CN105954692A - 具有改善的灵敏度和线性度的磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有改善的灵敏度和线性度的磁传感器。一种磁传感器可包括：第一人工反铁磁结构，包括：第一铁磁层；设置在所述第一铁磁层上的第一耦合层；以及设置在所述第一耦合层上的第二铁磁层，其中所述第一耦合层使所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间形成反铁磁耦合；设置在所述第二铁磁层上的第一间隔层；以及设置在所述第一间隔层上的自由磁层，所述自由磁层的磁矩能随外磁场而自由旋转，其中，所述第一铁磁层的磁矩大于所述第二铁磁层的磁矩。

Description

具有改善的灵敏度和线性度的磁传感器

技术领域

本发明总体上涉及磁传感器领域，更特别地，涉及一种包括磁性多层膜的磁传感器，该磁传感器能实现改善的灵敏度和线性度。

背景技术

诸如磁致电阻(MR)传感器之类的磁传感器已经广泛应用于人类日常生活中使用的各种电子设备中，例如但不限于磁存储装置、电流感测装置、位置感测装置、速度传感器、角度和角速度传感器等。常用的磁致电阻传感器包括各向异性磁致电阻(AMR)传感器、巨磁致电阻(GMR)传感器和隧穿磁致电阻(TMR)传感器。AMR传感器的磁致电阻值比较低，一般不超过4％，GMR传感器可实现约10％的磁致电阻值，而TMR传感器可将磁致电阻值提升到50％以上，甚至能超过100％。不过，TMR传感器由于包括绝缘势垒层而存在小型化时电阻较大的问题。相反，GMR传感器包括金属间隔层，从而能实现较低的电阻。因此，现在通常使用的是GMR传感器和TMR传感器。

GMR和TMR传感器一般包括具有固定磁化的参考磁层、磁化可随外磁场而自由转动的自由磁层、以及夹于二者之间的间隔层。对于GMR传感器而言，间隔层包括非磁金属材料，形成所谓的自旋阀(SPV)结构；对于TMR传感器而言，间隔层包括非磁绝缘材料，形成所谓的磁性隧道结(MTJ)结构。自由磁层和参考磁层可具有面内磁各向异性或垂直磁各向异性，磁各向异性确定没有外加磁场时磁层的初始磁化方向。磁传感器的电阻与自由磁层和参考磁层的磁化之间的夹角θ的余弦值(cosθ)成比例。因此，当自由磁层的磁化在外磁场的作用下而转动到预定角度时，通过测量磁传感器的电阻，即可确定该转动角度的大小，进而确定外磁场的大小。

对于GMR和TMR磁传感器而言，要求对外磁场具有线性的响应。普通的GMR和TMR磁传感器只能提供大约100奥斯特(Oe)的线性响应范围。为了提高响应线性度，已经提出了使参考磁层和自由磁层的磁各向异性彼此垂直的技术方案。例如，魏红祥等人于2005年11月15日提交的题为“一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜及其用途”的中国发明专利申请200510123229.5已经公开了这样的结构，其亦示于附图1中。如图1所示，磁传感器10包括依次形成在衬底(未示出)上的籽层1、钉扎层2、被钉扎层(参考磁层)3、间隔层4、自由磁层5和保护层6。参考磁层3具有面内磁各向异性，如箭头7所示，而自由磁层5具有垂直磁各向异性，如箭头8所示。此外，如该专利申请中还公开的那样，可以使用多个磁传感器10来形成半桥或全桥电路，以进一步提高线性响应范围。

虽然图1所示的磁传感器10以及利用其形成的半桥或全桥电路已经在一定程度上提高了对外磁场的响应线性度，但是随着电子设备的小型化和多功能化，存在对线性响应范围持续改善的需求。另一方面，也存在对灵敏度持续改善的需求。例如，目前正在热烈地研究地磁场导航技术。理论上，地球表面上的各个位置具有不同的磁场矢量，通过感测地磁场矢量即可实现导航。不同于诸如GPS、北斗等之类的卫星导航技术，地磁场导航具有诸多优点，例如无辐射、全天时、全地域、能耗低等。然而，地磁导航需要灵敏度非常高的磁传感器。

此外，GMR和TMR磁传感器只适合于感测单个轴方向的磁场。当需要感测三维磁场矢量时，需要使用三个这样的磁传感器，其中两个磁传感器安装地使其层平面平行于安装基板以分别感测水平面内沿X和Y方向的磁场，而第三个磁传感器需要安装得使其层平面垂直于安装基板以感测沿垂直Z方向的磁场，这导致难以将第三磁传感器稳固地安装到基板上。

发明内容

本发明的一个方面提供一种磁传感器，其可包括：第一人工反铁磁结构，包括：第一铁磁层；设置在所述第一铁磁层上的第一耦合层；以及设置在所述第一耦合层上的第二铁磁层，其中所述第一耦合层使所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间形成反铁磁耦合；设置在所述第二铁磁层上的第一间隔层；以及设置在所述第一间隔层上的自由磁层，所述自由磁层的磁矩能随外磁场而自由旋转，其中，所述第一铁磁层的磁矩大于所述第二铁磁层的磁矩。

在一些实施例中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

在一些实施例中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层满足以下条件中的至少一个：所述第一铁磁层具有比所述第二铁磁层更大的厚度；以及形成所述第一铁磁层的材料具有比形成所述第二铁磁层的材料更大的磁化强度。

