Магнитный датчик и способ компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика - RU2303791C2
Код документа: RU2303791C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к магнитному датчику, использующему магниторезистивный элемент.
Уровень техники
До настоящего времени был известен магнитный датчик, в котором используется магниторезистивный элемент, такой как ферромагнитный магниторезистивный элемент (МР-элемент), супермагниторезистивный элемент (СМР-элемент) или туннельный магниторезистивный элемент (ТМР-элемент), в качестве элемента обнаружения магнитного поля, и который на основе значения сопротивления магниторезистивного элемента генерирует выходное значение в соответствии с внешним магнитным полем, действующим на магниторезистивный элемент.
Значение сопротивления магниторезистивного элемента зависит от температуры. Поэтому даже под действием магнитного поля фиксированной величины выходное значение магнитного датчика изменяется с температурой магниторезистивного элемента. Следовательно, компенсация данной температурной зависимости представляет собой важное требование для обнаружения (величины) магнитного поля с высокой точностью.
Устройство магнитного датчика, описанное в выложенной заявке на патент Японии (kokai) № Н06-77558, достигает такой компенсации посредством температурного датчика, расположенного рядом с магниторезистивным элементом. Зависимость между напряжением, служащим в качестве выходного значения магнитного датчика, и температурой (зависящая от температуры характеристика) измеряется заранее и хранится в памяти. Затем, на основе фактической температуры, обнаруженной температурным датчиком, и зависимости, хранимой в памяти, определяется опорное напряжение, и разность между фактическим напряжением, выводимым магнитным датчиком, и определенным опорным напряжением усиливается и выводится, таким образом компенсируя зависящую от температуры характеристику магнитного датчика.
Между тем, выходное значение высокочувствительного магнитного датчика изменяется под влиянием геомагнетизма, и геомагнетизм изменяется во времени. Следовательно, зависящая от температуры характеристика, хранимая в памяти вышеупомянутого устройства магнитного датчика, должна измеряться в течение предопределенного короткого периода времени, во время которого гарантируется, что геомагнетизм не изменяется; и во время вышеописанного измерения магниторезистивный элемент должен нагреваться или охлаждаться в течение короткого периода времени.
Однако, если вышеупомянутый магниторезистивный элемент нагревается посредством обычного нагревающего/охлаждающего устройства, нагревается/охлаждается не только магниторезистивный элемент, но весь магнитный датчик, включая подложку магниторезистивного элемента. Поэтому время нагревания/охлаждения будет продолжительным вследствие большой теплоемкости магнитного датчика, и, следовательно, геомагнетизм будет изменяться во время измерения температурной зависимости. В результате возникает проблема, заключающаяся в том, что будет снижаться надежность зависящей от температуры характеристики, хранимой в памяти, и, следовательно, будет невозможной точная компенсация зависящей от температуры характеристики. Хотя одним допустимым решением является измерение зависящей от температуры характеристики в окружающей среде, свободной от влияния геомагнетизма, устройство (компенсатор магнитного поля) для установления такой среды очень дорогое, таким образом представляя другую проблему повышения затрат на производство магнитного датчика.
Следовательно, целью настоящего изобретения является создание магнитного датчика, который выполнен с возможностью измерения недорогим и точным образом зависящей от температуры характеристики в течение короткого периода времени, и создание способа точной компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика.
Другой целью настоящего изобретения является создание однокристального магнитного датчика, который может генерировать выходной сигнал магнитного датчика без использования соединительного проводника; например, проводника из Au для соединения магнитного датчика с внешними деталями (например, внешней схемой).
Еще другой целью настоящего изобретения является создание магнитного датчика, в котором внешний шум, по существу, не оказывает влияния на секцию схемы управления, которая выполняет различные операции, такие как генерирование выходного сигнала на основе изменения сопротивления магниторезистивного элемента, получение данных, касающихся температурной характеристики магниторезистивного элемента, инициализация намагниченности свободного слоя магниторезистивного элемента и приложение внешнего магнитного поля к магниторезистивному элементу для испытания рабочих характеристик магниторезистивного элемента.
Другой целью настоящего изобретения является создание магнитного датчика, имеющего подложку, пригодную для легкого и надежного фиксирования намагниченности фиксированных слоев множества магниторезистивных элементов в одном направлении.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении создан магнитный датчик, который содержит множество магниторезистивных элементов, сформированных на верхней поверхности слоя, наложенного на подложку, и множество тепловыделяющих элементов, предназначенных для выделения тепла при электрическом возбуждении, и который на основе значений сопротивления множества магниторезистивных элементов генерирует выходное значение, соответствующее внешнему магнитному полю, действующему на магниторезистивные элементы, в котором множество тепловыделяющих элементов располагаются и конфигурируются так, что когда каждый из множества тепловыделяющих элементов выделяет количество тепла, примерно равное количеству тепла, выделяемого любым из оставшихся тепловыделяющих элементов, для получения данных, касающихся температурной характеристики магнитного датчика, температуры множества магниторезистивных элементов становятся примерно равными друг другу, и температура верхней поверхности слоя, на котором формируется множество магниторезистивных элементов, становится неравномерной (неоднородной), и конфигурируются так, что каждый из множества тепловыделяющих элементов не выделяет никакого тепла, когда магнитный датчик используется для измерения внешнего магнитного поля в обычном режиме работы, причем температуры упомянутого множества магниторезистивных элементов становятся равными температуре магнитного датчика. Примеры магниторезистивных элементов включают в себя МР-элементы, СМР-элементы и ТМР-элементы.
Благодаря вышеописанному расположению и конфигурации, при получении данных, касающихся температурной характеристики магнитного датчика, весь магнитный датчик, включая подложку, не нагревается до одинаковой температуры; и множество магниторезистивных элементов нагреваются примерно до одинаковой температуры (температуры, отличной от температуры подложки). Таким образом, становится возможным сократить период времени, необходимый для нагревания/охлаждения магниторезистивных элементов, так что зависящие от температуры характеристики магниторезистивных элементов могут измеряться в течение периода времени, во время которого на магниторезистивные элементы действует одинаковый геомагнетизм.
В данном случае, множество магниторезистивных элементов могут располагаться для формирования множества островкоподобных групп элементов, причем каждая включает в себя множество магниторезистивных элементов, которые идентичны по направлению обнаружения магнитного поля и располагаются рядом друг с другом на верхней поверхности слоя; и тепловыделяющие элементы могут формироваться так, что они располагаются над или под каждой группой элементов. В данном случае, так как нагревательные элементы могут нагревать, главным образом, магниторезистивные элементы, может быть дополнительно сокращен период времени, необходимый для нагревания/охлаждения.
Предпочтительно, что каждый из тепловыделяющих элементов принимает вид катушки (нагревательной катушки), выполненной с возможностью приложения к магниторезистивным элементам, сформированным над или под тепловыделяющим элементом, магнитного поля в направлении, примерно идентичном или примерно перпендикулярном направлению обнаружения магнитного поля магниторезистивных элементов. В данном случае, магнитное поле, направление которого примерно идентично направлению обнаружения магнитного поля магниторезистивных элементов, может использоваться в качестве испытательного магнитного поля для определения, правильно ли или нет обнаруживает магнитное поле магнитный датчик; и магнитное поле, направление которого примерно перпендикулярно направлению обнаружения магнитного поля магниторезистивных элементов, может использоваться в качестве, например, магнитного поля, специально предназначенного для инициализации свободных слоев магниторезистивных элементов.
Благодаря данной предпочтительной структуре, так как тепловыделяющий элемент (нагревательная катушка) может служить также в качестве катушки (испытательной катушки или катушки инициализации) для создания магнитного поля, направление которого примерно идентично или примерно перпендикулярно направлению обнаружения магнитного поля магниторезистивного элемента, становится возможным минимизировать стоимость магнитного датчика в результате сокращения производственного процесса и снижения количества шаблонов, используемых в производственном процессе. Кроме того, когда эта катушка электрически возбуждается, можно одновременно выполнять измерение зависящей от температуры характеристики магнитного датчика, частичное или полное испытание магнитного датчика и частичную или полную инициализацию магнитного датчика; поэтому может быть сокращен период времени производства (испытания), таким образом снижая затраты на производство.
В настоящем изобретении также создан магнитный датчик, который содержит множество магниторезистивных элементов, сформированных на верхней поверхности слоя, наложенного на подложку, и единственный тепловыделяющий элемент для выделения тепла при электрическом возбуждении, и который генерирует выходное значение, соответствующее внешнему магнитному полю, действующему на магниторезистивные элементы, на основе значений сопротивления множества магниторезистивных элементов, в котором тепловыделяющий элемент располагается и конфигурируется так, что температуры множества магниторезистивных элементов становятся примерно равными друг другу, и что становится неравномерной температура верхней поверхности слоя, на котором формируется множество магниторезистивных элементов.
Благодаря также данной альтернативной конфигурации весь магнитный датчик, включая подложку, не нагревается до одинаковой температуры, и множество магниторезистивных элементов нагреваются примерно до одинаковой температуры (температуры, отличной от температуры подложки). Таким образом, становится возможным сократить период времени, необходимый для нагревания/охлаждения магниторезистивных элементов, так что зависящие от температуры характеристики магниторезистивных элементов могут измеряться в течение периода времени, во время которого одинаковый геомагнетизм действует на магниторезистивные элементы.
В данном случае, тепловыделяющий элемент и множество магниторезистивных элементов могут конфигурироваться так, что количество тепла, которое должно передаваться от тепловыделяющего элемента на произвольный один из множества магниторезистивных элементов, становится примерно идентичным количеству тепла, которое должно передаваться от тепловыделяющего элемента на один из оставшихся магниторезистивных элементов.
Тепловыделяющий элемент и множество магниторезистивных элементов могут конфигурироваться так, что относительное взаимное расположение между тепловыделяющим элементом и произвольным одним из множества магниторезистивных элементов становится примерно идентичным относительному взаимному расположению между тепловыделяющим элементом и одним из оставшихся магниторезистивных элементов.
Предпочтительно, что множество магниторезистивных элементов располагается отдельно на четырех островках, разнесенных друг от друга, на верхней поверхности слоя, наложенного на подложку, и формируется так, что когда множество магниторезистивных элементов поворачивается в плоскости, параллельной верхней поверхности слоя, на 90° относительно центроида четырехугольной фигуры, определяемой четырьмя прямыми линиями, при этом каждая соединяет между собой примерные центры соседних островков, произвольный один из островков становится, по существу, выровненным с положением, которое до углового перемещения на 90° занимал другой островок, который является соседним с произвольным островком в направлении углового перемещения.
Далее, магнитный датчик, имеющий любой из вышеупомянутых отличительных признаков, может дополнительно содержать секцию обнаружения температуры, которая выводит в качестве температуры обнаружения температуру, имеющую постоянное соотношение с температурой по меньшей мере одного из множества магниторезистивных элементов, когда температуры множества магниторезистивных элементов становятся примерно равными друг другу, и становится неравномерной температура верхней поверхности слоя, на которой формируется множество магниторезистивных элементов.
