CN107046095B

CN107046095B - 磁性传感器设备和用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法

Info

Publication number: CN107046095B
Application number: CN201611152072.3A
Authority: CN
Inventors: W.拉贝格; T.武尔夫特
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2019-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: US10008225B2; US20170168122A1; DE102015121753B4; CN107046095A; JP6355706B2; JP2017112375A; DE102015121753A1

Abstract

实施例涉及一种磁性传感器设备（700），其包括磁电阻结构（710）。该磁电阻结构（710）包括磁性自由层（770），其被配置成在该自由层（770）中自发地生成闭合通量磁化模式（775）。该磁电阻结构（710）还包括具有非闭合通量参考磁化模式（755）的磁性参考层（750）。该磁性传感器设备（700）还包括被配置成在磁性自由层（770）中生成偏置场的磁性偏置结构（780），该偏置场具有垂直于参考磁化模式（755）的非零磁性偏置场分量。

Description

磁性传感器设备和用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法

技术领域

示例涉及磁性传感器设备和用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法。

背景技术

磁电阻效应包括许多不同的物理现象，所有这些物理现象的共同之处是电阻元件的电阻可由于穿过该电阻元件的磁场的行为而改变。利用磁电阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，这里通过“x”来指示可以在这里论述的众多效应，仅论及几个示例比如巨磁电阻（GMR）效应、隧道磁电阻（TMR）效应或各向异性磁电阻（AMR）效应。可以在各种各样的基于场的传感器（例如用于测量旋转、角度等等的传感器）中应用xMR效应。在某些应用中，尤其在与安全有关的应用中，需要这些传感器可靠地且以高准确性水平来操作。

在某些应用中，传感器可能经受以未知或不可计算的磁场形式的扰动。这些扰动可能随机改变传感器的状态或初始值。因为传感器的磁滞行为可能导致测得的值是否接近高于或低于该测得的值的初始值的实质性差异，所以磁滞可能导致测量结果中的误差。旋涡（vortex）配置中具有自由层的磁性xMR传感器概念可能具有几乎为零的磁滞。换言之，可以在自由层中存在旋涡形磁化状态（磁场）的情况下实现低的磁滞，并且在诸如轮速感测、电流感测或线性场感测之类的应用中尤其对低的磁滞感兴趣。然而，旋涡形磁化状态可能仅在关于要被测量的所施加的场的场强的某一范围中稳定。

因此，期望提供一种实现测量结果的改进准确性和可靠性的传感器元件。

发明内容

一个示例涉及一种包括磁电阻结构的磁性传感器设备。该磁电阻结构包括磁性自由层，其被配置成在该自由层中自发地生成闭合通量磁化模式（pattern）。该磁电阻结构还包括具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层。该磁性传感器设备还包括被配置成在磁性自由层中生成偏置场的磁性偏置结构。该偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量。可以例如通过交替的磁性层和非磁性层来形成磁电阻结构。在此上下文中术语“磁性”和“非磁性”可以被理解为“铁磁性”和“非铁磁性”。“非磁性”层因此可以具有顺磁性、反磁性或反铁磁性性质。层本质上可以扩展到具有三个成对垂直方向x、y和z的笛卡尔坐标系的两个方向x和y中。换言之，与该层到第一和第二方向x和y中的扩展相比，该层到第三方向z中的扩展小到可以忽略不计。如果方向x对应于参考磁化的方向，则偏置场可以例如具有等于零的x分量，以及非零的y和z分量。闭合通量磁化模式还可以被称为涡旋态。自发生成的涡旋态可以例如在其产生之后或者在不施加外部场的情况下直接形成在自由层中。换言之非闭合通量参考磁化模式可以对应于具有零旋度和零发散的均匀的、直的或线性磁场。该实现可以拓宽在其中自发地生成涡旋态的要被测量的外部磁场值的范围。结果，其中磁滞消失的场范围可以被扩展，这进而可以增大可靠性。该场范围的上限和下限可以被称为成核（nucleation）场阈值。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成平面内具有非零偏置场分量的偏置场。术语平面内可指的是主要在x-y平面内扩展的自由层。因此，换言之垂直于参考磁化模式的平面内分量可以对应于y分量。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成作为定向固定的磁场的偏置场。这可以将外部磁场的涡旋成核场阈值提升到预定或固定值。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成在垂直于参考磁化模式的磁性自由层中生成偏置场。换言之，偏置场的z分量也可以为零。扩展的涡旋形成范围的影响因此可以被增大或甚至最大化。

在一些实施例中，磁性自由层是中心对称的形状。换言之，该形状可以由预定角度围绕平行于z方向的中心轴旋进而产生，并且例如包括等角的、等边的或规则的多边形（三角形、正方形、六边形、等等）或椭圆形。因此可以促进自发的涡旋形成。在不施加偏置场的情况下，除其他因素外，自由层的形状可以确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度。

在一些实施例中，磁性自由层是旋转对称的形状。换言之，自由层可以展示出圆盘形状。如果使用圆盘形状，则甚至可以进一步促进自发涡旋形成。

在一些实施例中，磁性自由层的厚度和直径之间的比在从1/500到1/5的范围中。可以沿着z方向测量厚度，并且直径在x-y平面内。如果自由层具有非圆形形状，则直径可以对应于例如椭圆形的长轴或短轴，或者多边形的内切或外切圆的直径。自由层的厚度和直径之间的比可以提供可确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度的另一因素。通过选取上述范围内的值，可以明显减轻涡旋形成。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成具有一定偏置场强度的偏置场，该偏置场强度使得在其处自发地生成闭合通量磁化模式的成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下更大。换言之，触发明显效应（例如至少1、2或5%）可能需要将偏置场强度设置成预定间隔内的值。以这种方式，提升成核场阈值的效果可能更明显。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成具有一定偏置场强度的偏置场，该偏置场强度使成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下大至少5 Oe或甚至10 Oe。如果乘以磁场常数µ₀，则5 Oe可以对应于0.5mT。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成偏置场强度为外部磁场的湮灭阈值的最多1/5的偏置场，在该湮灭阈值处闭合通量磁化模式被湮灭。湮灭阈值可以描述用于外部场的值，如果超过该值，则自由层中磁场的涡旋结构可以消失。在这之后，低于该值可能引起自由层的磁滞行为，直到在成核场阈值处再次形成涡旋结构为止。