在一些实施例中，所述自由磁层具有垂直磁各向异性，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层具有面内磁各向异性。

在一些实施例中，所述磁传感器还包括形成在所述第一铁磁层的与所述第一耦合层相反的一侧的反铁磁钉扎层，所述反铁磁钉扎层钉扎所述第一铁磁层的磁矩。

在一些实施例中，所述自由磁层具有面内磁各向异性，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层具有垂直磁各向异性。

在一些实施例中，所述第一铁磁层包括n1个铁磁金属层和(n1-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第一多层，所述第二铁磁层包括n2个铁磁金属层和(n2-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第二多层。

在一些实施例中，所述第二铁磁层还包括：设置在所述第二多层与所述第一间隔层之间的第一插入层；以及设置在所述第一插入层与所述第一间隔层之间的第一界面层，所述第一界面层由具有比所述第二多层中的铁磁金属层更高的自旋极化率的铁磁金属材料形成，所述第一插入层诱导所述第二多层和所述第一界面层之间形成铁磁或反铁磁耦合。

在一些实施例中，所述第一插入层诱导所述第一界面层的晶体取向，所述第一界面层的晶体取向不同于所述第二多层中的铁磁金属层的晶体取向。

在一些实施例中，所述第一插入层诱导所述第二多层和所述第一界面层之间形成铁磁耦合，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层满足以下条件中的至少一个：n1>n2；所述第一多层中的每个铁磁金属层的厚度大于所述第二多层中的每个铁磁金属层的厚度；以及形成所述第一多层中的铁磁金属层的材料具有比形成所述第二多层中的铁磁金属层的材料更大的磁化强度。

在一些实施例中，所述磁传感器还包括：设置在所述自由磁层上的第二间隔层；以及设置在所述第二间隔层上的第二人工反铁磁结构，所述第二人工反铁磁结构包括：设置在所述第二间隔层上的第三铁磁层；设置在所述第三铁磁层上的第二耦合层；以及设置在所述第二耦合层上的第四铁磁层，其中所述第二耦合层使所述第三铁磁层和所述第四铁磁层之间形成反铁磁耦合，并且所述第四铁磁层的磁矩大于所述第三铁磁层的磁矩。

在一些实施例中，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

在一些实施例中，所述第三铁磁层包括n3个铁磁金属层和(n3-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第三多层，所述第四铁磁层包括n4个铁磁金属层和(n4-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第四多层。

在一些实施例中，所述第三铁磁层还包括：设置在所述第三多层和所述自由磁层之间的第二插入层；以及设置在所述第二插入层和所述自由磁层之间的第二界面层，所述第二界面层由具有比所述第三多层中的铁磁金属层更高的自旋极化率的铁磁金属材料形成，所述第二插入层诱导所述第三多层和所述第二界面层之间形成铁磁或反铁磁耦合。

在一些实施例中，所述自由磁层包括依次形成在所述第一间隔层上的第一子层、第二子层和第三子层，所述第二子层具有比所述第一子层和所述第三子层更小的矫顽力，且所述第一子层和所述第三子层具有比所述第二子层更大的自旋极化率。

本发明的另一方面提供一种三轴磁场感测装置，其可包括：基板；以及设置在所述基板上的第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器。所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器中的每个可包括：第一人工反铁磁结构，包括第一铁磁层、设置在所述第一铁磁层上的第一耦合层、以及设置在所述第一耦合层上的第二铁磁层，所述第一耦合层使所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间形成反铁磁耦合；设置在所述第二铁磁层上的第一间隔层；以及设置在所述第一间隔层上的自由磁层，所述自由磁层的磁矩能随外磁场而自由旋转。所述第一铁磁层的磁矩大于所述第二铁磁层的磁矩。所述第一磁传感器的第一和第二铁磁层具有沿第一方向的面内磁各向异性，所述第二磁传感器的第一和第二铁磁层具有沿第二方向的面内磁各向异性，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第三磁传感器的第一和第二铁磁层具有沿第三方向的垂直磁各向异性，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。

在一些实施例中，在所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器每个中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

在一些实施例中，在所述第一磁传感器和所述第二磁传感器中，所述自由磁层具有垂直磁各向异性；在所述第三磁传感器中，所述自由磁层具有面内磁各向异性。

在一些实施例中，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器每个都设置得使其包括的层平行于所述基板的表面。

在一些实施例中，所述第三磁传感器还包括：设置在所述自由磁层上的第二间隔层；设置在所述第二间隔层上的第二人工反铁磁结构，所述第二人工反铁磁结构包括设置在所述第二间隔层上的第三铁磁层、设置在所述第三铁磁层上的第二耦合层、以及设置在所述第二耦合层上的第四铁磁层，所述第二耦合层使所述第三铁磁层和所述第四铁磁层之间形成反铁磁耦合。所述第四铁磁层的磁矩大于所述第三铁磁层的磁矩。所述第三铁磁层和所述第四铁磁层具有沿所述第三方向的垂直磁各向异性。

在一些实施例中，在所述第三磁传感器中，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

出于概述本申请的目的，已经在这里描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应理解，不一定根据本发明的任何特定实施例可以实现所有这些优点。因而，可以按照实现或优化如在这里教导的一个优点或一组优点的方式来实施或实现本发明，而不需要实现如在这里可以教导或建议的其它优点。

