CN102564637B - 磁隧道结中偏流/偏压引起的升温的测量方法 - Google Patents

磁隧道结中偏流/偏压引起的升温的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升的测量方法，其包括以下步骤：（a）施加一外部时变磁场到所述磁隧道结；（b）在不同的温度值下测量不同的第一外触发磁场值；（c）根据所述温度值和所述第一外触发磁场值计算温度与外触发磁场之间的关系；（d）在不同的偏流/偏压值下测量不同的第二外触发磁场值；（e）根据所述偏流/偏压值和所述第二外触发磁场值计算偏流/偏压与外触发磁场之间的关系；（f）根据步骤（c）和（e）的结果计算所述温度与所述偏流/偏压之间的关系。采用本发明的测量方法，可以获得温度与偏流/偏压之间的关系，从而可确定何种隧道磁电阻传感器的设计在较高操作温度下具有更为稳定及可靠的性能。

Description

磁隧道结中偏流/偏压引起的升温的测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量磁头性能的方法，尤其涉及一种测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的升温的方法。
背景技术
包含多个旋转磁盘的硬盘驱动器被普遍用来将数据存储在其磁盘表面的磁性媒介上，而包含读传感器的可移动磁头用作从磁盘表面的磁轨上读取数据。
当前，磁阻(magnetoresistive，MR)读传感器，一般称为MR传感器，因其相较薄膜诱导型磁头具有能够以更大磁轨和线性密度从磁盘表面上读取数据的能力，而成为主流的读传感器。MR传感器通过其MR感应层(也称为“MR元件”)的电阻变化来感应磁通量的强度和方向以到达侦测磁场的目的。
目前，不同类型的MR传感器已接二连三被磁盘驱动器开发商有效投入使用。其中一种传统的MR传感器为各向异性磁阻(anisotropic magnetoresistive，AMR)，其会使磁化方向与流经MR元件的感应偏流方向之间的夹角发生改变，继而使MR元件的电阻和感应偏流或偏压发生相应的变化。另一种典型类型为巨磁电阻(giant magnetoresistive，GMR)传感器，其表现为GMR效应。GMR效应是一种磁阻比率(magnetoresistive ratio，MRR)在外部磁场下发生变化的现象。GMR传感器由两铁磁层和层压于该两铁磁层之间的非铁磁层组成。该非铁磁层的电阻会随两铁磁层的磁矩、载流电子及自旋相关散射而变化。再一种MR传感器类型为隧道磁电阻(tunnel magnetoresistive，TMR)传感器，其包括产生隧道磁阻效应的磁隧道结(magnetic tunneljunction，MTJ)。由于其磁阻比率的变化比GMR显著得多，故此TMR传感器能够取代AMR和GMR而成为当前的主流技术。
然而，高温度噪声(high temperature noise，HTN)问题一直存在于上述MR传感器中而严重影响其工作性能。众所周知，为了保证MR传感器的性能，较高的偏流/偏压是必须的，然而施加较高的偏流/偏压将会带来较高的温度上升，进而产生高温度噪声。因此，根据温度与偏流/偏压的关系来寻求其两者之间的平衡是必须的。
为了解决上述难题，对于GMR传感器而言，一种测量由偏流/偏压引起的温度上升的方法已经被实现了，由于整个GMR传感器是由金属制成的，其升温可以通过导体方法进行估算。而TMR传感器并不属于导体，针对GMR传感器的方法不可用在TMR传感器上而对其磁隧道结的温度上升进行测量。
因此，急需提供一种测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的升温的方法以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量方法，用于测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升，从而可确定在较高操作温度下何种隧道磁电阻传感器(TMR传感器)的设计具有更为稳定及可靠的性能。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升的方法，该测量方法包括以下步骤：(a)施加一外部时变磁场到所述磁隧道结；(b)在不同的温度值下测量不同的第一外触发磁场值；(c)根据所述温度值和所述第一外触发磁场值计算温度与外触发磁场之间的关系；(d)在不同的偏流/偏压值下测量不同的第二外触发磁场值；(e)根据所述偏流/偏压值和所述第二外触发磁场值计算偏流/偏压与外触发磁场之间的关系；(f)根据步骤(c)和(e)的结果计算温度与偏流/偏压之间的关系。