在一些实施例中，磁性偏置结构包括在自由层中生成交换偏置场的反铁磁层。因此，对于磁性传感器设备而言，可以实现增加的密实度量，在实现容量可能是缺乏（例如汽车）的应用中这可能是合意的。

在一些实施例中，自由层被布置在反铁磁层和参考层之间。因此提供偏置场可能问题不大。此外，可能产生磁性传感器设备的较高水平的密实度。

在一些实施例中，直接邻近自由层来布置反铁磁层。因此可能省略自由层和反铁磁层之间的另一层。这可以提供一种用来提供偏置场的更简化方法。

在一些实施例中，自由层具有超过参考层的厚度而达到其至少3倍的厚度。这可以帮助保持与参考层相比低的自由层中的交换偏置效应。因此，偏置场的强度可能达到处于提供给涡旋形成范围的促进更明显的范围中。因此甚至可以优化偏置场的效应。

在一些实施例中，磁性偏置结构包括被配置成在自由层中生成偏置场的一个或多个永久磁体或电磁体。这可以实现将偏置场施加于已经存在的磁电阻结构的可能性。换言之，该一个或多个永久磁体或电磁体可以布置为与磁电阻结构所集成到其上的衬底分开。

在一些实施例中，磁性偏置结构至少包括位于自由层的相对侧上的第一和第二永久磁体。这可能导致更线性的偏置场形状。此外，永磁体在z方向上的厚度可以被减小，因此很可能导致更小的体积密集型（volume-intensive）实现。

在一些实施例中，磁性偏置结构包括电导体，其被配置成响应于电导体中的电流来在与偏置场相对应的自由层中生成磁场。这可能允许磁性偏置结构和磁电阻结构集成在共同衬底或芯片上。可以以这种方式进一步简化偏置场的正确调整。

在一些实施例中，磁电阻结构对应于巨磁电阻（GMR）结构或隧道磁电阻（TMR）结构。因此可将各种实现应用于不同传感器类型。

根据另一方面，一些实施例涉及磁电阻传感器元件。该磁电阻传感器元件包括磁性自由层，其被配置成在该自由层中自发地生成涡旋磁化模式。该磁电阻传感器元件还包括具有线性参考磁化模式的磁性参考层。该磁电阻传感器元件还包括被配置成在磁性自由层中生成垂直于参考磁化模式的定向固定的偏置场的磁性偏置结构。

在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成偏置场强度在从1 Oe到60 Oe的范围中的偏置场。

根据另一方面，一些实施例涉及一种用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法。该方法包括在磁电阻结构的磁性参考层中提供非闭合通量参考磁化模式。该方法还包括在磁电阻结构的磁性自由层中生成偏置场。该偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量。该方法还包括在磁性自由层中自发地生成闭合通量磁化模式。因此，在其中自发地生成涡旋态的要被测量的外部磁场值的范围可以被扩展。在该范围中，磁滞可能消失，这进而会增大磁性传感器设备的可靠性。

附图说明

在下文中将仅通过示例并参考附图来描述装置和/或方法的一些实施例，在其中：

图1示出具有处于磁性涡旋态的自由层的TMR底部自旋阀（BSV）结构的分解图示例；

图2示出单个圆盘形自由层元件的示意性磁滞回线，其示出涡旋表征的成核场和湮灭场；

图3示出根据一个实施例的两个TMR单元的磁滞回线，该每个TMR单元都具有圆盘形的NiFe自由层；

图4示出根据一个实施例的对于垂直于自旋阀结构的感测方向的不同偏置场的模拟结果；

图5示出没有偏置场和具有20 Oe偏置场的磁化模式的模拟结果的比较；

图6a-c示出在存在各种外部场的情况下根据一个实施例的自由层中的闭合通量磁化模式中的变化；

图7示出根据一个实施例的具有均匀交换的偏置自由层的TMR涡旋结构的分解图；

图8示出根据一个实施例的在自由层中生成磁场的电导体层；

图9示出根据一个实施例的在自由层中生成磁场的反偏压磁体；

图10示出根据一个实施例的在自由层中产生偏置场的两个硬磁性结构；

图11示出根据一个实施例的自由层的直径与厚度比d/t和对于涡旋成核场和涡旋湮灭场的以mT计的磁通量密度之间的关系；

图12示出根据一些实施例的针对自由层的不同直径的偏置场强度绘制的涡旋成核场范围的宽度增加；以及

图13示出根据一个实施例的用于磁性传感器设备的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考其中图示了一些示例的附图来更全面地描述各个示例。在图中，为了清楚起见，线、层和/或区域的厚度可能被夸大。

因此，尽管其他示例能够有各种修改和替代形式，但是在图中示出其某些特定示例并且随后将详细描述它们。然而，该详细描述不会将其他示例限于所描述的特定形式。其他示例可以覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替代。相似的数字涉及遍及附图描述的相同或类似元件，虽然提供了同样或类似的功能，但当彼此进行比较时可以相等地或以修改形式实现该相同或类似元件。

