn)過90°的磁場(chǎng)的影響在此被抹平。在此要再次指出的是，在所有所述的實(shí)施例中，有利地僅使用具有一致的靈敏方向的多個(gè)磁阻傳感元件。為此，在采用自旋閥傳感器的情況下，費(fèi)事地在彼此相反的兩個(gè)方向上調(diào)準(zhǔn)若干傳感元件的自旋層的磁化方向是多余的。此外，對(duì)于用于測(cè)量所有三個(gè)磁場(chǎng)分量的裝置，僅采用多個(gè)能全部直接在一個(gè)芯片平面上加工制成的功能件。
附圖標(biāo)記列表1傳感器芯片；2磁場(chǎng)敏感元件；3坐標(biāo)系(X軸和Y軸在芯片平面內(nèi)，Z軸與之垂直)；4磁場(chǎng)敏感元件的靈敏方向；5軟磁局部區(qū)域；6 裂隙；6'容納用裂隙段的伸展方向；6"裂隙的兩個(gè)交點(diǎn)的連線或者說其外側(cè)的裂隙口 ；7在裂隙區(qū)中的磁場(chǎng)敏感元件的長(zhǎng)度；8在裂隙與軟磁性表面區(qū)的外邊界的兩個(gè)交點(diǎn)的連線和容納用裂隙區(qū)的方向之間的角度；9外磁場(chǎng)的方向矢量；10用于測(cè)量元件或測(cè)量電橋的接通的引線面；11軟磁材料的橫截面視圖；12在磁場(chǎng)敏感材料所在地的最終的場(chǎng)矢量。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量磁場(chǎng)的至少一個(gè)分量(9)的裝置，具有至少一個(gè)安置在傳感器芯片 (1)上且對(duì)于芯片平面內(nèi)的方向磁場(chǎng)敏感的元件(2)和軟磁材料表面區(qū)(5)，其特征在于，該軟磁材料表面區(qū)被一個(gè)不具有軟磁材料的裂隙分為兩個(gè)局部區(qū)域(5)，該裂隙由多個(gè)裂隙段組成，這些裂隙段具有多個(gè)不同的縱向，至少一個(gè)磁場(chǎng)敏感的元件(2)設(shè)置在該裂隙段中，并且該至少一個(gè)磁場(chǎng)敏感的元件的靈敏方向(4)不與容納它的裂隙段的縱向重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，外側(cè)的裂縫隙之間的連線(6)與該至少一個(gè)磁場(chǎng)敏感的元件的靈敏方向包夾形成一個(gè)近似為45°或者90°的角度(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所有磁場(chǎng)敏感的元件具有相同的靈敏方向⑷。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，該裝置的最大磁場(chǎng)靈敏度(9)的方向不與該磁場(chǎng)敏感的元件的靈敏方向(4)重合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，該裝置的最小靈敏方向和最大靈敏方向相互旋轉(zhuǎn)90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的裝置，其特征在于，該軟磁材料表面區(qū)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性或軸對(duì)稱性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該表面區(qū)近似為圓形。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，該磁場(chǎng)敏感的元件是基于AMR效應(yīng)、GMR 效應(yīng)或TMR效應(yīng)的磁阻電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，多個(gè)磁場(chǎng)敏感的元件設(shè)置在被連接成惠斯通橋的裂隙段中。
10.一種用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)位于芯片平面內(nèi)的磁場(chǎng)分量的裝置，尤其是根據(jù)前述權(quán)利要求之一的裝置，其特征在于，兩個(gè)軟磁材料表面區(qū)( 設(shè)置在芯片平面上，每個(gè)軟磁材料表面區(qū)分別被一個(gè)沒有軟磁材料的裂隙分為兩個(gè)局部區(qū)域(5)，各自兩個(gè)外側(cè)裂逢隙之間的兩個(gè)連線(6)包夾形成一個(gè)90°的角度，并且具有相同靈敏方向(4)的磁場(chǎng)敏感的元件(2) 被安置在裂隙段中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，該磁場(chǎng)敏感的元件的靈敏方向和各自兩個(gè)裂縫隙的連線分別包夾形成約45°的角度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的裝置，其特征在于，附加的磁場(chǎng)敏感的測(cè)量元件設(shè)置在該至少一個(gè)軟磁材料表面區(qū)的旁邊，借助于所述測(cè)量元件測(cè)量外磁場(chǎng)的垂直于傳感器芯片(1)作用的分量。
全文摘要
測(cè)量所加磁場(chǎng)的(H)的至少一個(gè)分量(x，y，z)的裝置包括安置在芯片平面內(nèi)的軟磁材料表面區(qū)，它通過一個(gè)裂隙(6)被分為兩個(gè)局部區(qū)域(5)。裂隙(6)由具有不同縱向的裂隙段組成并且多個(gè)磁場(chǎng)敏感元件(2)安置在一個(gè)或多個(gè)相互平行的裂隙段中。在優(yōu)選實(shí)施方式中，磁場(chǎng)敏感元件(2)的靈敏度方向(4)和外側(cè)的裂隙口的連線(6″)形成45°或者90°的角度。在其它裝置中，在芯片平面內(nèi)設(shè)有多個(gè)表面區(qū)，用于全部測(cè)量所有的磁場(chǎng)分量(x，y，z)。作為磁場(chǎng)敏感元件(2)，可有利地采用磁阻傳感元件。
文檔編號(hào)G01R33/09GK102317804SQ201080007396
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月10日
發(fā)明者J·施密特, U·勞雷特 申請(qǐng)人:路斯特傳感器技術(shù)有限公司