CN103383441B - 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术 - Google Patents

一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术 Download PDF

Info

Publication number
CN103383441B
CN103383441B CN201310173683.6A CN201310173683A CN103383441B CN 103383441 B CN103383441 B CN 103383441B CN 201310173683 A CN201310173683 A CN 201310173683A CN 103383441 B CN103383441 B CN 103383441B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
spin valve
field sensor
layer
digital
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310173683.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103383441A (zh
Inventor
王磊
张荣跃
汪雪洁
段懿炜
吴鹏
张长江
梁潇涵
谢锦涛
高佳星
曹德薇
宋航
李广
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University
Original Assignee
Anhui University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University filed Critical Anhui University
Priority to CN201310173683.6A priority Critical patent/CN103383441B/zh
Publication of CN103383441A publication Critical patent/CN103383441A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103383441B publication Critical patent/CN103383441B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用来测量磁场的低成本、高精度的传感器件，具体是涉及一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术。基片上所采用的巨磁电阻自旋阀薄膜材料结构是由多层纳米量级厚度的巨磁电阻和隧道结自旋阀材料构成，其核心结构依次为缓冲层、反铁磁层、第一铁磁层、非磁性层、第二铁磁层和保护层，第一铁磁层呈厚度连续变化的楔形。本发明可以以较低的成本实现极高精度和稳定性的磁场大小探测，并具有极高的抗干扰性。并且光刻技术可以制备出极小的自旋阀磁场传感器单元，因此该技术方法可以通过对该单元大小和数量的控制实现极高的磁场测量的分辨率，即使在强磁场下也不会损坏，且外围电路简单，避免了由于电路复杂和信噪比等因素导致的测量误差。

