CN100368820C - 自旋阀型数字式磁场传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自旋阀型数字式磁场传感器，包括：片基；片基上所形成的若干个具有一定厚度的自由层和钉扎层的自旋阀元件，每个自旋阀元件的自由层和钉扎层厚度之和相等且零场时电阻相等；参考电阻，其电阻不随磁场变化；电路部分，包括一个双态或三态电压或电阻比较器和一个扫描电源电路，扫描电源电路与自旋阀和参考电阻相连，依次向每个自旋阀元件发出脉冲电流，比较器与每个自旋阀元件及参考电阻相连，分别比较参考电阻与每个自旋阀之间的电阻大小并输出信号。本发明灵敏度比现有的GMR磁性传感器灵敏度提高20-40倍，并且不存在通常传感器的线性度的问题；同时由于是数字式的，所以有着很强的抗干扰能力。

Description

自旋阀型数字式磁场传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种传感器件，尤其涉及一种带有自旋阀磁阻元件和比较器的数字式磁场传感器件。

背景技术

磁场传感器有广泛的商业用途，如计算机磁头，磁性编码器，位置传感器，无刷直流电机，VCD，DVD，电流计，指南针等等，目前使用最广泛的磁场传感器是霍尔磁场传感器，即以霍尔效应为基础的，用于感知100至1000奥斯特(Oe)范围的磁场，另一种通用的磁场传感器是以半导体或铁磁材料中的磁阻(MR)效应为基础，用于感知与霍尔效应传感器相比较小的磁场和在较远距离上的磁场。MR磁场传感器通过磁性材料制成的敏感元件中电阻的变化来检测磁场信号，作为敏感元件所感知的磁场强度和方向的函数。

传统的MR磁场传感器是基于各向异性磁阻效应(AMR)，被传感的外部磁场造成敏感元件电阻的变化，导致相应的电流或电压的变化。由AMR制成的电桥电路用作感知大约50Oe以下的磁场。在磁性多层膜中已观测到另一种更显著的磁阻，巨磁电阻(GMR)。其特点是至少有两个铁磁金属层被一个非铁磁金属层分开。GMR多层膜有多种结构，其物理根源都是起源于电子的自旋相关散射。GMR的一个特别有用的结构就是所谓的自旋阀(spin valve)，其结构特点是两个不耦合或耦合很小的铁磁层被一个非磁性金属层分开，其中一个铁磁层被另一个反铁磁层钉扎住，叫钉扎层，另一个铁磁层可以随外磁场自由转动，叫自由层。当自由层的磁化强度方向在外磁场的作用下与钉扎层的磁化强度方向由平行到反平行时，电阻的大小就由小到大变化。通过测量自旋阀多层膜的电阻变化就可以知道外磁场的大小。这样就造成一个自旋阀磁性传感器。IBM的美国专利第5206590号显示了一种基本的自旋阀磁性传感器。IBM的美国专利第5159513号显示的一种传感器中至少几个铁磁层之一是钴或钴合金，而且自由层和钉扎层在零外加磁场时相互垂直。这是由最线型响应和最宽动态范围的自旋阀磁性传感器，其中钉扎层的磁化强度平行于信号场。IBM的美国专利5341261提出了一种自旋阀磁性传感器，其与非磁性层相邻处有一钴薄层以增大磁电阻。Heim等人在“自旋阀磁性传感器的设计与制造”(IEEE Transactions on Magnetics 30 316-321 1994)一文，以及Daughton等在“应用于低场的GMR材料”(IEEE Transactionson Magnetics，29 2705-2710)一文中，建议在桥电路中使用GMR元件制作磁性传感器，这个设计方案的专利最终被IBM公司获得。它利用了自旋阀传感器的优于AMR传感器而改进了磁性传感器的性能。很快美国有了第一家专门生产GMR磁性传感器的公司：NVE公司，他们所生产的GMR磁性传感器就是这种GMR元件的桥电路设计。采用GMR元件制作的传感器比AMR元件传感器灵敏度提高了5倍。尽管如此，现在的GMR磁性传感器仍然存在灵敏度偏低以及通常传感器的线性度等问题，而且他们都是模拟式的，所以容易受外界环境因素的干扰以及电源稳定性的影响。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种自旋阀型数字式磁场传感器，不存在通常传感器的线性度的问题且灵敏度比现有的GMR磁性传感器灵敏度高。

