CN107064828B - 磁性传感器设备和用于具有磁阻结构的磁性传感器设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁性传感器设备和用于具有磁阻结构的磁性传感器设备的方法。实施例涉及包括磁阻结构（501）的磁性传感器设备（500）。磁阻结构（501）包括磁性自由层（502），该磁性自由层（502）配置成自发地生成自由层（502）中的闭合通量磁化模式。磁阻结构（500）还包括具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层（506）。磁性传感器设备（500）还包括电流发生器（580），该电流发生器（580）配置成生成磁阻结构（501）的一个或多个层中的电流。所述电流具有垂直于参考磁化模式的非零定向分量。

Description

磁性传感器设备和用于具有磁阻结构的磁性传感器设备的 方法

技术领域

本公开涉及磁性传感器设备和用于包括磁阻结构的磁性传感器设备的方法。

背景技术

磁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在于电阻元件的电阻可通过穿透电阻元件的磁场的行为更改。利用磁阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，其中“x”指示在此可以应对的众多效应，举几个例子，比如巨磁阻（GMR）效应、隧道磁阻（TMR）效应或各向异性磁阻（AMR）效应。xMR效应可以应用在各种基于场的传感器中，例如用于测量分辨率、角度等。在一些应用中，尤其在与安全相关的应用中，要求这些传感器可靠且以高精度水平进行操作。

由于传感器的滞后行为可能造成出错的测量结果，因此可以使用具有以涡流配置的自由层的磁性xMR传感器概念。这样的传感器可以具有几乎为零的滞后。换言之，低滞后可能在存在自由层中的涡流磁化状态（磁场）的情况下实现并且可能在诸如车轮速度感测、电流感测或线性场感测之类的应用中尤其是令人感兴趣的。涡流磁化状态的特征在于具有磁化的局部不同的取向，该取向基本上指向在半球内的所有可能方向上。然而，涡流磁化状态可能造成具有平行磁化的自由层的区的形成，并且照此具有相对于参考磁化的反平行磁化。因此，这些区可能分别导致对经过它们的电流的低或高电阻率。这进而可能造成作为外部场强度的函数的电阻行为方面的不合期望的非对称或非线性。外部场和外部场强度通常是要测量的量。换言之，例如，取决于外部场在强度方面是增加还是减小，或者取决于场强度的起始值，外部场强度以相同量的改变可能造成以不同量的电阻漂移。可以在所谓的电阻传递函数中描述取决于外部磁场强度（或涡流位置）的电阻行为。

因而合期望的是提供一种展现更加对称且更加线性的电阻行为的传感器元件。

发明内容

根据第一方面，本公开提供一种包括磁阻结构的磁性传感器设备。磁阻结构包括磁性自由层，该磁性自由层配置成自发地生成自由层中的闭合通量磁化模式。磁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。磁性传感器设备还包括电流发生器，该电流发生器配置成生成磁阻结构的一个或多个层中的电流。电流具有垂直于参考磁化模式的非零定向分量。

磁阻结构可以例如由交替的磁性和非磁性层形成。术语“磁性”和“非磁性”在该上下文中可以被理解为“铁磁”和“非铁磁”。“非磁性”层因而可以具有顺磁、抗磁或反铁磁性质。层可以基本上延伸到具有三个成对垂直的方向x、y和z的笛卡尔坐标系的两个方向x和y上。换言之，层到第三方向z上的延伸与其到第一和第二方向x和y上的延伸相比而言可以相对小。如果方向x对应于参考磁化的方向，电流可以例如具有等于零的定向x分量以及非零y和z分量。

闭合通量磁化模式还可以被称为涡流状态。自发生成的涡流状态可以例如紧接在其产生之后而在自由层中形成，或者在不施加外部场的情况下形成。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散度的均匀、笔直、单轴或线性磁场。允许电流至少部分地垂直于参考磁化而流动可以迫使电流经过具有低电阻率的磁阻结构内的区段，并且还经过具有高电阻率的区段。换言之，电流可以可能遵循的多个路径的电阻率中的差异因而可以显著降低。因而，相比于具有平行于参考磁化行进的电流的常规传感器，任何给定路径可能不及另一个优选，从而造成较少非对称或更加线性的电阻传递函数。

在一些实施例中，电流发生器配置成生成具有平面内非零定向分量的电流，例如基本上平行于磁阻结构的一个或多个层的平面。换言之，电流发生器配置成生成具有垂直于参考磁化模式的非零定向分量的平面内电流。术语平面内可以涉及磁阻结构的层，例如自由层，该层主要在x-y平面中延伸。因此，垂直于参考磁化模式的平面内分量换言之可以对应于y分量。该结构还被称为电流在平面内（CIP）传感器结构。因此，在一些实施例中，磁阻结构可以对应于电流在平面内（CIP）结构。

在一些实施例中，电流发生器配置成生成垂直于参考磁化模式的磁阻结构（例如磁性自由层）中的电流。换言之，电流的z分量也可以为零。更加均匀的电流分布的效果因而可以增加或甚至最大化。

在一些实施例中，磁性自由层具有中心对称形状。该形状换言之可以由绕平行于z方向的中心轴旋转预定角度而产生，并且例如包括等角、等边或正多边形（三角形、正方形、六边形等）或椭圆形。因而可以可能的是促进自发的涡流形成。

在一些实施例中，电流发生器至少包括耦合到磁阻结构或其自由层的第一电极和耦合到磁阻结构或自由层的第二电极，以导致在具有垂直于参考磁化模式的分量的方向上在第一与第二电极之间的磁阻结构中的电流。这可以迫使电流遵循穿过低电阻率区和高电阻率区的路径。针对电流的可能路径的总体相应电阻率可能与彼此更少地不同，从而造成更加均匀散布的电流分布。后者进而可以造成更加对称的电阻传递函数。

在一些实施例中，第一电极和第二电极位于磁阻结构或自由层的相对侧上。因此，磁阻结构或自由层的宽度可以被更高程度地利用，这进而可以增加传感器范围。

在一些实施例中，第一电极和/或第二电极在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%。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，或者多边形的内接圆或外接圆的直径。因此，自由层在参考磁化模式的方向上的宽度可以被更高程度地利用，这可以移除由穿过涡流中心的电流路径引起的不合期望的效应。

在一些实施例中，第一电极与第二电极之间的距离在垂直于参考磁化模式的方向上是自由层的直径的至少50%。传感器范围因而可以增加，或者可以减轻传感器范围中的降低。

在一些实施例中，第一电极和/或第二电极至少包括第一电极区和分离的第二电极区。磁阻结构或自由层与第一电极区之间的接触区在空间上与磁阻结构或自由层与第二电极区之间的接触区分离。这可以提供使电流避免直接穿过涡流中心的可能性，其否则可能造成扰动效应。电阻传递函数中的非对称性因而可以被甚至进一步降低。

在一些实施例中，第一和第二电极中的至少一个具有平行于参考磁化模式延伸并且面向第一和第二电极的相对侧的边缘。这可以使得能够实现针对可能（直接）电流路径的相等长度，这可以造成更加均匀散布的电流分布或电通量。

在一些实施例中，第一和第二电极中的至少一个具有矩形形状，该矩形形状具有沿参考磁化模式的主延伸。具有矩形电极的自由层的产生可以例如不那么复杂。

在一些实施例中，磁阻结构对应于巨磁阻（GMR）结构或隧道磁阻（TMR）结构。因而各种实现可以适用于不同的传感器类型。

根据另一方面，一些实施例涉及磁阻传感器元件。磁阻传感器元件包括磁性自由层，该磁性自由层配置成自发地生成自由层中的涡流磁化模式。磁阻传感器元件还包括具有线性或笔直参考磁化模式的磁性参考层。磁阻传感器元件还包括第一电接触部分，所述第一电接触部分耦合到磁阻元件的一个或多个层并且在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%。另外，磁阻传感器元件包括第二电接触部分，所述第二电接触部分与第一电接触部分相对地耦合到一个或多个层并且在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%。第一和第二电接触部分配置成在所述一个或多个层中生成垂直于参考磁化模式的第一与第二电接触部分之间的电场。

在一些实施例中，磁性自由层具有旋转对称形状。优选地，自由层可以具有圆盘或椭圆形的形状，尽管自由层的几何形状不仅限于这些示例。因而可以促进自发的涡流形成。

根据另外的方面，一些实施例涉及用于具有磁阻结构的磁性传感器设备的方法。方法包括提供磁阻结构的磁性参考层中的非闭合通量参考磁化模式。方法还包括自发地生成磁性自由层中的闭合通量磁化模式。方法还包括生成磁阻结构的一个或多个层中的电流流动。电流流动具有垂直于参考磁化模式的非零定向分量。

在一些实施例中，生成电流包括生成具有磁阻结构或其自由层中的电荷的横向流动的电流流动。换言之，生成电流包括生成平行于磁阻结构的一个或多个层的平面的电流流动。

附图说明

将仅通过示例的方式并且参照附图在下文中描述装置和/或方法的一些实施例，在附图中

图1示出自由层中的闭合通量磁化模式和对应等效电路图的示例；

图2示出常规磁性传感器布置中的磁阻结构的电阻传递函数；

图3示出常规磁性传感器布置中的xMR传感器层的加权电阻传递函数；

图4示出针对常规磁性传感器布置中的xMR传感器的电阻和磁化函数的比较；

图5a-f示出根据各种实施例的具有磁阻结构的磁性传感器设备的侧视图；

图6a示出根据示例的自由层中的闭合通量磁化模式的等值线图；

图6b示出在施加平行于参考磁化模式的电流的情况下图5的实施例的自由层中的电流分布；

图6c示出根据实施例的在施加垂直于参考磁化模式的电流的情况下图5a或b的自由层中的电流分布；

图7示出根据实施例的针对电路布置中的磁性传感器设备的电阻和磁化函数的比较；

图8示出根据另一实施例的针对电路布置中的磁性传感器设备的电阻和磁化函数的比较；

图9a示出根据另一示例的自由层中的闭合通量磁化模式的等值线图；

图9b示出根据第一实施例的在使用电接触件来施加垂直于参考磁化模式的电流的情况下图8a的自由层中的电流分布；

图9c示出根据第二实施例的在使用电接触件来施加垂直于参考磁化模式的电流的情况下图8a的自由层中的电流分布；

图10示出根据一些实施例的具有针对电接触件的各种几何形状的自由层的选择；以及

图11示出根据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

现在将参照其中图示一些示例的附图来更加全面地描述各种示例。在各图中，为了清楚，线、层和/或区的厚度可能被放大。

相应地，虽然另外的示例能够具有各种修改和可替换形式，但是其一些特定示例被示出在各图中并且将随后被详细描述。然而，该详细描述不将另外的示例限制到所描述的特定形式。另外的示例可以覆盖落在本公开的范围内的所有修改、等同方案和可替换方案。遍及各图的描述，相同的数字是指相同或类似的元件，该元件在彼此相比时可以等同或以修改的形式来实现而同时提供相同或类似的功能。

将理解的是，在将元件称为“连接”或“耦合”到另一元件时，元件可以直接连接或耦合或者经由一个或多个居间元件连接或耦合。相比之下，在将元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在居间元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以相同的方式（例如，仅举几个例子，“在……之间”对“直接在……之间”、“相邻”对“直接相邻”）进行解释。

本文所使用的术语是出于描述特定示例的目的而不意在对另外的示例是限制性的。无论何时使用诸如“一”、“一个”和“该”之类的单数形式以及使用仅单个元件既不明确地也不隐含地限定为强制的，另外的示例还可以使用复数元件以实现相同的功能。同样地，当随后将功能描述为使用多个元件实现时，另外的示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。将进一步理解到，术语“包括”、“包括着”、“包含”和/或“包含着”，在使用时，指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件和/或组件的存在，而不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件、组件和/或其任何组的存在或添加。

除非另行限定，否则所有术语（包括技术和科学术语）在本文中以其在示例所属的领域的普通含义使用，除非本文另行明确限定。

xMR传感器元件，例如巨磁阻（GMR）元件或隧道磁阻（TMR）元件（其还被称为自旋阀或底部自旋阀BSV）可以具有交替的铁磁和非铁磁层的层堆叠。自底向上，xMR传感器元件在示例实施例中可以包括反铁磁钉扎层、铁磁钉扎层、顺磁耦合层、带有具有线性或笔直模式的参考磁化的铁磁参考层、电绝缘隧道屏障或顺磁层、以及铁磁自由层。受益于本公开的技术人员将领会到，层的以上构成仅仅是形成xMR传感器元件的许多可能性中的一个。例如，相反构成也是可能的。例如，自由层可以由铁磁和非磁性层的构成组成。由多层结构组成的自由层对于本申请可以是有益的，所述多层结构具有以下层：具有接近耦合层的传导率的层和更远离耦合的具有小传导率的层。自由层或钉扎层可以是包括自旋注入层的多层结构，该结构造成高自旋极化。

具有自由层中的闭合通量磁化模式或者换言之涡流状态的xMR传感器的电阻率可以使用电阻传递函数来描述，该函数将（归一化的）电阻表述为涡流位置的函数。涡流位置自身可以取决于要测量的外部磁场分量的强度，该分量可以平行于xMR传感器的参考磁化对准。与针对小于湮灭场的场的准线性磁化传递函数相反，特征在于磁性涡流状态的xMR传感器可以展现电阻传递函数中的非线性。湮灭场描述涡流状态在其处可以消失的外部磁场强度中的阈值。

电阻传递函数中的非线性的原因可以利用图1进行解释。该非线性是由于非均匀电流分布，该非均匀电流分布可以由以下事实引起：传感器结构中的涡流状态或传感器的自由层100引起其中自由层磁化主要平行于钉扎层磁化104指向的第一区102和其中自由层磁化主要反平行于钉扎层磁化104指向的第二区106。两个区102、106由于xMR效应而可能展现不同的电阻率；例如电阻在具有其主要反平行的磁化的第二区106中可能较高，并且在具有其主要平行的磁化的第一区102中较低。如果电流经过两个耦合点A和B之间的参考层100，或者实际上平行于钉扎层磁化104，则这可能造成低电阻率区102中的电流密度比高电阻率区106中的电流密度更高。这实际上可能在电阻方面向低电阻率区102给出更大权重，因为电流可以避免经过高电阻率区106。因而结果可以是相比于均匀电流分布的更低总电阻和更小线性电阻传递函数。特别地，垂直于钉扎层磁化104的涡流漂移可以缩窄或加宽低电阻率区102，但是仅轻微地影响跨低电阻率区102的电流路径中的电阻率自身。

根据一些常规解决方案，电流在平面内（CIP）传感器结构可以被接触，从而导致平行于或反平行于钉扎层磁化104的电流流动。然而，电接触件可以叠覆自由层100并且实际上减小其可用于涡流核移动的宽度。如果电接触件与钉扎层磁化104对准，则这可以一方面造成更高的传感器范围，因为涡流核可以在垂直于电流流动的方向上移动，并且可以因而避免与电接触件的“冲突”。然而，另一方面，它由于强烈非对称的电流分布而可以给出内部传感器线性度。

该非对称电流分布可以根据简单的等效电路图来理解，在该电路图中涡流结构的电阻由大数目的电阻器的并联电路110近似。并联电路包括高值电阻器112的集合和低值电阻器114的集合。两个集合之间的划分点116对应于涡流核位置并且由参数

来控制。对于大数目

的电阻器，总电阻变成

，

并且归一化电阻函数以使结果独立于特定材料选择得出

。

其中，Z=A+B=1是归一化因子，并且

。

在图2中描绘的结果得到的经归一化的电阻传递函数示出当使用均匀并联电路模型时非均匀电流分布的影响，其中平行于钉扎层磁化定向电流流动。相对xMR增量（XMR）指代区的电阻率与磁场的平行对准和反平行对准的相对相关性。在图2中绘制针对5%、10%、20%、50%、100%和200%的xMR增量值的电阻传递函数。沿左手侧y轴显示经归一化的电阻r。可以看到，该相对xMR增量越高，与期望的对称性的偏离就越高。在对应于涡流位置0的零场处，沿右手侧y轴显示的磁化

平均为零。然而，由于非均匀电流分布，电阻偏离最大值与最小值之间的中间值。

除了由涡流核导致的非均匀电流分布，电流分布还可以由自由层和接触件的形状确定，甚至对于均匀磁化状态而言。为了计及非均匀基础电流分布，可以调节分布参数A和B以匹配分布，该分布可以写成以下形式

，

从而导致

。

针对经加权的并联电路模型的结果得到的传递函数可以在图3中看到。如图2中那样，针对5%、10%、20%、50%、100%和200%的xMR增量值绘制电阻传递函数。沿左手侧y轴显示经归一化的电阻r，并且沿右手侧y轴显示磁化

。可以看到，针对λ的正和负漂移的电阻中的非对称性仍旧存在，尤其是对于xMR增量的大值而言。

还可以在能够计算磁性状态并且自身一致地确定针对给定相对GMR增量的结果得到的电流分布的有限元模拟中观察到偏离的电阻传递函数。现在转向图4，为了图示该效应，假定20%的非常高的相对GMR增量。图4示出针对CIP结构的磁化和电阻的比较，在该结构中电流流动平行于敏感场方向。要指出的是，粗线表示涡流状态，而细线表示非涡流状态。细线从非涡流状态开始且针对大约10 mT的场跳至涡流状态，并且与粗线（总是在涡流状态中）重叠。x轴显示以mT测量的感测方向（平行于钉扎层磁化）上的外部磁场强度。传递函数针对其相应最小值/最大值被归一化。图4的模拟结果和针对20% GMR效应的模型传递函数（比较图3）达成极其良好的一致性，这表明可以通过自由层中的电流分布以相当大的程度确定CIP GMR结构的电阻传递函数。

图5a和b示出具有不同磁阻结构501的磁性传感器设备500的示例实施例的侧视图。

在下文中，将简要地探究作为磁阻结构501的示例的GMR结构。GMR结构几乎总是操作在所谓的CIP（电流在平面内）配置中，即所施加的电流平行于片结构流动。在GMR结构中，存在在实践中得到认可的一些基本类型。在图5a和b的实施例中图示用于实际采用的一些示例GMR结构。

图5a中图示的GMR结构501示出自旋阀系统，在该自旋阀系统中非磁性层504被选择成如此厚以至于没有软磁性层502、506的耦合出现。下部磁性层506强耦合到反铁磁层508，使得它是硬磁性的（与永磁体相当）。磁性层506可以被视为参考层。上部磁性层502是软磁性的并且充当自由测量层。上部磁性层502可以由已有的小外部磁场M重新磁化，由此电阻R改变。

在下文中，现在更加详细地探究图5a中图示的自旋阀布置501。这样的自旋阀结构501包括软磁性层502（自由层），软磁性层502通过非磁性层504与第二软磁性层506分离，然而，第二软磁性层506的磁化方向通过借助于所谓的“交换偏置相互作用”与反铁磁层508的耦合来固定。自旋阀结构的原理功能可以借助于图5a中的磁化和R(H)曲线来图示。磁性层506的磁化方向在负方向上固定。如果外部磁场M从负值增加至正值，则“自由”软磁性层502在零交叉（H=0）附近切换，并且电阻R急剧上升。电阻R然后保持为高直到外部磁场M足够大以克服软磁性层506与反铁磁层508之间的交换耦合，并且还切换磁性层506。在图5a的示例中，借助于接触件581和582从顶部接触自旋阀系统501。可选地，接触件581和582可以包括通过磁阻结构501的一个或多个（例如所有）层竖直延伸的对应接触过孔591、592。过孔591、592可以提供遍及磁阻结构501的一个或多个（例如所有）层到电接触件581、582的电连接。可替换地，接触垫581和582还可以位于底部上。

图5b中图示的GMR结构501与图5a中图示的GMR结构的不同之处在于，在此下部反铁磁层508被天然反铁磁体510和顶部上的合成反铁磁体506、507、509（SAF）（其由磁性层506、铁磁层507和在两者之间的非磁性层509组成）的组合取代。以此方式，磁性参考层506的磁化方向被固定。上部软磁性层502再次充当自由测量层，可以通过外部磁场M容易地旋转自由测量层的磁化方向。使用天然和合成铁磁体的组合相比于根据图5a的构造的优点是更大的场和温度稳定性。在图5b的示例中，借助于包括对应过孔591、592的接触件581和582从底部接触自旋阀系统501，该过孔可以提供遍及磁阻结构501的一个或多个（例如所有）层到电接触件581、582的电连接。可替换地，接触件581、582还可以位于顶部上。

具有相应电接触件581、582和过孔591、592的磁阻结构的另外的示例被图示在图5c-f中。要理解的是，接触过孔591、592可以是所感兴趣的，以便穿过相当低的电导率的层，例如具有相比于其它层的相当低的电导率的反铁磁层508（参见例如图5f）。

在所图示的示例中，将磁性传感器设备501实现为CIP配置中的GMR传感器元件。在操作的同时，或者当耦合到电路时，电流沿层（在平面内）流动。然而，受益于本公开的技术人员将领会到，其它实施例还可以被实现为TMR、各向异性（AMR）、巨（CMR）、非凡（EMR）或任何其它xMR传感器元件。

磁性自由层502配置成自发地生成自由层502中的闭合通量磁化模式（在图5a，b的侧视图中不可见）。参考层506具有非闭合通量参考磁化模式。磁性传感器设备500还包括一个或多个电流生成设备580，该一个或多个电流生成设备580配置成生成磁阻结构501的一个或多个层（诸如例如磁性自由层502）中的电流。由此，电流具有垂直于参考磁化模式的非零定向分量，或者换言之，y-z平面中的非零分量。受益于本公开的技术人员将领会到电流生成设备580可以包括电流和/或电压源。

电流生成设备580可以包括一对电接触件或电极581、591和582、592或若干对接触件。可以分别向电极581、591和582、592施加电势，从而导致这些电极581、582之间的电压。电流生成设备580还可以包括配置成在自由层502的两个点之间施加电压的任何构件。其中，链接两个点的假想线可以具有非零y分量。

在一些实施例中，电流生成设备580可以配置成生成通过磁阻结构501的电流使得电流具有垂直于参考磁化模式的分量，该分量是平行于参考磁化模式的电流的至少两倍大。

在一些实施例中，电流生成设备580可以配置成生成具有平面内的非零定向分量的电流，或者换言之，x-y平面内的非零分量。在一些示例实施例中，电流生成设备580可以配置成生成磁阻结构以及因而还有垂直于参考磁化模式的磁性自由层中的电流。换言之，电流的z分量也可以为零。

在一些实施例中，电流生成设备580至少包括耦合到磁阻结构501（例如自由层502）的第一电极581和耦合到磁阻结构501（例如自由层502）的第二电极582，以导致在具有垂直于参考磁化模式的分量（或者换言之，具有非零y分量）的方向上在第一与第二电极581、582之间的磁阻结构501 502中的电流。在图5的示例中，电流生成设备580包括一个第一电极581和一个第二电极582，每个电极可以通过单个连续电接触部分形成。要指出的是，第一电极581和第二电极582二者可以被放置在磁阻结构501的顶部上或底部处，如图5a和图5b中所示。

包括磁阻结构的自旋阀传感器可以被实现为包括具有单向磁矩的一个（例如钉扎层）或多个铁磁层（例如钉扎层和参考层）的简单钉扎结构。在反平行（AP）钉扎层结构中，钉扎层和参考层的磁化可以基本上彼此平衡。因此，AP钉扎层结构的净磁化可以较少地影响自由层502的静止平行位置。一些实施例可以涉及具有与自由层502分开的仅一个铁磁层（或者换言之，省略参考层）的磁阻结构。在本文中参考磁化模式可以对应于钉扎层磁化模式。然而，本文中的磁化可能对外部场更加不稳定。

包括磁阻结构的自旋阀传感器仍旧可以被进一步分类为单个或双重。单个自旋阀传感器可以采用仅一个钉扎层并且双自旋阀传感器可以采用两个钉扎层，例如具有位于其间的自由层结构。在一些另外的实施例中，磁阻结构可以表示硬磁性，或者还有具有通过间隔物层分离、平行或反平行耦合的三个或更多个铁磁层的多层参考系统。

虽然图5中的自由层502可以具有盘形状，但是可以在不同的实施例中实现其它中心对称或旋转对称的形状。仅举几种可能性，这样的形状可以例如包括椭圆形、三角形、四边形（方形、菱形等）、正六边形或轴对称六边形，或者其它多边形。而且，甚至可以使用不具有这样的对称性的任何其它形状，例如不规则多边形或盘，该盘在一侧处被切割。

图6a、b和c分别示出自由层中的磁化和电流密度的不同等值线图。箭头分别指示所有三个图中的参考磁化的方向，该方向布置成使得传感器具有x敏感场方向。如图6a中所示，例如，自由层的上部段610具有主要平行的磁化，并且自由层的下部段620具有主要反平行于参考磁化的磁化。图6b示出自由层600具有对应于图6a的磁化的常规实现，在该实现中两个电接触件630、640用于生成平行于参考磁场或参考磁化的电流。在此可以看到，如果电流流动平行于敏感场方向，电流分布是非对称的，因为电流能够避免结构的高电阻率区。换言之，电流密度在自由层600的上部段610中比在下部段620中更高。图6c示出例如对应于图5的自由层502并且具有对应于图6a的磁化的自由层的实施例。第一电极581和第二电极582可以允许垂直于参考磁化的电流流动。对于垂直于场方向的电流流动，电流分布可以更均匀得多。

换言之，电极581和582可以被放置成使得电流流动的方向垂直于参考层的磁化，或者在一些实施例中，垂直于钉扎层的磁化，钉扎层的磁化可以限定敏感场方向。在一些实施例中，电极581和582优选地位于自由层502的相对侧上。术语“相对”在本文中可以涉及穿过自由层502的中心点（其可以对应于例如自由层502的几何中心或质心）的x方向上的轴。虽然这在一些情境下可能约束传感器范围，但是可能不再存在具有高电阻的一个电流路径集合和具有低电阻的一个电流路径集合，而是全部穿过磁阻结构501和因而穿过自由层502的类似电阻的路径，这可以造成更加均匀的电流分布和更加对称的电阻传递函数。

在一些实施例中，第一电极581的中心点与第二电极581的中心点之间的矢量可以具有垂直于参考磁化的方向上的分量，该分量大于自由层600的直径的25%。

图7示出根据实施例的针对电流垂直于场结构的经模拟的电阻传递和磁性传递函数。虽然电阻传递函数仍旧偏离磁化传递函数，但是电阻传递函数类似得多并且因而线性得多。其余非线性可能起源在涡流核的紧接附近。因而可能合期望的是具有带有最大横向尺寸的接触过孔591、592或电极581、582。在一些实施例中，第一电极581、591和/或第二电极582、592因而在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层502的直径的至少50%。

如果电极581、582和/或接触过孔591、592是窄的并且涡流核靠近电极581、582和/或过孔591、592中的一个，则总电阻可能变得失真，如可以从图8看到的。这是因为电流然后可以被迫使遍历涡流核，这可能不代表总体磁化状态。在图8中示出的针对模拟结果的底层结构对应于针对图7的结构，然而，图8中的电极581、582明显更小。换言之，图8中的电极581、582在参考磁化方向上延伸不太远。如果电极581、582更宽，则电流可以具有更多可替换的路径以避免涡流核区。

图9a、b和c图示了电流路径可以如何针对电极581、582（其可以包括接触过孔591、592）的不同宽度而改变。图9a示出具有磁化的涡流状态的自由层502。由于外部磁场的强度，涡流中心朝向自由层502的下边缘漂移超过自由层502的半径的一半，从而使涡流中心靠近于第二电极582。图9b示出根据一个实施例的布置，在该布置中电极581、582横跨自由层502的直径的多于50%，并且图9c示出根据实施例的另一布置，在该布置中电极581、582横跨自由层502的直径的仅大约10%。由于在图9c中所示的小电极581、582的情况下电流可以多得多地聚焦到自由层502的中心，因此与在图9b中所示的实施例中相比逼近的涡流核可能对电流分布的影响大得多。

可能进一步合期望的是将电极581、582和/或过孔591、592放置为尽可能地远离彼此以限制场范围中的损失（其还可以在图7中观察到，并且可以造成针对电阻的更高斜率和更少GMR范围），因为涡流核可以在电极581、582“下方”行进。因而，在一些示例实施例中，第一电极581和第二电极582之间的距离在垂直于参考磁化模式的方向上至少为自由层502的直径的50%。

现在转向图10，呈现了针对电极581和582的若干示例实施例。在一些实施例中，第一和第二电极581和582中的至少一个具有矩形形状，其中主要延伸沿参考磁化模式555。在上部图中描绘的优选实施例中，第一和第二电极581、582二者具有矩形形状，其中二者的长边583和584平行于彼此对准。电极581和582每一个提供电接触件以将自由层502（或包括自由层502的磁性传感器设备）耦合到电路。因而，第一电极581可以形成正极，并且第二电极582可以形成负电极，如在图10的中间和下部图中所示，或者反之亦然。另外，第一和第二电极581、582中的至少一个可以具有平行于参考磁化555延伸并且面向第一和第二电极581、582的相对侧的边缘583、584。

如之前实施例中所解释的，平行于参考磁化555的电极581、582的长度可以是自由层502的直径的至少50%，如在上部图中的情况那样。在中间左图中，电极581和582的相应长度甚至大于自由层502的90%。电极的长度还可以被视为其上自由层502和边缘583、584彼此接触的线。在其它实施例中，如在下部左图中所示，电极长度还可以小于50%。对于圆形盘形状的自由层502，一方面较小长度可以允许电极放置成分别更靠近自由层502的上边缘和下边缘，并且因而增加传感器范围。另一方面电极581、582的较大长度可以造成自由层502中的更加宽广散布的电流分布，并且因而降低由靠近涡流核的电流路径引起的电阻传递函数中的扰动（同样比较图7和8）。在涉及圆形自由层的另一实施例（在此未示出）中，电极可以每一个具有盘直径的1/sqrt(2)≈0.71倍的长度，并且以盘直径的1/sqrt(2)≈0.71倍与彼此分开放置在例如高达5%的生产容限内。这样的实施例可以可能地改进更加均匀的电流分布和更高的传感器范围的折衷。

在一些实施例中，第一电极581和/或第二电极582至少包括第一电极区和分离的第二电极区。如中间右图中所描绘的，第一电极581包括第一电极区585和分离的第二电极区586，并且同样地第二电极582包括第一电极区587和分离的第二电极区588。自由层502与第一电极区585、587之间的接触区在空间上与自由层502和第二电极区586、588之间的接触区分离。这可以提供使电流避免直接穿过涡流中心的可能性，其否则可能造成扰动效果。电极581、582还可以在其它实施例中被拆分成三个或四个分离的电极区。取决于涡流核的精确位置（以及因而可能地取决于自由层502的形状，该形状可以不同于圆形），这可以造成更加均匀的电流分布。图10的中间右图中的第一电极区585、587和第二电极区586、588在平行于参考磁化555的方向上具有相等长度，但是还可以不同于彼此。

电极581和/或582的几何形状还可以不同于矩形形状，如在下部右图中所示。电极581和582的形状可以甚至不同于彼此。例如，第一电极581可以是圆形，并且第二电极582可以具有菱形形状。在又一实施例中，第一和第二电极581、582可以具有面向相应其它电极581、582的凹形边缘。凹形边缘可以遵循平行于圆形自由层502的周界或边缘的圆线。换言之，圆线的中心点可以与圆形自由层502的中心点重合。这可以允许更靠近边缘定位电极581、582，这可以改进传感器范围。

换句话再次解释，一些实施例可以涉及电流在平面内设备，该设备包括涡流状态中的磁性自由层和单轴参考层磁化，该单轴参考层磁化以允许电流垂直于参考层方向流动的方式被电接触。一些实施例涉及磁阻传感器元件。磁阻传感器元件包括磁性自由层，所述磁性自由层配置成自发地生成自由层中的涡流磁化模式。磁阻传感器元件还包括具有笔直参考磁化模式的磁性参考层。磁阻传感器元件还包括安装到自由层并且在平行于参考磁化模式的方向上至少横跨自由层的直径的50%的第一电接触部分。另外，磁阻传感器元件包括与第一电接触部分相对地安装到自由层并且在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%的第二电接触部分。第一和第二电接触部分配置成生成磁性自由层中的垂直于参考磁化模式的第一与第二电接触部分之间的电场。接触设备的这种方案可以造成设备中的更加均匀的电流分布以及因而改进的线性度。

图11示出根据实施例的用于具有磁阻结构的磁性传感器设备的方法1100。方法1100包括提供1110磁阻结构的磁性参考层中的非闭合通量参考磁化模式。方法1100还包括自发地生成1120磁性自由层中的闭合通量磁化模式。方法1100还包括生成1130磁阻结构中的电流。电流具有垂直于参考磁化模式的非零定向分量。不同的可能电流路径的总体电阻率中的差异因而可以减弱。由于电流可以自然地遵循最少电阻的路径，因此给定路径可以变成不及另一个路径优选。这可以促使电流在可能的电流路径上的更加均匀分布。结果，垂直于参考磁化的方向上的涡流漂移可以造成较少非对称的电阻传递函数。更加非对称的电阻传递函数可以造成磁性传感器设备对正方向上的外部磁场改变相比于负方向上的改变的灵敏度中的差异，这可以通过采用方法1100来降低。

在一些实施例中，以所生成的电流具有垂直于参考系统的经空间平均的分量（其是平行于参考系统的经空间平均的分量的至少两倍大）的方式设计接触位置。

与之前详述的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它示例中的一个或多个组合，以便取代其它示例的相似特征或以便附加地向其它示例引入该特征。

描述和绘图仅仅说明了本公开的原理。因而将领会到，本领域技术人员将能够设想到各种布置，该布置尽管在本文中未被明确描述或示出，但是体现本公开的原理并且被包括在本公开的精神和范围内。另外，本文叙述的所有示例在原则上明确地意图仅出于教学目的以帮助读者理解本公开的原理和由（多个）发明人对增进本领域所贡献的概念，并且要被解释为没有对这样的具体叙述的示例和条件的限制。而且，本文中叙述本公开的原理、方面和示例的所有陈述以及其特定示例意图涵盖其等同物。

要理解的是，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以不被解释为处于特定次序内，除非明确或隐含地以其它方式例如出于技术原因进行陈述。因此，多个动作或功能的公开将不限制这些到特定次序，除非这样的动作或功能出于技术原因而是不可互换的。另外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可以分别包括或者可以分解成多个子动作、功能、过程、操作或步骤。这样的子动作可以被包括并且是该单个动作的公开的部分，除非明确被排除。

另外，随附权利要求在此被合并到详细描述中，其中每一个权利可以独立地作为分离的示例。虽然每一个权利要求可以独立地作为分离的示例，但是要指出的是——尽管从属权利要求可以在权利要求中涉及与一个或多个其它权利要求的特定组合——其它示例还可以包括从属权利要求与每一个其它从属或独立权利要求的主题的组合。这样的组合在本文中被明确地提出，除非陈述不意图特定组合。另外，所意图的是还包括权利要求到任何其它独立权利要求的特征，即便该权利要求未被直接从属于该独立权利要求。

Claims (16)

1.一种磁性传感器设备，包括：

磁阻结构，包括磁性自由层和具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层，所述磁性自由层配置成自发地生成自由层中的闭合通量磁化模式；以及

电流发生器，配置成生成磁阻结构的一个或多个层中的电流，所述电流具有垂直于非闭合参考磁化模式并且平行于所述一个或多个层的平面的非零定向分量。

2.权利要求1的磁性传感器设备，其中电流发生器配置成生成具有平面内非零定向分量的电流。

3.权利要求1的磁性传感器设备，其中电流发生器配置成生成垂直于参考磁化模式的电流。

4.权利要求1的磁性传感器设备，其中磁性自由层具有中心对称形状。

5.权利要求1的磁性传感器设备，其中电流发生器至少包括耦合到磁阻结构的第一电极和耦合到磁阻结构的第二电极，以导致在具有垂直于参考磁化模式的分量的方向上的第一与第二电极之间的磁阻结构中的电流。

6.权利要求5的磁性传感器设备，其中第一电极和第二电极位于自由层的相对侧上。

7.权利要求5的磁性传感器设备，其中第一电极和/或第二电极在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%。

8.权利要求5的磁性传感器设备，其中第一电极与第二电极之间的距离在垂直于参考磁化模式的方向上是自由层的直径的至少50%。

9.权利要求5的磁性传感器设备，其中第一电极和/或第二电极至少包括第一电极区和分离的第二电极区，其中自由层与第一电极区之间的接触区在空间上与自由层与第二电极区之间的接触区分离。

10.权利要求5的磁性传感器设备，其中第一和第二电极中的至少一个具有平行于参考磁化模式延伸并且面向第一和第二电极的相对侧的边缘。

11.权利要求5的磁性传感器设备，其中第一和第二电极中的至少一个具有矩形形状，所述矩形形状具有沿参考磁化模式的主延伸。

12.权利要求1的磁性传感器设备，其中磁阻结构对应于巨磁阻GMR结构或隧道磁阻TMR结构。

13.权利要求1的磁性传感器设备，其中磁阻结构对应于电流在平面内CIP结构。

14.一种磁阻传感器元件，包括：

磁性自由层和具有笔直参考磁化模式的磁性参考层，所述磁性自由层配置成自发地生成自由层中的涡流磁化模式；以及

第一电接触部分，耦合到磁阻元件的一个或多个层并且在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%；

第二电接触部分，与第一电接触部分相对地耦合到所述一个或多个层并且在平行于参考磁化模式的方向上横跨自由层的直径的至少50%，

其中第一和第二电接触部分配置成在所述一个或多个层中生成垂直于参考磁化模式并且平行于所述一个或多个层的平面的第一与第二电接触部分之间的电场。

15.权利要求14的磁阻传感器元件，其中磁性自由层具有旋转对称形状。

16.用于具有磁阻结构的磁性传感器设备的方法，所述方法包括：

提供磁阻结构的磁性参考层中的非闭合通量参考磁化模式；

自发地生成磁性自由层中的闭合通量磁化模式；以及

生成磁阻结构的一个或多个层中的电流流动，所述电流流动具有垂直于参考磁化模式并且平行于所述一个或多个层的平面的非零定向分量。

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