Description

一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术
技术领域
本发明涉及一种用来测量磁场的低成本、高精度的传感器件，具体是涉及一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术。
背景技术
目前，市场上用于磁场测量的装置主要有磁通门、基于超导材料的超导量子干涉仪、基于霍尔效应的高斯计和基于磁敏电阻的磁阻传感器等，其中以霍尔传感器和磁阻传感器用量最大。一般霍尔效应传感器主要用于大磁场的测量，而磁阻传感器主要用于弱磁场的探测领域。
自从磁敏电阻的阻传感器出现以来，作为最尖端的纳米技术之一，以其高灵敏度、小体积和低成本优势在从计算机硬盘磁头等信息技术领域到电子罗盘、矿产勘探再到通常的位置、位移传感器等工业自动化等的广泛领域得到了应用，目前其主流产品主要包括各向异性(AMR)磁电阻、(GMR)巨磁电阻和隧道结磁电阻传感器(TMR)。
但是，目前在市场上几乎所有的磁场探测装置都是采用模拟式的探测方法和技术，尤其是用于弱磁探测的磁阻传感器，即利用材料电阻随外界磁场的变化而变化。对以磁性材料制造的磁阻传感器来说，这种技术存在原理性的缺陷，该测量技术方式要求磁性材料和元件的磁电阻响应曲线随外界磁场的变化是绝对线性的，只有这样才能保证测量的准确度(请参阅图1)，而事实上任何磁性材料不仅本身都会有磁滞(即来回曲线不重复，请参阅图2)，而且还会有非线性，即随外磁场的变化并非绝对的线性输出，这样就会给磁场的测量带来误差；而且由于材料本身的属性，如果外界磁场超过一定大小，会使材料具有不可逆性从而永久随坏该传感器。该缺陷是由材料的本身属性所决定的，因此该技术缺陷是不可克服的。
在纳米磁性薄膜材料中有一种被称为交换偏置(exchangebias，例如参考文献：JournalofMagnetismandMagneticMaterials1921999(203-232))现象的物理效应，指铁磁/反铁磁双层膜中铁磁材料的磁滞洄线由于反铁磁材料的钉扎作用而偏离原点，具体请参阅图3。并且该效应有一种独特的特性，即这种对原点的偏离会随着铁磁材料的厚度增加而逐渐减小，且呈线性关系，请参阅图4，学术界把这种效应解释为交换偏置是一种界面效应。交换偏置效应在自旋阀传感器中起着关键作用，通常的巨磁电阻自旋阀传感器材料的结构和其电阻随外磁场变化曲线请参阅图5，偏离原点的洄线就是由自旋阀中交换偏置效应引起的。
另外，在自旋阀传感器纳米多层膜的制备技术中，通过磁控溅射发展了一种楔形样品的成熟制备技术，即可以使某一层膜的厚度连续的变化的制备技术，其结构请参阅图6所示。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术。作为一种全新的磁场测量方法，放弃了现有的传感器模拟式的信号输出和测量技术，根据材料的某些特性，将采用数字式测量方式，可以有效地避免该技术缺陷，从而大大提高弱磁探测的精度和抗干扰性。
为了实现上述目的，采用的技术方案如下：
一种数字式自旋阀磁场传感器，其特征在于，基片上所采用的巨磁电阻自旋阀薄膜材料结构是由多层纳米量级厚度的巨磁电阻和隧道结自旋阀材料构成，其核心结构依次为缓冲层、反铁磁层(4)、第一铁磁层(3)、非磁性层(2)、第二铁磁层(1)和保护层，所述第一铁磁层(3)呈厚度连续变化的楔形。
作为优选，所述基片为硅片或玻璃。
作为一种具体实施方法，所述核心结构加工形成数个连续排布的、其第一铁磁层(3)厚度呈连续变化的自旋阀磁场传感器单元。。
作为优选，所述数个自旋阀磁场传感器单元对磁场的感应电阻呈单调递增或递减。
作为一种具体改进，所述数个自旋阀磁场传感器单元通过电极材料依次串联，再与外围电路相连。
数字式自旋阀磁场传感器的制备技术，其特征在于，所述巨磁电阻和隧道结自旋阀材料通过薄膜制备技术设置于基片上。
作为优选，所述薄膜制备技术为磁控溅射或电子束蒸发技术。
作为优选，所述数个自旋阀磁场传感器单元是通过光刻技术加工形成的。
与传统的模拟式的位移传感器不同，本发明提出了一种数字式的磁场测量技术，由于数字式的原理使其在抗干扰方面极具优势，并且外围放大电路相对简单，与目前模拟式的测量技术相比，其灵敏度和精度不会有丝毫的降低。
与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：可以以较低的成本实现极高精度和稳定性的磁场大小探测，由于其原理采用数字式，所以整个传感器系统具有极高的抗干扰性，并且光刻技术可以制备出极小的自旋阀磁场传感器单元，因此该技术方法可以通过该单元大小和数量的控制实现极高的磁场测量的分辨率，还可以进一步通过材料的选择实现磁场测量分辨率的提升，即使在强磁场下也不会损坏，且外围电路简单，避免了由于电路复杂和信噪比等因素导致的测量误差。
附图说明
图1是理想传感器材料的磁场响应曲线。