此外，本发明进一步的目的在于提供一种自旋阀型数字式磁场传感器的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供的一种自旋阀型数字式磁场传感器，包括：片基；以及所述片基上所形成的若干个具有一定厚度的自由层和钉扎层的自旋阀元件，每个所述自旋阀元件的自由层和钉扎层厚度之和相等且零场时电阻相等；参考电阻，其电阻不随磁场变化；电路部分，包括一个双态或三态电压或电阻比较器和一个扫描电源电路，扫描电源电路与自旋阀和参考电阻相连，依次向每个自旋阀元件发出脉冲电流，比较器与每个自旋阀元件及参考电阻相连，分别比较参考电阻与每个自旋阀之间的电阻大小并输出信号。

进一步地，所述自旋阀元件的钉扎层厚度依次变大或变小，而其自由层厚度依次变小或变大。

进一步地，所述自旋阀元件为磁阻元件或隧道结磁阻元件。

本发明提供一种自旋阀型数字式磁场传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)先在片基上利用磁控溅射制备自旋阀材料，在沉积自由层和钉扎层楔形时，将片基旋转180度，得到不同方向的楔形的自旋阀自由层和钉扎层；

2)利用光刻板光刻成等间距的自旋阀元件；

3)最后沉积参考电阻。

本发明的有益效果是：其灵敏度比现有的GMR磁性传感器灵敏度提高20-40倍，并且不存在通常传感器的线性度的问题；同时由于是数字式的，所以有着很强的抗干扰能力。

附图说明

图1是铁磁/反铁磁交换偏置中楔形样品示意图和磁滞回线；

图2是交换偏置中的铁磁层的偏置场和矫顽力与铁磁层厚度的关系；

图3a是自由层和钉扎层是楔形的自旋阀样品示意图；

图3b是自旋阀样品光刻后形成的n个自旋阀元件示意图；

图3c是参考电阻的示意图；

图4是自旋阀型数字式磁场传感器示意图。

具体实施方式：

本发明的磁性传感器主要利用自旋阀磁电阻材料，同时还利用了自旋阀中铁磁/反铁磁交换偏置的一些特性。交换偏置在自旋阀中占据极重要的地位，它是铁磁层和反铁磁层在界面处相互耦合造成的。即当铁磁/反铁磁双层膜在从高于反铁磁层的Neel点的温度在一个外加磁场中冷却下来时，这时铁磁层(即自旋阀中的钉扎层)的磁滞回线的中心将偏离原点，偏离原点的大小叫做交换偏置场，与此现象同时伴随着铁磁层矫顽力的增大，在一定厚度范围内，钉扎层的矫顽力和交换偏置场大小都随着钉扎层的厚度的倒数呈线性关系，数学表示式为： $H_C\∞\frac{1}{t_{\mathrm{FM}}},H_E\∞\frac{1}{t_{\mathrm{FM}}},$ 其中H_c是矫顽力，H_E是交换偏置场，t_FM是钉扎层的铁磁层厚度。这个关系对相当多的铁磁材料和反铁磁材料是成立的，(例如文献PhysicsReview B(58)R147171998，J.Appl.Phys.Vol 62，2929，1987，以及交换偏置的综述文章J.Magn.Magn.Mater 192(1999)203-232)它的物理起源是由于交换偏置是一种界面效应。

在对交换偏置中研究矫顽力和交换偏置场与铁磁层厚度的关系中一种被广泛使用的方法是所谓的楔形样品(wedge)，如图1所示。用这种形状的好处是可以在保持其他条件完全相同的情况下来研究厚度对材料性能的影响。在测量时只要沿楔形方向切，就能获得厚度不同的样品，如图1所示，图2所示的是Py/FeMn双层膜中矫顽力H_c和交换偏置场H_E随厚度变化的关系。