Как описано выше, магниторезистивные элементы нагреваются примерно до одинаковой температуры в результате теплового излучения тепловыделяющего элемента(ов). Поэтому в том случае, когда секция обнаружения температуры имеет постоянное соотношение по меньшей мере с одним из множества магниторезистивных элементов в смысле температуры, секция обнаружения температуры может обнаруживать температуру, по существу, всех магниторезистивных элементов одной и той же конфигурации. Поэтому в соответствии с вышеупомянутой конфигурацией не требуется увеличение количества секций обнаружения температуры, и, таким образом, может быть снижена стоимость магнитного датчика.
Далее, в магнитном датчике, включающем в себя вышеупомянутую секцию обнаружения температуры, предпочтительно, что множество магниторезистивных элементов соединяются между собой так, что среди магниторезистивных элементов элементы, идентичные по направлению обнаружения магнитного поля, составляют схему моста для генерирования выходного значения, соответствующего упомянутому внешнему магнитному полю; и магнитный датчик дополнительно содержит память и средство записи зависящей от температуры характеристики для записи в память значения, которое определяется на основе «данных, представляющих первую температуру магниторезистивных элементов, определяемую на основе температуры обнаружения, выводимой секцией обнаружения температуры, и первое выходное значение, выводимое магнитным датчиком при первой температуре», и «данных, представляющих вторую температуру магниторезистивных элементов, отличную от первой температуры и определяемую на основе температуры обнаружения, выводимой секцией обнаружения температуры, и второе выходное значение, выводимое магнитным датчиком при второй температуре», причем значение, которое должно быть записано в память, соответствует отношению разности между первым и вторым выходными значениями к разности между первой и второй температурами.
Зависящая от температуры характеристика магнитного датчика, в котором множество магниторезистивных элементов составляют схему моста (схему полного моста), такая, что выходное значение магнитного датчика изменяется пропорционально изменению температуры магниторезистивного элемента. Поэтому, если значение, соответствующее вышеописанному «отношению» (т.е. изменение выходного значения магнитного датчика относительно изменения температуры магниторезистивного элемента), значением которого может быть само отношение, обратная величина отношения и т.д., хранится заранее в памяти, электронное устройство может получить данные зависящей от температуры характеристики магнитного датчика посредством считывания «отношения» из памяти, после того как магнитный датчик будет установлен в электронном устройстве. Поэтому данные могут использоваться для компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика.
Другими словами, данные, касающиеся зависящей от температуры характеристики каждого магнитного датчика, могут храниться в магнитном датчике посредством простой операции сохранения значения, соответствующего вышеописанному «отношению», в памяти магнитного датчика. Поэтому можно минимизировать емкость памяти, в которой должны храниться данные зависящей от температуры характеристики магнитного датчика, таким образом снижая стоимость магнитного датчика.
В настоящем изобретении дополнительно создан способ компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика, который включает в себя магниторезистивный элемент, сопротивление которого изменяется в соответствии с внешним магнитным полем, первую память, секцию обнаружения температуры для вывода в качестве температуры обнаружения температуры, имеющей постоянное соотношение с температурой магниторезистивного элемента, и тепловыделяющий элемент для выделения тепла при электрическом возбуждении; и который генерирует выходное значение, соответствующее внешнему магнитному полю, на основе значения сопротивления магниторезистивного элемента; причем магнитный датчик предназначен для встраивания в электронное устройство, которое включает в себя компонент с постоянным магнитом, кожух и вторую память, причем в кожухе размещается магнитный датчик, компонент с постоянным магнитом и вторая память; при этом способ содержит этапы: получения первой температуры упомянутого магниторезистивного элемента на основе температуры обнаружения, выводимой упомянутой секцией обнаружения температуры, получения первого выходного значения, выводимого упомянутым магнитным датчиком при первой температуре, перед тем как упомянутый магнитный датчик будет размещен в упомянутом кожухе; получения второй температуры упомянутого магниторезистивного элемента на основе температуры обнаружения, выводимой упомянутой секцией обнаружения температуры, после того как изменится электрически возбуждаемое состояние упомянутого тепловыделяющего элемента, и получения второго выходного значения, выводимого упомянутым магнитным датчиком при второй температуре, перед тем как упомянутый магнитный датчик будет размещен в упомянутом кожухе; хранения в первой памяти значения, соответствующего отношению разности между первым и вторым выходными значениями к разности между первой и второй температурами; хранения во второй памяти в качестве эталонных данных значения смещения выходного значения магнитного датчика и температуры обнаружения, выводимой секцией обнаружения температуры, после того как магнитный датчик будет размещен в кожухе вместе с компонентом с постоянным магнитом; и, после этого, коррекции выходного значения магнитного датчика на основе значения, соответствующего отношению, хранимому в первой памяти, эталонных данных, хранимых во второй памяти, и температуры обнаружения, выводимой секцией обнаружения температуры.
Посредством данного способа данные для получения значения, соответствующего вышеописанному «отношению», служащему в качестве данных, представляющих зависящую от температуры характеристику магнитного датчика, получают и/или сохраняют в первой памяти на этапе, на котором магнитный датчик еще не был установлен в электронном устройстве. Затем, после того как магнитный датчик будет размещен в кожухе вместе с компонентом с постоянным магнитом и второй памятью, значение смещения выходного значения магнитного датчика и температура, обнаруженная секцией обнаружения температуры, когда получают значение смещения, запоминают во второй памяти. После корректируют фактическое выходное значение магнитного датчика на основе разности между фактической температурой, обнаруженной секцией обнаружения температуры, и температурой, хранимой во второй памяти, значения, соответствующего «отношению» и хранимому в первой памяти, и значения смещения, хранимого во второй памяти.
Данный способ описывается посредством использования конкретного примера. Разность между фактической температурой, обнаруженной секцией обнаружения температуры, и температурой, хранимой во второй памяти, умножается на «отношение», хранимое в первой памяти, для получения величины изменения значения смещения, происходящего в результате изменения температуры магнитного датчика. Потом значение смещения, хранимое во второй памяти, добавляется к величине изменения значения смещения с целью получения значения смещения после изменения температуры; и разность между фактическим выходным значением магнитного датчика и значением смещения после изменения температуры используется в качестве значения, соответствующего внешнему магнитному полю, подлежащему обнаружению.
Таким образом, согласно способу компенсации зависящей от температуры характеристики настоящего изобретения значение в соответствии с вышеописанным «отношением» измеряется на этапе, на котором магнитный датчик еще не был установлен в электронном устройстве, и сохраняется в первой памяти. Поэтому сам магнитный датчик может обрабатывать данные, представляющие зависящую от температуры характеристику магнитного датчика. Далее, так как значение смещения и температура обнаружения, выводимые секцией обнаружения температуры, сохраняются во второй памяти, после того как магнитный датчик будет установлен в кожухе электронного устройства вместе с компонентом с постоянным магнитом, нет необходимости сохранять в первой памяти значение смещения самого магнитного датчика и температуру обнаружения, выводимую секцией обнаружения температуры, когда получают значение смещения. Поэтому, может минимизироваться объем памяти первой памяти, таким образом снижая стоимость магнитного датчика. Кроме того, так как два типа смещения магнитного датчика; т.е. смещение (опорный сдвиг) самого магнитного датчика, возникающего из индивидуальной разности (разности в значении сопротивления) магниторезистивного элемента, и смещение (опорный сдвиг), свойственное магнитному полю рассеяния от компонента с постоянным магнитом, могут быть получены одновременно, после того как магнитный датчик будет установлен в кожухе, нет необходимости получать дважды значение смещения. Таким образом, согласно настоящему изобретению можно простым образом компенсировать зависящую от температуры характеристику магнитного датчика.
В настоящем изобретении также создан магнитный датчик, содержащий единственную подложку, множество магниторезистивных элементов, секцию разводки, соединяющую между собой в виде моста множество магниторезистивных элементов, и секцию схемы управления для получения при помощи секции разводки физической величины, определяемой на основе значений сопротивления множества магниторезистивных элементов, и обработки физической величины с целью генерирования выходного сигнала, подлежащего выводу наружу, в котором магнитный датчик дополнительно включает в себя множество слоев, наложенных на подложку; магниторезистивные элементы формируются на верхней поверхности одного из множества слоев; секция разводки и секция схемы управления формируются в подложке и множестве слоев; и магниторезистивные элементы, секция разводки и секция схемы управления соединяются между собой во множество слоев посредством секции соединений, сформированной из проводящего материала и проходящей вдоль направления, пересекающего поверхности слоев у слоев.
Благодаря данной структуре, магниторезистивные элементы, секция разводки и секция схемы управления соединяются между собой во множестве слоев без пересечения при помощи секции соединений, которая формируется из проводящего материала и проходит вдоль направления, пересекающего поверхности слоев у слоев. Таким образом, создан однокристальный магнитный датчик, который может генерировать выходной сигнал магнитного датчика без использования соединительного проводника в отличие от магнитного датчика, в котором кристалл делится на кристалл, который служит носителем для магниторезистивных элементов, и кристалл, который служит носителем для секции схемы управления, и т.д., и в котором соединительный проводник используется для соединения кристаллов.
Далее, в настоящем изобретении создан магнитный датчик, содержащий подложку, множество магниторезистивных элементов, расположенных на верхней части подложки, секцию разводки, расположенную на верхней части подложки и соединяющую между собой множество магниторезистивных элементов, и секцию схемы управления для получения при помощи секции разводки физической величины, определяемой на основе значений сопротивления множества магниторезистивных элементов, и обработки физической величины с целью генерирования выходного сигнала, подлежащего выводу наружу, в котором множество магниторезистивных элементов располагается на периферийной части подложки, если смотреть сверху; секция разводки располагается так, чтобы образовывать, по существу, замкнутую кривую, если смотреть сверху; и секция схемы управления располагается, по существу, внутри замкнутой кривой, если смотреть сверху.
Благодаря данной конфигурации, секция схемы управления для выполнения, например, генерирования выходного сигнала на основе изменения сопротивления магниторезистивного элемента или получения данных температурной характеристики магниторезистивного элемента, может располагаться внутри компактного пространства в центральной части подложки, если смотреть сверху. Поэтому сокращается длина разводки в секции схемы управления, и, следовательно, внешний шум почти не может наводиться на разводку. В результате создан магнитный датчик, на который почти не оказывает влияние внешний шум и который является очень надежным.
Далее, в настоящем изобретении создан магнитный датчик, содержащий единственную подложку и множество групп элементов, причем каждая группа элементов включает в себя пару магниторезистивных элементов, которые идентичны в смысле направления намагниченности фиксированного слоя, при этом по меньшей мере две из групп элементов располагаются перпендикулярно друг к другу в смысле направления намагниченности упомянутого фиксированного слоя, в котором каждая из множества групп элементов располагается на подложке так, что направление намагниченности фиксированного слоя каждой группы элементов, по существу, параллельно направлению, в котором увеличивается расстояние от центроида (центра) подложки, и так, что пара магниторезистивных элементов располагается рядом друг с другом.