将要理解，当一个元件被称为与另一元件“连接”或“耦合”时，该元件可以被直接连接或耦合或者经由一个或多个介于中间的元件连接或耦合。相比之下，当一个元件被称为被“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在介于中间的元件。应该以相似的方式来解释用来描述各元件之间的关系的其他词语（例如仅举几个例子“在…之间”相对于“直接在…之间”，“邻近”相对于“直接邻近”）。

这里使用的术语是为了描述特定示例的目的，而不意图对其他示例进行限制。每当使用诸如“一”、“一个”和“该”之类的单数形式并且仅使用单个元件时既不明确也不隐含定义为强制性的，其他示例还可以是实施相同的功能的复数个元件。同样地，当一个功能被随后描述为使用多个元件来实施时，其他示例可以使用单个元件或处理实体来实施相同的功能。将进一步理解，当术语“包括”、“包含”、“包括于”和/或“包含于”被使用时，指定所述特征、整数、步骤、操作、过程、动作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、过程、动作、元件、部件和/或其任何组的存在或附加。

除非以其他方式定义，在这里以示例所属领域中的所有术语的普通含义来使用这些术语（包括技术和科学术语），除非在这里以其他方式明确定义。

图1示出隧道磁电阻（TMR）传感器元件100的一个示例，其也被称为自旋阀或底部自旋阀（BSV）。TMR传感器元件100具有交替的铁磁层或非铁磁层的层堆叠110。如果在具有成对垂直坐标轴x、y和z的笛卡尔坐标系中描述，则每个层在x和y轴跨越的平面中扩展。层在z方向上的范围可以被描述为层厚度t。

从下到上，TMR传感器元件100包括反铁磁钉扎层120和铁磁被钉扎层130。钉扎层120和被钉扎层130之间的接触激起一种被称为交换偏置效应的效应，其使被钉扎层130的磁化在优选方向上对准。换言之，被钉扎层130表现出线性磁通量模式，在图1中其平行于x方向。TMR传感器元件100还包括耦合层140。耦合层140可以是反磁性的并且例如包括钌、铱、铜或铜合金以及类似材料。耦合层140在空间上将被钉扎层130和铁磁性参考层150分开。使用该设置，参考层150的磁化可以对准并且保持处于与被钉扎层130的磁化反平行的方向。TMR传感器元件100还包括隧道势垒160，其将参考150与铁磁性自由层170电绝缘并将它们分开。在一些实施例中，自由层170、参考层150和被钉扎层130可以包括铁、钴和镍，并且在一些其他实施例中包括这些的合金。合金还可以包括非铁磁材料（例如碳），其中铁磁材料构成相应层的材料成分的至少50%。例如，各层可以包括钴铁（CoFe）或镍铁（NiFe）、合金。相比之下，钉扎层120可以包括例如铱、锰、铂或包括这些的合金。

尽管在操作中或者当耦合到电子电路时，在施加恒定外部磁场的情况下电荷可以以预定数量从隧道势垒160的一侧传递到另一侧。TMR效应是当外部磁场的方向改变时以通过隧道势垒的电荷数量的改变来表示自己的一种量子物理现象。该效应可能因为变化的外部磁场引起的自由层170的磁化的方向变化而出现。

在图1中自由层170是圆形形状，或者换言之具有圆盘状结构。该圆盘具有直径d，其例如可以在几百nm到10μm的范围中。圆盘还具有在例如1nm到100或200nm的范围中的厚度t。假如具有该结构的层可能导致自由层170中的闭合通量磁化模式的自发形成。换言之，自由层170中磁场的的旋度可能不同于零，或者磁场线可能在圆盘内侧形成闭合回路。这样的场的出现还可以被称为涡旋态或涡旋配置。换言之，可以通过在例如10nm一直到100nm的范围中选取圆盘厚度t并且在500nm和3μm之间选取圆盘直径d来获得涡旋态。涡旋自旋阀结构可能不限于TMR效应；它还可能例如经由巨磁电阻（GMR）来实现。

在涡旋配置中具有自由层的磁性xMR传感器概念可能具有几乎为零的磁滞，在诸如车辆速度感测或电流感测之类的应用中这一点可能是特别引起兴趣的。低磁滞的先决条件可能是存在涡旋态。可描述其中存在涡旋态的状况的临界参数是成核场H_n(在那里使涡旋成核)和湮灭场H_an（在那里它再次被破坏）。

图2描绘示出涡旋特性成核场H_n和湮灭场H_an的单个圆盘形自由层元件的示意性磁滞回路。所绘制的是磁化的归一化平面内分量（或x分量）m_x/M_s与外部场（其等同于相应的自旋阀结构的传感器信号）的对照。在其中，可以将两个不同的工作范围区分开。工作范围A（或涡旋形成范围210）由成核场H_n+和H_n-来限定，并且可能不受到磁性经历的影响，因为可能一直保证涡旋成核。工作范围B（或涡旋湮灭范围220）由湮灭场H_an+和H_an-来限定，并且只要该范围不被超过（例如通过以磁场脉冲形式的干扰）涡旋态就可以被保留。换言之，可以通过改变外部磁场来使磁化的平面内分量m_x/M_s沿着曲线230移位。然而，在涡旋湮灭范围220之外的事件之后，可能需要“重置”以便通过将外部场强度降低到涡旋形成范围210内的值来再次形成涡旋结构。在所述事件和涡旋再次形成中间，磁化的平面内分量m_x/M_s可能遵循磁滞曲线240-1、240-2。

鲁棒的传感器理想情况下可能总是或者至少大部分操作时间以涡旋态来操作。因此，扩展涡旋形成范围210或者甚至尽可能大地呈递它可能是合意的。实施例提供一种增大H_n的值、由此充分增大基于涡旋态的传感器的操作范围的措施。

调整涡旋态传感器的成核场的一些示例性措施可能与不同材料系统、厚度与直径比t/D和利用自由层顶上的附加反铁磁体的零场冷却过程有关。

理论上（例如微磁学模拟）对于不同材料在成核场中可能存在差异。可能改变的对应材料参数是饱和磁化、交换刚度和晶态各向异性。因为从使能量最小化演化出涡旋态，所以成核场H_n可能主要受到杂散场能量和交换能量的影响。因此，交换刚度的增大可能会降低H_n，同时饱和磁化的增大可能会增大H_n。当将文献值与模拟结果相比时，例如具有1μm圆盘、20nm厚的成核场H_n中的差可能例如对于CoFe为大约75 Oe以及对于NiFe为-30 Oe。

自由层圆盘的厚度与直径比t/D可能对涡旋形成范围210的宽度有影响。增大的厚度t可能使H_n增大并且使直径D降低。该关系还可以通过测量结果来确认，但是归因于集成尺寸的限制，可能不能通过使用常规措施来充分利用该效应。对甚至更厚自由层（例如>50nm）的进一步研究可能提供一个选项，然而，问题可能来自于这样的厚的xMR堆叠的构造。对于GMR，自由层厚度的增大还可能降低磁电阻效应。

其他常规选项可能使用所谓的自由层顶部具有附加的反铁磁体的“零场冷却”（ZFC）过程。因此可以有可能在反铁磁体的表面处加上涡旋磁化模式的特征，这可能使成核场移位和/或改进该成核场。然而，xMR堆叠以及其处理的复杂性可能由于该测量而显著增大。

实施例涉及磁性涡旋传感器与垂直于感测方向的磁性偏置场的组合，以便改进磁性涡旋态的成核性能。可能在处于偏置场的某一范围内的实验条件下展示涡旋成核上的磁性偏置场的促进效果。在实验数据中，如图3中所示，可能观察到归因于偏置场的存在的成核场的移位。绘制以kΩ计的电阻与以Oe计的外部场的x分量的对照。在其中，示出两个TMR单元的磁滞回路，每一个都具有t=20nm的厚度和D=2 µm的直径的圆盘形NiFe自由层。垂直于感测方向施加具有0、10、20和30 Oe的相应强度的不同偏置场。箭头310指示对于10 Oe偏置场的成核场H_n的移位。

取决于偏置场强度，可以观察到不同的明显移位。关于图3中回路的正和负分支的成核场的结果得到的对称性，在这种情况下最佳偏置可能大约为10 Oe。其他结构可能不会在没有偏置的情况下示出这样的非对称成核路径，并且在这种情况下可能观察到归因于偏置的H_n的更多或更少对称移位。对于小的偏置场（诸如10 Oe），可能观察到对由于传感器应用的成核场的促进影响。

在下文中，解释为什么成核场中的移位会在存在偏置场的情况下发生。

图4中示出可比较的自旋阀结构的微磁模拟结果。图4中绘制的结果示出20nm厚、1µm直径圆盘的自由层响应。可以观察到与实验数据中相同的效应。成核场的移位（如果施加垂直于感测方向（H_x）的偏置场的话）以及移位的强度取决于偏置场强度。对于不同成核场的原因可能与不同预涡旋磁化态有联系。可以在图2和3中看到，如果施加了偏置场，则自由层圆盘磁化的x分量可能会随着|H_x|的降低而明显更快地下降。在某种情况下，这可能降低涡旋成核的能量势垒。

现在转向图5，分别示出对于不具有偏置场以及在y方向上具有20 Oe偏置场的情况下在感测方向上（对应于场的x分量）的不同外部场强的磁化模式。首先，可以观察到，在没有偏置的情况下在90 Oe和40 Oe之间具有很明显的C状态（参见面板a），在其中磁场线遵循字母C的形状。在某些情况下可能利用偏置跳过该状态。此外，在具有偏置时C状态可能具有更明显的非对称性。形成平滑通过到S状态的非对称形状，在S状态中，磁场线遵循字母S的形状。其次，没有偏置的情况下的S状态（参见面板b）更稳定，并且甚至在-5 Oe处不存在明显的非对称性（在这里未示出）。在-10 Oe处达到涡旋态（参见面板c）。相比之下，在偏置的情况下C状态被跳过并且在50 Oe处已经存在非对称S状态（参见面板d）。因为当离开饱和时存在的明显的非对称性，所以甚至在成核之前后续涡旋态的旋转的感测是明显的。涡旋成核在20 Oe处完成（参见面板e）。本领域技术人员将从图5认识到，在存在偏置场的情况下，更容易形成S形状（在涡旋态之前）并且已经具有磁化方向的非对称分布。

图6a、b和c图示具有自由层770的xMR传感器的操作模式，该自由层具有涡旋形磁流量模式（也与图5的面板c和e相比较）。如图6a中所示，如果外部场等于零，则涡旋中心610位于圆盘形自由层770的中心处。在其他实施例中自由层770的形状可以不同于圆盘形状。参考层的参考磁化755定向为平行于x方向。下面的解释期望阐明为什么在自由层770中存在涡旋态的情况下参考磁化755的方向可以充当xMR传感器的最优感测方向。

如果具有闭合通量图案或涡旋的磁场位于圆盘形自由层770的中心，则带有具有平行于参考磁化755的分量的场线的圆盘的第一部分620可以与带有具有反平行于参考磁化755的分量的场线的圆盘的第二部分630一样大。换言之，集成在整个圆盘表面上的自由层磁化的净方向可以等于零。然而，要注意第一和第二圆盘部分620、630可能没有被截然分开，而是可能宁愿顺利地互相穿过，这通过图6a、b和c中的虚线来指示。

在x方向上外部场640的应用或改变可能导致涡旋中心610在y方向上(或垂直于x)的移位650，这在图6b中图示。如果外部场增大到具有与参考磁化755相同的符号的值（或者如果外部场和参考磁化755平行的话），则集成在整个圆盘表面上的自由层磁化的净方向可能例如变成正的。在图6b中，该效应与第一部分620的尺寸增长和部分630的尺寸降低相对应。因此，如果外部场降低到具有参考磁化755的相反符号的值，则自由层磁化的净方向可能例如变成负的。

一些磁电阻效应（例如TMR）利用电阻取决于自由层770中的以及参考层中的磁化的平行或反平行对准。在存在自由层770的涡旋结构的磁化的情况下，电阻可能因此取决于整个自由层770（或第一部分620和第二部分630的尺寸比例）的净磁化相对于参考磁化755的方向的方向。从对应于图6a的状态到对应于图6b的状态的过渡可能因此导致包括自由层770的xMR传感器设备的电阻的显著变化。

图6c描绘如果外部场在y方向上（或垂直于参考磁化755）发生变化660则可能出现的结果。其中，在x方向的涡旋移位670可能是结果。如可以从图6c中看到的，外部场在y方向上的变化660可能留下第一和第二部分620、630的相对尺寸（或相对于反平行分量的累积值的平行场线分量的累积值）不变。因此，自由层770的净磁化可能保持不变，这进而不会激起xMR传感器设备的电阻的任何显著变化。与其符号无关的参考磁化755的方向可能因此被认为是优选感测方向。

在图7中描绘包括磁电阻结构710的这样的磁性传感器设备700的一个实施例。磁电阻结构710可能对应于来自图1的磁电阻结构110。在下面的示例中不再解释具有图1中的相应对应物的部件，然而，将会提及电位差。磁电阻结构710包括具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层750，其可以被视为均匀、直的或线性场。通过参考磁化755来确定其中的优选感测方向790，并且因此该优选感测方向790平行于x方向。磁电阻结构710还包括被配置成在自由层770中自发地生成闭合通量磁化模式或涡旋775的磁性自由层770。磁性传感器设备700还包括被配置成在磁性自由层770中生成偏置场的磁性偏置结构780。该偏置场具有垂直于参考磁化755的非零磁性偏置场分量。换言之，偏置场可能具有为零的x分量以及非零的y分量和/或z分量。参考磁化755可能具有非零的x分量以及为零的y分量和/或z分量。在其他实施例中，偏置场具有垂直于参考磁化755的非零平面内分量。换言之，偏置场的y分量可以是非零的，并且z分量可以为零或者可替代地为非零的。

磁性偏置结构780可以例如被实施为包括在图7中示出的一个实施例的磁电阻结构710中的一个层。可替代地，磁性偏置结构780可能例如被实施在层堆叠（磁电阻结构710）外部，这将在以下实施例的一些中更密切地解释。

在一些实施例中，偏置场是定向固定的磁场。在一些其他实施例中，偏置场可能遵循磁性自由层770的方向并且垂直于参考磁化模式755。换言之，偏置场的z分量也可能为零，或者偏置场可能与自由层770共面。

磁电阻结构710可能类似于与图1中的示例对应的交替磁性层和非磁性层的层堆叠。层堆叠从下到上可以包括反铁磁钉扎层720、磁性被钉扎层730、非磁性耦合层740、参考层750、电绝缘隧道势垒760和自由层770。磁电阻结构710可能被配置成将TMR效应用于外部磁场的测量，或者可能可替代地被配置成使用另一xMR效应，例如GMR。在一些实施例中，参考层750还可以对应于被钉扎层730或与被钉扎层730相同。

在图7中，磁电阻结构710被实施为反平行（AP）被钉扎结构，其中被钉扎层730和参考层750被耦合层740分开并且它们的磁矩是反平行的。包括磁电阻结构710的自旋阀传感器还可以被实施为简单的被钉扎结构，其包括具有单向磁矩的一个（例如被钉扎层730）或多个铁磁层（例如被钉扎层730和参考层750）。在AP被钉扎层结构中，钉扎层730和参考层750的磁化可能基本上彼此平衡。因此，AP被钉扎层结构的净磁化可能对自由层770的静态平行位置影响不大。一些实施例可能涉及仅具有与自由层770分开的一个铁磁层（或者换言之，省略参考层750）的磁电阻结构710。然而，与外部场相比其中的磁化可能更不稳定。

包括磁电阻结构710的自旋阀传感器仍可进一步被分类为单或双的。单自旋阀传感器可能仅采用一个被钉扎层并且双自旋阀传感器可能采用两个被钉扎层，例如具有位于其中的自由层结构。在一些其他实施例中，磁电阻结构710可能表示具有被平行或反平行耦合的间隔层分开的三个或更多铁磁层的硬磁的，或还是多层的参考系统。

尽管以圆盘形状来描绘图7中的自由层770，但是可以在不同实施例中实现其他中心对称的或旋转对称的形状。这样的形状可能例如包括椭圆形、三角形、四边形（正方形、菱形等等）、规则的或轴对称的六边形，或其他多边形（只是提到一些可能性）。此外，甚至可以使用不具有这样的对称性的任何其他形状，例如在一侧处被切的不规则多边形或圆盘。自由层厚度可能例如具有10nm和100nm之间的值，并且其直径可能具有500nm和5μm之间的值。自由层770的厚度与直径比t/d可能因此优选地在从1/500到1/5的范围中。

实施例可能涉及被分成片上和外部解决方案的大量不同技术实现。在图7中，提出了片上解决方案的一个实施例，在其中磁性偏置结构780包括用以在自由层770中生成交换偏置场的反铁磁层781。换言之，该实施例可能包括作为自由层770的交换偏置而作用于自由层770的基本上均匀的偏置。可能通过在自由层770的顶上添加附加的反铁磁层781（例如在如图7中示出的BSV结构的情况下）并且可选地执行附加的场冷却过程来实现所述交换偏置。

值得注意的是，自由层770和反铁磁层781之间的间隙仅仅归因于图7的分解图。在一些实施例中，如果存在某一形式的耦合，则将会观察到偏置。这样的耦合可能例如是层间交换耦合，在那里自由层770、钌层、另一铁磁层和反铁磁层781按照该顺序接触。耦合可能进一步出现为静磁耦合，在那里自由层770、非磁性间隔、另一铁磁层和反铁磁层781按照该顺序接触。在又一示例中，可以通过直接接触（导致直接交换偏置）来实现自由层770和反铁磁层781之间的耦合。

为了阐明在y方向上的单向交换偏置，以长方形形状来绘制反铁磁层781。自由层770和顶部反铁磁体781的结果得到的结构可与被钉扎层730连同底部反铁磁体720类似。然而，自由层770可能比被钉扎层730更厚，例如厚度达其3倍或5倍或甚至更多倍。在被钉扎层730对应于参考层750的实施例中，自由层770可能相应地超过参考层750的厚度而达到其3倍或5倍或更多倍。例如，可能采用10nm厚的自由层（770）和2nm厚的参考层（750）或被钉扎层（730）。因为交换偏置效应是表面效应，所以自由层770的交换偏置场H_eb（其可以被描述为单铁磁层的磁滞曲线归因于铁磁-反铁磁交换耦合的移位）可能因此比被钉扎层730的H_eb更小得多，甚至对于相同的反铁磁材料和场冷却过程也是如此。这可能导致10 Oe和100 Oe之间的交换偏置场。例如与IrMn组合的30nm厚的NiFe膜的交换偏置场可能位于该范围中，并且可以通过改变IrMn厚度来调整该交换偏置场。在其他实施例中，参考层（750）可能具有比自由层（770）的结构更大的范围和/或厚度。此外，甚至参考层（750）可能具有涡旋形的磁化模式。

可以优选地实现垂直于被钉扎层的交换偏置并且也在平面内的自由层770的交换偏置，如图7中由平行于y方向的箭头指示的。对于两种不同的场冷却过程的实现，可以使用两个不同的阻塞温度。在一些实施例中，这可以通过使用两种不同的反铁磁材料（诸如例如PtMn和IrMn）来实现。还可以通过反铁磁层781的厚度来调整阻塞温度和交换偏置场。当来自平行于x方向的饱和时，与均匀交换偏置自由层770有关的实施例可能改进涡旋成核。

在一些实施例中，自由层770的交换偏置可能通过布置在反铁磁层781和自由层770之间的附加层来调解。附加层可以例如是铁磁的，并且经历实际交换偏置效应，从而促成其磁化的定向固定。自由层770可能会受到附加层的磁化的影响。所述磁化可能因此表示偏置场。

在某些替代实施例中，反铁磁层781被布置成直接邻近于自由层770。自由层770被布置在反铁磁层781和参考层750之间。一方面，这可能导致更明显的交换偏置效应。另一方面，通过增大自由层770的厚度来减轻交换偏置效应。以这种方式，可以根据个体需求来平衡偏置场的值或对其进行优化。反过来，可以更好地利用涡旋稳定性。

对于使用例如12nm的单向交换偏置自由层厚度以及400nm和800nm的圆盘直径的某些方法，可能没有观察到对于偏置方向和外部场的垂直取向的涡旋成核。根据一些实施例，对于较厚的自由层，可以正向移位成核场。此外，对于较小的结构以及偏置场和外部场的平行取向，可以观察到涡旋成核。对于垂直取向，可以利用磁力显微镜来观察相干旋转反转。在一个实施例中，可以通过在没有外部场的情况下添加温度处理步骤来使所提议的自由层770的均匀交换偏置与零场冷却进一步组合。

受益于本公开的本领域技术人员将会认识到，可以使用图7中没有明确示出的其他实施例来实现类似的结果。在这些实施例中的一个中，自由层770和反铁磁层781之间的另一铁磁层可能经历交换偏置效应，并且生成相应地影响自由层770的磁化的磁场。在这些实施例中的另一个中，反铁磁层781被布置在自由层770下面。在这些实施例中的又一个中，偏置场可能具有垂直于参考磁化755的非零分量和平行于参考磁化755的非零分量。换言之，偏置场和参考磁化755之间的角度可能偏离90°例如高达5°、10°、20°或甚至更多的值。

在图8中示出的一个实施例中，磁性偏置结构780包括电导体782，其被配置成响应于电导体782中的电流810在自由层770中生成与偏置场相对应的磁场820。电导体782可能被实施为导线片上结构，或者换言之连同自由层770一起被集成在共同层堆叠中。再次地，外部磁场的优选感测方向790（相比于图6a-c）平行于x方向。电导体782可能还被实施为平行于自由层770且在自由层770下方或上方的金属层。施加电流810可能引起奥斯特场，其具有垂直于外部场或其优选感测方向790、并且在自由层770的位置处主要在平面内的矢量分量。因此，可以改进涡旋态的成核性能。电导体782可能具有条纹的形状。结果，磁场820穿过自由层770的部分可能具有y方向上的超过z分量的值的矢量分量。在其他实施例中，可以与磁电阻结构分开地安装电导体782。因此，磁性偏置结构780到预制造的磁电阻传感器设备上的后续或补充安装可以是可能的。换言之，该实施例可以被实施为片上解决方案或外部解决方案。本领域技术人员将认识到，超过图8的范围之外的其他实现可能产生类似的结果。例如，电导体782可以具有圆柱形形状，具有平行于参考磁化755的圆柱形轴线。电导体782可能另外或可替代地从磁电阻结构710脱离。可选地，绝缘装置（例如附加层）可以被布置在电导体782和自由层770之间。

转向图9，在一些实施例中，磁性偏置结构780包括被配置成在自由层770中生成偏置场的一个或多个永磁体783或电磁体。磁性偏置结构780中可能存在不必在硅上实施的外部解决方案。图9中的永磁体783是反偏压磁体，其以在感测涡旋元件或自由层770的位置处提供具有y分量的杂散场910的这种方式被布置。这可以例如通过使用如图9中示出的旋转的永磁体783或电磁体来实现。对于传感器性能而言，结果得到的杂散场910的z分量的影响是可以忽略不计的。自由层770被安装在传感器芯片920上，该传感器芯片920可以被包括在磁性传感器设备700或磁电阻结构710中。例如，传感器芯片920可以对应于磁电阻结构710的层堆叠或其部分。尽管图9中的永磁体783被布置在自由层770下方，该永磁体783的各磁极中的一个面向具有非零y和z分量的方向，但是已受益于本公开的本领域技术人员将会认识到可以从不同实现获得类似的结果。例如，在另一实施例中，可以用电磁体来代替永磁体783。此外，永磁体783或电磁体可以被布置在自由层770上方或者部分与自由层770处于共同平面内。永磁体783的磁极可能还面向具有非零y和z分量的方向，或者可选地，具有非零x分量的方向。可以相应地选取或调整杂散场910的强度。

在图10中示出的另一实施例中，磁性偏置结构780至少包括位于自由层770的相对侧上的第一永磁体784和第二永磁体785。与具有一个永磁体的实施例相比，这可能导致偏置场的更为线性的形状。第一和第二永磁体784、785可能在软磁性自由层770附近形成硬磁层并且可能产生垂直于感测方向790的杂散场1010。图10以平面图示出这样的结构的示意图。自由层770以及第一和第二永磁体784、785可以至少部分被布置在共同平面内。粗体箭头指示第一和第二永磁体784、785的各自取向，它们可以彼此平行。换言之，第一永磁体784的北磁极可以面向第二永磁体785的南磁极，或者反过来。磁性传感器设备的优选感测方向790再次平行于x轴。第一和第二永磁体784、785的各自磁化还可以平行于y轴并且因此产生改进涡旋成核的杂散场1010。然而，硬磁结构的形状不限于矩形，在图10中其仅是示例性的。此外，第一和第二永磁体784、785可以具有与自由层770的厚度相对应的z方向上的厚度，这可以有可能促进作为片上解决方案的实现。在另一实施例中，第一和第二永磁体784、785同样可以仅被布置在芯片之外或外部。

在上述实施例的一些中，成核场和湮灭场（也与图2相比，H_n和H_an）可能会受到自由层的直径与厚度的比d/t的影响。在其他实施例中偏置场强度被调整成使得偏置场强度引起成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下大至少5 Oe（或者更优选地至少10 Oe）的值。图11示出对于成核场和湮灭场的直径与厚度的比d/t与以mT计的磁通量密度之间的关系。三角形对应于湮灭场的测量值，并且十字形对应于厚度t=20nm的自由层中的成核场的测量值。菱形对应于湮灭场的测量值，并且正方形对应于厚度t=10nm的自由层中的成核场的测量值。

为了阐明原因，图12示出针对不同圆盘直径的y方向上的偏置场强度绘制的涡旋成核场范围（相比于图2中的范围210）的宽度增大。不连接的正方形类似于d=1.0μm圆盘，用点线连接的正方形类似于d=2.0μm圆盘，用虚线连接的三角形类似于d=2.2μm圆盘，并且用虚线连接的菱形类似于d=2.8μm圆盘。高达60 Oe的偏置场可能对涡旋成核范围的宽度具有相当大的影响。然而，在40 Oe之上，在某些情况下该影响可能下降。对于5 Oe或10 Oe的偏置场，该影响可能是最大的。偏置场值的示例性范围因此可能在1 Oe和60 Oe之间，或者甚至在5 Oe和20 Oe之间。在某些其他实施例中，偏置场强度是在其处涡旋模式被湮灭的外部磁场的湮灭阈值的最多1/5。

图13示出根据一个实施例的用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法1100。方法1100包括在磁电阻结构的磁性参考层中提供1110非闭合通量参考磁化模式。方法1100还包括在磁电阻结构的磁性自由层中生成1120偏置场。该偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量。可选地，磁性偏置场分量可以是平面内分量。方法1100还包括在磁性自由层中自发地生成1130闭合通量磁化模式。因此在其中自发地生成涡旋态的要被测量的外部磁场值的范围可以被扩展。在该范围中，磁滞可能消失，这进而可以增加磁性传感器设备的可靠性。

这里描述的实施例可能涉及利用基本上均匀的磁性偏置场，并且可能影响磁电阻自旋阀结构中的涡旋成核过程，并且因此可能实现涡旋成核场中的移位。实施例可能对涡旋传感器的实现有贡献，其示出与条纹形或椭圆形磁性微结构相比更小的磁滞。在当经由交换偏置实施的均匀偏置以及零场冷却（ZFC）过程之间存在类似性。二者都基于交换偏置效应。然而，对域状态的影响可能是不同的。此外，这里描述的实施例可能基于交换外部场，它对ZFC来说可能不重要。然而，其他实施例可以将这二者组合并且进一步增大和改进成核场移位。例如，可能采用在具有磁场和不具有磁场的情况下不同温度下的两个场冷却过程。

连同先前详细示例和附图中的一个或多个一起提到和描述的方面和特征也可以与其他示例中的一个或多个组合，以便代替其他示例的相似特征或者以便将特征另外引入到其他示例。

该描述和附图仅仅说明本公开的原理。因此将会认识到，本领域技术人员将能够设想出尽管没有在这里明确描述或示出但是体现本公开的原理且被包括在其精神和范围内的各种布置。此外，这里叙述的所有示例主要意图明确地仅用于教学目的以帮助读者理解本公开的原理和发明人促进本领域的所贡献的概念，并且要被解释为不限于这样具体叙述的示例和条件。此外，这里叙述本公开的原理、方面和示例的所有陈述以及其具体示例意图涵盖其等同物。

要理解，在说明书或权利要求中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开可能不被解释为处于特定顺序，除非例如因为技术原因以其他方式明确或隐含地陈述。因此，多个动作或功能的公开将不会将这些限于特定顺序，除非因为技术原因这样的动作或功能不可互换。此外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可能分别包括或者被分解成多个子动作、子功能、子过程、子操作或子步骤。这些的子动作可能被包括在该单个动作的公开中并且成为其一部分，除非明确排除。

此外，后面的权利要求由此被并入具体实施方式中，在权利要求中每项权利要求可以独立作为单独的示例。尽管每项权利要求可以独立作为单独的示例，但是要注意，尽管从属权利要求在权利要求中可以指的是与一个或多个其他权利要求的具体组合，但是其他示例还可能包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。在这里明确提出这样的组合，除非声明未打算具体的组合。此外，意图同样包括任何其他独立权利要求的权利要求的特征，即使该权利要求没有直接从属于该独立权利要求。

Claims

1.一种磁性传感器设备，其包括：

磁电阻结构，其包括：磁性自由层，其被配置成在该磁性自由层中自发地生成闭合通量磁化模式；和具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层；以及

磁性偏置结构，其被配置成在磁性自由层中生成交换偏置场，该交换偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量，其中所述磁性偏置结构包括偏置层，以生成所述交换偏置场，所述偏置层被布置成直接邻近磁性自由层。

2.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成平面内具有非零磁性偏置场分量的交换偏置场。

3.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成作为定向固定的磁场的交换偏置场。

4.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成在垂直于参考磁化模式的磁性自由层中生成交换偏置场。

5.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性自由层具有中心对称的形状。

6.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性自由层具有旋转对称的形状。

7.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中磁性自由层的厚度和直径之间的比在从1/500到1/5的范围中。

8.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成交换偏置场，该交换偏置场具有使得在其处自发地生成闭合通量磁化模式的成核场阈值在存在交换偏置场的情况下比不存在交换偏置场的情况下更大的偏置场强度。

9.根据权利要求8所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成交换偏置场，该交换偏置场具有使得成核场阈值在存在交换偏置场的情况下比不存在交换偏置场的情况下大至少5 Oe的偏置场强度。

10.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成其偏置场强度为外部磁场的湮灭阈值的最多1/5的交换偏置场，在该湮灭阈值处闭合通量磁化模式被湮灭。

11.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中所述偏置层是用来在磁性自由层中生成交换偏置场的反铁磁层。

12.根据权利要求11所述的磁性传感器设备，其中所述磁性自由层被布置在反铁磁层和磁性参考层之间。

13.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中所述磁性自由层具有超过磁性参考层的厚度而达到其至少3倍的厚度。

14.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构包括被配置成在磁性自由层中生成交换偏置场的一个或多个永磁体或电磁体。

15.根据权利要求14所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构至少包括位于磁性自由层的相对侧上的第一和第二永磁体。

16.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构包括电导体，其被配置成响应于电导体中的电流来在与交换偏置场相对应的磁性自由层中生成磁场。

17.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁电阻结构对应于巨磁电阻GMR结构或隧道磁电阻TMR结构。

18.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中所述磁性自由层包括铁、钴和镍中的至少一个。

19.一种磁电阻传感器元件，其包括：

磁性自由层，其被配置成在该磁性自由层中自发地生成涡旋磁化模式；和具有线性参考磁化模式的磁性参考层；以及

磁性偏置结构，其被配置成生成在磁性自由层中的并且垂直于线性参考磁化模式的定向固定的交换偏置场，其中所述磁性偏置结构包括偏置层，以生成所述定向固定的交换偏置场，所述偏置层被布置成直接邻近磁性自由层。

20.根据权利要求19所述的磁电阻传感器元件，其中该磁性偏置结构被配置成生成偏置场强度在从1 Oe到60 Oe的范围中的交换偏置场。

21.用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法，该方法包括：

在磁电阻结构的磁性参考层中提供非闭合通量参考磁化模式；

在磁电阻结构的磁性自由层中通过磁性偏置结构的偏置层生成交换偏置场，该交换偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量，其中所述偏置层被布置成直接邻近磁性自由层；以及

在磁性自由层中自发地生成闭合通量磁化模式。