CN110662976A - 具有增大的操作范围的磁阻元件 - Google Patents

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Abstract

沉积在衬底上的磁阻元件包括具有相对的第一表面和第二表面并且包括第一多个层的第一堆叠部分。所述第一堆叠部分具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应。所述磁阻元件还包括具有相对的第一表面和第二表面并且包括第二多个层的第二堆叠部分。第二堆叠部分的第一表面设置在第一堆叠部分的第二表面之上，并且第二堆叠部分具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应。第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。

Description

具有增大的操作范围的磁阻元件
背景技术
本领域已知，磁场感测元件可以被用到各种各样的应用中。在一种示例性应用中，磁场感测元件可以用于检测物体(例如，齿轮或环形磁体)的运动(例如，旋转)。可以通过响应于外加磁场提供信号(即，磁场信号)的一个或多个磁场感测元件(诸如霍尔效应元件和/或磁阻元件)来检测受到物体运动影响的磁场。物理的运动可以(例如)引起物体(或者物体的目标特征)与磁场感测元件之间的空气隙的变化，这可以引起磁场感测元件被暴露的外加磁场的变化，并且引起磁场感测元件响应于外加磁场而提供的磁场信号的变化。可以对这样的磁场信号进行处理，以检测(例如)物体的位置、接近度、速度和/或运动方向。
各种参数表征磁场感测元件和使用磁场感测元件的电路或传感器的性能。就磁场感测元件而言，参数包括灵敏度，其对应于(例如)响应于外加磁场(例如，可以受到铁磁物体的运动的影响的磁场)的磁阻元件的电阻的变化或者来自霍尔效应元件的输出电压的变化。此外，就磁场感测元件而言，参数包括线性度，其对应于磁阻元件的电阻或者来自霍尔效应元件的输出电压相对于外加磁场发生线性变化(例如，成正比)的程度。
已知与(例如)霍尔效应元件相比，磁阻元件具有相对较高的灵敏度。还已知磁阻元件具有不错的线性度，但只是在受限或有限的磁场范围内，其与霍尔效应元件能够操作的范围相比存在更大的范围限制。已知，在受限的磁场范围(即，磁阻元件的所谓的“线性区域”或“线性范围”)内，磁阻元件的电阻通常指示该磁阻元件被暴露的外加磁场。还已知，在受限的磁场范围之外(即，在所谓的“饱和区域”中)，磁阻元件的电阻通常不指示外加磁场。由于前述原因，磁阻元件的操作范围(即，磁阻元件具有指示外加磁场的电阻的范围)通常局限于受限的磁场范围(即，磁阻元件的线性范围)。此外，使用磁阻元件的电路或传感器(例如，磁场传感器)的操作范围(即，使用磁阻元件的电路或传感器能够生成指示外加磁场的信号的范围)可能局限于磁阻元件的操作范围。
至少出于上述原因，常规磁阻元件以及使用常规磁阻元件的电路或传感器的基本用途典型地局限于需要在受限的磁场范围(例如，低强度磁场)内进行感测并且希望获取磁阻元件的相对较高的灵敏度特性的应用。
发明内容
本文描述了与具有增大的操作范围的磁阻元件有关的概念、系统、电路和技术。更具体而言，在一个方面中，根据本公开的磁阻元件沉积在衬底上并且至少包括第一材料堆叠部分和第二材料堆叠部分(本文简称为“堆叠部分”)。第一堆叠部分具有相对的第一表面和第二表面并且包括第一多个层。此外，第一堆叠部分具有与第一磁场强度范围内的外加磁场或所检测的磁场(例如，本地和/或外部磁场)相对应的第一基本上线性的响应。第二堆叠部分具有相对的第一表面和第二表面并且包括第二多个层。第二堆叠部分的第一表面设置在第一堆叠部分的第二表面之上，并且第二堆叠部分具有不同于第一堆叠部分的第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应。第二基本上线性的响应与第二磁场强度范围内的外加磁场相对应。在实施例中，外加磁场包括本地磁场和外部磁场，并且本地磁场(例如，可以是由被提供在沉积该磁阻元件的衬底上的磁体生成的)可以用于偏置磁阻元件并影响磁阻元件的第一和第二基本上线性的响应的至少其中之一。
如本文所用，就磁阻元件而言，术语“基本上线性的响应”用于描述磁阻元件的与线性的最大偏差处于预定线性百分比(percentage of linear)之内的响应特性。预定线性百分比可以(例如)取决于其中可以提供磁阻元件的系统或设备(例如，磁场传感器)所要求的准确度。在一个实施例中，预定线性百分比约为百分之十的线性，例如，磁阻元件在大约零奥斯特的磁场所经历的灵敏度的大约百分之十，例如，假设所述磁阻元件在大约零奥斯特的磁场处具有最大灵敏度。在实施例中，基本上线性的响应发生在具有相关联的磁场强度的磁场的范围内(即磁场强度范围内)。此外，在实施例中，磁场强度的范围具有第一和第二相对端，其中，第一端和第二端对应于基本上线性的区域所具有的平均斜率偏离了预定线性百分比(例如，在进入饱和区域之时)的点。