Вышеупомянутый датчик представляет собой магнитный датчик, содержащий единственную подложку и множество групп элементов, причем каждая группа элементов включает в себя пару магниторезистивных элементов, которые идентичны в смысле направления намагниченности фиксированного слоя, по меньшей мере две из групп элементов располагаются перпендикулярно друг другу в смысле направления намагниченности свободного слоя упомянутого магниторезистивного элемента, когда не прикладывается внешнее магнитное поле, в котором каждая из упомянутого множества групп элементов располагается на упомянутой подложке так, что, когда не прикладывается внешнее магнитное поле, направление намагниченности упомянутого свободного слоя каждой группы элементов, по существу, перпендикулярно направлению, в котором увеличивается расстояние от центроида упомянутой подложки, и так, что упомянутая пара магниторезистивных элементов располагается рядом друг с другом.
Когда фиксируется направление намагниченности фиксированного слоя, магнитное поле стабилизированного направления и величины должно непрерывно прикладываться к магниторезистивному элементу. В данный момент, на двух соседних точках на одной и той же линии напряженности магнитного поля магнитное поле принимает примерно одинаковую величину примерно в одинаковом направлении. Далее, в магнитном датчике во многих случаях, чтобы улучшить температурную характеристику и т.д. магнитного датчика, предусматривается множество групп элементов, причем каждая включает в себя пару магниторезистивных элементов идентичного направления намагниченности фиксированного слоя (т.е. идентичного направления обнаружения магнитного поля), и эти магниторезистивные элементы соединяются между собой в виде моста.
Поэтому, в случае магнитного датчика, сконфигурированного вышеописанным образом, в котором каждая из множества групп элементов располагается на верхней части подложки, так что вышеописанное направление намагниченности фиксированного слоя, по существу, параллельно направлению, в котором увеличивается расстояние от центроида (центра) подложки, если смотреть сверху, и так что пара магниторезистивных элементов располагается рядом друг с другом в этом направлении, когда магнитное поле, направленное от центроида (центра) подложки к его периферии, действует на магнитный датчик, намагниченность фиксированного слоя магниторезистивных элементов может фиксироваться, благодаря магнитному полю, имеющему одинаковую величину и одинаковое направление. В результате, фиксированные слои магниторезистивных элементов могут легко и надежно намагничиваться в одинаковом направлении.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен схематический вид сверху магнитного датчика согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.2 представлен схематический вид сверху части магнитного датчика по фиг.1, изображающий структуру электрической разводки магнитного датчика;
на фиг.3 представлен схематический поперечный разрез части магнитного датчика по фиг.1, взятый вдоль предопределенной плоскости, перпендикулярной поверхностям индивидуальных слоев, составляющих магнитный датчик;
на фиг.4 представлен график, изображающий изменения значения сопротивления СМР-элемента по фиг.1 относительно внешнего магнитного поля;
на фиг.5 представлен схематический вид сверху магнитного датчика согласно модификации первого варианта выполнения;
на фиг.6 представлен увеличенный вид сверху части магнитного датчика по фиг.1;
на фиг.7 представлена эквивалентная принципиальная схема магнитного датчика оси Х магнитного датчика по фиг.1;
на фиг.8 представлен график, изображающий изменения выходного напряжения (выходного сигнала) магнитного датчика оси X, составляющего магнитный датчик по фиг.1, относительно внешнего магнитного поля;
на фиг.9 представлен вид спереди сотового телефона, на котором должен устанавливаться магнитный датчик по фиг.1;
на фиг.10 представлен график, изображающий зависящую от температуры характеристику магнитного датчика оси X, составляющего магнитный датчик по фиг.1;
на фиг.11 представлен график, изображающий зависящую от температуры характеристику магнитного датчика оси Y, который составляет часть магнитного датчика по фиг.1;
на фиг.12 представлен схематический вид сверху магнитного датчика по фиг.1, изображающий изотермы, когда возбуждаются нагревательные катушки магнитного датчика;
на фиг.13 представлен график, изображающий зависимость между промежутком времени от электрического возбуждения нагревательных катушек магнитного датчика по фиг.1 и изменением температуры СМР-элемента;
на фиг.14 представлен схематический вид сверху магнитного датчика согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения;
на фиг.15 представлен поперечный разрез части магнитного датчика по линии 1-1 на фиг.14;
на фиг.16 представлен схематический вид сверху магнитного датчика по фиг.14, изображающий изотермы, когда электрически возбуждаются нагревательные катушки магнитного датчика;
на фиг.17 представлен схематический вид сверху магнитного датчика согласно модификации второго варианта выполнения настоящего изобретения, изображающий изотермы, когда электрически возбуждаются нагревательные катушки магнитного датчика; и
на фиг.18 представлен схематический поперечный разрез другой модификации магнитного датчика согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
(Первый вариант выполнения)
Ниже описываются варианты выполнения магнитного датчика согласно настоящему изобретению с ссылкой на прилагаемые чертежи. На фиг.1 представлен схематический вид сверху магнитного датчика 10 согласно первому варианту выполнения; на фиг.2 представлен схематический вид сверху части магнитного датчика 10, изображающий электрическую разводку магнитного датчика 10; и на фиг.3 представлен схематический поперечный разрез части магнитного датчика, показанного на фиг.1 и 2, вдоль предопределенной плоскости, перпендикулярной поверхностям индивидуальных слоев, составляющих магнитный датчик 10.
Магнитный датчик 10 включает в себя подложку 10а, которая формируется из Si3N4 /Si, SiO2/Si или кварцевого стекла, и которая имеет примерно квадратную (или прямоугольную) форму, причем стороны проходят вдоль взаимно перпендикулярных осей Х и Y и имеет малую толщину в направлении оси Z, перпендикулярной осям Х и Y; слои INS1 и S1-S3, наложенные на подложку 10а и идентичные по форме подложке 10а, если смотреть сверху; в сумме восемь СМР-элементов 11-18, сформированных на (верхней поверхности) слое S3 в качестве магниторезистивных элементов; и пассивирующий слой PL, сформированный в качестве самой верхней поверхности.
Как показано на фиг.1, магнитный датчик 10 имеет секцию 19 разводки моста (секцию соединительных проводников), соединяющую между собой в виде моста СМР-элементы 11-14 и СМР-элементы 15-18, соответственно, составляя две схемы полного моста; нагревательные катушки 21-24, служащие в качестве нагревательных элементов для нагрева СМР-элементов 11-18; секцию 31 схемы управления (большая интегральная схема (БИС)); секцию 32 обнаружения температуры; испытательные катушки 33a-33d; и контактные площадки 34a-34h для подключения магнитного датчика 10 к внешнему оборудованию при помощи проводников из Au, присоединенных сваркой к верхним поверхностям контактных площадок.
СМР-элемент 11 называется первым СМР-элементом 11 оси Х и, как показано на фиг.1, формируется на подложке 10а вблизи примерного центра левой стороны подложки 10а, проходящей по направлению оси Y. СМР-элемент 12 называется вторым СМР-элементом 12 оси Х и располагается вблизи примерного центра левой стороны подложки 10а, так что второй СМР-элемент 12 оси Х располагается рядом с (является соседним с) первым СМР-элементом 11 оси Х в положении, отнесенным на малое расстояние в положительном направлении оси Х от первого СМР-элемента 11 оси X.
СМР-элемент 13 называется третьим СМР-элементом 13 оси Х и формируется на подложке 10а вблизи примерного центра правой стороны подложки 10а, проходящей по направлению оси Y. СМР-элемент 14 называется четвертым СМР-элементом 14 оси Х и располагается вблизи примерного центра правой стороны подложки 10а, так что четвертый СМР-элемент 14 оси Х располагается рядом с (является соседним с) третьим СМР-элементом 13 оси Х в положении, отнесенном на малое расстояние в отрицательном направлении оси Х от третьего СМР-элемента 13 оси Х.
СМР-элемент 15 называется первым СМР-элементом 15 оси Y и формируется на подложке 10а вблизи примерного центра верхней стороны подложки 10а, проходящей по направлению оси X. СМР-элемент 16 называется вторым СМР-элементом 16 оси Y и располагается вблизи примерного центра верхней стороны подложки 10а, так что второй СМР-элемент 16 оси Y располагается рядом с (является соседним с) первым СМР-элементом 15 оси Y в положении, отнесенном на малое расстояние в отрицательном направлении оси Y от первого СМР-элемента 15 оси Y.
СМР-элемент 17 называется третьим СМР-элементом 17 оси Y и формируется на подложке 10а вблизи примерного центра нижней стороны подложки 10а, проходящей по направлению оси X. СМР-элемент 18 называется четвертым СМР-элементом 18 оси Y и располагается вблизи примерного центра нижней стороны подложки 10а, так что четвертый СМР-элемент 18 оси Y располагается рядом с (является соседним с) третьим СМР-элементом 17 оси Y в положении, отнесенном на малое расстояние в положительном направлении оси Y от третьего СМР-элемента 17 оси Y.
Слой спинового переключателя, составляющий каждый СМР-элемент 11-18, включает в себя свободный слой, проводящий разделительный слой, слой фиксации (слой с фиксированной намагниченностью) и верхний защитный слой, которые наложены (сформированы) один над другим на верхней поверхности слоя S3 на подложке 10а. Направление намагниченности свободного слоя свободно изменяется в соответствии с изменением внешнего магнитного поля. Слой фиксации включает в себя фиксирующий слой и фиксированный слой; направление намагниченности фиксированного слоя фиксируется фиксирующим слоем и не изменяется относительно внешнего магнитного поля за исключением специального случая.
Каждый СМР-элемент 11-18, таким образом, принимает значение сопротивления, соответствующее углу между направлением намагниченности фиксированного слоя и направлением намагниченности свободного слоя. А именно, каждый СМР-элемент 11-18, как указано сплошными линиями на графике фиг.4, принимает значение сопротивления, которое изменяется в диапазоне от -Нс до +Нс, примерно пропорционально внешнему магнитному полю, изменяющемуся в направлении намагниченности фиксированного слоя; и, как указано пунктирными линиями, принимает значение сопротивления, которое примерно постоянное для внешнего магнитного поля, изменяющегося в направлении, перпендикулярном направлению намагниченности фиксированного слоя. Другими словами, каждый СМР-элемент 11-18 такой, что направление намагниченности фиксированного слоя идентично направлению обнаружения магнитного поля.
Направлением намагниченности фиксированного слоя каждого СМР-элемента 11 и 12 является отрицательное направление оси X. А именно, первый и второй СМР-элементы 11 и 12 оси Х формируют одну группу Gr1 элементов, в которой множество магниторезистивных элементов, которые обнаруживают величину магнитного поля в одинаковом направлении (в данном случае направлении X); т.е., которые имеют одинаковое направление обнаружения магнитного поля, располагаются рядом друг с другом в виде островка на слое S3, наложенном на подложку 10а.