较佳地，所述步骤(b)包括以下步骤：(b1)测量所述磁隧道结在不同的温度值下的不同磁阻比率响应以形成不同的第一曲线；(b2)从每一所述第一曲线上测量第一外触发磁场值。
较佳地，所述步骤(c)包括以下步骤：(c1)根据不同的温度值计算出复数个Δ温度值；(c2)根据不同的第一外触发磁场值计算出复数个Δ第一外触发磁场值；(c3)计算Δ温度值与Δ第一外触发磁场值之间的关系而形成第一方程。
较佳地，所述步骤(d)包括以下步骤：(d1)测量所述磁隧道结在不同的偏流/偏压值下的不同磁阻比率响应以形成不同的第二曲线；(d2)从每一所述第二曲线上测量第二外触发磁场值。
较佳地，所述步骤(e)包括以下步骤：(e1)根据不同的偏流/偏压值计算出复数个Δ偏流/偏压值；(e2)根据不同的第二外触发磁场值计算出复数个Δ第二外触发磁场值；(e3)计算Δ偏流/偏压值与Δ第二外触发磁场值之间的关系而形成第二方程。
较佳地，所述步骤(b)是在最小偏压下进行的，所述最小偏压的值为40mV。
较佳地，所述步骤(d)是在室温下进行的。
较佳地，所述不同温度值是由一封闭回路环境腔提供。
与现有技术相比，本发明测量方法用于测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升，从而可确定在较高操作温度下何种隧道磁电阻传感器的设计具有更为稳定及可靠的性能。
通过以下的描述并结合附图，本发明的技术内容、构造特征、所达目的及效果将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为传统隧道磁电阻传感器的结构示意图。
图2为图1所示隧道磁电阻传感器中的磁隧道结的结构示意图。
图3展示了图2所示磁隧道结中各层的磁化方向。
图4展示了图2所示磁隧道结中的主要耦合现象。
图5为通过测量TMR传感器在高外部时变磁场下的MRR响应而形成的HFQST曲线图。
图6为一流程图，其展示了根据本发明的一实施例来测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升的方法。
图7为另一流程图，其展示了根据本发明的另一实施例来测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升的方法。
图8a至图8g为不同温度下所形成的不同HFQST曲线。
图9为展示温度与外触发磁场之间的关系的图表。
图10a至图10e为不同偏压值下所形成的不同HFQST曲线。
图11为展示偏压与外触发磁场之间的关系的图表。
图12为展示温度与偏压之间的关系的图表。
具体实施方式
以下将结合附图描述本发明的各个实施例，其中，各个附图中相同的标记表示相同的元件。如上所述，本发明提供了用于测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升的方法，该测量方法包括以下步骤：(a)施加一外部时变磁场到所述磁隧道结；(b)在不同的温度值下测量不同的第一外触发磁场值；(c)根据所述温度值和所述第一外触发磁场值计算温度与外触发磁场之间的关系；(d)在不同的偏流/偏压值下测量不同的第二外触发磁场值；(e)根据所述偏流/偏压值和所述第二外触发磁场值计算偏流/偏压与外触发磁场之间的关系；(f)根据步骤(c)和(e)的结果计算所述温度与所述偏流/偏压之间的关系。通过上述方法，可以获得温度与偏流/偏压之间的关系，从而可确定在较高操作温度下何种隧道磁电阻传感器的设计具有更为稳定及可靠的性能。
图1展示了传统TMR传感器，而图2展示了所述TMR传感器的磁隧道结。如图1和图2所示，所述TMR传感器100包括磁隧道结(MTJ)110，该磁隧道结110为隧道磁阻效应(TMR效应，指的是由外部时变磁场引起的电阻变化)发生的地方。所述磁隧道结110包括自由层111、阻挡层112、扎层113及牵制层114，上述各层均夹设于两衬底120及两硬磁铁130之间。具体地，所述扎层113包括有内扎层113a、外扎层113c及夹设于所述内扎层113a及外扎层113c之间的钌层113b。所述牵制层114是由反磁铁材料制成的，因此，其通常被称为反磁铁层(AFM层)114。
参照图3和图4，通常，所述自由层的磁化作用受控于所述硬磁铁130；所述内扎层113a受控于所述外扎层113c；而所述外扎层113c则受控于所述反磁铁层114。因此，在磁隧道结中，其会产生两个主要的耦合。其一为交换耦合，该交换耦合为反磁铁层114与外扎层113c之间的耦合；其二为合成耦合，该合成耦合为内扎层113a与外扎层113c之间的耦合。
当所述TMR传感器置于一外部时变磁场内时，TMR效应发生且TMR传感器的磁阻比率(MRR)响应可通过图5所示的高磁场准静态测试(high fieldquasi-static test，HFQST)曲线而被测量。参照图5，所述磁隧道结110的磁阻比率随着所述自由层111与所述内扎层113a之间的磁化角度的变化而改变。当所述自由层111与所述内扎层113a之间的磁化角度为0度时(平行状态)，可获得较低的MRR；而当所述自由层111与所述内扎层113a之间的磁化角度为180度时(反平行状态)，可获得较高的MRR。当外部时变磁场较强而足以破坏所述反磁铁层114与所述外扎层113c之间的交换耦合时，所述外部时变磁场将会迫使所述外扎层113c跟随其磁化方向。然而，此时内扎层113a与外扎层113c之间的合成耦合仍然存在，所述内扎层113a的磁化方向也会产生微小的变动，从而产生了被称为外触发的特殊效应，如图5的点A所示。为了更好地描述上述现象的特性，引入外触发磁场，其值等于外触发发生时的外部时变磁场的场强。所述外触发磁场主要依赖于交换耦合，而交换耦合只对温度具有高度敏感，与MRR无关，因此，外触发场强可作为测量温度上升的好参数。基于上述技术，本发明的方法利用外触发磁场来测量由偏流/偏压引起的温度上升。
参照图6，根据本发明的一个实施例，用于测量磁隧道结中由偏压引起的温度上升的方法包括如下步骤：施加一外部时变磁场到所述磁隧道结(步骤S101)；在不同的温度值下测量不同的第一外触发磁场值(步骤S102)；根据所述温度值和所述第一外触发磁场值计算温度与外触发磁场之间的关系(步骤S103)；在不同的偏压值下测量不同的第二外触发磁场值(步骤S104)；根据所述偏压值和所述第二外触发磁场值计算偏压与外触发磁场之间的关系(步骤S105)；根据步骤S103和S105的结果计算温度与偏压之间的关系(步骤S106)。在本发明的另一实施例中，所述步骤S104和S105比所述步骤S102和S103先执行。
如图7所示，根据本发明一个较佳实施例，用于测量磁隧道结中由偏压引起的温度上升的方法包括如下步骤：
首先，施加一外部时变磁场到所述磁隧道结(步骤S201)。较佳地，实现该步骤是通过将所述磁隧道结置于由一电磁体产生的外部时变磁场中。
接着，在不同的温度值下测量所述磁隧道结的不同磁阻比率响应以形成不同的第一曲线(步骤S202)。较佳地，该步骤是在最小偏压下进行的，所述最小偏压的值为40mV，所述不同的温度值(本实施例中，设置了七个不同的温度值，例如25℃、45℃及60℃等)由一封闭回路环境腔提供。参照图8a至图8g，在执行所述步骤S202之后，可获得七条第一曲线(均为HFQST曲线)，其分别展示所述磁隧道结在七个不同温度值下的不同磁阻比率响应。接着，可以执行下一个步骤：从每一所述第一曲线上测量第一外触发磁场值(步骤S203)。如图8a所示，当温度值为25℃时，外触发磁场发生在点A1上，从该曲线可得出所述外触发磁场的第一值。类似地，参照图8b至图8g，外触发磁场的其他第一值可以同样的方式算出。在该实施例中，由于提供了七个温度值，相应地可以获取七个第一外触发磁场值。
基于上述数据，可以执行以下三个步骤：根据不同的温度值计算出复数个Δ温度值(步骤S204)；根据不同的第一外触发磁场值计算出复数个Δ第一外触发磁场值(步骤S205)；计算Δ温度值与Δ第一外触发磁场值之间的关系而形成第一方程(步骤S206)。具体地，参照图8a和图8b，当温度值从25℃上升到45℃时，可获得的Δ温度值为20℃，此时，对应的Δ第一外触发磁场值约为231Oe，从而，可获得关于Δ温度值与Δ第一外触发磁场值的第一组数据Δ-1(20℃，231Oe)。类似地，参照图8a和图8c，当温度值变为60℃时，可获得的另一个Δ温度值为35℃，而对应的另一个Δ第一外触发磁场值约为222Oe℃，从而，可获得另一组数据Δ-2(35℃，2220e)。按照这种方式，可以获取关于Δ温度值与Δ第一外触发磁场值的另外四组数据，其分别为Δ-3、Δ-4、Δ-5及Δ-6。如图9所示，根据已获得的上述六组数据可以得出Δ温度值与Δ第一外触发磁场值之间的关系而形成第一方程：ΔT＝0.1028ΔB(其中，参数ΔB为外触发磁场的变化，而参数ΔT为温度的变化)。
