CN102721427B - 一种薄膜磁阻传感器元件及薄膜磁阻电桥 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜磁阻传感器元件，包括下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、非磁性隔离层、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层。本发明还涉及包含本发明的薄膜磁阻传感器元件的电桥。本发明的薄膜磁阻传感器元件及其组成的电桥的特点是：磁滞小，精度和线性度高，线性范围可调，工艺简单，响应频率高，成本低，抗干扰性强和温度特性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜磁阻传感器及该薄膜磁阻组成的电桥半桥和电桥全桥。
背景技术
薄膜磁阻传感器元件被广泛的应用在数据存储领域（计算机硬盘，MRAM），电流的测量领域，位置测量，物体的移动和速度，角度及角速度等的测量领域。
薄膜磁阻传感器元件有多层膜结构和自旋阀结构。 多层膜结构包括磁性层和非磁性层，它们交替的沉积在衬底上。自旋阀结构包括非磁性钉扎层（MnIr，MnPt）、磁性被钉扎层（CoFeB、CoFe, 或是SAF结构CoFe/Ru/CoFe等）、非磁性隔离层（Cu、AlO、MgO、HfO、ZrO、TaO等等），磁性自由层（CoFeB、CoFe, 或是SAF结构CoFe/Ru/CoFe等）。
薄膜磁阻传感器元件在测量模拟量时，由于自由层的磁性材料本身有磁滞现象，测量时有回程差，影响到测量的精度和测量的线性度。为了避免这种现象通常采用的方法有：1、利用自由层的形状各向异性能提供一个垂直于外界待测磁场偏置磁场；2、在薄膜磁阻传感器元件的自由层周围，沉积一层永磁薄膜，通过永磁薄膜提供一个垂直于外界待测磁场偏置磁场（计算机硬盘采用此方案）；3、在薄膜磁阻传感器元件的自由层周围，沉积一根电流线，通过电流提供一个偏置磁场；4、利用反铁磁材料（MnIr/MnPt）提供自由层一个垂直于外界待测磁场偏置磁场。
采用第一种方法的特点是：工艺简单，但是形状各向异性提供的偏置磁场有限，并且限制了芯片的设计。采用第二种方法的特点是：偏置磁场的大小可由调解永磁薄膜的成分及厚度而改变，但是在实际应用中要避免大的外磁场的干扰，如果有大磁场的干扰，会改变偏置磁场的方向，从而影响传感器的性能。采用第三种方法的特点是：偏置磁场的大小可由改变电流的大小来调解，但是传感器的功耗会很大。采用第四种方法的特点是：偏置磁场的大小可由调解反铁磁材料的厚度及自由层的厚度或材料而改变，但是在实际应用中这种结构的热稳定性较差，目前的材料很难使传感器的性能稳定性达到200摄氏度以上。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种简单的薄膜磁阻传感器元件及其该薄膜磁阻传感器元件组成的电路半桥和电路全桥。
为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种薄膜磁阻传感器元件，其依次具有下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、非磁性隔离层、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层。
其中，反铁磁钉扎层和磁性被钉扎层产生的交换耦合场作为薄膜磁阻传感器元件的参考层，其交换耦合场的方向平行于待测外磁场的方向。反铁磁钉扎层的材料可以是MnIr、MnPt或MnFe等, 磁性被钉扎层的材料和结构可以是CoFe、 CoFeB、 CoFe/Ru/CoFe、 CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB、CoFe/Ta /CoFe/Ru/CoFeB等。
非磁性隔离层的材料可以是Cu、AlO、MgO、HfO、ZrO、TaO等。
磁性自由层其材料可以是CoFeB、CoFe、CoFeB/NiFe、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe或oFe/Ta/NiFe。
偏磁层其材料可以是CoCrPt、CoPt、FePt，或由其组成的多层膜结构（例如：Ru/CoPt/Ru/CoPt， Ta/CoPt/Ta/CoPt等。
磁性被钉扎层的磁矩方向与磁性自由层的磁矩方向相互垂直。由于偏磁层的材料是永磁材料，其产生恒定的外磁场，外磁场作用在磁性自由层上，给磁性自由层一个偏置场，并且偏置场的方向垂直于磁性被钉扎层磁矩的方向，偏置场的大小可由调解偏置层的厚度，材料成分及偏置层到磁性自由层的距离而改变，从而达到调节薄膜磁阻传感器灵敏度，线性范围等参数。