Направлением намагниченности фиксированного слоя каждого СМР-элемента 13 и 14 является положительное направление оси X. А именно, третий и четвертый СМР-элементы 13 и 14 оси Х формируют другую группу Gr2 элементов, в которой множество магниторезистивных элементов для обнаружения величины магнитного поля в одинаковом направлении (в данном случае направлении X) располагаются рядом друг с другом в виде островка на слое S3, наложенном на подложку 10а.
Направлением намагниченности фиксированного слоя каждого СМР-элемента 15 и 16 является положительное направление оси Y. А именно, первый и второй СМР-элементы 15 и 16 оси Y формируют еще другую группу Gr3 элементов, в которой множество магниторезистивных элементов для обнаружения величины магнитного поля в одинаковом направлении (в данном случае направлении Y) располагаются рядом друг с другом в виде островка на слое S3, наложенном на подложку 10а.
Направлением намагниченности фиксированного слоя каждого СМР-элемента 17 и 18 является отрицательное направление оси Y. А именно, третий и четвертый СМР-элементы 17 и 18 оси Y формируют дополнительную группу Gr4 элементов, в которой множество магниторезистивных элементов для обнаружения величины магнитного поля в одинаковом направлении (в данном случае направлении Y) располагаются рядом друг с другом в виде островка на слое S3, наложенном на подложку 10а.
Таким образом, СМР-элементы 11-18 формируют четыре группы (островка) Gr1-Gr4 элементов, в которых два соседних магниторезистивных элемента каждой группы элементов идентичны в смысле направления обнаружения магнитного поля. Эти группы Gr1-Gr4 элементов располагаются вне примерных центральных положений соответствующих сторон квадрата (сторон квадратной секции 19 разводки моста, если смотреть сверху), имеющего стороны по направлениям Х и Y, если смотреть сверху, и формируются так, что когда произвольная группа элементов перемещается на угол 90° относительно центроида квадрата (центра квадрата; т.е. точки пересечения линий диагоналей квадрата), произвольная группа элементов становится, по существу, выровненной с положением, которое перед угловым перемещением на 90° занимала другая соседняя группа элементов. Другими словами, множество СМР-элементов 11-18 располагается на четырех разнесенных островках на верхней поверхности слоя S3, наложенного на подложку 10а, и формируются так, что, когда множество магниторезистивных элементов 11-18 перемещается на угол 90° в плоскости, параллельной верхней поверхности слоя S3, относительно центроида GP четырехугольника, образованного четырьмя прямыми линиями, пересекающими примерные центры соседних пар островков, произвольный один из островков становится, по существу, выровненным с положением, которое перед угловым перемещением на 90° занимал другой соседний островок в направлении углового перемещения. А именно, предполагая не только то, что получаются четыре прямые линии (отрезка прямой); т.е. прямая линия, соединяющая между собой примерные центральные части групп Gr2 и Gr3 элементов, прямая линия, соединяющая между собой примерные центральные части групп Gr3 и Gr1 элементов, прямая линия, соединяющая между собой примерные центральные части групп Gr1 и Gr4 элементов, и прямая линия, соединяющая между собой примерные центральные части групп Gr4 и Gr2 элементов, но также то, что, когда группы элементов перемещаются на угол 90° относительно центроида четырехугольника, образованного этими отрезками прямых, каждая группа элементов становится выровненной с положением, которое до углового перемещения занимала другая соседняя группа элементов; а именно, группа Gr2 элементов становится выровненной с предшествующим положением группы Gr3 элементов, группа Gr3 элементов становится выровненной с предшествующим положением группы Gr1 элементов и т.д.
В примере, показанном на фиг.1-3, два СМР-элемента, составляющие один островок (одну группу элементов), располагаются рядом друг с другом по направлению от центра (центроида, который выровнен с вышеупомянутым центроидом GP) подложки 10а к одной стороне (периферии) подложки 10а. А именно, каждая из множества групп Gr1-Gr4 элементов, причем каждая включает в себя пару магниторезистивных элементов с идентичным направлением обнаружения магнитного поля, располагается на верхней части подложки 10а так, что направления намагниченности фиксированного слоя магниторезистивных элементов становятся, по существу, параллельными направлению, в котором увеличивается расстояние от центроида подложки 10а, если смотреть сверху, и так что вышеупомянутая пара магниторезистивных элементов располагается рядом друг с другом в одинаковом направлении. Альтернативно, как показано на фиг.5, пара магниторезистивных элементов может располагаться рядом друг с другом по направлению одной стороны подложки 10а. Однако, согласно первому расположению, так как СМР-элементы становятся ближе к центрам соответствующих сторон (квадратной) подложки 10а по сравнению с последним расположением, характеристики элементов легко могут стать равномерными. Кроме того, в случае первого расположения, магнитное поле, имеющее одинаковую величину в одинаковом направлении, легко может прикладываться к паре магниторезистивных элементов по сравнению с последним случаем.
Как приведено в качестве примера на фиг.6, которая представляет собой увеличенный вид сверху области вблизи СМР-элементов 11 и 12, СМР-элементы 11-14 соединяются с соответствующими проводниками секции 19 разводки моста, таким образом составляя схему моста (соединенный полный мост) при помощи секции 19 разводки моста, как показано на эквивалентной принципиальной схеме на фиг.7, таким образом составляя магнитный датчик оси X, направлением обнаружения магнитного поля которого является направление X. На фиг.7 стрелка, обозначенная в каждом СМР-элементе 11-14, указывает направление намагниченности фиксированного слоя соответствующего СМР-элемента 11-14.
Более конкретно, магнитный датчик оси Х такой, что когда постоянная разность потенциалов прикладывается между соединением Va между первым и четвертым СМР-элементами 11 и 14 оси Х и соединением Vb между третьим и вторым СМР-элементами 13 и 12 оси X, разность потенциала (Vc-Vd) между соединением Vc между первым и третьим СМР-элементами 11 и 13 оси Х и соединением Vd между вторым и четвертым СМР-элементами 12 и 14 оси Х выводится в качестве выходного значения Vxout датчика. В результате выходное напряжение (физическая величина, представленная напряжением) магнитного датчика оси Х изменяется примерно пропорционально величине внешнего магнитного поля в диапазоне от -Нс до +Нс, величина которого изменяется по оси X, как указано сплошными линиями на фиг.8; и остается на постоянном значении, равном примерно «0», для внешнего магнитного поля, величина которого изменяется по оси Y.
Аналогично случаю с СМР-элементами 11-14, СМР-элементы 15-18 подсоединены к соответствующим проводникам секции 19 разводки моста, составляя схему моста (соединенный полный мост), таким образом составляя магнитный датчик оси Y, направлением обнаружения магнитного поля которого является направление оси Y. А именно, магнитный датчик оси Y выдает выходное напряжение (физическую величину, представляемую напряжением) Vyout, которое изменяется примерно пропорционально величине внешнего магнитного поля в диапазоне от -Нс до +Нс, величина которого изменяется по оси Y; и выдает выходное напряжение, равное примерно «0», в отношении внешнего магнитного поля, величина которого изменяется по оси X.
Как показано на фиг.1, секция 19 разводки моста формируется на периферии примерно квадратной области, имеющей стороны по оси Х и оси Y и расположенные внутри СМР-элементов 11-18, если смотреть сверху, таким образом составляя, по существу, замкнутую кривую (включая прямолинейные участки). Как подробно описано ниже, секция 19 разводки моста формируется в слое S3 под СМР-элементами 11-18.
Как показано на фиг.1 и 3, нагревательные катушки 21-24 встраиваются в слой S3, который функционирует в качестве слоя разводки, так чтобы располагаться непосредственно под группами Gr1-Gr4 элементов (в отрицательном направлении Z). Нагревательные катушки 21-24 примерно идентичны друг другу в смысле формы и взаимного расположения с соответствующими группами Gr1-Gr4 элементов. Поэтому, в нижеследующем описании подробно описывается только нагревательная катушка 21.
Нагревательная катушка 21 представляет собой тепловыделяющий элемент, сформированный, например, из алюминиевой тонкой пленки. При электрическом возбуждении нагревательная катушка 21 выделяет тепло, таким образом нагревая первый и второй СМР-элементы 11 и 12 (группа Gr1 элементов). Нагревательная катушка 21 формируется в слое S3, будучи обращенной к нижним поверхностям магниторезистивных элементов 11 и 12, таким образом располагаясь непосредственно под группой Gr1 элементов. А именно, как понятно из фиг.3, нагревательная катушка 21 встраивается и формируется в слое S3, из числа изоляционного слоя INS1 и слоев S1-S3, наложенных один на другой на подложку 10а, причем на этом слое формируются СМР-элементы 11-18 (самый верхний слой S3 из числа слоев S1-S3 каждый функционирует в качестве слоя разводки). В настоящем описании слой, функционирующий в качестве слоя разводки, ссылается на проводники, междуслойный изоляционный слой между проводниками и контактные окна (включая сквозные отверстия) для установления соединения между проводниками.
Далее, как показано на фиг.6, нагревательная катушка 21 представляет собой так называемую двойную спиральную катушку, которая имеет примерно прямоугольную форму, если смотреть сверху, и которая включает в себя пару проводников в виде катушки (т.е. первый проводник 21-1, имеющий центр Р1 катушки, и второй проводник 21-2, имеющий центр Р2 катушки); длина по направлению Y прямоугольной формы примерно в два раза больше продольной длины магниторезистивного элемента 11 (12), и длина по направлению Х прямоугольной формы примерно в пять раз больше перпендикулярной (по направлению, перпендикулярному продольному направлению) длины магниторезистивного элемента 11 (12).
Кроме того, первый и второй СМР-элементы 11 и 12 оси Х располагаются между двумя центрами Р1 и Р2 катушек, если смотреть сверху. Далее, части первого и второго проводников 21-1 и 21-2, которые перекрывают первый и второй СМР-элементы 11 и 12 оси Х (т.е. части, проходящие непосредственно под первым и вторым СМР-элементами 11 и 12 оси X), если смотреть сверху, проходят линейно и параллельно друг другу в направлении X. Эти прямолинейные части каждого проводника предназначены для переноса тока одинакового направления протекания и, таким образом, создания магнитного поля в направлении оси Y. А именно, нагревательная катушка 21 предназначена для создания магнитного поля в направлении, которое совпадает с продольным направлением первого и второго СМР-элементов 11 и 12 оси X, и в предназначенном направлении (направлении, перпендикулярном фиксированному направлению намагниченности фиксированного слоя) намагниченности свободного слоя при отсутствии приложения любого внешнего магнитного поля.
Как описано выше, магнитный датчик 10 согласно первому варианту выполнения представляет собой магнитный датчик, включающий в себя СМР-элементы (магниторезистивные элементы, причем каждый включает в себя свободный слой и слой фиксации), и оснащенный нагревательными катушками 21-24, которые располагаются под (и рядом с) свободным слоем и предназначены для стабилизации (инициализации) направления намагниченности свободного слоя в отсутствии приложения любого внешнего магнитного поля, и которые при электрическом возбуждении при предопределенном условии (например, перед запуском обнаружения магнетизма) создают в свободном слое магнитное поле (инициализирующее магнитное поле), имеющее предопределенное направление (перпендикулярное направлению намагниченности фиксированного слоя). Далее, нагревательные катушки 24 конфигурируются так, что при электрическом возбуждении предопределенным образом при предопределенном условии каждая из нагревательных катушек 21-24 нагревает СМР-элементы (группу СМР-элементов), расположенные непосредственно над ней.
Как показано на фиг.1, секция 31 схемы управления формируется в примерном квадрате, стороны которого по осям Х и Y располагаются внутри секции 19 разводки моста, если смотреть сверху (внутри, по существу, замкнутой кривой, очерчиваемой секцией 19 разводки, или в центральной части подложки 10а, если смотреть сверху). Как показано на фиг.3, секция 31 схемы управления формируется в слоях INS1, S1-S3 под СМР-элементами 11-18. Секция 31 схемы управления принимает вид БИС, включающую в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), память с однократной записью и многократным считыванием (ОЗМС) (ниже ради удобства также называемой «первой памятью»), выполненную с возможностью однократной записи данных и многократного считывания данных, и секцию аналоговой схемы. Секция 31 схемы управления предоставляет различные функции, такие как генерирование выходных сигналов посредством получения выходных значений магнитного датчика оси Х и магнитного датчика оси Y (физических величин, обнаруживаемых в виде напряжения на основе значений сопротивления) и обработки, такой как аналого-цифровое преобразование, выходных значений; электрическое возбуждение нагревательных катушек 21-24; получение температуры обнаружения, выводимой секцией 32 обнаружения температуры; получение данных компенсации температуры; и сохранение (запись) данных в первую память.
Так как секция 31 схемы управления, таким образом, располагается в центральной части подложки 10а, может быть сокращена длина проводника секции 31 схемы управления. Следовательно, снижаются сопротивление схемы и сами размеры схемы, так что на схему почти не оказывает влияние шум, и уменьшаются изменения сопротивления в схеме (изменение среди индивидуальных продуктов).
В качестве памяти ОЗМС может использоваться 24-разрядная память типа с разрывом плавких перемычек. Альтернативно, может использоваться память (энергонезависимая память), такая как электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) или флэш-память, так что данные могут записываться в нее и сохраняться в ней даже во время отключения электропитания.
Секция 32 обнаружения температуры принимает вид обычной опорной схемы с выходным напряжением, кратным ширине запрещенной зоны, которая обнаруживает температуру на основе температурной характеристики встроенного транзистора; и формируется в углу секции 31 схемы управления внутри секции 19 разводки моста, если смотреть сверху. Секция 32 обнаружения температуры располагается в слое S1 разводки в положении, которое находится рядом с СМР-элементами 17 и 18 (группа Gr4 элементов), а не с СМР-элементами 11-16, и предназначена для вывода температуры (температуры обнаружения), которая всегда имеет постоянное соотношение с температурой СМР-элемента 18 (группа Gr4 элементов). Как описано ниже, так как магниторезистивные элементы 11-18 нагреваются до одинаковой температуры, температура других магниторезистивных элементов 11-17 может определяться посредством обнаружения температуры только магниторезистивного элемента 18.
С учетом того, что секция 32 обнаружения температуры располагается, таким образом, внутри секции 19 разводки моста в положении, которое находится рядом с группой Gr4 элементов, секция 32 обнаружения температуры может точно обнаруживать температуру СМР-элемента 18. Кроме того, так как секция 32 обнаружения температуры подсоединена к секции 31 схемы управления без пересечения секции 19 разводки моста, может быть сокращена длина проводника между секцией 32 обнаружения температуры и секцией 31 схемы управления.
Испытательные катушки 33a-33d формируются в слое S1 разводки и располагаются непосредственно под соответствующими группами Gr1-Gr4 элементов; на фиг.3 изображена испытательная катушка 33а в качестве примера. При электрическом возбуждении каждая испытательная катушка 33a-33d прикладывает к одному из магниторезистивных элементов, расположенному непосредственно над ней, магнитное поле в направлении обнаружения магнитного поля соответствующего магниторезистивного элемента (магнитное поле в направлении намагниченности фиксированного слоя).
Ниже описывается магнитный датчик 10 в смысле структуры слоев. Как показано на фиг.3, верхняя часть подложки 10а разделена на область 10а1 изоляции элемента, и остальная область служит в качестве области 10а2 активизации элемента. Область 10а1 изоляции элемента формируется на верхней поверхности подложки 10а в качестве изолирующего поле слоя ins по технологии локального оксидирования кремния (ЛОКОК) или технологии изоляции мелкими канавками (ИМК). Технология ЛОКОК представляет собой общеизвестную технологию, которая изолирует и отделяет различные элементы друг от друга при помощи термически оксидированного слоя. Технология ИМК представляет собой общеизвестную технологию, называемую разделением элементов мелкими канавками, и предназначена для разделения различных элементов при помощи внедрения оксидированного слоя в мелкую канавку.
Непосредственно над подложкой 10а и на верхней поверхности изоляционного слоя ins формируется изоляционный слой INS1. Внутри области 10а2 активизации элемента в изоляционном слое INS1 формируются различные схемные элементы, такие как транзисторы Tr. Внутри области 10а1 изоляции элемента в изоляционном слое INS1 формируются различные элементы, такие как резисторы R, плавкие перемычки и конденсаторы. Кроме того, внутри изоляционного слоя INS1 множество контактных окон С1 (соединительных участков, вертикальных соединительных участков), электрически соединяющих схемные элементы, такие как транзисторы Tr, с проводниками и т.д., сформированными в слое S1, расположенном над изоляционным слоем INS1, формируются перпендикулярно поверхностям слоев S1-S3 (для пересечения поверхностей слоев S1-S3). Контактные окна С1 заполняются электропроводящим материалом.
Над изоляционным слоем INS1 формируется слой S1, функционирующий в качестве слоя разводки. Слой S1 включает в себя проводники W1 в виде проводящего слоя, испытательные катушки 33a-33d, междуслойный изоляционный слой IL1 и секцию 32 обнаружения температуры. В междуслойном изоляционном слое IL1 множество сквозных отверстий V1 (соединительных участков, вертикальных соединительных участков) для электрического соединения с проводниками и т.д., сформированными в верхнем слое S2, формируются перпендикулярно поверхностям слоев S1-S3 (для пересечения поверхностей слоев S1-S3). Сквозные отверстия наполняются электропроводящим материалом.
Аналогично, над слоем S1 формируется слой S2, функционирующий в качестве слоя разводки. Слой S2 включает в себя проводники W2 в виде электропроводящего слоя и междуслойный изоляционный слой IL2. В междуслойном изоляционном слое IL2 множество сквозных отверстий V2 (соединительных участков, вертикальных соединительных участков) для электрического соединения с проводниками и т.д., сформированными в верхнем слое S3, формируются перпендикулярно поверхностям слоев S1-S3 (для пересечения поверхностей слоев S1-S3). Сквозные отверстия V2 наполняются электропроводящим материалом.
Также аналогично, над слоем S2 формируется слой S3, функционирующий в качестве слоя разводки. Слой S3 включает в себя проводники W3 в виде электропроводящего слоя, секцию 19 разводки моста, нагревательные катушки 21 (22-24) и междуслойный изоляционный слой IL3. В междуслойном изоляционном слое IL3 множество сквозных отверстий V3 (соединительных участков, вертикальных соединительных участков) для электрического соединения с СМР-элементами 11-18, сформированными на верхней поверхности слоя S3, формируются перпендикулярно поверхностям слоев S1-S3 (для пересечения поверхностей слоев S1-S3). Сквозные отверстия V3 наполняются электропроводящим материалом. Междуслойный изоляционный слой IL3 может представлять собой пассивирующий слой, который включает в себя нитридную пленку, и который отличается от пассивирующего слоя PL, который описывается ниже. Для поддержания характеристик СМР-элементов 11-18 на высоком уровне верхняя поверхность междуслойного изоляционного слоя IL3 предпочтительно выравнивается. Далее, контактные окна С1 и сквозные отверстия V1-V3 представляют собой соединительные участки из проводящего материала, соединяющие между собой СМР-элементы 11-18, секцию 19 разводки моста, служащую в качестве секции разводки, секцию 31 схемы управления и т.д., и проходящие во множестве слоев INS1, S1-S3 в направлениях, пересекающих их поверхности.
Область PD контактной площадки представляет собой область вне участка, на котором формируются СМР-элементы 11-18, секция 19 разводки моста и секция 31 схемы управления; и располагается в углу магнитного датчика 10, если смотреть сверху (см. фиг.1). Верхняя поверхность области PD контактной площадки составляет вышеописанные контактные площадки 34a-34h. Контактные площадки 34a-34h могут формироваться только на самом верхнем слое S3; но в таком случае контактные площадки 34a-34h должны выдерживать воздействие во время приваривания проводников из Au. Следовательно, в настоящем варианте выполнения секции контактных площадок примерно квадратной формы, если смотреть сверху, формируются сквозь множество слоев S1-S3.
Пассивирующий слой PL формируется так, чтобы закрывать верхние поверхности слоя S3 и верхние поверхности СМР-элементов 11-18. При формировании пассивирующего слоя PL сначала предполагаемый пассивирующий слой формируется так, чтобы закрывать все элементы, и затем удаляются участки слоя, соответствующие контактным площадкам 34a-34h. Контактные площадки 34a-34h, таким образом, открыты для приваривания проводников из Au.
Магнитный датчик 10 размещается и устанавливается в сотовом телефоне 40, который представляет собой пример мобильного электронного оборудования, и лицевая поверхность которого изображена на схематическом виде спереди на фиг.9. Сотовый телефон 40 включает в себя кожух (корпус) 41, который имеет приблизительно прямоугольную форму, стороны которого проходят по перпендикулярно пересекающимся осям х и у, если смотреть на вид спереди, и глубина которого проходит по оси z, перпендикулярно осям х и у; антенну 42, расположенную на верхней боковой поверхности кожуха 41; громкоговоритель 43, расположенный в самой верхней части передней стороны кожуха 41; жидкокристаллический дисплей 44, расположенный на передней стороне кожуха 41 под громкоговорителем 43 и предназначенный для отображения знаков и графики; операционную секцию 45 (средство ввода рабочего сигнала), расположенную на передней стороне кожуха 41 под жидкокристаллическим дисплеем 44 и имеющую выключатели, которые используются для ввода телефонного номера или других командных сигналов; микрофон 46, расположенный в самой нижней части передней стороны кожуха 41; и микрокомпьютер 47, который конфигурируется так, чтобы он мог устанавливать связь с магнитным датчиком 10, дисплеем 44 и т.д. по шине, и который содержит оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и резервную память (которая может быть в виде ЭСППЗУ, которое представляет собой память, сохраняющую данные даже во время отключения основного источника питания, и называется ради удобства «второй памятью»).
