CN103033771A - 磁阻感测元件与磁阻传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁阻感测元件，包括基板、磁阻感测单元以及磁场方向调整单元；磁阻感测单元设置于基板上方，可随着平行基板表面的第一外加磁场而产生电阻值变化；磁场方向调整单元设置于基板上方，可将垂直该基板表面的第二外加磁场导引至该第一外加磁场方向，进而使该磁阻感测单元可随着第二外加磁场而产生电阻值变化。本发明还涉及一种磁阻传感器，其包括四个如上所述的磁阻感测元件，所述这些磁阻感测元件组成惠斯登电桥，此电桥在第一外加磁场变化时，输出电压不变，在第二外加磁场变化时，输出电压改变。本发明磁阻感测元件与磁阻传感器可导引与基板表面垂直方向的磁场，改变成与基板表面同一个平面的磁场方向分量。

Description

磁阻感测元件与磁阻传感器

技术领域

本发明涉及一种磁阻感测元件及以其组成的磁阻传感器，尤其涉及一种感测与基板表面垂直方向的磁场大小、方向的磁阻传感器。

背景技术

请参考图1，其为现有单轴磁阻感测元件的剖面示意图，其组成的磁阻传感器可用以精细侦测空间中与基板平面平行的方向上磁场的大小、方向。其中主要包括有绝缘基板10、磁阻层12以及导体构造14等，而导体构造14可为“斜条状”导体（barber pole），此种导体设计具有改变原有磁阻内电流方向，并藉以增加磁阻感测元件灵敏度的作用，且其位置不限于在磁阻层上方或下方。

至于图2为图1所示的磁阻感测元件的俯视图，参照图中可看出，导线构造14的延伸方向与磁阻层12的延伸方向间约呈45度角，并与磁阻层12电性连接而形成“斜条状”导体。

再请参考图3，其为由上述磁阻感测元件所组成的磁阻传感器的构造示意图，主要由四个具有“斜条状”导体的磁阻感测元件31、32、33、34，以惠斯顿电桥方式彼此电性连接且设置在基板（本图未示出）上来组成，其中磁阻感测元件31、33为第一组，磁阻感测元件32、34为第二组，当两组中四个磁阻感测元件都具有相同磁化方向（例如图中箭头M）时，因两组中“斜条状”导体的延伸方向不同，造成此设计可通过读取电压计35的电压值来感应出水平单一方向的磁场（例如图中箭头H）大小，但无法感应出垂直基板方向的磁场大小，如图4中⊙H所示，电压计35的电压值不变。

而因为上述元件制程与结构的限制，设置于基板上的磁阻感测组件元件及组成的磁阻传感器都只能感测到与基板同一个平面上的磁场变化，而无法感测到垂直该平面方向上的磁场变化，使得磁场传感器要感测三维空间的磁场时，需要组合至少两个基板并以相互垂直的方式加以接合才能完成，因此在实际应用上有不小的限制。

发明内容

本发明提供一种磁阻感测元件，可导引与基板表面垂直方向的磁场，改变成与基板表面同一个平面的磁场方向分量。

本发明另提供一种磁阻传感器，可使磁阻感测元件产生对应电阻值变化。

本发明提出一种磁阻感测元件，其包括：基板、磁阻感测单元以及磁场方向调整单元；磁阻感测单元设置于基板上方，可随着平行基板表面的第一外加磁场的变化而产生电阻值变化；磁场方向调整单元设置于基板上方，可将垂直基板表面的第二外加磁场的方向调整成可影响磁阻感测单元，进而使磁阻感测单元可随着第二外加磁场而产生电阻值变化。

在本发明的一个实施例中，上述磁阻感测单元包括水平分量磁阻结构以及导体结构，水平分量磁阻结构形成于基板上方；导体结构形成于基板上方，其延伸方向与水平分量磁阻结构的延伸方向呈一个角度，该角度大于零度且小于90度，可改变水平分量磁阻结构内的电流方向，从而使水平分量磁阻结构随着第一外加磁场而产生线性的电阻值变化。

