CN100510769C - 具有自旋阀巨磁阻元件的方位角测量仪 - Google Patents

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Abstract

一种使用自旋阀巨磁阻元件的方位角测量仪，其制造工艺简单，能够实现尺寸小型化并且有助于降低功耗。该方位角测量仪包括具有两对平行的相对边的四边形平面线圈，以及四个自旋阀巨磁阻元件对，每对元件定位在平行于线圈的平面上。每对的两个元件的纵向方向彼此垂直相交，并且仅与平面线圈的一对相对边的相应边或同一边以基本上45度交叉。两个元件中的一个元件的固定层在其纵向方向被磁化另一个元件的固定层在与该一个元件的固定层相同的方向被磁化。该对元件在一端彼此相连。在用于测量的电压被施加在另一端之间时，从彼此连接的元件端提取中点电势，以便确定方位角。

Description

具有自旋阀巨磁阻元件的方位角测量仪
技术领域
本发明涉及一种使用自旋阀巨磁阻元件的方位角测量仪，更具体地是涉及一种在将偏置磁场施加到自旋阀巨磁阻元件的同时测量方位角的方位角测量仪。
背景技术
本申请人已经申请了关于将各向异性磁阻元件与平面线圈组合的方位角测量仪的专利，并且该申请被登记为美国专利6,556,007。美国专利6,556,007中公开的方位角测量仪具有基本上正方形的平面线圈1以及在平面上平行且靠近平面线圈的8个磁阻元件61、62、71、72、81、82、91、92，如图14的分解透视图所示。其中两个磁阻元件(例如61和72)以基本上为45度与平面线圈的一边(例如11)以及这些磁阻元件的纵向方向交叉，两个磁阻元件的纵向方向彼此成直角。两个磁阻元件(例如61和62或71和72)的每个都与平面线圈的两个相对边(例如11和12)的一条边交叉，并且纵向方向彼此形成直角，由此构成了磁阻元件对6、7、8、9。成对的磁阻元件(例如6)的每个元件的一端连接到其它元件的端部，用于测量的电压Vcc施加在成对的磁阻元件(例如6)的另一端部之间。当通过平面线圈将偏置磁场施加在磁阻元件对时，从磁阻元件对6、7、8、9的连接端取出磁阻元件对的中间电势输出。在与平面线圈1的两条相对边11和12交叉的两个磁阻元件对6和7之间计算出中间电势输出差Vx。以类似的方式在与平面线圈1的另外两条相对边13和14交叉的另外两个磁阻元件对8和9之间计算出中间电势输出差Vy。接下来，当通过平面线圈1将反向的偏置磁场施加到磁阻元件对6、7、8、9时，类似地计算出与平面线圈1的两条相对边11和12交叉的两个磁阻元件对6和7之间的中间电势输出差Vx。以类似的方式计算出与平面线圈1的另外两条相对边13和14交叉的另外两个磁阻元件对8和9之间的中间电势输出差Vy。然后，针对与平面线圈的一对相对边11和12交叉的两个磁阻元件对6和7，计算出在施加偏置磁场时较早获得的中间电势输出差Vx与在反方向施加偏置磁场时获得的另外的中间电势输出差Vx之间的差值电压。此外，针对与平面线圈的其它两条相对边13和14交叉的两个磁阻元件对8和9，计算出在施加偏置磁场时获得的中间电势输出差Vy与在反方向施加偏置磁场时获得的另外的中间电势输出差Vy之间的差值电压。能够根据这两个差值电压之间的比例计算出外部磁场(例如地球磁性)的方向。
磁阻元件对电流的电阻随着垂直于电流流动方向施加的磁场强度而改变，并且随着垂直于电流的磁场强度的增加而降低。为了用于方位角测量仪中，期望各个磁阻元件的电阻变化率基本相等，并且为此原因而在上述的方位角测量仪的每个磁阻元件的纵向方向上提供晶体磁性各向异性。
在如图14所示的美国专利6,556,007公开的方位角测量仪中，4个磁阻元件61、71、81、91各自的纵向方向与其它4个磁阻元件62、72、82、92的纵向方向彼此垂直。为了在8个磁阻元件各自的纵向方向上将晶体磁性各向异性提供给这8个磁阻元件，必须以相同方向形成4个磁阻元件61、71、81、91，同时将磁场施加到它们的纵向方向，此后必须垂直的形成另外4个磁阻元件62、72、82、92，同时将磁场施加到它们的纵向方向。
此外，由于必须检测在磁阻元件的横向方向上起作用的外部磁场(地球磁性等)，所以如果横向方向的尺寸减小，则去磁场的影响将增加，降低了测量弱磁场(例如地球磁性)的灵敏度。这就必须需要相对较宽的磁阻元件，但是较宽的磁阻元件具有较低的电阻，在将用于测量的电压施加到磁阻元件对时具有较大的功耗。因此，必须拉长磁阻元件以增加它们的电阻，但是较宽和较长的磁阻元件相应的将具有较大的平方尺寸，其必会增加方位角测量仪的尺寸。
发明内容
因此本发明旨在提供一种使用自旋阀巨磁阻元件的方位角测量仪，以阐述上述问题的解决方案。