Некоторые или все из антенны 42, громкоговорителя 43, жидкокристаллического дисплея 44, операционной секции 45 и микрофона 46 включают в себя компоненты с постоянным магнитом (элементы, создающие магнитное поле рассеяния) в качестве компонентов. Магнитный датчик 10 размещается и закрепляется в кожухе 41 так, что оси X, Y и Z магнитного датчика выравниваются с осями х, у и z кожуха, соответственно.
Ниже описывается способ компенсации зависящей от температуры характеристики сконфигурированного таким образом магнитного датчика 10. В общих чертах, магниторезистивный элемент, такой как СМР-элемент, имеет зависящую от температуры характеристику, так что, например, сопротивление увеличивается с увеличением температуры вследствие характеристики материала элемента; данная зависящая от температуры характеристика является специфической для индивидуального элемента. Следовательно, вышеописанный магнитный датчик 10 (каждый из магнитного датчика оси Х и магнитного датчика оси Y), содержащий схему полного моста из четырех СМР-элементов, также имеет зависящую от температуры характеристику, так что выходное значение магнитного датчика изменяется с изменением температуры. Зависящие от температуры характеристики индивидуальных СМР-элементов, составляющих магнитный датчик 10, классифицируются на два различных типа; т.е. тип, в котором выходное значение магнитного датчика 10 увеличивается с повышением температуры СМР-элемента, и другой тип, в котором выходное значение магнитного датчика 10 уменьшается с повышением температуры СМР-элемента.
На фиг.10 и 11 представлены графики, изображающие, соответственно, вышеупомянутые примерные зависящие от температуры характеристики магнитного датчика. В примере, показанном в данном случае, магнитный датчик оси Х имеет отрицательную зависящую от температуры характеристику; и магнитный датчик оси Y имеет положительную зависящую от температуры характеристику. На этих графиках сплошные линии представляют выходные значения Vxout и Vyout соответствующих магнитных датчиков, когда компонентами Х и Y внешнего магнитного поля (например, геомагнетизма в предопределенном месте в предопределенное время) являются НХО и HYO, соответственно; и линии со штрихом и одной точкой представляют выходные значения Vxout и Vyout соответствующих магнитных датчиков, когда внешним магнитным полем (например, магнитным полем рассеяния от компонентов с постоянным магнитом сотового телефона 40) в отсутствие любого влияния геомагнетизма являются НХ1 и HY1, соответственно.
Как понятно из фиг.10 и 11, выходные значения Vxout и Vyout магнитного датчика 10 изменяются примерно пропорционально температуре СМР-элемента относительно одинакового магнитного поля. Следовательно, в настоящем изобретении зависящая от температуры характеристика компенсируется с предположением, что выходные значения Vxout и Vyout соответствующего магнитного датчика изменяются пропорционально температуре СМР-элемента.
Сначала, когда устанавливается предопределенное условие для получения данных для компенсации зависящей от температуры характеристики в ответ, например, на ввод командного сигнала извне, секция 31 схемы управления получает в качестве первой температуры T1s температуру обнаружения, выводимую секцией 32 обнаружения температуры, причем эта температура соответствует текущей температуре Т1 СМР-элемента 18. В данный момент, так как весь магнитный датчик 10 имеет равномерную температуру (комнатную температуру), температура Т1s обнаружения, выводимая секцией 32 обнаружения температуры, равна температуре Т1 СМР-элемента 18. Одновременно, секция 31 схемы управления получает текущее выходное значение X1 магнитного датчика оси Х (первое выходное значение X1 магнитного датчика оси X) и текущее выходное значение Y1 магнитного датчика оси Y (первое выходное значение Y1 магнитного датчика оси Y). Затем секция 31 схемы управления подает ток 100 мА на нагревательные катушки 21-24 последовательно на каждую в течение 100 мс. Группы Gr1-Gr4 элементов, таким образом, нагреваются примерно до одинаковой температуры.
На фиг.12 представлена диаграмма, изображающая изотермы на поверхности магнитного датчика, на которой формируются группы Gr1-Gr4 элементов, при помощи кривых Lh1-Lh4 и Lo1-Lo4. Температура Temp в точках на каждой изотерме, представленной соответствующей кривой Lh1-Lh4, примерно одинаковая. Температура в точках на каждой изотерме, представленной соответствующей кривой Lo1-Lo4, одинаковая между собой, но меньше, чем вышеупомянутая температура Temp. Таким образом, так как нагревательные катушки 21-24 при электрическом возбуждении нагревают, главным образом, соответствующие группы Gr1-Gr4 элементов (расположенные непосредственно над соответствующими нагревательными катушками), но не нагревают равномерно весь магнитный датчик 10 (микрокристалл), температура верхней поверхности слоя S3, на которой формируются группы Gr1-Gr4 элементов, неравномерная, и такая неоднообразная температура всей верхней поверхности слоя S3 меньше, чем температура групп Gr1-Gr4 элементов.
В данном состоянии секция 31 схемы управления сначала получает текущую температуру обнаружения, выводимую секцией 32 обнаружения температуры, в качестве температуры T2s, и затем вычисляет вторую температуру Т2 СМР-элемента 18 согласно постоянному соотношению между температурой, выводимой секцией 32 обнаружения температуры, и температурой СМР-элемента 18, причем данное соотношение выражается формулой T2=T1s+k·(T2s-T1s) (k представляет собой постоянную, определяемую в результате экспериментов). Кроме того, секция 31 схемы управления получает текущее выходное значение магнитного датчика оси Х (второе выходное значение Х2 магнитного датчика оси X) и текущее выходное значение Y2 магнитного датчика оси Y (второе выходное значение Y2 магнитного датчика оси Y).
Далее, секция 31 схемы управления вычисляет градиенты Мх и My (величины изменения выходного значения на единичное изменение температуры), которые определяются по следующим формулам (1) и (2), в качестве основных данных для компенсации зависящей от температуры характеристики, и записывает градиенты Мх и My в вышеописанную первую память (данная функция соответствует функции средства записи зависящей от температуры характеристики). Градиент Мх представляет собой «отношение» разности между первым и вторым выходными значениями X1 и Х2 магнитного датчика оси Х к разности между первой и второй температурами Т1 и Т2; и градиент My представляет собой «отношение» разности между первым и вторым выходными значениями Y1 и Y2 магнитного датчика оси Y к разности между первой и второй температурами Т1 и Т2.
Посредством вышеописанной процедуры получение основных данных для компенсации зависящей от температуры характеристики завершается на этапе, на котором магнитный датчик еще не был установлен в сотовом телефоне. После этого магнитный датчик 10 выдерживают до тех пор, пока магнитный датчик 10 не охладится в достаточной степени, после чего производственный процесс переходит на следующий этап. На фиг.13 представлен график, изображающий зависимость между промежутком времени после окончания электрического возбуждения нагревательных катушек 21-24 для получения вышеописанных основных данных для компенсации зависящей от температуры характеристики и изменением температуры СМР-элементов 11-18.
Если СМР-элементы 11-18 подвергают действию сходного изменения температуры посредством использования блока обычного нагревания/охлаждения, весь магнитный датчик 10 нагревается/охлаждается, что требует удлиненного периода времени нагревания. Далее, после окончания нагревания температура СМР-элементов 11-18 падает исключительно с малой скоростью, так что требуемое охлаждение СМР-элементов иногда занимает от нескольких минут до 20 минут. В противоположность этому, в настоящем варианте выполнения, так как нагреваются, главным образом, группы Gr1-Gr4 элементов (СМР-элементы 11-18), может быть сокращен период времени, необходимый для нагревания СМР-элементов 11-18. Кроме того, так как температура СМР-элементов 11-18 падает с увеличенной скоростью (с более высокой скоростью) после окончания нагревания, требуемое охлаждение завершается примерно через несколько секунд, как показано на фиг.13. Поэтому основные данные для компенсации зависящей от температуры характеристики могут быть получены в течение короткого периода времени, и производственный процесс может перейти к следующему этапу в течение короткого периода времени после того, как будут получены вышеописанные основные данные.
Потом после завершения этапов, необходимых для производства магнитного датчика 10, магнитный датчик 10 устанавливается (размещается) в кожухе 41 сотового телефона 40, оборудованного компонентом с постоянным магнитом, таким как громкоговоритель 43, и используется в качестве датчика геомагнетизма. В результате магнитное поле рассеяния постоянного направления непрерывно прикладывается от компонента с постоянным магнитом к магнитному датчику 10 сотового телефона 40 (независимо от направления сотового телефона 40), и, поэтому, выходное значение магнитного датчика 10 испытывает смещение (сдвиг от нуля в случае отсутствия геомагнетизма) вследствие магнитного поля рассеяния. Далее, так как магнитный датчик оси Х и магнитный датчик оси Y выполнены в виде схемы полного моста, выходное значение обоих магнитных датчиков также содержит смещение в результате изменения значений сопротивления (хотя значения разрабатываются такие, чтобы они были идентичными друг другу) магниторезистивных элементов, составляющих магнитный датчик.
В данный момент выходное значение магнитного датчика оси Х магнитного датчика 10 изменяется пропорционально температуре Т СМР-элементов 11-14, составляющих магнитный датчик оси X, как указано линией со штрихом и одной точкой на фиг.10. В данном случае наклон (градиент) прямой линии со штрихом и одной точкой на фиг.10 идентичен наклону сплошной прямой линии на фиг.10. Аналогично, выходное значение магнитного датчика оси Y магнитного датчика 10 изменяется пропорционально температуре Т СМР-элементов 15-18, составляющих магнитный датчик оси Y, как указано прямой линией со штрихом и одной точкой на фиг.10. В данном случае также наклон прямой линии со штрихом и одной точкой идентичен наклону сплошной прямой линии на фиг.11.
Когда устанавливается предопределенное условие (условие получения смещения) в ответ, например, на операцию операционной секции 45 сотового телефона 40, вводимую пользователем, микрокомпьютер 47 сотового телефона 40 получает данные (значения смещения) смещения магнитного датчика 10 (магнитного датчика оси X, магнитного датчика оси Y) вследствие магнитного поля рассеяния и изменений значений сопротивления магниторезистивных элементов 11-18. В более конкретном примере, микрокомпьютер 47 отображает на жидкокристаллическом дисплее 44 сообщение, которое подсказывает пользователю сначала положить сотовый телефон 40 на верхнюю часть стола его передней стороной, обращенной вверх (т.е. передней стороной сотового телефона 40, принимающей приблизительно горизонтальное положение, и дисплеем 44, обращенным вертикально вверх), и затем нажать кнопку смещения, которая является особой кнопкой операционной секции 45, пока кнопка смещения не примет состояние «ВКЛ».