在本发明的一个实施例中，上述水平分量磁阻结构位于导体结构上方。

在本发明的一个实施例中，上述水平分量磁阻结构位于导体结构下方。

在本发明的一个实施例中，上述磁场方向调整单元为垂直分量磁阻结构，与水平分量磁阻结构相连接而构成立体磁阻结构。

在本发明的一个实施例中，上述垂直分量磁阻结构形成于基板中的一个沟槽或多个沟槽中的侧壁上。

在本发明的一个实施例中，上述垂直分量磁阻结构形成于基板上的一个凸块或多个凸块的外围侧壁上。

在本发明的一个实施例中，上述垂直分量磁阻结构形成于垂直分量磁阻结构形成于所述基板上的一个阶梯构造的两边侧壁上。

在本发明的一个实施例中，上述磁场方向调整单元为磁通量导引单元，可改变空间中的磁场分布，进而将第二外加磁场的磁通量集中并导引至第一外加磁场方向。

本发明还提出一种磁阻传感器，其包括有四个如上所述的磁阻感测元件，分别为第一磁阻感测元件、第二磁阻感测元件、第三磁阻感测元件及第四磁阻感测元件，这些磁阻感测元件组成惠斯登电桥（Wheatstone bridge）。其中第二磁阻感测元件、第四磁阻感测元件同时与第一磁阻感测元件、第三磁阻感测元件直接相连。电桥的输出电压不随着平行基板表面的第一外加磁场变化而改变，仅随着垂直基板表面的第二外加磁场变化而改变。

本发明磁阻感测元件与磁阻传感器，通过立体磁阻结构（包括垂直分量磁阻结构）或是磁通量导引结构及导体结构构成，磁通量导引单元或是垂直分量磁阻结构，可以导引与基板表面垂直方向的磁场，改变成与基板表面同一个平面的磁场方向分量，使磁阻感测元件产生对应电阻值变化，并且通过磁阻感测元件的电桥组合，单独测量垂直方向磁场向量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为现有单轴磁阻感测元件的剖面示意图。

图2为现有单轴磁阻感测元件的俯视图。

图3与图4为现有磁阻传感器的构造示意图。

图5A与5B表示出本发明提出的磁阻感测元件实施例的构造示意图。

图6A与6B为本发明提出的磁阻感测元件的另一个实施例构造示意图。

图7A与7B为本发明磁阻感测元件中垂直分量磁阻结构的两种构造实施例的示意图。

图8A与8B为本发明提出的磁阻传感器的另一个实施例的构造示意图。

图9A与图9B为本发明提出的另一磁阻感测元件的立体结构示意图与剖面图。

图9C与图9D为将图9A与图9B中所示的磁阻感测元件组合成磁阻传感器的示意图。

图10A与图10B为本发明的另一种磁阻感测元件的立体与剖面示意图。

图11A与图11B为以图10A与图10B所示的磁阻感测元件所组成的磁阻传感器的布局示意图。

图12A与图12B为本发明的制造方法的半导体制程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的磁阻感测元件与磁阻传感器其具体实施方式、方法、步骤、结构、特征及功效，详细说明如后。

请参考图5A与5B，其表示出本发明提出的可感测三维空间中与基板表面垂直的磁场大小的磁阻感测元件实施例的构造示意图，其中图5A表示出其剖面图，主要由形成于基板5上的立体磁阻结构51及导体结构52所构成，立体磁阻结构51具有相连接的水平分量磁阻结构510及垂直分量磁阻结构511，而导体结构52是以“斜条状”（barber pole）的一个角度设置在水平分量磁阻结构510上方或下方，在本图中是表示在水平分量磁阻结构510下方。而图5B中清楚表达出磁阻感测元件的立体构造示意图。通过垂直分量磁阻结构511的作用，可将与基板表面垂直的磁场转向而影响水平分量磁阻结构510与导体结构52构成磁阻元件的电阻值，进而达成感测与基板表面垂直的磁场的功能。因此垂直分量磁阻结构511具有磁场导引的功能，需要具有垂直分量的结构，即与水平分量磁阻结构510间的夹角实质上可介于零度与九十度之间。

再请参考图6A与6B，其为本发明提出的可感测三维空间中与基板表面垂直的磁场大小的磁阻感测元件另一个实施例的构造示意图，其中图6A表示出其剖面图，同样由形成于基板6上的立体磁阻结构61及导体结构62所构成，立体磁阻结构61具有相连接的第一垂直分量磁阻结构610、水平分量磁阻结构611及第二垂直分量磁阻结构612，第一垂直分量磁阻结构610与第二垂直分量磁阻结构612形成于基板上的一个阶梯构造的两边侧壁上，而导体结构62以一个角度设置在水平分量磁阻结构611上方或下方（在本图中是表示在水平分量磁阻结构611下方）。此实施例与图5A与5B的不同处在于第一垂直分量磁阻结构610及第二垂直分量磁阻结构612分别设置于水平分量磁阻结构611的两侧，但都可用以将基板表面垂直的磁场转向而影响水平分量磁阻结构611与导体结构62构成磁阻元件的电阻值，进而达成感测与基板表面垂直的磁场的功能。如此可知，本发明的垂直分量磁阻结构可不限于形状、大小、数目，只要可以达到将基板表面垂直的磁场转向的功效即可。

再请参考图7A，其为垂直分量磁阻结构的构造实施例示意图，此处的垂直分量磁阻结构70是设置于沟渠结构71内侧侧壁上的实施例，至于图7B为另一个实施例，是由不连续的多个沟渠结构72构成，垂直分量磁阻结构73同样设置于沟渠结构72内侧侧壁上，故本发明的垂直分量磁阻结构70可以多种形状、大小等形式实现。利用同样的概念，垂直分量磁阻结构也可以设置于一个高于水平分量磁阻结构的凸块或多个凸块的外围侧壁上。

而本发明再将上述磁阻感测元件组合成磁阻传感器，在图8A与8B中，磁阻传感器是由第一磁阻感测元件81、第二磁阻感测元件82、第三磁阻感测元件83及第四磁阻感测元件84以所构成。其中，每一个磁阻感测元件81、82、83、84的结构与图5相同，故在此不多加陈述。要进一步说明的是，在每一个磁阻感测元件81、82、83、84中的导体结构的设置方向均为相同方向，即为朝同一个方向延伸，有别于现有的两组方向的设置方式（例如图3），而且当每一个磁阻感测元件81、82、83、84都具有相同磁化方向（例如图中箭头M）时，以此设计可使惠斯顿电桥中电压计85的输出值，完全不受水平方向磁场的影响，即如图8A中所示，即使空间中有水平磁场H产生，电压计85的输出电压保持不变。

但是，由于垂直分量磁阻结构810、820、830、840设置在第一磁阻感测元件81、第二磁阻感测元件82、第三磁阻感测元件83及第四磁阻感测元件84的单侧， 第一磁阻感测元件81与第三磁阻感测元件83的第一侧，第二磁阻感测元件82与第四磁阻感测元件84的第二侧，用以接收与基板表面垂直方向的磁场，这些垂直分量磁阻结构可以将与基板表面垂直方向的磁场部分转变成与基板表面同一个平面的磁场方向，并且将此方向的磁场导引至相连接的水平磁阻构造，使得第一磁阻感测元件81、第二磁阻感测元件82、第三磁阻感测元件83及第四磁阻感测元件84可以随着来自于空间中垂直磁场⊙大小、方向而产生电阻值变化，因此，当空间中有垂直磁场⊙产生，电压计85的输出电压将会有变化。即如图8B中所示，当然，通过对元件初始极化方向、导体结构的设置方向、垂直分量磁阻结构的设置侧的选择，也有其它配置组合可以产生相同的效果，即在空间中有水平磁场H的情况下，电压计的输出电压不随之改变，但空间中有垂直磁场时，可使电压计的输出电压产生变化。故前面的实施例为其中的一个实施例，本发明不以其组合为限。

此外，根据相同的概念，本发明再提出另一种磁阻感测元件的实施例结构。请参考图9A，其为本发明提出的另一个磁阻感测元件91的立体结构示意图，主要是由磁通量导引单元910及水平分量磁阻感测结构911来组合完成，图9B为图9A的剖面图，磁通量导引单元910由磁性材料构成，有改变空间中磁场分布的功效，如图中箭头所示，进而于空间中扮演磁通量聚集器（Magnetic Flux Concentrator）的角色，本实施例即利用磁通量聚集时空间中部分磁场方向改变的功效，组合水平分量磁阻感测结构911，感测空间中垂直磁场的部分磁场改变方向后的水平分量。而水平分量磁阻感测结构911的基本组成与图2或图5与图6中的水平分量磁阻结构与导体结构的组成并无不同，故不再赘述。

再请参考图9C与图9D，其是将图9A与图9B中所示的磁阻感测元件组合成磁阻传感器的示意图，磁阻传感器由第一磁阻感测元件91、第二磁阻感测元件92、第三磁阻感测元件93及第四磁阻感测元件94构成。其中，每一个磁阻感测元件91、92、93、94的结构与图9A与图9B相同，故在此不多加陈述。要进一步说明的是，在每一个磁阻感测元件91、92、93、94都具有相同磁化方向（例如图中箭头M），而且每一个磁阻感测元件91、92、93、94中的导体结构的设置方向均为相同方向，即为朝同一个方向延伸，有别于现有的两组方向的设置方式，此设计可完全屏蔽原本空间中水平方向磁场，完全不受水平方向磁场的影响，即如图9C中所示，即使空间中有水平磁场H产生，电压计95的输出电压仍维持不变。