按照本发明的方位角测量仪包括：具有两对至少部分地彼此平行的相对边的平面线圈，两对相对边之间彼此垂直；以及所述平面线圈的每对相对边的两对自旋阀巨磁阻元件。自旋阀巨磁阻元件定位在平面线圈的平面的同一侧，并且位于平行且靠近平面线圈所在平面的平面上。每个自旋阀巨磁阻元件是通过在由铁磁质形成的固定层和由铁磁质构成的自由层中间夹入非磁性层而形成的多层薄膜，其中所述固定层与由反铁磁质构成的反铁磁层磁性耦合，其中所述多层薄膜的宽度小于所述多层膜的纵向方向的尺寸，且纵向方向由形状各向异性确定为易磁化轴，使得在没有施加外部磁场的状态下自由层的磁化在纵向方向上。每对自旋阀巨磁阻元件的一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向与该对的另一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向彼此垂直相交，一个自旋阀巨磁阻元件的固定层在固定层的纵向方向被磁化，另一个自旋阀巨磁阻元件的固定层在与一个自旋阀巨磁阻元件的固定层相同的方向被磁化。构成每对自旋阀巨磁阻元件的两个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向仅与平面线圈的一对相对边的相应边或同一边以45度交叉。每对自旋阀巨磁阻元件的两个自旋阀巨磁阻元件在两个自旋阀巨磁阻元件的每个的一端彼此相连，用于测量的电压施加在两个自旋阀巨磁阻元件的另一端之间，以便能够从所述一端提取中点电势。
构成每对自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向可以仅与平面线圈的一对相对边的同一边交叉。或者，构成每对自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向可以仅与平面线圈的一对相对边的相应边交叉。
对于本发明的方位角测量仪优选的是还具有电源，为平面线圈提供足够的直流电流，以便施加直流磁场，该直流磁场的幅度使自旋阀巨磁阻元件的自由层在纵向方向的磁化饱和；并且为平面线圈提供直流电流，以便为自旋阀巨磁阻元件施加预定幅度的直流磁场，其中预定幅度小于饱和时的直流磁场的幅度。
对于本发明的方位角测量仪优选的是还具有运算单元，在将预定幅度的直流磁场施加到自旋阀巨磁阻元件时，运算单元提取与平面线圈的一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值以及与平面线圈的另一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值，并根据两个中点电势差值确定外部磁场的方位角。
按照本发明使用自旋阀巨磁阻元件的方位角测量仪，由于其每一个固定层在相同的方向磁化，所以能够容易地实现各向异性，这意味着简化了制造过程并且更容易制造。
此外，由于自由层的磁化方向受到来自线圈的偏置磁场的控制，所以不需要使用永久磁铁，否则永久磁铁将干扰待测量的弱磁场。
此外，自旋阀巨磁阻元件比各向异性磁阻元件或各向同性巨磁阻元件具有更大的阻性，因此能够降低元件尺寸，有益于减小功耗。
而且，由于自旋阀巨磁阻元件比各向异性磁阻元件或各向同性巨磁阻元件更不容易受到灵敏度下降的影响，即使在尺寸减小时也是如此，所以能够更紧密地制造。
按照本发明的方位角测量仪具有这些优点，而且能够测量外磁场所施加的方向。
方位角测量仪也能够用作角度传感器，用于测量由磁场源而不是地球磁性产生的磁场的方向与自旋阀巨磁阻元件的感测轴的方向之间形成的角度。
附图说明
图1是本发明实施例1的方位角测量仪的分解透视图；
图2是本发明实施例1的方位角测量仪的电路图；
图3是用在本发明中的自旋阀巨磁阻元件的切块样本的示意性透视图；
图4是显示自旋阀巨磁阻元件的电阻与外部磁场之间一般关系的曲线图；
图5是显示在实施例1的两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图6是显示在实施例1的两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图7是显示在实施例1的另两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图8是显示在实施例1的与图7中所示相同的两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图9是显示在实施例1的另两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图10是显示在实施例1的与图9中所示相同的两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图11是显示在实施例1的剩余两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图12是显示在实施例1的与图11中所示相同的两个自旋阀巨磁阻元件的电阻与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图；
图13是本发明实施例2的方位角测量仪的电路图；
图14是美国专利中所公开的方位角测量仪的示意性分解透视图。
具体实施方式
图1显示了本发明实施例1的方位角测量仪的分解透视图，图2显示了其电路图。在图1和图2中，参考标记1表示平行四边形(在示例中为正方形)的缠绕了几十圈的平面线圈。平面线圈1具有一对平行相对边11和12以及另一对平行的相对边13和14，这些对相对边彼此平行。因为在此实施例中平面线圈是正方形，所以每对中的相对边彼此完全平行。但是，按照本发明，每对中的相对边至少部分平行就足够了。如果线圈的这些边在与自旋阀巨磁阻元件交叉处彼此平行，则由线圈的这些边产生的磁场沿着相同的线彼此方向相反。用于为平面线圈1提供直流电流的电源10连接到平面线圈1的接线端。在平面线圈平面上的同一侧以平面平行并靠近平面线圈平面的方式设置四对自旋阀巨磁阻元件2、3、4、5，在这些附图中是在平面线圈的下侧。自旋阀巨磁阻元件对2、3、4、5的每一对由两个自旋阀巨磁阻元件21和22、31和32、41和42、或51和52构成。
