CN100403051C - 测量磁电阻元件中磁致伸缩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直接测量磁电阻元件的所述磁致伸缩常数的方法。所述方法包括以下步骤：1)提供基底，它承载着一个或多个磁电阻元件；2)把所述基底插入弯曲夹具中；3)施加平行于所述基底的DC磁场；4)施加交变磁场，它垂直于所述基底并且平行于所述元件的磁电阻层；5)测量所述元件发出的信号；6)通过弯曲所述基底施加平行于所述基底的机械应力；以及7)改变所述DC磁场，直至达到施加所述机械应力之前测量出的信号。

Description

测量磁电阻元件中磁致伸缩的方法

技术领域

一般说来，本发明涉及磁致伸缩常数的测量。更确切地说，本发明涉及磁电阻器件中的这种测量。

背景技术

在许多情况下都需要测量磁场。这些情况中包括结构的磁化部位的位置或邻域的测量、所存储之磁信息的组成、无须在电流路径中设置测量设备的电流测量等等。

在这些情况下许多磁场效应相对较小，所以需要灵敏的磁传感器.根据磁电阻效应提供的一种磁传感器能够探测这么小的磁场扰动，而且制作成本低廉。使用单片集成电路制造技术时，这些基于磁电阻材料的磁传感器能够制作成薄膜，因此不仅制造成本低廉，而且尺寸相当小巧。通过把磁电阻材料用作电阻器，就布置了一个基于磁电阻材料的磁传感器。电流穿过其中，两端的电压将取决于所述材料在所述电流流经路径上的有效电阻。该电阻值又将取决于所述材料的磁化状态。如果磁化平行于所述电流——对于各向异性磁电阻(AMR)的情况，所述材料将展示出最大电阻，当磁化垂直于所述电流时它就展示出最小电阻。

对于巨磁电阻(GMR)，最大电阻是当非磁性的中间层分开的相邻磁性层的磁化平行对齐时.一个自旋阀系统包括两个磁性层、一个自由层和一个扎钉层，通过一个反铁磁层或者通过反铁磁耦合的扎钉层可以进行扎钉。

在这种系统中的电流可以在平面中(CIP)，也可以垂直于平面(CPP)。所述CPP结构通常用于隧道器件中(隧道磁电阻-TMR)，其中所述非磁性中间层包括一个绝缘层。

在所述磁电阻器件中将有一个自由旋转层，具有有效的磁化。施加在所述磁电阻材料上的外部磁场将使其中的磁化方向旋转，结果就改变了所述层系统的电阻。所述改变的电阻承载着所述电流，使所述电阻器两端的电压降改变，可以把它探测为所述外部磁场幅度的指标。

这种薄膜的所述有效电阻在所述AMR的情况下将随着所述有效磁化方向和通过所述材料的所述电流方向之间角度之余弦的平方而改变，在所述GMR或TMR的情况下将随着相邻层的角度的余弦而改变。然而总电阻通常无关紧要，受到关注的却是响应所施加的外部磁场的变化而在电阻中的变化。在所述AMR的情况下，这种变化往往在沿着所述余弦平方响应曲线上所述曲线近似线性函数的一个点上测量得最好。

为了在所述响应曲线的这种线性部位进行操作，需要在不存在任何外部施加磁场的情况下，在所述电流方向和所述磁化名义方向之间有一个初始角度。在偏置安排中以其他方式也能够实现这一点。所述磁电阻材料可以放置在所述器件的基底上，成为“人字形”图案中的连续电阻器，或者说形成连续地连接的多个斜面，斜面的角度与所述电阻器的延伸方向成大约45°。然后必须提供一个磁偏置场源，其指向与所述电阻器的所述延伸方向成90°。

另一种方法是提供磁电阻材料的一个直线条带，但是增加若干分离的导体，与所述条带的方向成45°的角度跨越该条带.这样做的效果是使所述电流与所述条带本身的延长方向成一个角度流经所述磁电阻条带。这后一种结构往往因为其结构而称为“理发店招牌”传感器，这样一种布置可以无须磁偏置场的外源。

在记录磁头中，磁化方向垂直于所述传感器条带方向的相邻磁层使AMR传感器中感应层的所述磁化相对于所述探测电流偏转了45°。这一层可以是硬磁材料(硬偏置层)，也可以是所述探测电流磁化的软磁材料(软邻层)。

在GMR或TMR元件中，所述自由层的所述磁化必须朝向平行于所述条带方向。通常在所述传感器的每侧放置硬偏置层来做到这一点。由于反铁磁耦合，所述扎钉层的磁化将固定在垂直于所述条带方向。

对于控制薄膜和多层的磁学性质，磁致伸缩是一个实质参数。磁致伸缩描述了磁性材料在磁场反转时的长度变化。

在磁记录元件中，重要的是具有均匀磁化的磁层，尤其是所述感应叠层中的感应层(自由层)。非均匀磁化的区域，比如涡流中心或磁畴，造成了记录信号中的不稳定。所以，所述磁层是由局部磁场(交换耦合磁场、硬偏置磁场)对齐。局部不均匀可能是磁致伸缩的各向异性造成的。所以，所述磁致伸缩必须控制得非常精确。

为了研究薄膜的所述磁致伸缩性质已经研制了多种实验方法。其中之一是通过所谓的“悬臂法”进行直接测量。磁化情况的变化导致长度变化，对于薄膜它造成所述基底的弯曲。在例如E.du Trémolet deLacheisserie等人，“Magnetostriction and internal stresses in thinfilms：the cantilever method revisited”，Journal of Magnetism andMagnetic Materials 136(1994)，pp.180-196中介绍了这种方法。

另一种可能性是利用应变仪方法的间接测量，它在磁性薄膜中产生机械应力。所述磁各向异性通过磁致伸缩耦合而改变。在例如D.Markham等人，“Magnetostrictive measurement of magnetostrictionin Permalloy”，IEEE Transactions on Magnetics，vol.25，no.5，September 1989，pp.4198-4200中介绍了这种方法。

在日本专利JP 62106382 A2的摘要中也公开了测量磁性薄膜的所述磁致伸缩常数的装置。

Kenji Narita等人，IEEE Transactions on Magnetics，vol.16，no.2，March 1980，pp.435-439公开了一种方法，利用小角度磁化旋转(SAMR)来测量非晶体薄带的饱和磁致伸缩。

不过，还没有直接使用磁传感器的所述磁电阻效应(因而能够反映所述传感器的真实环境)来测量所述磁化变化的方法面世。所以，仍然需要改进这些方法。

发明内容

所以本发明的一个目的是提供一种方法，用于测量磁性元件的所述磁致伸缩常数。

这些和其他的目的和优点所公开的方法来实现。

本发明提出了一种直接测量磁电阻元件的磁致伸缩常数的方法，其特征在于以下步骤：提供基底，它承载着一个或多个磁电阻元件；把所述基底插入弯曲夹具中；施加平行于所述基底的DC磁场；施加交变磁场，它垂直于所述基底并且平行于所述元件的磁电阻层；测量所述元件发出的信号；通过弯曲所述基底施加平行于所述基底的机械应力；以及改变所述DC磁场，直至达到施加所述机械应力之前测量出的信号。

附图简要说明

附图示意性地描绘了根据本发明的方法测量磁致伸缩常数的装置。

具体实施方式

在本发明中，基于各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)或隧道磁电阻(TMR)(一般说来XMR)的元件，比如记录磁头、磁场传感器等中的所述磁致伸缩常数(MS)，通过小角度磁化旋转(SAMR)进行测量。所述传感器的电信号用于测量外部磁场造成的所述磁化旋转。在磁电阻(MR)器件中，所述磁化由多种方法进行偏置，如硬偏置、反铁磁交换耦合、理发店招牌等。对于所提出的MS测量，所述偏置场(硬偏置、软偏置、交换场)可以由其他的外部DC磁场(HDC)支持，它必须对齐到平行于所施加的应力。如果改变了所述薄膜中的应力，由于磁致伸缩耦合所述传感器信号也将改变。不过，可以通过改变所述外部DC磁场来补偿所述传感器信号的改变。对于受屏蔽的元件，所述外部磁场必须经过标定，以便反映所述屏蔽层的去磁化效应的影响。通过弯曲或者通过其他方法，比如温度、压电层等，可以把所述应力施加在晶片或行平面上。

根据本发明的方法不仅可以应用于记录磁头，而且也可以用于磁场传感器和磁随机存储器(MRAM)。不过，为了简单起见，下面针对记录磁头进行讲解。

附图示意性地描绘了根据本发明的方法测量磁致伸缩常数的装置。一行或一个晶片10插入一个弯曲夹具中，如挠度计12，所述行或晶片承载着其上形成的XMR元件。下一步，施加一个平行于所述行或晶片10的DC磁场，即在附图中所示x轴的方向。施加一个垂直于所述行或晶片10并平行于所述磁电阻层的交变磁场，即在附图中所示y轴的方向。优选情况下这个交变磁场是具有频率f的正弦曲线。在所述磁电阻元件如XMR元件处测量一个信号，这个信号与具有所述频率f的交变磁场的幅度成正比。为了简单地做到这一点，可以使用锁定放大器14，它锁定在所述交变磁场的所述频率。现在通过弯曲所述行或晶片10，如利用测微螺旋16，在所述XMR元件的所述层中产生平行于所述x方向的机械应力。“测微螺旋控制单元”48通过连线20以电子方式控制着所述螺旋。由于在所述XMR元件的所述传感器层中的磁致伸缩相互作用，所述磁各向异性将会改变。这又将导致所述锁定放大器14测量的所述信号振幅改变。最后，通过适当的控制电路改变在示x轴方向施加的DC磁场，直至所述锁定放大器14处的所述测量信号再次达到没有施加机械应力时已经测得的数值。所述行/晶片挠曲夹具12上方的磁体22通过连线28和30，由AC电源42供电以便在y方向产生磁场，并且由DC电源24供电以便在x方向产生所述DC补偿磁场。所述XMR元件通过连线32由恒流源34供电.感应输出——所述XMR电阻器两端的电压通过连线36馈入所述锁定放大器14，正如以上已经论述的，它锁定在所述AC磁场的激励频率38。整个测量装置可以由计算机40通过总线26进行控制。

所述磁致伸缩λs由下式定义

$\frac{3}{2}{\mathrm{\λ}}_s*\mathrm{\Δ\σ}=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}{H}_{k,\mathrm{\σ}}{M}_s---\left(I\right)$

这表明所述磁致伸缩能量密度(方程的左侧)等于所述磁各向异性能量密度(方程的右侧)。

机械应力各向异性的变化Δσ通过虎克定律(限制为均匀各向同性材料)与应变变化 $\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{\mathrm{\Δ}1}{1}$ (所述行或晶片弯曲造成的相对延长)有关。

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-v^2}({\mathrm{\Δ\ϵ}}_x-v{\mathrm{\Δ\ϵ}}_y);\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-v^2}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_y-\mathrm{v\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_x)$

所述电压Δσ按照所述挠曲的所述力学参数计算而得：

$\mathrm{\Δ\σ}={\mathrm{\Δ\σ}}_x-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-v}({\mathrm{\Δ\ϵ}}_x-\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_y)---\left(\mathrm{II}\right)$

以下方法可以用于获得特殊的力学参数：

1)可以由下式按照所述挠曲(附图中的b)计算出所述应变：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{3d}_s*b}{2L^2}[1-\frac{\left|x\right|}{L}]---\left(\mathrm{III}\right)$

式中L为弯曲的长度(参见附图)，d_s为基底厚度(参见附图)，在所述应变仪的中心x＝0，Δε_y＝0。

2)通过一束激光扫描样本表面而测量所述表面的曲率。所述激光从所述行或晶片表面反射到一个对位置敏感的光学器件。

按照所述挠曲b或者2)中的所述表面曲率来确定应变Δε。

所述各向异性磁场的测量根据以下总能量得出

$E=H_x{M}_s\cos \mathrm{\&theta;}-H_y{M}_s\sin \mathrm{\&theta;}+\frac{1}{2}{H}_k{M}_s{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+\frac{1}{2}<N_{\mathrm{demag}}>M_s^2{\sin }^2\mathrm{\&theta;}---\left(\mathrm{IV}\right)$

这一项包括所述外部磁场中的能量(H_x、H_y)、同轴各向异性(H_k)(它包括所述感生的各向异性和所述磁致伸缩的各向异性)以及所述形态各向异性(它考虑了要测量之所述层的磁化分布)。

根据所述平衡条件dE/d＝0，有

$\sin \mathrm{\&theta;}=\frac{H_y}{H_x+H_k+<N_{\mathrm{demag}}>M_s}---\left(V\right)$

给定了周期性的激励磁场H_y＝H_y0sin(Φt)，所述磁化将围绕着一个平衡状态起伏。磁电阻元件的所述电阻以同一频率改变.

机械张力改变了所述各向异性磁场H_k。这又造成了电阻的变化以及所述磁化起伏振幅的变化。利用所述外部磁场H_x补偿这些变化，恢复所述原始的平衡状态。以下方程适用：

ΔH_k，σ＝ΔH_x                      (VI)

λ_s的计算是直接了当的。所述应变Δε可以例如根据(III)式计算.然后根据(II)式获得所述应力各向异性Δσ。根据(I)式通过插入(IV)式的Δσ、ΔH_k，σ，可以计算出所述磁致伸缩常数。

所述饱和磁化M_s以及所述弹性常数E和v插入(I)式作为常数。

本发明建议直接使用所述磁传感器的所述MR效应来测量所述磁化变化。根据本发明的所述方法具有以下优点：

-使用补偿方法保证了固定的磁化状态，它避免了结构化的薄膜中局部磁化分布造成的误差。偏置磁场，如各向异性磁电阻传感器(AMR)中的软偏置、纵向磁化的硬磁场(硬偏置)或邻近磁性层的交换磁场都没有任何效应。

-所述测量简便快捷。

-所述MR效应非常灵敏。

-可以在所述传感器元件本身中进行所述测量。不必分开制造监视层。

Claims (6)

1.一种直接测量磁电阻元件的磁致伸缩常数的方法，其特征在于以下步骤：

提供基底，它承载着一个或多个磁电阻元件；

把所述基底插入弯曲夹具中；

施加平行于所述基底的DC磁场；

施加交变磁场，它垂直于所述基底并且平行于所述元件的磁电阻层；

测量所述元件发出的信号；

通过弯曲所述基底施加平行于所述基底的机械应力；以及

改变所述DC磁场，直至达到施加所述机械应力之前测量出的信号。

2.根据权利要求1的方法，其中所述基底是行或晶片。

3.根据权利要求2的方法，其中所述行或晶片承载着多个磁电阻元件。

4.根据权利要求1至3中任何一条的方法，其中所述机械张力由测微螺旋施加。

5.根据权利要求4的方法，其中以电子方式控制所述测微螺旋。

6.根据权利要求1的方法，其中所述磁电阻元件是基于各向异性磁电阻、巨磁电阻或隧道磁电阻的传感器。

Images