磁阻元件可以单独地或者按照与其他特征相结合的方式包括下述特征中的一者或多者。第一堆叠部分的第一基本上线性的响应可以使得磁阻元件在外加磁场处于第一磁场强度范围内时具有针对磁场强度变化的第一灵敏度水平。第二堆叠部分的第二基本上线性的响应使得磁阻元件在外加磁场处于第二磁场强度范围内时具有相较于第一灵敏度水平有所下降的针对磁场强度变化的第二灵敏度水平。
第一磁场强度范围可以包括负磁场。第二磁场强度范围可以包括正磁场。第一磁场强度范围可以与第二磁场强度范围的一个或多个部分重叠(即，第一磁场强度范围可以包括第二磁场强度范围同样包括的一个或多个磁场强度)。第一堆叠部分的层中的每者可以具有相应的厚度，并且第一堆叠部分的层的至少其中之一可以被选择为使得第一堆叠部分具有第一基本上线性的响应。第二堆叠部分的层中的每者可以具有相应的厚度，并且第二堆叠部分的层的至少其中之一的厚度可以被选择为使得第二堆叠部分具有第二基本上线性的响应。第一堆叠部分中的第一多个层的排序被选择为使得第一堆叠部分具有第一基本上线性的响应。此外，第二堆叠部分中的第二多个层的排序可以被选择为使得第二堆叠部分具有第二基本上线性的响应。
在实施例中，所述第一多个层和所述第二多个层可以包括相同数量的层。此外，在实施例中，所述第一多个层和所述第二多个层可以包括不同数量的层。第一堆叠部分可以包括第一钉扎层结构、设置在第一钉扎层结构之上的第一间隔体层、以及设置在第一间隔体层之上的第一自由层结构。第一间隔体层可以由具有第一厚度的第一材料构成。第一材料和第一厚度可以被选择为使得第一堆叠部分具有所述第一基本上线性的响应。第二堆叠部分可以包括第二钉扎层结构、设置在第二钉扎层结构之上的第二间隔体层、以及设置在第二间隔体层之上的第二自由层。第二间隔体层可以包括具有第二厚度的第二材料。第二材料和第二厚度可以被选择为使得第二堆叠部分具有所述第二基本上线性的响应。
第一和第二间隔体层可以由钌(Ru)构成。第二间隔体层的第二选定厚度处于大约1.6纳米(nm)到大约1.8nm、大约2.2nm到大约2.4nm、大约2.9nm到大约3.1nm或者大约3.5nm到大约3.7nm之间的范围内。第一间隔体层的第一选定厚度可以约为1.3nm。第二间隔体层的第二选定厚度可以约为1.7nm。第一和第二堆叠部分的第一和第二钉扎层结构可以包括一个相应的钉扎层。第一钉扎层结构和第二钉扎层结构每者包括相应的合成反铁磁(SAF)结构。所述磁阻元件可以是巨磁阻(GMR)元件、磁隧道结(MTJ)元件和隧道磁阻(TMR)元件之一。此外，所述磁阻元件可以被提供在磁场传感器中。
在一个方面中，一种磁场传感器包括被配置为生成针对外加磁场的第一和第二基本上线性的响应的磁阻元件。第一和第二基本上线性的响应相对于所述磁阻元件在大约零奥斯特的外加磁场强度上的预期响应具有基本上为零的偏移。在实施例中，第一和第二基本上线性的响应使得磁阻元件在(例如)经历具有大约零奥斯特的磁场强度的外加磁场时基本上没有偏移，其中磁阻元件的线性范围基本上围绕零奥斯特均匀分布。
在另一个方面中，一种磁场传感器包括用于生成针对外加磁场的第一和第二基本上线性的响应的装置。第一和第二基本上线性的响应相对于在大约零奥斯特的外加磁场强度上的预期响应具有基本上为零的偏移。
磁场传感器可以单独地或者按照与其他特征相结合的方式包括下述特征中的一者或多者。用于生成第一和第二基本上线性的响应的装置可以是磁阻元件，并且预期响应是磁阻元件的预期响应。磁阻元件可以包括具有相对的第一表面和第二表面并且包括第一多个层的第一堆叠部分。磁阻元件可以包括具有相对的第一表面和第二表面并且包括第二多个层的第二堆叠部分。第二堆叠部分的第一表面可以设置在第一堆叠部分的第二表面之上。第一堆叠部分可以具有第一基本上线性的响应，并且第二堆叠部分可以具有第二基本上线性的响应。第二基本上线性的响应可以不同于第一基本上线性的响应。第一基本上线性的响应可以对应于第一磁场强度范围内的外加磁场。第二基本上线性的响应可以对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。