图2是实际传感器材料的磁场响应曲线。
图3a是正常铁磁薄膜的磁化曲线，图3b是铁磁/反铁磁双层膜的磁化曲线，其中，横坐标为磁场，纵坐标为磁化强度。
图4是磁滞洄线偏离原点的大小与铁磁层厚度的关系，横坐标表示铁磁层厚度，纵坐标为对原点偏离的大小。
图5a是通常的巨磁电阻自旋阀传感器材料的结构，图5b是该材料的电阻随外磁场变化曲线，横坐标是磁场，纵坐标是电阻。
图6是楔形样品的示意图。
图7是本发明数字式自旋阀磁场传感器的制备方法和原理示意图，横坐标是磁场，纵坐标是电阻。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参阅图7，一种数字式自旋阀磁场传感器，基片上所采用的巨磁电阻自旋阀薄膜材料结构是由多层纳米量级厚度的巨磁电阻和隧道结自旋阀材料构成，其核心结构依次为缓冲层、反铁磁层4、第一铁磁层3、非磁性层2、第二铁磁层1和保护层，所述第一铁磁层3(钉扎层)呈厚度连续变化的楔形。
所述基片为硅片、玻璃其它任意平整度较好的衬底材料，所述巨磁电阻和隧道结自旋阀材料通过磁控溅射或电子束蒸发等薄膜制备技术设置于基片上。
所述核心结构可通过光刻技术等加工形成数个连续排布的、其第一铁磁层3厚度呈连续变化的自旋阀磁场传感器单元(即当自旋阀磁场传感器单元的数量无限多时，所有的自旋阀磁场传感器单元的第一铁磁层3的厚度呈连续变大或变小)。所述数个自旋阀磁场传感器单元对磁场的感应电阻呈单调递减(或递增)，即H1＞H2＞H3＞...＞Hn(或者H1＜H2＜H3＜...＜Hn)。所述数个自旋阀磁场传感器单元(相邻的自旋阀磁场传感器单元之间是具有一间隙的)通过电极材料依次串联，再与外围电路相连。没有外磁场时，电阻一定。当有外磁场时，根据外磁场的不同大小，这些小的磁场传感器单元的电阻会依次发生变化，通过测量串联的总电阻变化可以判断出外磁场的大小，当外磁场为零时又恢复至原始电阻值。
本发明的有益效果是：可以以较低的成本实现极高精度和稳定性的磁场大小探测，由于其原理采用数字式，所以整个传感器系统具有极高的抗干扰性，并且光刻技术可以制备出极小的自旋阀磁场传感器单元，因此该技术方法可以通过该单元大小和数量的控制实现极高的磁场测量的分辨率，还可以进一步通过材料的选择实现磁场测量分辨率的提升，即使在强磁场下也不会损坏，且外围电路简单，避免了由于电路复杂和信噪比等因素导致的测量误差。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种数字式自旋阀磁场传感器，其特征在于，基片上所采用的巨磁电阻自旋阀薄膜材料结构是由多层纳米量级厚度的巨磁电阻和隧道结自旋阀材料构成，其核心结构依次为缓冲层、反铁磁层(4)、第一铁磁层(3)、非磁性层(2)、第二铁磁层(1)和保护层，所述第一铁磁层(3)呈厚度连续变化的楔形，所述核心结构加工形成数个连续排布的、其第一铁磁层(3)厚度呈连续变化的自旋阀磁场传感器单元。
2.根据权利要求1所述的一种数字式自旋阀磁场传感器，其特征在于，所述基片为硅片或玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种数字式自旋阀磁场传感器，其特征在于，所述数个自旋阀磁场传感器单元对磁场的感应电阻呈单调递增或递减。
4.根据权利要求1所述的一种数字式自旋阀磁场传感器，其特征在于，所述数个自旋阀磁场传感器单元通过电极材料依次串联，再与外围电路相连。
5.制备如权利要求1～4任一项所述数字式自旋阀磁场传感器的技术，其特征在于，所述巨磁电阻和隧道结自旋阀材料通过薄膜制备技术设置于基片上。
6.根据权利要求5所述的制备技术，其特征在于，所述薄膜制备技术为磁控溅射或电子束蒸发技术。
7.根据权利要求5所述的制备技术，其特征在于，所述数个自旋阀磁场传感器单元是通过光刻技术加工形成的。
CN201310173683.6A 2013-05-10 2013-05-10 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术 Expired - Fee Related CN103383441B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310173683.6A CN103383441B (zh) 2013-05-10 2013-05-10 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310173683.6A CN103383441B (zh) 2013-05-10 2013-05-10 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103383441A CN103383441A (zh) 2013-11-06
CN103383441B true CN103383441B (zh) 2016-05-11