本发明的薄膜磁阻传感器元件的工艺条件是行业内标准的工艺条件，在这里只做简单的陈述：1、对于非磁性隔离层是金属的，真空镀膜：下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、非磁性隔离层、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层；2、如果非磁性隔离层是氧化物， a、真空镀膜：下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层。
薄膜磁阻传感器元件的薄膜镀完之后，开始回火确定磁性被钉扎层和反铁磁钉扎层产生的交换耦合场的方向。在较高的温度下，加大的外磁场，外磁场的方向与想要的交换耦合场的方向一致(一般平行于待测量外磁场的方向)。
薄膜磁阻传感器元件回火结束后，进行偏磁层的冲磁，把薄膜磁阻传感器元件置入大的磁场中，此处的磁场要均匀，并且大于偏磁层的矫顽力，磁场的方向垂直于磁性被钉扎层的磁矩方向（回火中所加的外磁场方向）。
本发明同时提供包括该薄膜磁阻传感器元件的两种薄膜磁阻电桥，全桥结构和半桥结构，其中全桥结构包括四个薄膜磁阻传感器元件，所述四个薄膜磁阻传感器元件中，两个的磁性被钉扎层的磁矩方向相互平行并与另外两个薄膜磁阻传感器元件的磁性被钉扎层的磁矩方向反平行，并分别位于全桥的一边，而四个薄膜磁阻传感器元件的磁性自由层的磁矩方向相互平行。而半桥结构包括两个薄膜磁阻传感器元件，两个薄膜磁阻传感器元件的磁性被钉扎层的磁矩方向相互反平行，而磁性自由层的磁矩方向相互平行。
本发明的薄膜磁阻传感器元件及其组成的电路特点是：磁滞小，精度和线性度高，线性范围可调，工艺简单，响应频率高，成本低，抗干扰性强和温度特性好等。
附图说明
图1是本发明中的薄膜磁阻传感器元件的结构示意图；
图2是本发明中的薄膜磁阻传感器元件的外加磁场强度与输出关系示意图；
图3是本发明中的薄膜磁阻半桥的结构示意图；
图4是本发明中的薄膜磁阻半桥的外加磁场强度与输出关系示意图；
图5是本发明中的薄膜磁阻全桥的结构示意图；
图6是本发明中的薄膜磁阻全桥的外加磁场强度与输出关系示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明予以进一步地详尽阐述。
一种薄膜磁阻传感器元件，其依次具有下电极10、种子层1、反铁磁钉扎层2、磁性被钉扎层3结构、非磁性隔离层4、磁性自由层5、保护层6、上电极11、偏磁层12。
其中，反铁磁钉扎层2和磁性被钉扎层3产生的交换耦合场作为薄膜磁阻传感器元件的参考层，其交换耦合场的方向平行于待测外磁场的方向。反铁磁钉扎层2的材料可以是MnIr、MnPt或MnFe等, 磁性被钉扎层3的材料和结构可以是CoFe、 CoFeB、 CoFe/Ru/CoFe、 CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB、CoFe/Ta /CoFe/Ru/CoFeB等。
非磁性隔离层4的材料可以是Cu、AlO、MgO、HfO、ZrO、TaO等。
磁性自由层5其材料可以是CoFeB、CoFe、CoFeB/NiFe、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe或oFe/Ta/NiFe。
偏磁层12其材料可以是CoCrPt、CoPt、FePt，或由其组成的多层膜结构（例如：Ru/CoPt/Ru/CoPt， Ta/CoPt/Ta/CoPt等。
实施例1 薄膜磁阻传感器元件
如图1所示，薄膜磁阻传感器元件的结构，由纳米级多层膜组成：下电极10，种子层1，反铁磁钉扎层2，磁性被钉扎层3结构，非磁性隔离层4，磁性自由层5，保护层6，上电极11，偏磁层12。磁性被钉扎层3的磁矩方向如7所示，磁性自由层5的磁矩方向8由偏磁层12所产生的恒定外磁场13所偏置，磁性自由层5的磁矩方向8与磁性被钉扎层3的磁矩方向7相互垂直。磁性自由层5的磁矩方向8随着外加磁场9的大小和方向的改变而变化。
薄膜磁阻传感器元件的工作原理，薄膜磁阻传感器元件的磁阻随着磁性自由层5的磁矩方向8与磁性被钉扎层3的磁矩方向7的夹角的变化而变化。当磁性自由层5的磁矩方向8随着外加磁场9的大小和方向的改变而变化时，薄膜磁阻传感器元件的磁阻也随之变化。如图2所示，当外加磁场9的方向与磁性被钉扎层3的磁矩方向7平行时，同时外加磁场的强度大于H1时，磁性自由层5的磁矩方向8与外加磁场9的方向平行，进而与磁性被钉扎层3的磁矩方向7平行，如14所示，这时薄膜磁阻传感器元件的磁阻最小。当外加磁场9的方向与磁性被钉扎层3的磁矩方向7反平行时，同时外加磁场的强度大于H2时，磁性自由层5的磁矩方向8与外加磁场9的方向平行，进而与磁性被钉扎层3的磁矩方向7反平行，如15所示，这时薄膜磁阻传感器元件的磁阻最大。H1与H2之间的磁场范围就是薄膜磁阻传感器元件的测量范围。
实施例2 薄膜磁阻电桥半桥
薄膜磁阻电桥半桥的结构，如图3所示，由了两个薄膜磁阻元件组成214和215。 其中薄膜磁阻元件214的磁性被钉扎层的磁矩方向216与薄膜磁阻元件215的磁性被钉扎层的磁矩方向217方向反平行。 薄膜磁阻元件214和215的磁性自由层的方向218和219相互平行。电极211，213是薄膜磁阻电桥半桥的电压输入端，电极212是薄膜磁阻电桥半桥的电压输出端。
薄膜磁阻电桥半桥的工作原理，如图4所示，薄膜磁阻电桥半桥的输出电压V随着外磁场9的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场9的方向为负（-）且磁场强度大于H1时，薄膜磁阻电桥半桥的输出电压最低。当外加磁场9的方向为正（+）且磁场强度大于H2时，薄膜磁阻电桥半桥的输出电压最高。H1与H2之间的磁场范围就是薄膜磁阻电桥半桥的测量范围。
实施例3 薄膜磁阻电桥全桥
薄膜磁阻电桥全桥的结构，如图5所示，由四个薄膜磁阻元件组成311，312，313，314。其中薄膜磁阻元件311与314的磁性被钉扎层的磁矩方向321，323与薄膜磁阻元件312，313的磁性被钉扎层的磁矩方向322，324方向反平行。薄膜磁阻元件311，312，313，314的磁性自由层的方向331，332，333，334相互平行。电极315，316是薄膜磁阻电桥全桥的电压输入端，电极317，318是薄膜磁阻电桥全桥的电压输出端。
薄膜磁阻电桥全桥的工作原理，如图6 所示，薄膜磁阻电桥全桥的输出电压V=Vout(+)-Vout(-)=317-318随着外磁场9的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场9的方向为负（-）且磁场强度大于H1时，薄膜磁阻电桥全桥的输出电压最低。当外加磁场9的方向为正（+）且磁场强度大于H2时，薄膜磁阻电桥全桥的输出电压最高。H1与H2之间的磁场范围就是T薄膜磁阻电桥全桥的测量范围。
Claims (5)
1. 一种薄膜磁阻传感器元件，其特征在于：其结构依次包括下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、非磁性隔离层、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层；
所述磁性被钉扎层的材料是CoFeB、CoFe, 或是SAF 结构CoFe/Ru/CoFe、CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB；
所述磁性自由层其材料是CoFeB、CoFe、CoFeB/NiF、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe或CoFe/Ta/NiFe；
所述偏磁层其材料是CoCrPt、CoPt、FePt，或由其组成的多层膜结构Ru/CoPt/Ru/CoPt， Ta/CoPt/Ta/CoPt，Ta/FePt/Ta/FePt，Ru/FePt/Ru/FePt；
所述磁性被钉扎层的磁矩方向与磁性自由层的磁矩方向相互垂直；所述磁性自由层的磁矩方向受偏置层所产生磁场的偏置，从而垂直于磁性被钉扎层的磁矩方向。
2. 如权利要求1所述的一种薄膜磁阻传感器元件，其特征在于：所述反铁磁钉扎层的材料是MnIr、MnPt或MnFe。
3. 如权利要求1所述的一种薄膜磁阻传感器元件，其特征在于：所述非磁性隔离层的材料是Cu、AlO、MgO、HfO、ZrO或TaO。
4. 一种薄膜磁阻电桥半桥，其特征在于：其包括两个如权利要求1-3中任一项所述的薄膜磁阻传感器元件；该两个薄膜磁阻传感器元件的磁性被钉扎层的磁矩方向相互反平行，而磁性自由层的磁矩方向相互平行。
5. 一种薄膜磁阻电桥全桥，其特征在于：其结构包括四个如权利要求1-3中任一项所述的薄膜磁阻传感器元件；所述四个薄膜磁阻传感器元件中，两个磁性被钉扎层的磁矩方向相互平行并与另外两个薄膜磁阻传感器元件的磁性被钉扎层的磁矩方向反平行，并分别位于全桥的一边，而四个薄膜磁阻传感器元件的磁性自由层的磁矩方向相互平行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Owner name: NINGBO RAYNISEN TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: WUXI LEER TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20130217 |