但是，由于磁通量导引单元910、920、930、940设置在水平分量磁阻感测结构911、921、931、941的单侧，第一磁阻感测元件91与第三磁阻感测元件93的第一侧，第二磁阻感测元件92与第四磁阻感测元件94的第二侧，用以接收与基板表面垂直方向的磁场，这些磁通量导引单元可以将与基板表面垂直方向的磁场部分转变成与基板表面同一个平面的磁场方向，并且将此方向的磁场导引至水平分量磁阻结构911、921、931、941，使得第一磁阻感测元件91、第二磁阻感测元件92、第三磁阻感测元件93及第四磁阻感测元件94可以随着来自于空间中垂直磁场⊙大小、方向而产生电阻值变化。因此，当空间中有垂直磁场⊙产生，电压计95的输出电压将会有改变。即如图9D中所示。当然，通过对元件初始极化方向、导体结构的设置方向、垂直分量磁阻结构的设置侧的选择，也有其它配置组合可以产生相同的效果，即在空间中有水平磁场H的情况下，电压计的输出电压维持不变，但空间中有垂直磁场时，可使电压计的输出电压产生变化。故前面的实施例为其中的一个实施例，本发明不以其组合为限。

另外，为节省设置面积，两个磁阻感测元件可共享一个磁通量导引单元，以图9D为例，第一磁阻感测元件91与第二磁阻感测元件92可共享同一个磁通量导引单元，而第三磁阻感测元件93与第四磁阻感测元件94可共享另一个磁通量导引单元。此外，磁通量导引单元的材料为磁性材料，且磁通量导引单元的形状，不以其它形状、大小及其它组合为限。

本发明还揭露另一种磁阻感测元件及其所组成的磁阻传感器。图10A与图10B分别为其立体与剖面示意图，其主要概念是将上述两种实施例加以组合所完成，也就是将可设置于基板沟渠侧壁的垂直分量磁阻结构1001以及以磁性材料形成的磁通量导引单元1002分别设置于水平分量磁阻结构1000的两侧，如此将可使感测垂直方向磁场的灵敏度增加。

接着请参考图11A与图11B，其以图10A与图10B所示的磁阻感测元件所组成的磁阻传感器，其由第一磁阻感测元件111、第二磁阻感测元件112、第三磁阻感测元件113，以及第四磁阻感测元件114所构成。其中，在每一个磁阻感测元件111、112、113、114都具有相同初始磁化方向（例如图中箭头M），而且每一个磁阻感测元件中的导体结构的设置方向均为相同方向，即为朝同一个方向延伸，有别于现有的两组方向的设置方式，此设计可完全屏蔽原本空间中的水平方向磁场，完全不受水平方向磁场的影响，即如图11A中所示，即使空间中有水平磁场H产生，电压计115的输出电压仍然维持不变。

但是，由于磁通量导引单元1110、1120、1130、1140与垂直分量磁阻结构1112、1122、1132、1142设置在水平分量磁阻结构1111、1121、1131、1141的两侧，第一磁阻感测元件111与第三磁阻感测元件113为第一类型，第二磁阻感测元件112与第四磁阻感测元件114为第二类型，用以接收与基板表面垂直方向的磁场，这些磁通量导引单元以及垂直分量磁阻结构可以将与基板表面垂直方向的磁场改变成与基板表面同一平面的磁场方向，并且将此方向的磁场导引至水平分量磁阻结构1111、1121、1131、1141，使得这些磁阻感测元件可以随着来自于空间中垂直磁场⊙大小、方向而产生电阻值变化。因此，当空间中有垂直磁场⊙产生，电压计115的输出电压将会有变化，即如图11B中所示。当然，通过对元件初始极化方向、导体结构的设置方向、垂直分量磁阻结构的设置侧的选择，也有其它配置组合可以产生相同的效果，即在空间中有水平磁场H的情况下，电压计的输出电压维持不变，但空间中有垂直磁场时，可使电压计的输出电压产生变化。故前面的实施例为其中的一个实施例，本发明不以其组合为限。

另外，本发明的制造方法可兼容于目前的半导体制程，请参考图12A到图12B所示，图12A中先设置导体构造1201于基板1200上，可用化学研磨制程来完成平坦化，然后在此导体构造1201旁，经由黄光及蚀刻制程形成沟渠构造1202，然后在成长磁性薄膜后，再经由黄光及蚀刻制程来同时定义出垂直分量磁阻结构1203与水平分量磁阻结构1204所构成的立体磁阻结构，接着如图12B所示，覆盖一层保护绝缘层1205后，再制作磁通量导引结构1206来形成磁阻感测元件。

