CN102148327A - 小磁滞自旋阀磁敏电阻 - Google Patents
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Abstract
小磁滞自旋阀磁敏电阻，属于磁电阻器件技术领域。现有技术将电阻体设计成长条状六边形，但这种方法很难达到从根本上束缚磁畴运动的目的。本发明其电阻体为自旋阀材料制成两端呈尖角形的长条体，自旋阀材料为包括依次排列的钉扎层、被钉扎层、间隔层和自由层的多层膜结构，其特征在于电阻体为上下边缘相互平行的四边形，左右两端的边缘与长轴的垂直方向形成大于0度小于180度且不等于90度的夹角，电阻体左右两端边缘相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同，其优点在于电阻体的两端可分别形成作用于自由层两端边缘的正负磁荷效应、形成偏置作用，从而减少或消除自由层两端的多畴结构，进而减小或消除自旋阀磁敏电阻的磁滞。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种小磁滞自旋阀磁敏电阻，属于磁电阻器件技术领域。
【背景技术】
上个世纪八十年代末期，科学界发现了巨磁阻效应(GiantMagneto-Resistive，GMR)，即磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。它产生于层状的磁性薄膜结构，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。铁磁材料磁矩的方向是由加到铁磁材料的外磁场控制的，磁阻的随外磁场的变化而变化，从而可以实现将磁场变量转换成电量。采用多层膜结构的GMR自旋阀材料制成的自旋阀磁敏电阻，能精确而敏锐地探测外界磁场的大小和变化，因而采用这种电阻制成的磁敏传感器可广泛应用于位移测量、速度测量、精密机械精确定位、石油勘探系统、电力控制、汽车ABS系统、速度控制和导航中的自动传感、导弹导航、医疗器械等技术领域。这种自旋阀磁敏电阻传感器相对于传统磁敏传感器如霍耳器件、AMR器件等，GMR自旋阀磁敏传感器在尺寸、灵敏度、能耗和稳定性等方面都有诸多优势。
制备高性能自旋阀磁敏电阻的一个关键是减少磁滞，而自旋阀磁敏电阻两端的多畴结构是自旋阀磁敏电阻磁滞的重要成因。目前减小自旋阀磁敏电阻磁滞的方法主要有：1)通过外加永磁体形成偏置磁场；2)通过在集成线圈中通电流形成偏置磁场；但上述两种方法将使工艺难度增大并使器件能耗增加。通常设计自旋阀磁敏电阻时将电阻体设计成长条状六边形，其两端呈对称尖角形状，目的是束缚尖端磁畴畴壁的运动，以减少末端效应带来的磁滞。但这种方法很难达到从根本上束缚磁畴运动的目的，因为末端磁畴结构受外磁场特别是大磁场的影响将发生变化从而使磁敏电阻产生磁滞。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷，提供一种电阻体的两端可分别形成作用于自由层两端边缘的正负磁荷效应、形成偏置作用，从而减少或消除自由层两端的多畴结构，进而减小或消除自旋阀磁敏电阻的磁滞的小磁滞自旋阀磁敏电阻。为此，本发明采用如下技术方案：
小磁滞自旋阀磁敏电阻，其电阻体为自旋阀材料制成两端呈尖角形的长条体，自旋阀材料为包括依次排列的钉扎层、被钉扎层、间隔层和自由层的多层膜结构，其特征在于所述的电阻体为上下边缘相互平行的四边形，左右两端的边缘与长轴的垂直方向形成大于0度小于180度且不等于90度的夹角，电阻体左右两端边缘相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同。自旋阀磁敏电阻的两端设计成上述结构，其两端边缘方向与长轴垂直方向即钉扎方向不平行可以起到消除末端多畴结构作用，从而减少自旋阀磁敏电阻末端效应带来的磁滞，具体的说，由于自旋阀磁敏电阻两端边线与钉扎方向有一定倾角，这样被钉扎层就会在电阻两端形成磁荷，从而形成一个边缘场对电阻两端的自由层形成一个沿长轴方向的偏置磁场，消除自由层两端的多畴结构，从而减小自旋阀磁敏电阻的磁滞。电阻体两端边缘的倾斜角度可以相同也可以不同。