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Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 214028 WUXI, JIANGSU PROVINCE TO: 315336 NINGBO, ZHEJIANG PROVINCE |
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Effective date of registration: 20130217 Address after: 315336 2-18W, building 4, commercial street, South Coast Road, Hangzhou Bay New District, Ningbo, Zhejiang Applicant after: RAYNISEN TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 204 room 214028, Science Park, 7 Changjiang Road, Wuxi New District, Jiangsu, China Applicant before: WUXI LER TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: NINGBO SINOMAGS TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: NINGBO RAYNISEN TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20140512 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 315336 NINGBO, ZHEJIANG PROVINCE TO: 315299 NINGBO, ZHEJIANG PROVINCE |
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Effective date of registration: 20140512 Address after: Guan Lu in Zhenhai District 315299 in Zhejiang province Ningbo City No. 1188 10 2 floor Applicant after: NING BO SINOMAGS ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 315336 2-18W, building 4, commercial street, South Coast Road, Hangzhou Bay New District, Ningbo, Zhejiang Applicant before: RAYNISEN TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20210510 Address after: 215600 building e, No.7, Guangdong Road, Zhangjiagang Free Trade Zone, Zhangjiagang City, Suzhou City, Jiangsu Province Patentee after: MULTIDIMENSION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 2 / F, building 10, 1188 Zhongguan Road, Zhenhai District, Ningbo City, Zhejiang Province Patentee before: NING BO SINOMAGS ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| IW01 | Full invalidation of patent right | ||
| IW01 | Full invalidation of patent right |
Decision date of declaring invalidation: 20220130 Decision number of declaring invalidation: 53917 Granted publication date: 20150520 |