附图说明

在附图的图示中以示例而非限制的方式示出了本发明的一些实施例，附图中相似的附图标记指示相似的元件。所有的附图都是示意性的且一般只示出阐明本发明的原理所需的或相关的部分。为了简单和清楚，图中所示出的和下面所论述的元件不一定是按比例绘制的。以简化的形式示出或论述已知的元件、结构、步骤和方法等，以避免不必要地模糊本发明。

图1示意性示出一种现有技术的磁传感器的结构。

图2示意性示出根据本发明一示例性实施例的磁传感器的结构。

图3示意性示出根据本发明另一示例性实施例的磁传感器的结构。

图4示意性示出根据本发明另一示例性实施例的磁传感器的结构。

图5示意性示出根据本发明另一示例性实施例的磁传感器的结构。

图6示意性示出根据本发明一示例性实施例的包括半桥电路的磁场感测装置的电路图。

图7示意性示出根据本发明一示例性实施例的包括全桥电路的磁场感测装置的电路图。

图8示意性示出根据本发明一示例性实施例的三轴磁场感测装置的框图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的示例性实施例。

图2示意性示出根据本发明一示例性实施例的磁传感器100的结构。如图1所示，磁传感器100可包括人工反铁磁(SAF)结构110、自由磁层120、以及夹在二者之间的间隔层104。

人工反铁磁结构110可形成在衬底(未示出)上，并且可包括第一铁磁层112、第二铁磁层116、以及夹在二者之间的耦合层114。第一铁磁层112和第二铁磁层116每个可以包括诸如Co、Fe、CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeSiB之类的铁磁材料形成的单层，也可以包括多个层的复合结构。耦合层114可以由能够诱导第一铁磁层112和第二铁磁层116之间的耦合的材料形成，这样的材料的示例包括例如Ru、Cu、Ta、Ag、Cr等，优选为Ru或Cu。耦合层114可以具有一选定的厚度以诱发第一铁磁层112和第二铁磁层116之间的反铁磁耦合，从而形成所谓的人工反铁磁结构。

在图2所示的实施例中，第一铁磁层112和第二铁磁层116可具有面内磁各向异性，更具体而言，第一铁磁层112和第二铁磁层116具有沿相同方向的磁各向异性，从而在耦合层114的作用下，第一铁磁层112的磁矩反平行于第二铁磁层116的磁矩，如图2中的箭头所示。

在第一铁磁层112与衬底(未示出)之间还可以形成有钉扎层102。钉扎层102可以由诸如IrMn、FeMn之类的反铁磁材料制成，以钉扎第一铁磁层112的磁矩，第一铁磁层112进而通过耦合层114诱发的反铁磁耦合来钉扎第二铁磁层116的磁矩，从而第一铁磁层112和第二铁磁层116可具有固定的(被钉扎的)磁矩。

在一些实施例中，间隔层104可包括由诸如Ru、Cu之类的非磁金属材料形成的导电层，此时磁传感器100是GMR磁传感器。在另一些实施例中，间隔层104也可包括由诸如Al₂O₃、MgO之类的绝缘材料形成的势垒层，此时磁传感器100是TMR磁传感器。自由磁层120形成在间隔层104上，并且可由铁磁材料形成，优选由具有较低矫顽力的软磁材料形成，从而自由磁层120的磁矩可以随外磁场而自由旋转。自由磁层120、间隔层104和人工反铁磁结构110形成所谓的自旋阀或磁性隧道结，其电阻与自由磁层120的磁矩和第二铁磁层116(也称为参考磁层)的磁矩之间的夹角θ的余弦值cosθ成比例。自由磁层120上还可以形成有保护层122，以保护下面的磁性隧道结免受氧、湿气等侵蚀。

在图2所示的实施例中，自由磁层120可具有垂直磁各向异性，使得其初始磁矩在竖直方向上，如向上的箭头所示。在一些示例中，间隔层104可由具有[001]晶体取向的MgO形成，自由磁层120可由[001]晶体取向的CoFe、CoFeB或CoFeSiB形成，保护层122可由Ta形成。Ta保护层122和MgO[001]间隔层104可以诱导CoFe、CoFeB或CoFeSiB形成的自由磁层120的[001]晶体取向，并且当这样的自由磁层120的厚度足够小时，其表现出垂直磁各向异性。自由磁层120可以具有例如0.5至1.8nm范围内的厚度，优选0.6至1.5nm。在另一些示例中，间隔层104可由Ru形成，自由磁层120可具有面内磁各向异性，此时自由磁层120可以具有较大的厚度，例如为2-10nm。

在图1所述的磁传感器10中，参考磁层3会在自由磁层5处产生泄露磁场，该泄露磁场会和自由磁层5的磁矩相互作用，从而影响自由磁层5对外磁场的响应，进而影响磁传感器10的灵敏度和响应线性度。图2所示的实施例可以最小化或者基本消除这种泄露磁场。具体而言，人工反铁磁结构110中的第一铁磁层112和第二铁磁层116彼此反平行耦合，因此它们产生的磁场可以形成闭合回路，减小了在自由磁层120处产生的泄露磁场。此外，第一铁磁层112和第二铁磁层116在自由磁层120处产生的泄露磁场的方向大致彼此相反，因而能相互抵消。再者，已知晓的是，磁体在某一位置处产生的磁场的大小与该磁体和该位置之间的距离的立方成反比。在图2的实施例中，第一铁磁层112距离自由磁层120的距离大于第二铁磁层116距离自由磁层120的距离。考虑到该距离差异，在图2的实施例中，可以使第一铁磁层112的磁矩大于第二铁磁层116的磁矩，从而它们在自由磁层120处产生的泄露磁场能够彼此基本完全抵消，也就是说，其和能够基本为零。应注意，“基本”为零指的是，并不能以过于理想的形式来理解为在自由磁层120的每个位置处的泄露磁场总和都为零，而是指在自由磁层120所占据的空间中，尽可能使总体上的净泄露磁场最小化，接近于零，以减小或消除这种泄露磁场对自由磁层120的影响。