类似地，偏压与外触发磁场之间的关系能以同样的方式获取，具体地，其包括以下步骤：在不同的偏压值下测量所述磁隧道结的不同磁阻比率响应以形成不同的第二曲线(步骤S207)。较佳地，该步骤是在室温的条件下进行的。本实施例中，设置了五个不同的偏压值，例如40mV、80mV和140mV等。参照图10a至图10e，在执行所述步骤S207之后，可获得五条第二曲线(均为HFQST曲线)，其分别展示所述磁隧道结在五个不同偏压值下的不同磁阻比率响应。接着，可以执行下一个步骤：从每一所述第二曲线上测量第二外触发磁场值(步骤S208)。如图10a所示，当偏压值为40mV时，外触发磁场发生在点A2上，从该曲线可得出所述外触发磁场的第二值。类似地，参照图10b至图10e，外触发磁场的其他第二值可以同样的方式算出。在该实施例中，由于提供了五个偏压值，相应地可以获取五个第二外触发磁场值。
基于上述数据，可以执行以下三个步骤：根据不同的偏压值计算出复数个Δ偏压值(步骤S209)；根据不同的第二外触发磁场值计算出复数个Δ第二外触发磁场值(步骤S210)；计算Δ偏压值与Δ第二外触发磁场值之间的关系而形成第二方程(步骤S211)。具体地，以与步骤S204、S205及S206同样的方式，可以获取关于Δ偏压值与Δ第二外触发磁场值的四组数据，其分别为Δ-1A、Δ-2A、Δ-3A及Δ-4A。如图11所示，根据已获得的上述四组数据可以得出Δ偏压值与Δ第二外触发磁场值之间的关系而形成第二方程：ΔB＝0.0095ΔU2+0.4802ΔU(其中，参数ΔB为外触发磁场的变化，而参数ΔU为偏压的变化)。
最后，根据所述第一方程及所述第二方程得出温度及偏压之间的关系(步骤S212)。执行该步骤的结果是可获得第三方程：ΔT＝0.0008ΔU 2+0.0615ΔU(其中，参数ΔT为温度的变化，而参数ΔU为偏压的变化)。从该第三方程可直接得出偏压引起的温度变化。
需要注意的是，步骤S202到步骤S211的先后执行顺序并不限于上述实施例所揭露的情况，而是可根据具体实际需要进行调整。
可理解地，根据上述实施例，一种测量偏流引起的温度上升的方法可通过将偏压替换为偏流而实现。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种测量方法，用于测量磁隧道结中由偏流/偏压引起的温度上升，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
(a)施加一外部时变磁场到所述磁隧道结；
(b)在不同的温度值下测量不同的第一外触发磁场值；
(c)根据所述温度值和所述第一外触发磁场值计算温度与外触发磁场之间的关系；
(d)在不同的偏流或偏压值下测量不同的第二外触发磁场值；
(e)根据所述偏流或偏压值和所述第二外触发磁场值计算偏流或偏压与外触发磁场之间的关系；
(f)根据步骤(c)和(e)的结果计算温度与偏流或偏压之间的关系；
所述步骤(c)包括以下步骤：
(c1)根据不同的温度值计算出复数个△温度值；
(c2)根据不同的第一外触发磁场值计算出复数个△第一外触发磁场值；
(c3)计算△温度值与△第一外触发磁场值之间的关系而形成第一方程。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(b)包括以下步骤：
(b1)测量所述磁隧道结在不同的温度值下的不同磁阻比率响应以形成不同的第一曲线；
(b2)从每一所述第一曲线上测量第一外触发磁场值。
3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(d)包括以下步骤：
(d1)测量所述磁隧道结在不同的偏流或偏压值下的不同磁阻比率响应以形成不同的第二曲线；
(d2)从每一所述第二曲线上测量第二外触发磁场值。
4.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(e)包括以下步骤：
(e1)根据不同的偏流或偏压值计算出复数个△偏流或偏压值；
(e2)根据不同的第二外触发磁场值计算出复数个△第二外触发磁场值；
(e3)计算△偏流或偏压值与△第二外触发磁场值之间的关系而形成第二方程。
5.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(b)是在最小偏压下进行的，所述最小偏压的值为40mV。
6.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述步骤(d)是在室温下进行的。
7.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述不同温度值是由一封闭回路环境腔提供。
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