Family

ID=49491281

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310173683.6A Expired - Fee Related CN103383441B (zh) 2013-05-10 2013-05-10 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103383441B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102398177B1 (ko) * 2015-10-15 2022-05-18 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치
CN107091996B (zh) * 2017-04-28 2023-06-06 黑龙江大学 一种复合磁场传感器及其制作工艺
CN107884727A (zh) * 2017-11-06 2018-04-06 山西大学 一种测量磁场强度的新型器件及制备方法和应用
CN114032504B (zh) * 2021-11-04 2022-06-14 之江实验室 一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1394284A (zh) * 2000-10-26 2003-01-29 财团法人电气磁气材料研究所 薄膜磁传感器
CN1603855A (zh) * 2004-11-10 2005-04-06 中国科学院物理研究所 自旋阀型数字式磁场传感器及其制作方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1394284A (zh) * 2000-10-26 2003-01-29 财团法人电气磁气材料研究所 薄膜磁传感器
CN1603855A (zh) * 2004-11-10 2005-04-06 中国科学院物理研究所 自旋阀型数字式磁场传感器及其制作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
自旋阀中磁输运和磁性的研究;王磊;《中国博士学位论文全文数据库 基础科学辑》;20051115(第7期);32-47页第四章 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103383441A (zh) 2013-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102280574B (zh) 薄膜磁电阻传感元件、多个传感元件的组合及与该组合耦合的电子装置
JP4951129B2 (ja) Ｍｒ素子の磁化方法
US8638090B2 (en) Magnetic sensor system and method
CN105866715B (zh) 一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法
US9207290B2 (en) Magnetic field sensor for sensing external magnetic field
Ferreira et al. Large area and low aspect ratio linear magnetic tunnel junctions with a soft-pinned sensing layer
CN112082579B (zh) 宽量程隧道磁电阻传感器及惠斯通半桥
EP2696210A2 (en) Single-chip two-axis bridge-type magnetic field sensor
CN102721427B (zh) 一种薄膜磁阻传感器元件及薄膜磁阻电桥
KR20070087628A (ko) 조정 가능한 특성을 지닌 브릿지-유형의 센서
JP5403056B2 (ja) 非接触電流センサ
CN111929625B (zh) 磁场传感器及测试方法
CN103383441B (zh) 一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术
CN109471051B (zh) 一种tmr全桥磁传感器及其制备方法
CN109545956A (zh) 一种电压可调控的各向异性磁阻传感器及其制备方法
Fermon et al. Optimised GMR sensors for low and high frequencies applications
CN115267623B (zh) 一种磁阻磁开关传感器
KR20090060063A (ko) 수직자기이방성을 갖는 스핀밸브 자기저항소자
CN100442076C (zh) 线性磁场传感器及其制作方法
Vas’ kovskii et al. Magnetoresistive Fe19Ni81/Tb-Co medium with an internal magnetic bias
Yamazaki et al. B8. 4-characterisitics of tmr angle sensors
CN202994175U (zh) 一种薄膜磁阻传感器元件及薄膜磁阻电桥半桥和全桥
Lu et al. Planar Hall effect in NiFe/NiMn bilayers
CN111965571B (zh) 一种gmr磁场传感器的制备方法
CN100368820C (zh) 自旋阀型数字式磁场传感器及其制作方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wang Lei

Inventor after: Cao Dewei

Inventor after: Song Hang

Inventor after: Li Guang

Inventor after: Zhang Rongyue

Inventor after: Wang Xuejie

Inventor after: Duan Yiwei

Inventor after: Wu Peng

Inventor after: Zhang Changjiang

Inventor after: Liang Xiaohan

Inventor after: Xie Jintao

Inventor after: Gao Jiaxing

Inventor before: Wang Lei

Inventor before: Cai Ke

Inventor before: Zhao Chunhui

Inventor before: Chen Yuyuan

COR Change of bibliographic data
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20160511

Termination date: 20170510

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee