CN100442076C - 线性磁场传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道结线性磁场传感器及其制作方法：在沉积非磁性层时在主溅射腔内原位更换掩膜，即在沉积时利用掩膜挡住第1、3自旋阀元件或第2、4自旋阀元件上非磁性层的溅射，造成第1、3自旋阀元件或第2、4自旋阀元件上非磁性层的厚度较薄或较厚，然后再拿掉掩膜，溅射上其余的自旋阀元件材料。本发明可以在一次沉积中即可实现桥式磁性传感器中的4个自旋阀元件中的两个其钉扎层的方向与另外两个自旋阀元件的顶扎层方向相反，实现传感器对外磁场的线性感应，即不需要设置电流偏磁法，也不用设置永磁体偏磁法，大大简化了制备工艺，可以有效地提高产品的一致性。

Description

线性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及其制作方法，尤其涉及一种带有隧道结电阻元件或巨磁电阻元件的数字式磁场传感器及其制作方法。
背景技术
在线性磁性传感器中其中一个必须克服的技术难题是如何使输出信号与外磁场成线形关系，目前使用最广泛的线性磁场传感器是霍尔磁场传感器，即以霍尔效应为基础的，其材料性能的内禀特性就是输出信号与外磁场成线性关系，但是霍尔磁场传感器对弱磁场的输出信号很小，所以一般用于感知100至1000奥斯特(Oe)范围的较大磁场，另一种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制成的桥式磁性传感器用作感知大约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，隧道结磁电阻(TMR)和巨磁电阻(GMR)。其特点是至少有两个铁磁金属层被一个非铁磁金属层或氧化层分开。TMG和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，自从巨磁电阻和隧道结磁电阻现象被发现以来，由于其极高的对弱磁场的灵敏度，受到了商业界的广泛重视，除了在计算机磁头和MARM(非挥发性磁性存储器)方面的重要应用之外，也逐渐渗透到一些对其他对较弱磁场感应的应用领域之中，如位置传感器，电流计，指南针等等。
在巨磁电阻和隧道结磁电阻中对弱磁场感应最灵敏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或氧化层分开，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。但是由于其信号输出域外磁场不成线性关系，所以不能直接用于线性传感器的制作，为了使其具有与外磁场的线性关系，一般采用通常的桥式AMR磁性传感器的结构，IBM的美国专利第5206590号显示了类似的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”(IEEETransactions on Magnetics 30316-3211994)一文。Daughton等在“应用于低场的GMR材料”(IEEE Transactions onMagnetics，292705-2710)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。采用GMR元件制作的传感器比MR元件传感器灵敏度提高了5倍。尽管如此，为了使输出信号与外磁场成线性关系，Daughton等设计的桥式磁性传感器中的4个自旋阀元件中的两个其钉扎层的方向必须与另外两个自旋阀元件的顶扎层方向相反，为了达到这一目的，在制作工艺上有的采用设置电流偏磁法，有的采用设置永磁体偏磁法，也有的采用二次沉积法，这些制备工艺较为复杂，增大了传感器的制作难度，更主要的是，产品的一致性难以得到保证。
发明内容
为了克服这一困难，本发明提供一种线性磁场传感器制作方法，可以在一次沉积中即可实现桥式磁性传感器中的4个自旋阀元件中的两个其钉扎层的方向与另外两个自旋阀元件的钉扎层方向相反，实现传感器对外磁场的线性感应。
进一步，本发明还提供一种采用该制作方法所获得的线性磁场传感器。
为实现上述目的，本发明提供的一种线性磁场传感器制作方法：在沉积非磁性层时在主溅射腔内原位更换掩膜，即在沉积时利用掩膜挡住第1、3自旋阀元件或第2、4自旋阀元件上非磁性层的溅射，造成第1、3自旋阀元件或第2、4自旋阀元件上非磁性层的厚度较薄或较厚，然后再拿掉掩膜，溅射上其余的自旋阀元件材料。
进一步地，所述自旋阀元件为隧道结元件或GMR元件。
本发明提供的一种线性磁场传感器，包括：片基、以及在所述片基上所形成的4个自旋阀元件，其中，第1、3自旋阀元件结构完全一样，第2、4自旋阀元件完全一样，第1、3自旋阀元件比第2、4自旋阀元件的非磁性层的厚度较薄或较厚，所述自旋阀元件的钉扎层采用合成钉扎形式，所述合成钉扎形式为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层。
进一步地，所述自旋阀元件为隧道结元件或GMR元件。
本发明的有益效果是：可以在一次沉积中即可实现桥式磁性传感器中的4个自旋阀元件中的两个其钉扎层的方向与另外两个自旋阀元件的顶扎层方向相反，实现传感器对外磁场的线性感应，即不需要设置电流偏磁法，也不用设置永磁体偏磁法，大大简化了制备工艺，可以有效地提高产品的一致性。
附图说明
图1是具有不同厚度非磁性层的传感器示意图。
图2掩膜法制备工艺示意图。
具体实施例
如图2所示，结线性磁场传感器制作方法：在沉积非磁性层时在主溅射腔内原位更换掩膜，即在沉积时利用掩膜挡住第1、3隧道结1、3上非磁性层的溅射，造成第1、3隧道结1、3上非磁性层的厚度较薄，然后再拿掉掩膜，溅射上其余的隧道结材料。
如图1所示，采用上述方法所制备的具有不同厚度非磁性层的传感器包括：片基、以及所述片基上所形成的4个隧道结，其中第1、3隧道结1、3完全一样，第2、4隧道结2、4完全一样，第1、3隧道结1、3比第2、4隧道结2、4的非磁性层的厚度较薄，隧道结1、2、3、4的钉扎层采用合成钉扎形式，即反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层，例如：IrMn/Co/Ru/Co。在材料的层间耦合中，早已发现的现象是一些铁磁材料(如Fe，Co，Ni)及其他们的一些合金随中间的非磁性层(如Cu，Ru，Cr等)发生振荡的层间耦合，即随着非磁性层的厚度变化有铁磁耦合到反铁磁耦合的变化，这样我们就可以通过改变合成钉扎层中的非磁性层厚度来使得上面4个隧道结中的第1、3隧道结1、3呈铁磁耦合，第2、4隧道结2、4呈反铁磁耦合，这样就可以在由这4个传感器组成的桥式传感器中实现4个自旋阀元件中的两个其钉扎层的方向与另外两个自旋阀元件的钉扎层方向相反，达到传感器随外磁场的线形输出。
本发明同样也适用于巨磁电阻(GMR)元件。

Claims (4)

1、一种线性磁场传感器制作方法，其特征在于，采用如下步骤：
在沉积非磁性层时在主溅射腔内原位更换掩膜，即在沉积时利用掩膜挡住第1、3自旋阀元件或第2、4自旋阀元件上非磁性层的溅射，造成第1、3自旋阀元件或第2、4自旋阀元件上非磁性层的厚度较薄或较厚，然后再拿掉掩膜，溅射上其余的自旋阀元件材料。
2、根据权利要求1所述的一种线性磁场传感器制作方法，其特征在于，所述自旋阀元件为隧道结元件或巨磁电阻元件。
3、采用如权利要求2所述的一种隧道结线性磁场传感器制作方法所制备的一种线性磁场传感器，其特征在于，包括：片基、以及在所述片基上所形成的4个自旋阀元件，其中，第1、3自旋阀元件结构完全一样，第2、4自旋阀元件完全一样，第1、3自旋阀元件比第2、4自旋阀元件的非磁性层的厚度较薄或较厚，所述自旋阀元件的钉扎层采用合成钉扎形式，所述合成钉扎形式为反铁磁层/铁磁层/非磁性层/铁磁层。
4、根据权利要求3所述的一种线性磁场传感器，其特征在于，所述自旋阀元件为隧道结元件或巨磁电阻元件。
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Assignee: Wuxi Nano MEMS, Inc.

Assignor: Research Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2010320001105

Denomination of invention: Linear magnetic field sensor and its mfg. method

Granted publication date: 20081210

License type: Exclusive License

Open date: 20051026

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