自旋阀巨磁阻元件对2的一个自旋阀巨磁阻元件21的纵向方向仅与平面线圈1的边11以基本上45度交叉。自旋阀巨磁阻元件对2的另一个自旋阀巨磁阻元件22的纵向方向也仅与平面线圈1的同一条边11以基本上45度交叉。这些自旋阀巨磁阻元件21和22在一端(在此实施例中为平面线圈1内侧的各端)彼此相连。此外，自旋阀巨磁阻元件对3、4、5的每个自旋阀巨磁阻元件31、41、51的纵向方向以及另一个自旋阀巨磁阻元件32、42、52的纵向方向仅与平面线圈1的边12、13、14以基本上45度交叉。自旋阀巨磁阻元件31和32在每个元件的一端(在此实施例中为平面线圈1内侧的各端)彼此相连；自旋阀巨磁阻元件41和42在每个元件的一端(在此实施例中为平面线圈1内侧的各端)彼此相连；自旋阀巨磁阻元件51和52在每个元件的一端(在此实施例中为平面线圈1内侧的各端)彼此相连。用于测量的电压Vcc施加在自旋阀巨磁阻元件对2、3、4、5的另一端之间。用于测量的电压Vcc能够由电源10’提供。此外还具有运算单元20，其从自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件的连接端提取输出，并将提取的输出转换为待测量的磁场方向(角θ)。
如下面详细所述，每个自旋阀巨磁阻元件是通过在由铁磁质形成的固定层(即被钉扎层)和由铁磁质构成的自由层中间夹入非磁性层(例如Cu层)而形成的多层薄膜，其中由铁磁质形成的固定层与由反铁磁质构成的反铁磁层磁性耦合。与固定层相邻设置的反铁磁层使固定层的磁化固定在一个方向。尽管在没有施加外部磁场的状态下自由层的磁化与固定层的磁化处于相同的方向，但是自由层的磁化是由自旋阀巨磁阻元件的多层薄膜的形状引起的形状各向异性以及施加的任何外部磁场而确定的。由于自旋阀巨磁阻元件的多层薄膜的宽度相对于其纵向方向的尺寸足够小，且纵向方向由形状各向异性确定为易磁化轴，所以在没有施加外部磁场的状态下自由层的磁化是在纵向方向上。
自旋阀巨磁阻元件对的一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向与另一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向彼此正交。在图2所示的实施例1的自旋阀巨磁阻元件对的每一对中，自旋阀巨磁阻元件对2的两个自旋阀巨磁阻元件21和22的纵向方向彼此垂直交叉；自旋阀巨磁阻元件对3的两个自旋阀巨磁阻元件31和32的纵向方向彼此垂直交叉；自旋阀巨磁阻元件对4的两个自旋阀巨磁阻元件41和42的纵向方向彼此垂直交叉；自旋阀巨磁阻元件对5的两个自旋阀巨磁阻元件51和52的纵向方向也彼此垂直交叉。
图2中虚线箭头30指示的是每个自旋阀巨磁阻元件的反铁磁层的磁化方向。每个自旋阀巨磁阻元件的固定层的磁化方向如下所述。自旋阀巨磁阻元件对2的一个自旋阀巨磁阻元件21的固定层在其纵向方向被磁化，另一个自旋阀巨磁阻元件22的固定层在其横向方向被磁化。自旋阀巨磁阻元件对3的一个自旋阀巨磁阻元件32的固定层在其纵向方向被磁化，另一个自旋阀巨磁阻元件31的固定层在其横向方向被磁化。自旋阀巨磁阻元件对4的一个自旋阀巨磁阻元件41的固定层在其纵向方向被磁化，另一个自旋阀巨磁阻元件42的固定层在其横向方向被磁化。自旋阀巨磁阻元件对5的一个自旋阀巨磁阻元件52的固定层在其纵向方向被磁化，另一个自旋阀巨磁阻元件51的固定层在其横向方向被磁化。因此，可以说任何自旋阀巨磁阻元件对的一个自旋阀巨磁阻元件的固定层在其纵向方向被磁化，并且该对的另一个自旋阀巨磁阻元件的固定层在与一个自旋阀巨磁阻元件的固定层相同的方向被磁化。
本实施例的方位角测量仪具有如下配置，其中自旋阀巨磁阻元件形成在衬底上，平面线圈依次形成在其上。衬底的厚度为0.625mm。由形成在衬底上的自旋阀巨磁阻元件和平面线圈构成的薄膜厚度为10至20μm。衬底的面积为1.6mm×1.75mm。
从附图1和附图2可以理解，当直流电流流入平面线圈1时，在平行于平面线圈所在平面的平面上从线圈的内侧到外侧或从线圈的外侧到内侧产生直流磁场。因此，如图1中箭头所示，直流磁场施加在自旋阀巨磁阻元件对上。当顺时针的直流电流Ib流入平面线圈1时，如图2所示，x方向上的磁场施加到自旋阀巨磁阻元件21和22、-x方向上的磁场施加到自旋阀巨磁阻元件31和32、y方向上的磁场施加到自旋阀巨磁阻元件41和42、-y方向上的磁场施加到自旋阀巨磁阻元件51和52。当反方向的直流电流-Ib流入平面线圈1时，与上述方向相反的磁场施加到自旋阀巨磁阻元件。其上形成有自旋阀巨磁阻元件的平面位于距离平面线圈的某位置，在此处平面线圈产生的磁场能够很好的施加到自旋阀巨磁阻元件。
每个自旋阀巨磁阻元件是通过在由铁磁质形成的固定层和由铁磁质构成的自由层中间夹入非磁性层而形成的多层薄膜，其中反铁磁层邻接地层压在固定层上，并且薄膜的宽度相对于其纵向方向的尺寸足够小。例如，能够使用的自旋阀巨磁阻元件可由按照下面顺序依次放置的厚度为85nm的Al2O3膜和5nm的Ta膜(在Si衬底上构成的基膜)、由厚度为5.0nm的NiFe合金膜和1.0nm的CoFe合金构成的铁磁质层、厚度为2.3nm的Cu层(非磁性层)、由厚度为2.5nm的CoFe合金构成的另一层铁磁质层、以及由厚度为20nm的MnPt合金构成的反铁磁质层而构成。图3是自旋阀巨磁阻元件的切块样本的示意性透视图，其中参考标记201表示厚度为5nm的Ta膜的基层。在该基层上放置了由NiFe合金膜和CoFe合金构成的自由层211以及由Cu层构成的非磁性层221。在其上面还放置了CoFe合金的铁磁固定层231和反铁磁层241。
现在假设通过反铁磁层241在箭头232所示方向上旋转由铁磁质形成的固定层231的磁化。在没有施加外部磁场的状态下，自由层211的磁化朝向箭头212所示的方向，自由层211的磁化方向212以及固定层231的磁化方向232彼此平行，其间设置了非磁性层221。当如此临近的铁磁质层中的磁化方向彼此平行时，夹在这些铁磁质层中间的非磁性层221中的电流的电阻降至其最低处。当施加任何外部磁场使得自由层211中的磁化方向旋转并且使得非磁性层221两侧上的铁磁质层的磁化方向偏离同一方向时，电流的电阻增加。
图4是显示流入非磁性层的电流的电阻的曲线图，纵坐标轴表示电阻。横坐标轴表示在与固定层的磁化相反的方向上引入的外部磁场的强度。当没有施加外部磁场或者施加的外部磁场的方向与固定层的磁化方向相同时，电阻处于最低，位于图4的曲线图中的位置“a”。当在与固定层的磁化相反的方向施加外部磁场时，由于自由层的磁化将其方向转到垂直于固定层的磁化，所以电阻达到图4的曲线中的位置“b”。在与固定层的磁化相反的方向上引入的外部磁场的强度增加，并且当自由层的磁化反向平行于固定层的磁化时，电阻到达其最高处，位于图4的曲线中的位置“c”。当外部磁场进一步增加强度且固定层的磁化采用与外部磁场相同的方向时，因为固定层的磁化与自由层的磁化平行，所以电阻下降到图4的曲线中的位置“d”。然后，当外部磁场强度减小时，电阻以d→c→b→a的顺序变化，但是在磁化增加时所跟随的回线之后的回线被延迟，因为固定层的磁化的转动具有大的磁滞现象。由于将由本发明的方位角测量仪所测量的外部磁场不是很强烈，所以使用“a”与“c”之间的“b”区域来测量磁场方向。
将说明当外部磁场40在与x轴成角θ的方向上施加到图2所示的实施例1的方位角测量仪时，每个自旋阀巨磁阻元件的电阻。事先使大电流DC顺时针流过平面线圈1，并施加使得自旋阀巨磁阻元件在外部方向上饱和的这样大小的磁场，使得每个自旋阀巨磁阻元件的自由层的磁化在自旋阀巨磁阻元件的纵向方向上从平面线圈的内侧进行到外侧。由于每个自旋阀巨磁阻元件的横向尺寸相对于纵向方向足够小，所以其形状磁性各向异性很强，并且当外部磁场变弱时自由层的磁化方向与纵向方向平行。
在自旋阀巨磁阻元件对2的自旋阀巨磁阻元件21中，由于其固定层的磁化被反铁磁层固定在虚线30的方向上，所以其在自旋阀巨磁阻元件21的纵向方向上是向外的。通过预先在平面线圈外部施加磁场，自旋阀巨磁阻元件21的自由层的磁化在纵向方向上向外旋转。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向是平行的，所以自旋阀巨磁阻元件21的电阻位于图4中的位置“a”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在x轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件21的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“a”向位置“b”稍稍上升。选择偏置直流电流Ib，使得电阻在图4中的位置“a”与位置“b”之间具有适当的水平。
自旋阀巨磁阻元件对2的自旋阀巨磁阻元件22的固定层在自旋阀巨磁阻元件22的横向方向上被向外磁化。通过预先在平面线圈的外部施加磁场，自旋阀巨磁阻元件22的自由层在纵向方向被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此垂直，所以自旋阀巨磁阻元件22的电阻位于图4中的位置“b”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在x轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件22的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“b”向位置“a”稍稍下降。
图5是显示自旋阀巨磁阻元件21的电阻R21和自旋阀巨磁阻元件22的电阻R22与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。图6是显示自旋阀巨磁阻元件21的电阻R21和自旋阀巨磁阻元件22的电阻R22与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。在图5和图6中，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件21的电阻R21显示为电阻Rb1，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件22的电阻R22显示为电阻Rb2。当强度为He的外部磁场40在与x轴成角θ而施加到自旋阀巨磁阻元件21和自旋阀巨磁阻元件22时，外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件21的电阻R21增加，结果是电阻R21从图5所示的Rb1开始变化。随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件21的电阻R21下降，电阻R21从图6所示的Rb1开始变化。随着外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件22的电阻R22下降，电阻R22从图5所示的Rb2开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件22的电阻R22下降，电阻R22从图6所示的Rb2开始变化。
如上所述，自旋阀巨磁阻元件21的电阻R21和自旋阀巨磁阻元件22的电阻R22可分别由下面的方程表示：
R21＝Rb1+β×He×cosθ-β×He×sinθ   (1)
R22＝Rb2-β×He×cosθ-β×He×sinθ   (2)
其中β是图4中曲线的斜率(dR/dH)。
由于自旋阀巨磁阻元件对3的自旋阀巨磁阻元件32的固定层的磁化被反铁磁层固定在虚线30的方向上，所以其在自旋阀巨磁阻元件32的纵向方向上是向内的。通过预先由平面线圈施加向外的磁场，自旋阀巨磁阻元件32的自由层在纵向方向上被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向是反平行的，所以自旋阀巨磁阻元件32的电阻位于图4中的位置“c”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在-x轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件32的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“c”向位置“b”稍稍下降。
自旋阀巨磁阻元件对3的自旋阀巨磁阻元件31的固定层的磁化在自旋阀巨磁阻元件31的横向方向是向内的。通过预先由平面线圈施加向外的磁场，自旋阀巨磁阻元件31的自由层在纵向方向被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此垂直，所以自旋阀巨磁阻元件31的电阻位于图4中的位置“b”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在-x轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件31的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“b”向位置“c”稍稍上升。
图7是显示自旋阀巨磁阻元件31的电阻R31和自旋阀巨磁阻元件32的电阻R32与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。图8是显示自旋阀巨磁阻元件31的电阻R31和自旋阀巨磁阻元件32的电阻R32与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。在图7和图8中，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件31的电阻R31显示为电阻Rb3，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件32的电阻R32显示为电阻Rb4。当强度为He的外部磁场40在与x轴成角θ而施加到自旋阀巨磁阻元件31和自旋阀巨磁阻元件32时，外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件31的电阻R31下降，结果是电阻R31从图7所示的Rb3开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件31的电阻R31下降，电阻R31从图8所示的Rb3开始变化。随着外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件32的电阻R32增加，电阻R32从图7所示的Rb4开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件32的电阻R32下降，电阻R32从图8所示的Rb4开始变化。
如上所述，自旋阀巨磁阻元件31的电阻R31和自旋阀巨磁阻元件32的电阻R32可分别由下面的方程表示：
R31＝Rb3-β×He×cosθ-β×He×sinθ    (3)
R32＝Rb4+β×He×cosθ-β×He×sinθ    (4)
由于自旋阀巨磁阻元件对4的自旋阀巨磁阻元件41的固定层的磁化被反铁磁层固定在虚线30的方向上，所以其在自旋阀巨磁阻元件41的纵向方向上是向外的。通过预先由平面线圈施加向外的磁场，自旋阀巨磁阻元件41的自由层在纵向方向上被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向是平行的，所以自旋阀巨磁阻元件41的电阻位于图4中的位置“a”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在y轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件41的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“a”向位置“b”稍稍上升。
自旋阀巨磁阻元件对4的自旋阀巨磁阻元件42的固定层在自旋阀巨磁阻元件42的横向方向被向外磁化。通过预先由平面线圈施加向外的磁场，自旋阀巨磁阻元件42的自由层在纵向方向被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此垂直，所以自旋阀巨磁阻元件42的电阻位于图4中的位置“b”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在y轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件42的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“b”向位置“a”稍稍下降。
图9是显示自旋阀巨磁阻元件41的电阻R41和自旋阀巨磁阻元件42的电阻R42与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。图10是显示自旋阀巨磁阻元件41的电阻R41和自旋阀巨磁阻元件42的电阻R42与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。在图9和图10中，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件41的电阻为电阻Rb1，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件42的电阻为电阻Rb2。当强度为He的外部磁场40在与x轴成角θ而施加到自旋阀巨磁阻元件41和自旋阀巨磁阻元件42时，外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件41的电阻R41下降，结果是电阻R41从图9所示的Rb1开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件41的电阻R41增加，电阻R41从图10所示的Rb1开始变化。随着外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件42的电阻R42下降，电阻R42从图9所示的Rb2开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件42的电阻R42下降，电阻R42从图10所示的Rb2开始变化。
如上所述，自旋阀巨磁阻元件41的电阻R41和自旋阀巨磁阻元件42的电阻R42可分别由下面的方程表示：
R41＝Rb1-β×He×cosθ+β×He×sinθ      (5)
R42＝Rb2-β×He×cosθ-β×He×sinθ    (6)
由于自旋阀巨磁阻元件对5的自旋阀巨磁阻元件52的固定层的磁化被反铁磁层固定在虚线30的方向上，所以其在自旋阀巨磁阻元件52的纵向方向上是向内的。通过预先由平面线圈施加向外的磁场，自旋阀巨磁阻元件52的自由层在纵向方向上被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向是反平行的，所以自旋阀巨磁阻元件52的电阻位于图4中的位置“c”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在-y轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件52的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“c”向位置“b”稍稍下降。
自旋阀巨磁阻元件对5的自旋阀巨磁阻元件51的固定层的磁化在自旋阀巨磁阻元件51的横向方向是向内的。通过预先由平面线圈施加向外的磁场，自旋阀巨磁阻元件51的自由层在纵向方向被向外磁化。由于固定层的磁化方向与自由层的磁化方向彼此垂直，所以自旋阀巨磁阻元件51的电阻位于图4中的位置“b”。随着适当电流强度的偏置直流电流Ib顺时针流过平面线圈1产生了将要在-y轴方向上施加给自旋阀巨磁阻元件51的直流磁场，自由层的磁化朝向直流磁场的方向倾斜，并且因此其电阻从图4中的位置“b”向位置“c”稍稍上升。
图11是显示自旋阀巨磁阻元件51的电阻R51和自旋阀巨磁阻元件52的电阻R52与x轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。图12是显示自旋阀巨磁阻元件51的电阻R51和自旋阀巨磁阻元件52的电阻R52与y轴方向上的外部磁场之间相互关系的曲线图。在图11和图12中，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件51的电阻为电阻Rb3，当开始施加偏置磁场时自旋阀巨磁阻元件52的电阻为电阻Rb4。当强度为He的外部磁场40在与x轴成角θ而施加到自旋阀巨磁阻元件51和自旋阀巨磁阻元件52时，外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件51的电阻R51下降，结果是电阻R51从图11所示的Rb3开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件51的电阻R51下降，电阻R51从图12所示的Rb3开始变化。随着外部磁场40的x分量(He×cosθ)使得自旋阀巨磁阻元件52的电阻R52下降，电阻R52从图11所示的Rb4开始变化，并且随着外部磁场40的y分量(He×sinθ)使得自旋阀巨磁阻元件52的电阻R52下降，电阻R52从图12所示的Rb4开始变化。