Когда пользователь выполнит вышеупомянутую операцию, микрокомпьютер 47 получает соответствующие выходные значения магнитных датчиков оси Х и оси Y в качестве первых эталонных данных Sх1 оси Х и первых эталонных данных Sy1 оси Y и сохраняет/запоминает эти данные во временной памяти (например, ОЗУ), связанной с микрокомпьютером 47.
Затем микрокомпьютер 47 отображает на дисплее 44 сообщение, которое подсказывает пользователю повернуть сотовый телефон 40 на 180° на верхней части стола (т.е. в горизонтальной плоскости) с его передней стороной, обращенной вверх, и снова нажать на кнопку смещения. Когда пользователь выполнит эту операцию, микрокомпьютер 47 получает соответствующие выходные значения магнитных датчиков оси Х и оси Y в качестве вторых эталонных данных Sx2 оси Х и вторых эталонных данных Sy2 оси Y и сохраняет/запоминает эти данные во временной памяти.
Также микрокомпьютер 47 сохраняет/запоминает среднее значение первых эталонных данных Sx1 оси Х и вторых эталонных данных Sx2 оси Х во второй памяти в качестве эталонных данных Х0 смещения оси X; сохраняет/запоминает среднее значение первых эталонных данных Sy1 оси Y и вторых эталонных данных Sy2 оси Y во второй памяти в качестве эталонных данных Y0 смещения оси Y; и сохраняет/запоминает текущую температуру T0s обнаружения секции 32 обнаружения температуры во второй памяти в качестве температуры Т0 СМР-элемента. Причина записи среднего значения выходных значений каждого магнитного датчика перед и после поворота сотового телефона 40 на 180° в качестве эталонных данных Х0 и Y0 смещения заключается в получении значений смещения, в то же самое время исключая влияние геомагнетизма. Так как температура магнитного датчика 10 равномерная (комнатная температура), когда получают температуру Т0 обнаружения, температура T0s обнаружения равняется температуре Т0 СМР-элемента.
После этого сотовый телефон 40 возвращается в обычный режим работы для его использования, и измеряют геомагнетизм при помощи магнитного датчика 10, когда необходимо. В данный момент, микрокомпьютер 47 получает фактическую температуру TCs обнаружения секции 32 обнаружения температуры в качестве температуры ТС СМР-элемента, чтобы, таким образом, оценить текущее смещение Xoff магнитного датчика оси Х и текущее смещение Yoff магнитного датчика оси Y по следующим формулам (3) и (4), соответственно. Так как температура магнитного датчика 10 равномерная (комнатная температура), когда получают температуру TCs обнаружения, температура TCs обнаружения равняется температуре ТС СМР-элемента.
Затем микрокомпьютер 47 получает текущее выходное значение ХС магнитного датчика оси Х и текущее выходное значение YC магнитного датчика оси Y для вычисления, таким образом, величины Sx магнитного поля в направлении оси Х и величины Sу магнитного поля в направлении оси Y по следующим формулам (5) и (6), соответственно. После завершения компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика 10, выполняемой вышеописанным образом, магнитный датчик 10 функционирует в качестве датчика геомагнетизма.
Как описано выше в данной заявке, в соответствие с магнитным датчиком 10 первого варианта выполнения, так как, главным образом, СМР-элементы 11-18, сформированные непосредственно над соответствующими нагревательными катушками 21-24, нагреваются при помощи нагревательных катушек 21-24 (т.е. часть магнитного датчика 10, включая подложку, нагревается до более низкой температуры, чем температура магниторезистивных элементов 11-18, которые нагреваются до одинаковой температуры), основные данные для компенсации зависящей от температуры характеристики могут быть получены в течение короткого периода времени по сравнению со случаем, когда весь магнитный датчик 10 нагревается при помощи нагревательного устройства. Поэтому маловероятно, что геомагнетизм будет изменяться во время измерения для получения основных данных для компенсации зависящей от температуры характеристики; и, следовательно, такие данные могут быть получены точным образом. Следовательно, зависящая от температуры характеристика магнитного датчика 10 может точно компенсироваться. Далее, так как магнитный датчик 10 может охлаждаться в течение короткого промежутка времени по сравнению со случаем, когда магнитный датчик охлаждается после его нагрева нагревательным устройством, может быть сокращен период времени, необходимый для производства магнитного датчика 10, таким образом снижая затраты на производство.
В общих чертах, в магнитном датчике, использующем магниторезистивный элемент, такой как СМР-элементы, когда сильное внешнее магнитное поле действует на магнитный датчик, направление намагниченности свободного слоя магниторезистивных элементов может не восстанавливаться до своего первоначального состояния. Следовательно, магнитный датчик предпочтительно конфигурируется так, что катушки инициализации располагаются непосредственно под магниторезистивными элементами, и что, когда катушки намагниченности электрически возбуждаются в результате установления предопределенного условия (например, срабатывания конкретного выключателя операционной секции 45), катушки инициализации создают магнитное поле для восстановления направления намагниченности свободного слоя в его первоначальное состояние.
В данном случае, в магнитном датчике вышеупомянутые катушки инициализации могут быть предусмотрены независимо от вышеупомянутых нагревательных катушек 21-24. Например, катушки инициализации могут формироваться в слое (слое S1 или слое S2 в настоящем варианте выполнения), а не в слое (слое S3 в настоящем варианте выполнения), в котором формируются нагревательные катушки 21-24. Если катушки инициализации и нагревательные катушки предусматриваются, таким образом, независимо друг от друга, тогда индивидуальные нагревательные катушки могут быть разработаны требуемой формы (формы, подходящей для нагревания). Например, нагревательная катушка может быть в виде оборотного нагревателя (тепловыделяющего элемента), один конец которого располагается вне центра катушки. Кроме того, вместо нагревательной катушки может использоваться листообразный нагреватель (тепловыделяющий элемент).
Альтернативно, нагревательные катушки 21-24, как упомянуто выше, могут служить в качестве катушек инициализации. В данном случае, необязательно создание специальных катушек инициализации, таким образом снижая затраты на производство магнитного датчика 10. Далее, если нагревательные катушки 21-24 электрически возбуждены, нагревание и инициализация элементов 11-18 может выполняться одновременно для получения основных данных для компенсации температурной характеристики, таким образом упрощая производственный процесс и снижая затраты на производство.
Далее, как описано выше, магнитный датчик, использующий магниторезистивные элементы, такие как СМР-элементы 11-18, может использоваться также в качестве датчика геомагнетизма, который вычисляет направление посредством арифметической обработки выходных значений магниторезистивных элементов, причем эти значения изменяются с изменением величины внешнего магнитного поля. В данном случае, на этапе отгрузки и т.д. должно выполняться испытание для проверки, правильно ли функционируют магниторезистивные элементы во внешнем магнитном поле.
При данном испытании известное внешнее магнитное поле должно прикладываться к магниторезистивным элементам. Для приложения такого известного внешнего магнитного поля к магниторезистивным элементам требуется оборудование для создания внешнего магнитного поля. Однако такое оборудование дорогое. Следовательно, в качестве альтернативы, магнитный датчик может конфигурироваться так, что испытательные катушки располагаются рядом с магниторезистивными элементами (например, непосредственно под ними), и что при электрическом возбуждении испытательные катушки прикладывают к магниторезистивным элементам внешнее магнитное поле для испытания.
В данном случае, в магнитном датчике 10 вышеупомянутые испытательные катушки могут быть предусмотрены независимо от вышеупомянутых нагревательных катушек 21-24. Например, испытательные катушки могут формироваться в слое (слое S1 или слое S2 в настоящем варианте выполнения), а не в слое (слое S3 в настоящем варианте выполнения), в котором формируются нагревательные катушки 21-24. Если испытательные катушки и нагревательные катушки предусматриваются, таким образом, независимо друг от друга, индивидуальная нагревательная катушка может быть разработана требуемой формы (формы, подходящей для нагревания). Например, нагревательная катушка может быть в виде оборотного нагревателя (тепловыделяющего элемента), один конец которого располагается вне центра катушки. Далее, вместо нагревательной катушки может использоваться листообразный нагреватель (тепловыделяющий элемент).
Альтернативно, нагревательные катушки 21-24 могут устанавливаться в положении, смещенном на угол 90°, если смотреть сверху, так что нагревательные катушки 21-24 могут служить также в качестве вышеупомянутых испытательных катушек. В данном случае, катушки, выделенные для испытания, становятся необязательными, таким образом снижая стоимость магнитного датчика 10.
Далее, в вышеупомянутом магнитном датчике 10 каждая нагревательная катушка 21 (22-24) включает в себя первый проводник 21-1, образующий спираль, если смотреть сверху, и второй проводник 21-2, образующий спираль, если смотреть сверху; группы Gr1-Gr4 элементов располагаются между центром Р1 спирали первого проводника и центром Р2 спирали второго проводника, если смотреть сверху; и первый и второй проводники соединяются между собой так, что ток протекает примерно в одинаковом направлении как в части первого проводника, которая перекрывает произвольную группу элементов, если смотреть сверху, так и части второго проводника, которая перекрывает произвольную группу элементов, если смотреть сверху.
В результате, сильное магнитное поле (например, магнитное поле достаточно сильное для инициализации) может прикладываться к магниторезистивным элементам 11-18, тогда как минимизируются области нагревательных катушек 21-24, служащих также в качестве катушек инициализации (или испытательных катушек), если смотреть сверху, посредством чего могут быть уменьшены размеры магнитного датчика 10.
В первом варианте выполнения для нагревания СМР-элементов подается ток 100 мА последовательно на нагревательные катушки 21-24 для каждой в течение 100 мс; альтернативно, например, ток 25 мА может подаваться на все нагревательные катушки 21-24 одновременно в течение 400 мс. При таком одновременном возбуждении может достигаться лучший тепловой баланс между нагревательными катушками 21-24 по сравнению со случаем последовательного возбуждения.
(Второй вариант выполнения)
Ниже описывается магнитный датчик 50 согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения с ссылкой на фиг.14, на которой изображен вид сверху магнитного датчика 50, и фиг.15, на которой представлен местный поперечный разрез магнитного датчика 50 по линии 1-1 на фиг.14. Магнитный датчик 50 идентичен по конфигурации магнитному датчику 10 первого варианта выполнения, за исключением того, что нагревательная катушка 70 для нагревания СМР-элементов 11-18 (групп Gr1-Gr4 элементов) устанавливается независимо от катушек 61-64 инициализации. Поэтому последующее описание сосредотачивается, главным образом, на данном модифицированном вопросе.