对于上述技术方案的完善和补充，可以增加如下技术特征或其组合：
所述的钉扎方向垂直于长轴，所述的自由层的磁化方向平行于长轴。钉扎层将被钉扎层的磁化方向钉扎在垂直于长轴的方向，自由层磁化方向在磁场的作用下发生转动，自旋阀磁敏电阻的变化与所加外磁场成正比。
所述的自旋阀材料至少包括顶钉扎自旋阀材料、合成反铁磁(SAF)顶钉扎自旋阀材料、底钉扎自旋阀材料、合成反铁磁(SAF)底钉扎自旋阀材料。
所述的自由层为铁磁自由层，其成份为NiFe或NiFeCo或CoFe或Co或CoFeB或前述成份的复合层。也可由SAF结构构成。
所述的间隔层由非磁性导电材料组成，其成份为Cu或Au或Ag或Cr或含前述成份的合金。
所述的被钉扎层由铁磁材料组成，其成份为NiFe或NiFeCo或CoFe或Co或前述成份的复合层。
所述的钉扎层材料组成，其成份为FeMn或NiMn或IrMn或PtMn或PtPdMn或CrPtMn。
本发明将自旋阀磁敏电阻的两端设计成上述结构，利用两端尖角形成的磁荷对自由层形成偏置磁场，以起到消除自由层两端的多畴结构作用，结构合理，减小自旋阀磁敏电阻的磁滞效果明显。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步的说明。
【附图说明】
图1为现有技术的电阻体形状示意图；
图2GMR自旋阀材料结构示意图；
图3为合成反铁磁层(SAF)结构及其磁化状态示意图；
图4为GMR自旋阀材料各层的磁化方向示意图；
图5为本发明的自旋阀磁敏电阻结构示意图，X方向为长轴方向；
图6为本发明实施例之一的GMR自旋阀磁敏电阻条的形状示意图；
图7为本发明实施例之二的GMR自旋阀蛇形磁敏电阻的形状示意图；
图8(1)为本发明实施例一的仿真模型，其中x方向为长轴方向，钉扎场沿长轴垂直方向即y方向，其值设置为500Oe；
图8(2)为本发明实施例一的仿真结果；
图9(1)为现有GMR自旋阀磁敏电阻的仿真模型，x方向为长轴方向，钉扎场沿长轴垂直方向即y方向，其值设置为500Oe；
图9(2)为现有GMR自旋阀磁敏电阻的仿真结果。
【具体实施方式】
如图1所示，现有技术中电阻体形状通常为长条状六边形，其两端的两条边缘向外突出形成尖角。
如图2所示，上钉扎自旋阀结构的示意图，其由铁磁钉扎层、间隔层、铁磁被钉扎层以及反铁磁钉扎层组成。铁磁自由层材料可选用NiFe、NiFeCo、CoFe、Co、CoFeB及其复合层材料；间隔层由非磁性导电材料组成，可以是Cu、Au、Ag、Cr及其合金；铁磁被钉扎层由铁磁材料，可以是NiFe、NiFeCo、CoFe、Co及其复合层材料，铁磁被钉扎层也可由SAF结构组成，
如图2所示，由铁磁层/非磁性层/铁磁层组成，铁磁层可以是NiFe、NiFeCo、CoFe、Co及其复合层材料，非磁性层一般采用Ru。通常采用的典型的材料结构为CoFe/Ru/CoFe。；反铁磁钉扎层由反铁磁性材料组成，通常为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn、PtPdMn、CrPtMn等合金材料。
如图3所示，合成反铁磁层结构包括依次排列的铁磁层、非磁性层和铁磁层的三层结构，两个磁铁层的磁化方向相反。
如图4所示的线性GMR自旋阀材料结构的示意图，其中钉扎层将被钉扎层的磁化方向钉扎在垂直于长轴的方向，自由层磁化方向在磁场的作用下发生转动，自旋阀磁敏电阻的变化与所加外磁场成正比。