如上所述，自旋阀巨磁阻元件51的电阻R51和自旋阀巨磁阻元件52的电阻R52可分别由下面的方程表示：
R51＝Rb3-β×He×cosθ-β×He×sinθ       (7)
R52＝Rb4-β×He×cosθ+β×He×sinθ     (8)
自旋阀巨磁阻元件对2和自旋阀巨磁阻元件对3的各自中点电势Vx2和Vx3可从公式(1)至(4)推导而如下所示：
Vx2＝Vcc×R22/(R21+R22)
   ＝Vcc×(Rb2-β×He×cosθ-β×He×sinθ)/(Rb1+Rb2)
Vx3＝Vcc×R32/(R31+R32)
   ＝Vcc×(Rb4+β×He×cosθ-β×He×sinθ)/(Rb3+Rb4)
为了通过Vx(+)表示在偏置电流Ib顺时针流过平面线圈1时自旋阀巨磁阻元件对2与自旋阀巨磁阻元件对3之间的中点电势差，差值Vx(+)能够由下面的公式表示：
Vx(+)＝Vx2-Vx3
  ＝Vcc×{(Rb2×(Rb3+Rb4)-Rb4×(Rb1+Rb2))/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))-β×He×cosθ×(Rb1+Rb2+Rb3+Rb4)/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))}
在上面的公式中，Vcc×(Rb2×(Rb3+Rb4)-Rb4×(Rb1+Rb2))/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))不随着外部磁场的方向或幅度而改变。其可通过常数C来表示，因此中点电势中的差值Vx(+)能够如下面所示：
V’x(+)＝Vx(+)-C
＝-Vcc×β×He×cosθ×(Rb1+Rb2+Rb3+Rb4)/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))}        (9)
自旋阀巨磁阻元件对4和自旋阀巨磁阻元件对5的各自中点电势Vy4和Vy5可从公式(5)至(8)推导而如下所示：
Vy4＝Vcc×R42/(R41+R42)
   ＝Vcc×(Rb2-β×He×cosθ-β×He×sinθ)/(Rb1+Rb2)
Vy5＝Vcc×R52/(R51+R52)
   ＝Vcc×(Rb4-β×He×cosθ+β×He×sinθ)/(Rb3+Rb4)
为了通过Vy(+)表示在偏置电流Ib顺时针流过平面线圈1时自旋阀巨磁阻元件对4与自旋阀巨磁阻元件对5之间的中点电势差，差值Vy(+)能够由下面的公式表示：
Vy(+)＝Vy4-Vy5
     ＝Vcc×{(Rb2×(Rb3+Rb4)-Rb4×(Rb1+Rb2))/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))+β×He×sinθ×(Rb1+Rb2+Rb3+Rb4)/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))}
在上面的公式中，Vcc×(Rb2×(Rb3+Rb4)-Rb4×(Rb1+Rb2))/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))不随着外部磁场的方向或幅度而改变。其可通过常数C来表示，因此中点电势中的差值Vy(+)能够如下面所示：
V’y(+)＝Vy(+)-C
   ＝Vcc×β×He×sinθ×(Rb1+Rb2+Rb3+Rb4)/((Rb1+Rb2)×(Rb3+Rb4))}         (10)
外部磁场的角θ可从公式(9)至(10)推导而如下所示：
θ＝-tan-1(V’y(+)/V’x(+))
因此，能够通过实施例1的方位角测量仪来测量施加外部磁场时的角θ。
实施例2
图13中以电路图的形式显示了本发明实施例2的方位角测量仪。在此实施例中，每个自旋阀巨磁阻元件对的一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向基本上以45度仅与平面线圈1一对相对边之一交叉。此外，每个自旋阀巨磁阻元件对的另一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向基本上以45度仅与平面线圈1的一对相对边治另一个交叉。因此，自旋阀巨磁阻元件对2的一个自旋阀巨磁阻元件21与平面线圈1的一条边11交叉，自旋阀巨磁阻元件对2的另一个自旋阀巨磁阻元件22与边11相对的边12交叉。自旋阀巨磁阻元件对3的一个自旋阀巨磁阻元件31与平面线圈1的边12交叉，而自旋阀巨磁阻元件对3的另一个自旋阀巨磁阻元件32与边12相对的边11交叉。自旋阀巨磁阻元件对4的一个自旋阀巨磁阻元件41与平面线圈1的边13交叉，而自旋阀巨磁阻元件对4的另一个自旋阀巨磁阻元件42与边13相对的边14交叉。自旋阀巨磁阻元件对5的一个自旋阀巨磁阻元件51与平面线圈1的边14交叉，而自旋阀巨磁阻元件对5的另一个自旋阀巨磁阻元件52与边14相对的边13交叉。自旋阀巨磁阻元件对的固定层的磁化方向以及自旋阀巨磁阻元件对之间的连接关系与实施例1的相同。类似于实施例1的这种方位角测量仪也能够测量外部磁场的角度。