为了使第一铁磁层112的磁矩大于第二铁磁层116的磁矩，在一些实施例中，第一铁磁层112可以具有比第二铁磁层116更大的厚度；或者，在一些实施例中，第一铁磁层112可以由磁化强度比形成第二铁磁层116的材料的磁化强度更大的材料形成。当第一铁磁层112和第二铁磁层116在自由磁层120处产生的泄露磁场的和基本为零时，自由磁层120可以不受泄露磁场的影响，从而对外磁场更灵敏，并且能表现出更高的响应线性度。

可以理解，图2的磁传感器100可用于感测沿面内方向，或者更具体而言，沿参考层116的磁矩所在的方向的外磁场。图3示出可用于感测沿垂直方向的外磁场的磁传感器200的示意性结构。

如图3所示，磁传感器200可包括形成在衬底(未示出)上的第一人工反铁磁结构230，其包括第一铁磁层210、第二铁磁层220、以及夹在二者之间的第一耦合层202。同样，第一耦合层202可以诱导在第一铁磁层210和第二铁磁层220之间形成反铁磁耦合。与图2所示的磁传感器100不同的是，在本实施例中，第一铁磁层210和第二铁磁层220每个都具有多层复合结构。具体而言，第一铁磁层210可包括n1个铁磁金属层212和(n1-1)个非磁金属层214彼此交替层叠而形成的多层结构，使得该多层结构的最上层和最下层都是铁磁金属层；第二铁磁层220可包括n2个铁磁金属层222和(n2-1)个非磁金属层224彼此交替层叠而形成的多层结构，使得该多层结构的最上层和最下层都是铁磁金属层。n1和n2都可以为例如2至30之间的整数，优选3至20之间的整数。可以理解，在一些实施例中，第一铁磁层210所包括的多层结构中的最下层也可以是非磁金属层。

在图3所示的实施例中，第一铁磁层210和第二铁磁层220可具有垂直磁各向异性。适于形成这样的第一铁磁层210和第二铁磁层220的材料可包括例如Co/Pt多层、Co/Pd多层、Co/Ni多层、Fe/Pt多层或CoFe/Pd多层，其中Co、Fe和CoFe的铁磁金属层的厚度可以在例如但不限于0.4至2nm的范围，Pt和Pd的非磁金属层的厚度可以在例如但不限于0.2至2.5nm的范围。这些多层结构可具有[111]晶体取向，并且可具有垂直磁各向异性。在第一耦合层202的作用下，第一铁磁层210和第二铁磁层220的磁矩在垂直方向上彼此相反。

在一些实施例中，第二铁磁层220还可以包括形成在最上面的铁磁金属层222上的第一插入层226和形成在第一插入层226上的第一界面层228。第一间隔层204和自由磁层240可依次形成在第一界面层228上。第一插入层226可以由非磁金属材料形成，例如可由Ta形成，第一界面层228可由具有比铁磁金属层222更高的自旋极化率的铁磁导电材料形成，例如可由具有[001]晶体取向的CoFe、CoFeB或CoFeSiB等形成。第一插入层226可用于打断铁磁金属层222的[111]晶体取向，并且用于和第一间隔层204一起诱导第一界面层228的[001]晶体取向。当第一界面层228的厚度足够小时，其可以表现出垂直磁各向异性。第一界面层228可以具有例如0.5至1.8nm范围内的厚度，优选0.6至1.5nm。当第一插入层226由Ta形成，第一界面层228由CoFeB或CoFeSiB形成时，第一插入层226还可以有效地阻止B元素向下面的复合多层结构扩散，否则B元素会影响下面的复合多层结构的垂直磁各向异性。第一插入层226还可以具有选定的厚度以诱导在铁磁金属层222与第一界面层228之间形成反铁磁或铁磁耦合。通过该反铁磁或铁磁耦合，第一界面层228的磁矩可以被钉扎在与铁磁金属层222的磁矩相同(如图3所示)或相反(未示出)的垂直方向上。在一些实施例中，第一插入层226的厚度可以在例如0.3至0.5nm的范围，例如为大约0.4nm。在另一些实施例中，第一插入层226也可以具有其他范围的厚度。

应理解的是，磁致电阻是一种界面效应，其与在第一间隔层204的界面上发生的自旋散射相关。在图3所示的实施例中，通过在第一间隔层204的一侧设置具有较高自旋极化率的第一界面层228，可以改善第一间隔层204的界面处的自旋散射，提高磁传感器200的磁致电阻值，从而提高其对外磁场的灵敏度和响应线性度。还可以理解的是，在另一些实施例中，第一插入层226和第一界面层228亦可被省略，而第一间隔层204直接接触第二铁磁层210中的铁磁金属层222。

此外，如前所述，第一铁磁层210和第二铁磁层220可能在自由磁层240处形成泄露磁场，其会影响自由磁层240对外磁场的感测。在图3所示的实施例中，这种泄露磁场被最小化或基本消除，换言之，第一铁磁层210和第二铁磁层220在自由磁层240处形成的泄露磁场的和基本为零。具体而言，第一人工反铁磁结构230中的第一铁磁层210和第二铁磁层220彼此反平行耦合，因此它们在自由磁层240处产生的泄露磁场的方向彼此相反，能相互抵消。此外，已知的是磁体在某一位置处产生的磁场的大小与该磁体和该位置之间的距离的立方成反比。在图3的实施例中，第一铁磁层210距离自由磁层240的距离大于第二铁磁层220距离自由磁层240的距离。考虑到该距离差异，在图3的实施例中，可以使第一铁磁层210的磁矩大于第二铁磁层220的磁矩，从而它们在自由磁层240处产生的泄露磁场能够彼此基本完全抵消，也就是说，其和能够基本为零。在一些实施例中，可以通过调节铁磁金属层212和222每个的层数、厚度和形成材料，第一界面层228的厚度和形成材料，以及铁磁金属层222和第一界面层228之间的耦合(铁磁耦合还是反铁磁耦合)等参数，来使得第一铁磁层210的磁矩大于第二铁磁层220的磁矩。例如，当第一插入层226诱导铁磁耦合时，第一铁磁层210中包括的铁磁金属层212的层数n1可以大于第二铁磁层220中包括的铁磁金属层222的层数n2，和/或第一铁磁层210中包括的铁磁金属层212的厚度可以大于第二铁磁层220中包括的铁磁金属层222的厚度，和/或第一铁磁层210中包括的铁磁金属层212可以由磁化强度比第二铁磁层220中包括的铁磁金属层222更大的材料形成。当第一铁磁层210和第二铁磁层220在自由磁层240处产生的泄露磁场的和基本为零时，自由磁层240可以不受泄露磁场的影响，从而对外磁场更灵敏，并且能表现出更高的响应线性度。

应理解的是，虽然图3未示出，但是在自由磁层240上还可以形成有保护层或其他功能层，例如电极层。

图4示意性示出根据本发明另一示例性实施例的磁传感器300的结构。与前面描述的实施例不同，磁传感器300可包括双势垒结构。图4的磁传感器300包括与图3的磁传感器200相同的元件，其用相同的附图标记指示，这里省略对其的重复描述。

如图4所示，自由磁层240上还依次设置有第二间隔层304和第二人工反铁磁结构330。第二人工反铁磁结构330可包括第三铁磁层310、第四铁磁层320和位于二者之间以诱发反铁磁耦合的第二耦合层302。第三铁磁层310和第四铁磁层320每个可包括多层复合结构。具体而言，第三铁磁层310可包括n3个铁磁金属层312和(n3-1)个非磁金属层314交替堆叠而形成的多层，第四铁磁层320可包括n4个铁磁金属层322和(n4-1)个非磁金属层324交替堆叠而形成的多层。n3和n4都可以为例如2至30之间的整数，优选3至20之间的整数。在一些实施例中，第三铁磁层310还可以包括形成在第二间隔层304和最下面的铁磁金属层312之间的第二插入层316、以及形成在第二间隔层304和第二插入层316之间的第二界面层318。可以看出，磁传感器300可具有关于自由磁层240对称的多层结构，因此依次形成在自由磁层240上的层304、层318、层316、层312、层314、层312、层302、层322、层324、层322可分别具有与自由磁层240下方的层204、层228、层226、层222、层224、层222、层202、层212、层214、层212相同或相似的属性，此处不再对其进行重复描述。但是应理解，自由磁层240上方的层也可以不同于自由磁层240下方的层，例如，铁磁金属层212的层数n1可以不同于铁磁金属层322的层数n4，铁磁金属层214的层数n2可以不同于铁磁金属层312的层数n3。此外应理解，第一插入层226和第二插入层316可以诱发相同或不同的耦合(铁磁耦合和反铁磁耦合)，只要第一界面层228和第二界面层318具有相同的磁化方向即可。

在图4所示的实施例中，第一人工反铁磁结构230中的第一铁磁层210和第二铁磁层220彼此反平行耦合，因此它们在自由磁层240处产生的泄露磁场的方向彼此相反，能相互抵消。此外，距离自由磁层240较远的第一铁磁层210的磁矩大于距离自由磁层240较近的第二铁磁层220的磁矩，从而它们在自由磁层240处产生的泄露磁场能够彼此基本完全抵消，也就是说，其和能够基本为零。另一方面，第二人工反铁磁结构330中的第三铁磁层310和第四铁磁层320彼此反平行耦合，因此它们在自由磁层240处产生的泄露磁场的方向彼此相反，能相互抵消。此外，距离自由磁层240较远的第四铁磁层320的磁矩大于距离自由磁层240较近的第三铁磁层310的磁矩，从而它们在自由磁层240处产生的泄露磁场能够彼此基本完全抵消，也就是说，其和能够基本为零。当第一铁磁层210、第二铁磁层220、第三铁磁层310和第四铁磁层320在自由磁层240处产生的泄露磁场之和基本为零时，自由磁层240可以基本不受泄露磁场的影响，从而对外磁场更灵敏，并且能表现出更高的响应线性度。

图5示意性示出根据本发明另一示例性实施例的磁传感器300'的结构。图5的磁传感器300'与图4的磁传感器300基本相同，除了自由磁层240意外。这里，将省略对相同元件的重复描述。如图5所述，自由磁层240包括多个子层。具体而言，自由磁层240包括依次形成在第一间隔层204上的第一子层242、第二子层244和第三子层246，其每个都可以是铁磁层。

如前所述，磁致电阻是一种界面效应，其与在间隔层的界面上发生的自旋散射相关。因此，与间隔层(这里，包括第一间隔层204和第二间隔层304)接触的铁磁层(包括自由磁层和参考磁层)优选由自旋极化率较高的铁磁材料形成。另一方面，自由磁层240应对外磁场具有灵敏的响应，因此其优选由具有较低矫顽力的软磁材料形成。在图5所示的磁传感器300'中，自由磁层240的第一子层242和第三子层246可由具有较高自旋极化率的材料形成，第二子层244可由具有较低矫顽力的材料形成，换言之，第二子层244具有比第一子层242和第三子层246更小的矫顽力，而第一子层242和第三子层246具有比第二子层244更大的自旋极化率。例如，自由磁层240可包括CoFeB/NiFe/CoFeB多层结构。这样，磁传感器300'既可以获得大的磁致电阻，又可以确保对外磁场的灵敏响应。

可以理解的是，图5所示的多层结构的自由磁层240也可以应用到图3所示的磁传感器200。例如，磁传感器200的自由磁层240也可以包括图5所示的第一子层242、第二子层244和第三子层246。此外，因为磁传感器200包括的是单势垒磁隧道结，也就是说，在自由磁层240上方没有第二间隔层304，所以磁传感器200的自由磁层240可以仅包括第一子层242和第二子层244，而第三子层246可以被省略。

上面描述了根据本发明的若干实施例的包括单势垒结构和双势垒结构的磁传感器。可以理解的是，还可以使用多个磁传感器来连接成惠斯通半桥或全桥电路，并且使用这种半桥或全桥电路来感测外磁场。这些桥电路可以减小因制造工艺而产生的个体磁传感器的偏差，并且进一步提高对外磁场的响应线性度。图6示意性示出根据本发明一示例性实施例的包括半桥电路的磁场感测装置400的电路图。图7示意性示出根据本发明一示例性实施例的包括全桥电路的磁场感测装置500的电路图。

如图6所示，磁场感测装置400包括串联连接在电源电压VDD和地电压GND之间的第一磁传感器410和第二磁传感器420。第一磁传感器410和第二磁传感器420可以是两个相同的磁传感器，都用于感测沿水平方向的外磁场，但是其设置有所不同。具体而言，第一磁传感器410和第二磁传感器420可以设置为其感测的外磁场的正方向彼此相反。这里，正方向指的是使磁传感器的电阻值最低(对应于平行态)的外磁场方向，其也就是磁传感器中包括的参考磁层的磁化方向。如图6所示，第一磁传感器410和第二磁传感器420的自由磁层的磁化方向可以彼此相同，都在垂直方向上(如圆圈中带X的符号所示)，但是其参考磁层的磁化方向彼此相反(如箭头所示)，在第一磁传感器410中为水平向右，在第二磁传感器420中为水平向左。第一磁传感器410和第二磁传感器420之间的连接节点为输出节点，其可以提供输出OUT。

磁场感测装置400的输出OUT与水平方向的外磁场的方向(水平向左和水平向右)和大小相关。当水平向右的外磁场H1恰好使第一磁传感器410达到平形态且第二磁传感器420达到反平行态时，输出OUT的电压值最低；当水平向左的外磁场H2恰好使第一磁传感器410达到反平形态且第二磁传感器420达到平行态时，输出OUT的电压值最高。当外磁场在H1和H2之间变化时，磁场感测装置400的输出电压OUT在上述最低值和最高值之间线性改变。因此，磁场感测装置400的线性响应范围为H1至H2的范围。

图7示出具有全桥电路的磁场感测装置500的示例，其中在电源电压VDD和地电压GND之间有两个并联臂，每个臂上具有串联连接的两个磁传感器。如图7所示，在右臂上在地电压GND和电源电压VDD之间依次串联连接有第一磁传感器510和第二磁传感器520，在左臂上在地电压GND和电源电压VDD之间依次串联连接有第三磁传感器530和第四磁传感器540。第一磁传感器510和第二磁传感器520之间的连接节点提供第一输出OUT+，第三磁传感器530和第四磁传感器540之间的连接节点提供第二输出OUT-。其中，每个臂中的两个磁传感器的参考磁层的磁化方向(箭头所示)设置得彼此相反，并且两个臂中的对应磁传感器(例如，第一和第三磁传感器510和530、第二和第四磁传感器520和540)的参考磁层的磁化方向设置得彼此相反。第一至第四磁传感器的自由磁层的磁化方向可以相同，都在垂直方向上(如圆圈中带X的符号所示)。

磁场感测装置500的输出与水平方向的外磁场的方向(水平向左和水平向右)和大小相关。当水平向右的外磁场H3恰好使第一磁传感器510和第四磁传感器540达到反平形态且第二磁传感器520和第三磁传感器530达到平行态时，第一输出OUT+上的电压值最高，第二输出OUT-上的电压值最低，从而二者的差值((OUT+)-(OUT-))为最大值；当水平向左的外磁场H4恰好使第一磁传感器510和第四磁传感器540达到平形态且第二磁传感器520和第三磁传感器530达到反平行态时，第一输出OUT+上的电压值最低，第二输出OUT-上的电压值最高，从而二者的差值((OUT+)-(OUT-))为最小值。当外磁场在H3和H4之间变化时，磁场感测装置400的输出电压((OUT+)-(OUT-))在上述最大值和最小值之间呈线性变化。因此，磁场感测装置400的线性响应范围为H4至H3的范围。

虽然在图6和图7的电路中，每个磁传感器都示为用于感测面内磁场，即其可以为图2所示的磁传感器，但是在另一些实施例中，也可以采用用于感测垂直磁场的磁传感器，例如图3至图5所示的磁传感器。

如前所述，MR磁传感器，例如参照图2至5描述的那些，都是单轴磁传感器，其只能感测沿某个轴上的磁场分量。当需要感测沿任意方向的磁场矢量时，需要使用彼此垂直设置三个

图8示意性示出根据本发明一示例性实施例的三轴磁场感测装置600的框图。如图8所示，三轴磁场感测装置600包括安装在基板602上的第一磁传感器610、第二磁传感器620和第三磁传感器630，其分别用于感测沿彼此垂直的三个方向上的磁场分量，从而能够组合得到沿任何方向的磁场矢量。

第一磁传感器610可以设置为用于感测沿X方向(包括正X方向和负X方向)的磁场分量。具体而言，第一磁传感器610的参考磁层的磁化方向可以设置在X方向上(如箭头所示)，而第一磁传感器610的自由磁层的磁化方向可以设置在垂直方向上(如圆圈中带X的符号所示)。第一磁传感器610例如可以采用参照图2描述的磁传感器，因此这里不再对第一磁传感器610的具体结构进行重复描述。此外，可以理解的是，第一磁传感器610也可以包括利用多个参照图2描述的磁传感器所形成的半桥电路(如图6所示)或全桥电路(如图7所示)。

第二磁传感器620可以设置为用于感测沿Y方向(包括正Y方向和负Y方向)的磁场分量。具体而言，第二磁传感器620的参考磁层的磁化方向可以设置在Y方向上(如箭头所示)，而第二磁传感器620的自由磁层的磁化方向可以设置在垂直方向上(如圆圈中带X的符号所示)。第二磁传感器620例如可以采用参照图2描述的磁传感器，因此这里不再对第二磁传感器620的具体结构进行重复描述。此外，可以理解的是，第二磁传感器620也可以包括利用多个参照图2描述的磁传感器所形成的半桥电路(如图6所示)或全桥电路(如图7所示)。

第三磁传感器630可以设置为用于感测沿垂直方向，即Z方向(包括正Z方向和负Z方向)的磁场分量。具体而言，第三磁传感器630的参考磁层的磁化方向可以设置在Z方向上(如圆圈中带点的符号所示)，而第二磁传感器620的自由磁层的磁化方向可以设置在面内方向上(例如，如箭头所示)，即在X轴和Y轴所定义的平面内。第三磁传感器630例如可以采用参照图3至5描述的磁传感器，因此这里不再对第三磁传感器630的具体结构进行重复描述。此外，可以理解的是，第三磁传感器630也可以包括利用多个参照图3至5描述的磁传感器所形成的半桥电路(如图6所示)或全桥电路(如图7所示)。

如上所述，在图8所示的三轴磁场感测装置600中，由于第一至第三磁传感器610至630可以采用上面参照图2-5描述的根据本发明的磁传感器，或者利用多个这样的磁传感器所形成的半桥或全桥电路，所以三轴磁场感测装置600可以具有改善的灵敏度和响应线性度。另一方面，由于用于感测面内外磁场的第一和第二磁传感器610和620的参考磁层具有面内磁化，而用于感测垂直外磁场的第三磁传感器630具有垂直磁化，所以第一至第三磁传感器610、620和630每个都可以设置为使得其包括的层平行于基板602的表面。在该情况下，可以非常容易地将第一至第三磁传感器610、620和630安装到基板602，从而可以得到坚固耐用的三轴磁场感测装置600。

上面利用许多具体细节描述了本发明的若干示例性实施例，但是应理解，本发明不限于这些实施例。例如，上面描述了若干层的成分和厚度等，但是在不偏离本发明的原理的情况下，这些层不限于所示例的成分和厚度，并且还可以包括其他的层，例如但不限于基底层、保护层和电极层等。本发明的范围由所附权利要求及其等价物定义。

Claims (21)

1.一种磁传感器，包括：

第一人工反铁磁结构，包括：

第一铁磁层；

设置在所述第一铁磁层上的第一耦合层；以及

设置在所述第一耦合层上的第二铁磁层，其中所述第一耦合层使所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间形成反铁磁耦合；

设置在所述第二铁磁层上的第一间隔层；以及

设置在所述第一间隔层上的自由磁层，所述自由磁层的磁矩能随外磁场而自由旋转，

其中，所述第一铁磁层的磁矩大于所述第二铁磁层的磁矩。

2.如权利要求1所述的磁传感器，其中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

3.如权利要求1所述的磁传感器，其中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层满足以下条件中的至少一个：

所述第一铁磁层具有比所述第二铁磁层更大的厚度；以及

形成所述第一铁磁层的材料具有比形成所述第二铁磁层的材料更大的磁化强度。

4.如权利要求1所述的磁传感器，其中，所述自由磁层具有垂直磁各向异性，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层具有面内磁各向异性。

5.如权利要求4所述的磁传感器，还包括形成在所述第一铁磁层的与所述第一耦合层相反的一侧的反铁磁钉扎层，所述反铁磁钉扎层钉扎所述第一铁磁层的磁矩。

6.如权利要求1所述的磁传感器，其中，所述自由磁层具有面内磁各向异性，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层具有垂直磁各向异性。

7.如权利要求1所述的磁传感器，其中，所述第一铁磁层包括n1个铁磁金属层和(n1-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第一多层，所述第二铁磁层包括n2个铁磁金属层和(n2-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第二多层。

8.如权利要求7所述的磁传感器，其中，所述第二铁磁层还包括：

设置在所述第二多层与所述第一间隔层之间的第一插入层；以及

设置在所述第一插入层与所述第一间隔层之间的第一界面层，所述第一界面层由具有比所述第二多层中的铁磁金属层更高的自旋极化率的铁磁金属材料形成，所述第一插入层诱导所述第二多层和所述第一界面层之间形成铁磁或反铁磁耦合。

9.如权利要求8所述的磁传感器，其中，所述第一插入层诱导所述第一界面层的晶体取向，所述第一界面层的晶体取向不同于所述第二多层中的铁磁金属层的晶体取向。

10.如权利要求8所述的磁传感器，其中，所述第一插入层诱导所述第二多层和所述第一界面层之间形成铁磁耦合，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层满足以下条件中的至少一个：

n1>n2；

所述第一多层中的每个铁磁金属层的厚度大于所述第二多层中的每个铁磁金属层的厚度；以及

形成所述第一多层中的铁磁金属层的材料具有比形成所述第二多层中的铁磁金属层的材料更大的磁化强度。

11.如权利要求1所述的磁传感器，还包括：

设置在所述自由磁层上的第二间隔层；以及

设置在所述第二间隔层上的第二人工反铁磁结构，所述第二人工反铁磁结构包括：

设置在所述第二间隔层上的第三铁磁层；

设置在所述第三铁磁层上的第二耦合层；以及

设置在所述第二耦合层上的第四铁磁层，其中所述第二耦合层使所述第三铁磁层和所述第四铁磁层之间形成反铁磁耦合，并且所述第四铁磁层的磁矩大于所述第三铁磁层的磁矩。

12.如权利要求11所述的磁传感器，其中，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

13.如权利要求11所述的磁传感器，其中，所述第三铁磁层包括n3个铁磁金属层和(n3-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第三多层，所述第四铁磁层包括n4个铁磁金属层和(n4-1)个非磁金属层彼此交替层叠而形成的第四多层。

14.如权利要求13所述的磁传感器，其中，所述第三铁磁层还包括：

设置在所述第三多层和所述自由磁层之间的第二插入层；以及

设置在所述第二插入层和所述自由磁层之间的第二界面层，所述第二界面层由具有比所述第三多层中的铁磁金属层更高的自旋极化率的铁磁金属材料形成，所述第二插入层诱导所述第三多层和所述第二界面层之间形成铁磁或反铁磁耦合。

15.如权利要求11所述的磁传感器，其中，所述自由磁层包括依次形成在所述第一间隔层上的第一子层、第二子层和第三子层，所述第二子层具有比所述第一子层和所述第三子层更小的矫顽力，且所述第一子层和所述第三子层具有比所述第二子层更大的自旋极化率。

16.一种三轴磁场感测装置，包括：

基板；以及

设置在所述基板上的第一磁传感器、第二磁传感器和第三磁传感器，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器中的每个包括：

第一人工反铁磁结构，包括第一铁磁层、设置在所述第一铁磁层上的第一耦合层、以及设置在所述第一耦合层上的第二铁磁层，所述第一耦合层使所述第一铁磁层和所述第二铁磁层之间形成反铁磁耦合；

设置在所述第二铁磁层上的第一间隔层；以及

设置在所述第一间隔层上的自由磁层，所述自由磁层的磁矩能随外磁场而自由旋转，

其中，所述第一铁磁层的磁矩大于所述第二铁磁层的磁矩，且

其中，所述第一磁传感器的第一和第二铁磁层具有沿第一方向的面内磁各向异性，所述第二磁传感器的第一和第二铁磁层具有沿第二方向的面内磁各向异性，所述第二方向垂直于所述第一方向，所述第三磁传感器的第一和第二铁磁层具有沿第三方向的垂直磁各向异性，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向。

17.如权利要求16所述的三轴磁场感测装置，其中，在所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器每个中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。

18.如权利要求16所述的三轴磁场感测装置，其中，在所述第一磁传感器和所述第二磁传感器中，所述自由磁层具有垂直磁各向异性，且

其中，在所述第三磁传感器中，所述自由磁层具有面内磁各向异性。

19.如权利要求16所述的三轴磁场感测装置，其中，所述第一磁传感器、所述第二磁传感器和所述第三磁传感器每个都设置得使其包括的层平行于所述基板的表面。

20.如权利要求16所述的三轴磁场感测装置，其中，所述第三磁传感器还包括：

设置在所述自由磁层上的第二间隔层；

设置在所述第二间隔层上的第二人工反铁磁结构，所述第二人工反铁磁结构包括设置在所述第二间隔层上的第三铁磁层、设置在所述第三铁磁层上的第二耦合层、以及设置在所述第二耦合层上的第四铁磁层，所述第二耦合层使所述第三铁磁层和所述第四铁磁层之间形成反铁磁耦合，

其中，所述第四铁磁层的磁矩大于所述第三铁磁层的磁矩，且

其中，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层具有沿所述第三方向的垂直磁各向异性。

21.如权利要求20所述的三轴磁场感测装置，其中，在所述第三磁传感器中，所述第三铁磁层和所述第四铁磁层在所述自由磁层处形成的泄露磁场的和基本为零。