如图5所示，一种将GMR自旋阀磁敏电阻两端设计为尖角结构，自旋阀磁敏电阻的两端边缘方向为与长轴垂直方向即钉扎方向不平行，且两端边缘相对于长轴垂直方向的倾角方向相同。利用这种结构可在自旋阀磁敏电阻的被钉扎层两端分别形成正负磁荷效应，该正负磁荷效应可作用在自由层两端边缘上，形成一个偏置作用(如图4所示)，减少或消除自由层两端的多畴结构，从而减小或消除自旋阀磁敏电阻的磁滞。
如图6所示，本发明的本质特点在于将GMR自旋阀磁敏电阻设计为平行四边形，其两端边缘同长边缘形成尖角结构，且GMR自旋阀磁敏电阻的两端边缘与长轴垂直方向即钉扎方向不平行，两端边缘与长轴垂直方向形成的倾角方向相同且角度互为补角，通过此种特殊形状在自旋阀磁敏电阻条的被钉扎层两端边缘形成分别形成正负磁荷效应，从而对自由层的两端边缘形成偏置作用以减少或消除其多畴结构，达到减少或消除GMR自旋阀磁敏电阻磁滞的目的。因此本发明的设计原则为：1)自旋阀磁敏电阻基本形状为两端为尖角的长条结构；2)自旋阀磁敏电阻两端边缘线与长轴垂直方向(如图6中虚线所示)不平行形成倾角(如图6中α、β所示)。α和β可以相等(即图6所示的平行四边形)，也可以不必相等，但两倾角相对于长轴垂直方向(如图6中虚线所示)必须倾斜方向相同。
如图7所示，为了应对这种实际需要，给出了一个自旋阀蛇形磁敏电阻的应用实际设计例。为了获得所需的电阻值，将若干个本发明的电阻体串联起来，形成如图所示的蛇形结构。
如图8(1)所示，给出了采用本发明设计的GMR自旋阀磁敏电阻条的另一个实施例，电阻体长2μm，宽1μm，电阻两边端倾角均与钉扎方向成45度角，x方向为长轴方向，钉扎场沿长轴垂直方向即y方向，其值设置为500Oe。
(2)为该电阻条的仿真结果。从图上结果看，本发明几乎消除了自旋阀磁敏电阻的磁滞。
如图9所示，现有GMR自旋阀磁敏电阻的仿真模型，x方向为长轴方向，钉扎场沿长轴垂直方向即y方向，其值设置为500Oe；电阻条长2μm，宽1μm，且两边端均与钉扎方向平行。
(2)的仿真结果可见，未采用本发明技术的自旋阀磁敏电阻有较大的磁滞。
通过图8和图9比较可知，采用本发明结构的电阻条在减少或消除自旋阀磁敏电阻的磁滞显著优于现有技术。
以上图2-9所示的小磁滞自旋阀磁敏电阻是本发明的具体实施例，已经体现出本发明突出的实质性特点和显著的进步，可根据实际的使用需要，对其进行形状、规格、材质、两端倾角等方面的修改，在此不多赘述。
Claims (7)
1.小磁滞自旋阀磁敏电阻，其电阻体为自旋阀材料制成两端呈尖角形的长条体，自旋阀材料为包括依次排列的钉扎层、被钉扎层、间隔层和自由层的多层膜结构，其特征在于所述的电阻体为上下边缘相互平行的四边形，左右两端的边缘与长轴的垂直方向形成大于0度小于180度且不等于90度的夹角，电阻体左右两端边缘相对于长轴垂直方向的倾斜方向相同。
2.根据权利要求1所述的小磁滞自旋阀磁敏电阻，其特征在于所述的钉扎方向垂直于长轴，所述的自由层的磁化方向平行于长轴。
3.根据权利要求1或2所述的小磁滞自旋阀磁敏电阻，其特征在于所述的自旋阀材料至少包括顶钉扎自旋阀材料、合成反铁磁(SAF)顶钉扎自旋阀材料、底钉扎自旋阀材料、合成反铁磁(SAF)底钉扎自旋阀材料之一。
4.根据权利要求3所述的小磁滞自旋阀磁敏电阻，其特征在于所述的自由层为铁磁自由层，其成份为NiFe或NiFeCo或CoFe或Co或CoFeB或前述成份的复合层。
5.根据权利要求3所述的小磁滞自旋阀磁敏电阻，其特征在于所述的间隔层由非磁性导电材料组成，其成份为Cu或Au或Ag或Cr或含前述成份的合金。
6.根据权利要求3所述的小磁滞自旋阀磁敏电阻，其特征在于所述的被钉扎层由铁磁材料组成，其成份为NiFe或NiFeCo或CoFe或Co或前述成份的复合层。
7.根据权利要求3所述的小磁滞自旋阀磁敏电阻，其特征在于所述的钉扎层由反铁磁性材料组成，其成份为FeMn或NiMn或IrMn或PtMn或PtPdMn或CrPtMn。
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