从本发明实施例1和2明显可见，按照本发明的方位角测量仪能够测量从外侧施加的磁场的方向。由于方位角测量仪中所有的自旋阀巨磁阻元件的固定层在相同的方向被磁化，所以能够在单个工艺中同时制造这些自旋阀巨磁阻元件。自旋阀巨磁阻元件的表面电阻(薄层电阻)大约为16欧姆/平方，远大于各向同性巨磁阻元件的3.1欧姆/平方或各向异性磁阻元件的6.8欧姆/平方，有助于在方位角测量中减少功耗。

Claims (9)

1.一种方位角测量仪，包括：
具有两对至少部分地彼此平行的相对边的平面线圈，所述两对相对边之间彼此垂直；以及
所述平面线圈的每对相对边的两对自旋阀巨磁阻元件，所述自旋阀巨磁阻元件定位在所述平面线圈所在平面的同一侧，并且位于平行于且靠近所述平面线圈所在平面的平面上，其中：
每个自旋阀巨磁阻元件是通过在由铁磁质形成的固定层和由铁磁质形成的自由层中间夹入非磁性层而形成的多层薄膜，其中所述固定层与由反铁磁质构成的反铁磁层磁性耦合，其中所述多层薄膜的宽度小于所述多层薄膜的纵向方向的尺寸，且纵向方向由形状各向异性确定为易磁化轴，使得在没有施加外部磁场的状态下自由层的磁化在纵向方向上；
每对自旋阀巨磁阻元件对中的一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向与该对的另一个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向彼此垂直相交，所述一个自旋阀巨磁阻元件的固定层在固定层的纵向方向被磁化，所述另一个自旋阀巨磁阻元件的固定层在与所述一个自旋阀巨磁阻元件的固定层相同的方向被磁化；
构成每对自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向仅与所述平面线圈的该对相对边的相应边或同一边以45度交叉；以及
每对自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件在该两个自旋阀巨磁阻元件中每个的一端彼此相连，并且用于测量的电压施加在该两个自旋阀巨磁阻元件的另一端之间，以便能够从所述一端提取中点电势。
2.如权利要求1所述的方位角测量仪，其中构成每对自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向仅与所述平面线圈的该对相对边的同一边以45度交叉。
3.如权利要求2所述的方位角测量仪，进一步包括电源，为所述平面线圈提供足够的直流电流，以便施加直流磁场，该直流磁场的幅度使所述自旋阀巨磁阻元件的自由层在纵向方向的磁化达到饱和；并且为所述平面线圈提供直流电流，以便为自旋阀巨磁阻元件施加预定幅度的直流磁场，其中该预定幅度小于饱和时的直流磁场的幅度。
4.如权利要求3所述的方位角测量仪，进一步包括运算单元，在所述预定幅度的直流磁场被施加到自旋阀巨磁阻元件时，该运算单元提取与所述平面线圈的一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值以及与所述平面线圈的另一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值，并根据两个中点电势差值确定外部磁场的方位角。
5.如权利要求1所述的方位角测量仪，其中构成每对自旋阀巨磁阻元件对的两个自旋阀巨磁阻元件的纵向方向仅与所述平面线圈的该对相对边的相应边以45度交叉。
6.如权利要求5所述的方位角测量仪，进一步包括电源，为所述平面线圈提供足够的直流电流，以便施加直流磁场，该直流磁场的幅度使所述自旋阀巨磁阻元件的自由层在纵向方向的磁化达到饱和；并且为所述平面线圈提供直流电流，以便为所述自旋阀巨磁阻元件施加预定幅度的直流磁场，其中所述预定幅度小于饱和时的直流磁场的幅度。
7.如权利要求6所述的方位角测量仪，进一步包括运算单元，在所述预定幅度的直流磁场被施加到自旋阀巨磁阻元件时，该运算单元提取与所述平面线圈的一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值以及与所述平面线圈的另一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值，并根据两个中点电势差值确定外部磁场的方位角。
8.如权利要求1所述的方位角测量仪，进一步包括电源，为所述平面线圈提供足够的直流电流，以便施加直流磁场，该直流磁场的幅度使所述自旋阀巨磁阻元件的自由层在纵向方向的磁化达到饱和；并且为所述平面线圈提供直流电流，以便为所述自旋阀巨磁阻元件施加预定幅度的直流磁场，其中所述预定幅度小于饱和时的直流磁场的幅度。
9.如权利要求8所述的方位角测量仪，进一步包括运算单元，在所述预定幅度的直流磁场被施加到自旋阀巨磁阻元件时，该运算单元提取与所述平面线圈的一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值以及与所述平面线圈的另一对相对边交叉的两个自旋阀巨磁阻元件对之间的中点电势差值，并根据两个中点电势差值确定外部磁场的方位角。
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