Подобно соответствующим нагревательным катушкам 21-24 катушки 61-64 инициализации фиг.14 и 15 встроены в слой S3 непосредственно под группами Gr1-Gr4 элементов, соответственно (в отрицательном направлении Z). При электрическом возбуждении при предопределенном условии (например, перед обнаружением магнетизма) катушки 61-64 инициализации создают в каждом из свободных слоев магниторезистивных элементов, расположенных над соответствующими нагревательными катушками, магнитное поле (инициализирующее магнитное поле) предопределенного направления (направления, перпендикулярного направлению зафиксированной намагниченности соответствующего фиксированного слоя).
Нагревательная катушка 70 принимает вид, например, тонкого слоя алюминия и имеет спиральную форму (не показана), если смотреть сверху. Форма нагревательной катушки 70 аппроксимирует квадрат, стороны которого параллельны соответствующим сторонам квадрата, определяемого секцией 19 разводки моста, и центроид которой выровнен с центроидом квадрата секции 19 разводки моста. Нагревательная катушка 70 формируется внутри секции 19 разводки моста, если смотреть сверху. Далее, как понятно из фиг.15, нагревательная катушка 70 встраивается и формируется из числа изоляционного слоя INS1 и слоев S1-S3 разводки, наложенных последовательно на подложку 50а, в слое S3 (самом верхнем слое из слоев S1-S3, функционирующих в качестве слоев разводки), на верхней поверхности которого формируются СМР-элементы 11-18.
Далее, нагревательная катушка 70 конфигурируется так, что количество тепла, которое должно передаваться от нагревательной катушки 70 на произвольный один из множества СМР-элементов 11-18, приблизительно равно количеству тепла, которое должно передаваться от нагревательной катушки 70 на другой из множества магниторезистивных элементов 11-18.
В данном магнитном датчике 50, как и в магнитном датчике 10, выполняется компенсация зависящей от температуры характеристики. А именно, на этапе, на котором магнитный датчик еще не был установлен в сотовом телефоне, нагревательные катушки 70 электрически возбуждаются для получения вышеописанных отношений (градиентов) Мх и My, которые представляют собой основные данные для компенсации зависящей от температуры характеристики. На фиг.16 показаны изотермы на поверхности, на которой формируются группы Gr1-Gr4 элементов, при помощи кривых Lj1 и Lj2. Температура изотермы, представленной кривой Lj1, выше температуры изотермы, представленной кривой Lj2.
А именно, при электрическом возбуждении нагревательная катушка 70 нагревает, главным образом, группы Gr1-Gr4 элементов. В результате температура групп Gr1-Gr4 элементов становится примерно равной. В противоположность этому, когда группы Gr1-Gr4 элементов нагреваются до температуры, достаточно высокой для получения основных данных для компенсации зависящей от температуры характеристики, весь магнитный датчик 50, включая подложку 50а, нагревается неравномерно, так что температура верхней поверхности слоя S3, причем на этой поверхности формируются группы Gr1-Gr4 элементов, становится неравномерной вследствие выделения тепла нагревательной катушкой 70.
Другими словами, в магнитном датчике 50, когда получают основные данные для компенсации зависящей от температуры характеристики, СМР-элементы 11-18 не нагреваются (не требуют нагрева) до такой температуры, что весь магнитный датчик 50, включая подложку 50а, приобретает равномерную температуру. Поэтому период времени, необходимый для нагревания/охлаждения СМР-элементов 11-18, может быть сокращен по сравнению со случаем, когда весь магнитный датчик 50 нагревается при помощи нагревательного устройства.
Поэтому согласно магнитному датчику 50 основные данные для компенсации зависящей от температуры характеристики могут быть получены в течение короткого периода времени, во время которого маловероятно, что геомагнетизм будет изменяться, посредством чего данные могут быть получены точно. В результате, может точно компенсироваться зависящая от температуры характеристика магнитного датчика 50.
Далее, так как магнитный датчик 50 может охлаждаться в течение короткого периода времени по сравнению со случаем, когда магнитный датчик 50 охлаждается после нагрева с использованием нагревательного устройства, может быть сокращен период времени, необходимый для производства магнитного датчика 50, и могут быть снижены затраты на производство. Кроме того, так как нагревательная катушка 70 встроена в слой S3, который является самым верхним слоем из трех слоев S1-S3 разводки и самым ближним к СМР-элементам 11-18, СМР-элементы 11-18 могут нагреваться эффективно.
Альтернативно, вместо вышеупомянутых катушек 61-64 инициализации вышеупомянутая испытательная катушка может располагаться в этой же области, которая была занята катушками инициализации. В качестве другой альтернативы, испытательная катушка может формироваться независимо от катушек 61-64 инициализации и нагревательной катушки 70 так, чтобы располагаться непосредственно под катушками 61-64 инициализации. В качестве еще другой альтернативы катушки инициализации могут формироваться в нижнем слое, таком как слой S1, тогда как испытательная катушка может формироваться в верхнем слое, таком как слой S3.
Как описано выше в данной заявке, с магнитным датчиком и способом компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика согласно настоящему изобретению можно точно компенсировать зависящую от температуры характеристику магнитного датчика. Далее, с учетом того факта, что магнитный датчик 10, 50, включающий в себя магнитные датчики оси Х и оси Y, конфигурируется в виде схемы полного моста, и зависящая от температуры характеристика магнитного датчика изменяется пропорционально изменениям температуры магниторезистивного элемента, вышеупомянутые «отношения» Mx, Му хранятся в памяти ОЗМС магнитного датчика. Поэтому, после того как магнитный датчик будет установлен в электронном устройстве, электронное устройство может считать «отношения» из памяти, чтобы таким образом получить данные зависящей от температуры характеристики магнитного датчика, и может компенсировать зависящую от температуры характеристику магнитного датчика посредством использования полученных данных.
Далее, так как данные зависящей от температуры характеристики каждого магнитного датчика 10, 50 могут быть сохранены в магнитном датчике посредством простого запоминания вышеупомянутых «отношений» (градиентов Mx, Му) в памяти магнитного датчика 10 или 50, количество данных, подлежащих запоминанию в памяти, может быть минимизировано по сравнению со случаем, когда множество наборов данных, причем каждый включает в себя температуру элемента и выходное значение магнитного датчика, хранится в памяти. Кроме того, так как вышеупомянутые «отношения» (градиенты Мх и Му) не изменяются, память может быть типа ОЗМС, которая является недорогой. Как результат вышеупомянутого, может быть снижена стоимость магнитного датчика.
Настоящее изобретение не ограничивается вышеупомянутыми вариантами выполнения, и могут быть возможны различные модификации без отступления от объема изобретения. Например, для магниторезистивных элементов магнитного датчика 10 или 50 могут использоваться ТМР-элементы вместо СМР-элементов. Далее, электронное устройство, в которое должен устанавливаться магнитный датчик 10 или 50, не ограничивается сотовым телефоном. А именно, они могут размещаться в других электронных устройствах, таких как мобильный компьютер, портативная навигационная система или ПЦП (оборудование персональной информации, называемое «персональным цифровым помощником»).
Далее, в каждом из вышеупомянутых вариантов выполнения первую температуру Т1 СМР-элемента 18, первое выходное значение X1 магнитного датчика оси Х и первое выходное значение Y1 магнитного датчика оси Y получают до электрического возбуждения нагревательных катушек 21-24 или 70; и вторую температуру Т2 СМР-элемента 18, второе выходное значение Х2 магнитного датчика оси Х и второе выходное значение Y2 магнитного датчика оси Y получают после электрического возбуждения нагревательных катушек 21-24 или 70; после чего вычисляют градиенты Mx, Му. Однако варианты выполнения могут быть модифицированы так, что первую температуру Т1 СМР-элемента 18, первое выходное значение X1 магнитного датчика оси Х и выходное значение Y1 магнитного датчика оси Y получают после электрического возбуждения нагревательных катушек 21-24 или 70; вторую температуру Т2 СМР-элемента 18, второе выходное значение Х2 магнитного датчика оси Х и второе выходное значение Y2 магнитного датчика оси Y получают по истечении предопределенного времени после окончания электрического возбуждения нагревательных катушек 21-24 или 70; и затем вычисляют градиенты Мх и Му.
Кроме того, как показано на фиг.17, нагревательная катушка 70 второго варианта выполнения может быть заменена нагревательной катушкой 80, имеющей температурный рельеф с вырезом, соответствующим центральной части нагревательной катушки 70. Согласно данной альтернативной нагревательной катушке 80 магниторезистивные элементы 11-18 могут нагреваться примерно до одинаковой температуры при электрическом возбуждении нагревательной катушки 80; и центральная часть магнитного датчика 50 (подложка 50а) не перегревается. Поэтому СМР-элементы 11-18 могут нагреваться с повышенной эффективностью.
Далее, нагревательная катушка, катушка инициализации и испытательная катушка могут формироваться независимо друг от друга так, чтобы накладываться друг на друга в положении, которое находится непосредственно под каждой группой СМР-элементов. В данном случае, как лучше показано на фиг.18, слой INS1 и четыре слоя S1-S4 разводки последовательно накладываются друг на друга на подложку; и нагревательная катушка 101, катушка 102 инициализации и испытательная катушка 103 могут формироваться в слое S4, слое S3 и слое S1, соответственно. Далее, разводка моста может проходить по множеству слоев.
Кроме того, настоящее изобретение может применяться не только в магнитном датчике типа обнаружения направления по двум осям, оснащенного магнитными датчиками оси Х и оси Y, но также в магнитном датчике типа обнаружения направления по трем осям, оснащенном магнитными датчиками оси X, оси Y и оси Z, или магнитном датчике типа обнаружения направления по одной оси.
Реферат
Предложенное изобретение относится к магнитному датчику, использующему магниторезистивный элемент. Целью изобретения является создание магнитного датчика, который выполнен с возможностью измерения недорогим и точным образом зависящей от температуры характеристики в течение короткого периода времени, и создание способа точной компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика. Предложенный магнитный датчик содержит множество магниторезистивных элементов, сформированных на верхней поверхности слоя, наложенного на подложку, и множество тепловыделяющих элементов, предназначенных для выделения тепла при электрическом возбуждении. При этом упомянутое множество тепловыделяющих элементов располагается и конфигурируется так, что, когда каждый из упомянутого множества тепловыделяющих элементов выделяет количество тепла, примерно равное количеству тепла, выделяемому любым одним из оставшихся тепловыделяющих элементов для получения данных, касающихся температурной характеристики магнитного датчика, температуры упомянутого множества магниторезистивных элементов становятся примерно равными друг другу, и становится неравномерной температура верхней поверхности упомянутого слоя, на которой формируется упомянутое множество магниторезистивных элементов, и конфигурируется так, что каждый из упомянутого множества тепловыделяющих элементов не выделяет никакого тепла, когда магнитный датчик используется для измерения внешнего магнитного поля в режиме обычной работы, температуры упомянутого множества магниторезистивных элементов становятся равными температуре магнитного датчика. Описанное устройство реализует соответствующий способ компенсации зависящей от температуры характеристики магнитного датчика. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 18 ил.