   因此，根据以上所述，本发明所揭露的用以感测与基板表面垂直方向的磁场的磁阻传感器可与用以感测与基板表面平行方向的磁场的现有磁阻传感器结合，可以得到可感测三维空间的磁阻传感器，且是以同一制程，同时形成，亦即是单一制程整合的设计，达成单一芯片（基板）三维空间的磁阻传感器，不同于目前需要组合至少两个半导体基板以垂直组合才能完成的设计，没有垂直组合两个半导体基板时形成的角度误差、需额外电路板接线、高成本、及较厚封装芯片等缺点。

因此，根据以上所述，本发明所揭露的磁阻感测元件，其中磁场方向调整单元为垂直分量磁阻结构，与水平分量磁阻结构可相连接或不连接等方式来构成立体磁阻结构，前面的实施例是以相连接为例，但本发明不以此为限。

因此，根据以上所述，在本发明中所揭露的磁阻传感器是通过立体磁阻结构（包括垂直分量磁阻结构）或是磁通量导引结构及导体结构构成，磁通量导引单元或是垂直分量磁阻结构，可以导引与基板表面垂直方向的磁场，改变成与基板表面同一个平面的磁场方向分量，使磁阻感测元件产生对应电阻值变化，并且通过磁阻感测元件的电桥组合，单独测量垂直方向磁场向量。而上述磁阻结构可以是异向性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance，简称AMR）、巨磁阻（Giant Magnetoresistance，简称GMR）以及穿隧式磁阻（Tunneling Magnetoresistance，简称TMR）或其组合中之一。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种磁阻感测元件，其特征是：所述磁阻感测元件包括基板、磁阻感测单元以及磁场方向调整单元；所述磁阻感测单元设置于所述基板上方，可随着平行所述基板表面的第一外加磁场而产生电阻值变化；所述磁场方向调整单元设置于所述基板上方，可将垂直所述基板表面的第二外加磁场导引至所述第一外加磁场方向，进而使所述磁阻感测单元可随着所述第二外加磁场而产生电阻值变化。

2.根据权利要求1所述的磁阻感测元件，其特征是：所述磁阻感测单元包括水平分量磁阻结构以及导体结构；所述水平分量磁阻结构形成于所述基板上方；所述导体结构形成于所述基板上方，其延伸方向与所述水平分量磁阻结构的延伸方向呈一个角度，所述角度大于零度且小于90度，可改变所述水平分量磁阻结构内的电流方向，从而使所述水平分量磁阻结构随着所述第一外加磁场而产生线性的电阻值变化。

3.根据权利要求2所述的磁阻感测元件，其特征是：所述水平分量磁阻结构位于所述导体结构上方。

4.根据权利要求2所述的磁阻感测元件，其特征是：所述水平分量磁阻结构位于所述导体结构下方。

5.根据权利要求2所述的磁阻感测元件，其特征是：所述磁场方向调整单元为垂直分量磁阻结构，与所述水平分量磁阻结构构成立体磁阻结构。

6.根据权利要求5所述的磁阻感测元件，其特征是：所述垂直分量磁阻结构形成于所述基板中的一个沟槽或多个沟槽中的侧壁上。

7.根据权利要求5所述的磁阻感测元件，其特征是：所述垂直分量磁阻结构形成于所述基板上的一个凸块或多个凸块的外围侧壁上。

8.根据权利要求5所述的磁阻感测元件，其特征是：所述垂直分量磁阻结构形成于所述基板上的一个阶梯构造的两边侧壁上。

9.根据权利要求1所述的磁阻感测元件，其特征是：所述磁场方向调整单元为磁通量导引单元，可改变空间中的磁场分布，进而将所述第二外加磁场的磁通量集中并导引至所述第一外加磁场方向。

10.一种磁阻传感器，其特征是：所述磁阻传感器包括有四个如权利要求1所述的磁阻感测元件的第一磁阻感测元件、第二磁阻感测元件、第三磁阻感测元件及第四磁阻感测元件，所述这些磁阻感测元件组成惠斯登电桥，其中所述第二磁阻感测元件、所述第四磁阻感测元件同时与所述第一磁阻感测元件、所述第三磁阻感测元件直接相连，所述电桥的输出电压不随着平行所述基板表面的所述第一外加磁场变化而改变，仅随着垂直所述基板表面的所述第二外加磁场变化而改变。

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