本发明中所采用的自旋阀结构如图3a、b所示，即钉扎层和自由层采用楔形，上面加一层掩模或用光刻的方法沿楔形方向刻下若干个自旋阀元件，每两个元件的距离相等，且每个元件长度和宽度相等，每个元件都是一个自旋阀，只不过它们的钉扎层和自由层的厚度不相同，但总的厚度之和相等。其厚度的大小沿楔形方向呈等差数列变化。这样每个自旋阀元件就由于钉扎层的不同厚度而具有不同的矫顽力和交换偏置场的大小。钉扎层较厚的自旋阀有较小的矫顽力和交换偏置场，钉扎层较薄的自旋阀有较大的矫顽力和交换偏置场。矫顽力和交换偏置场之和为该钉扎层翻转的临界场，用H_n表示(n＝1，2，3...分别对应不同自旋阀元件)。而它们的磁电阻值对铁磁层的厚度在一定范围内是不敏感的。设此时的零场电阻为R＝R₀。每个自旋阀元件在初始或零场时的电阻值相等(与参考电阻值相等)。此时再作大小完全相同的第n+1条线(即参考电阻)，也是相同材料的磁性多层膜，其电阻为R₀，与前面n条线所不同的是，第n+1条线中间的两层磁性层是相连的，如图3c所示，因此不具有巨磁电阻效应，电阻不随外磁场变化。

首先假设自旋阀的初始状态自由层和钉扎层反平行(制备态)，当外磁场沿与自由层平行的方向并且大于H_n时，钉扎层的磁化强度方向将会偏转，引起自旋阀电阻的变化，不同自旋阀的临界翻转场H_n不一致，当外磁场H＞H_n时，第1条至n条自旋阀的钉扎场都会翻转，其电阻会变化。利用一个比较器与参考电阻R₀进行比较，H_n是已知的，而此时H_n的值就等于外磁场的大小，如图4所示。

下面以Py/Cu/Py/FeMn自旋阀材料为例来估算一下这种磁性传感器的灵敏度和分辨率并与桥式和AMR磁性传感器进行比较。当钉扎层Py的厚度在20nm变化到40nm时，H_n(＝H_c+H_E)大小的变化为45Oe左右，假设刻100条宽为3.3微米和长度为500微米的自旋阀元件，则平均分辨率大约0.5Oe，设磁电阻变化2％(室温下最大值可达5％J.Magn.Magn.Mater 136(1994)335-359)，对于供电电压Vin为5V的情况，相应于其相应为每奥斯特200mV(200mV/Oe)，对于当前商用AMR磁性传感器而言，这个值是1.5mV/Oe，对于IBM的GMR磁性传感器，这个值是7.5mV/Oe，显然灵敏度提高了近30倍。如果利用三态比较器，每个自旋阀的两种不同的电阻态，分辨率和灵敏度还可以再提高一倍。而且该方案设计出的传感器不存在以上两种传统传感器的线性度的问题。在所描述的最佳实例中，输入电源是一个恒定电压源，如果输入电源是一个恒流源，该传感器也能工作。要指出的是，该结构不仅对于自旋阀型传感器适用，而且对于同样具有磁电阻效应的隧道结传感器也适用。

Claims (4)

1.一种自旋阀型数字式磁场传感器，其特征在于，包括：片基；所述片基上所形成的若干个具有一定厚度的自由层和钉扎层的自旋阀元件，每个所述自旋阀元件的自由层和钉扎层厚度之和相等且零场时电阻相等；参考电阻，其电阻不随磁场变化；电路部分，包括一个双态或三态电压或电阻比较器和一个扫描电源电路，扫描电源电路与自旋阀和参考电阻相连，依次向每个自旋阀元件发出脉冲电流，比较器与每个自旋阀元件及参考电阻相连，分别比较参考电阻与每个自旋阀之间的电阻大小并输出信号。

2.如权利要求1所述的自旋阀型数字式磁场传感器，其特征在于，所述自旋阀元件的钉扎层厚度依次变大或变小，而其自由层厚度依次变小或变大。

3.如权利要求1或2所述的自旋阀型数字式磁场传感器，其特征在于，所述自旋阀元件为磁阻元件或隧道结磁阻元件。

4.一种如权利要求1所述的自旋阀型数字式磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)先在片基上利用磁控溅射制备自旋阀材料，在沉积自由层和钉扎层楔形时，将片基旋转180度，得到不同方向的楔形的自旋阀自由层和钉扎层；

2)利用光刻板光刻成等间距的自旋阀元件；

3)最后沉积参考电阻。

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