上文和下文描述的根据本公开的磁阻元件和磁场传感器已经被发现具有相较于常规磁阻元件的操作范围增大的操作范围，例如，其归因于所述磁阻元件至少具有的第一和第二堆叠部分具有相应的第一和第二基本上线性的响应。如上文所指出的，第一基本上线性的响应对应于第一磁场强度范围内的外加磁场。仍然如上文所指出的，第二基本上线性的响应不同于第一基本上线性的响应并且对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。
根据本公开的磁阻元件还被发现具有增大的操作范围而不牺牲(即，降低)处于增大的操作范围内的相对较小或降低的磁场上的灵敏度。已知，在诸如汽车的高精确度应用中，例如其中可以使用一个或多个磁阻元件来检测物体(例如，环形磁体或铁磁齿轮)的运动，在这样的应用中，例如，可能需要具有足够高的信噪比(SNR)的磁场来引起磁阻元件的正确切换(例如，例如通过后算法处理进行的磁阻元件或者包括磁阻元件的传感器的输出的正确切换)，以区分物体的特征(例如，齿轮齿)(即，正确地检测目标特征)。足够高的SNR可以取决于应用的类型，例如，对于高精确度应用而言，足够高的SNR可以约为25dB。在磁阻元件和磁阻元件感测的物体之间的相对较大或相对较“远”的空气隙(例如，从传感器面到物体或目标的大于大约2.5mm的空气隙)下，例如，磁阻元件感测到的外加磁场可能相对较小，SNR可能相对较低并且灵敏度可能是很关键的(例如，用于区分物体的特征)。在相对较小或相对较“近”的空气隙(例如，从传感器面到物体或目标的小于大约1mm的空气隙)下，外加磁场一般大到足以压制噪声(即，在近空气隙上SNR相对较高)，从而使正确切换在小空气隙上比在大空气隙上更少出现问题。
在实施例中，根据本公开的磁阻元件的至少第一和第二基本上线性的响应提供了分段线性效果，其中，所述磁阻元件在外加磁场低于第一阈值或者处于第一磁场强度范围内(例如，在磁场强度和SNR相对较高的近空气隙)时至少具有针对磁场强度变化的第一灵敏度水平，并且在外加磁场高于第二阈值或者处于第二磁场强度范围内(例如，在磁场强度和SNR相对较低的远空气隙)时至少具有与第一灵敏度水平相比有所下降的针对磁场强度变化的第二灵敏度水平。上述情况可以极大地扩展磁阻元件的操作范围，尤其是在可能发生限幅(例如，在相对较高的磁场强度)的情况下。上述情况还可以提供更大的偏移漂移耐受力。已知，磁阻元件一般经受偏移，通过在磁阻元件经历零磁场时磁阻元件的电阻不代表微小(或零)磁场来表征所述偏移。还已知，所述偏移是不希望出现的。
下文将进一步讨论与根据本公开的磁阻元件相关联的附加示例性优点。
附图说明
通过下文对附图的详细描述，本公开的前述特征以及本公开本身将得到更充分的理解，其中：
图1是示出了理想的现有技术磁阻元件的示例性响应特性的曲线图；
图2是示出了示例性现有技术磁阻元件的层的方框图；
图3示出了图2的现有技术磁阻元件的示例性响应特性的曲线图；
图4是示出了另一示例性现有技术磁阻元件的层的方框图；
图5是示出了图4的现有技术磁阻元件的示例性响应特性的曲线图；
图6是示出了根据本公开的示例性磁阻元件的响应特性的曲线图；
图7是示出了根据本公开的第一示例性磁阻元件的层的方框图；
图8是示出了根据本公开的第二示例性磁阻元件的层的方框图；
图9是示出了根据本公开的第三示例性磁阻元件的层的方框图；
图10是示出了图9的磁阻元件的第一示例性响应特性的曲线图；
图11是示出了图9的磁阻元件的第二示例性响应特性的曲线图；
图12是示出了根据本公开的第四示例性磁阻元件的层的方框图；
图13是示出了根据本公开的第五示例性磁阻元件的层的方框图；
图14是示出了根据本公开的可以包括磁阻元件的示例性电阻分压器布置的方框图；
图14A是根据本公开的可以包括磁阻元件的示例性电桥布置的方框图；并且
图15是根据本公开的可以包括磁阻元件的示例性磁场传感器的方框图。
具体实施方式
现在将更加具体地描述在本文中寻求保护的原理、系统和技术的特征和其他细节。应当理解，本文描述的任何具体实施例是以举例说明的方式示出的，而不对本公开以及本文描述的原理构成限制。可以在各种实施例中采用本文描述的主题的特征，而不脱离寻求保护的原理的范围。通过参考附图，本公开的实施例以及相关联的优点可以得到最佳理解，其中，在各图示中始终将类似的附图标记用于类似的和对应的部分。当然，应当认识到附图所示的元件未必是按比例绘制的。例如，为了清楚起见，某些元件的外形尺寸可能相对于其他元件被放大。
为了方便起见，提供了在本说明书中使用的某些概念和术语。如本文所用，术语“磁场感测元件”用于描述能够感测磁场的各种各样的电子元件。一种示例性磁场感测元件是磁阻或磁阻的(MR)元件。磁阻元件一般具有相对于该磁阻元件所经历的磁场而发生变化的电阻。
已知，存在不同类型的磁阻元件，例如，半导体磁阻元件(例如，锑化铟(InSb))、巨磁阻(GMR)元件(例如，自旋阀)、各向异性磁阻元件(AMR)、隧道磁阻(TMR)元件和磁隧道结(MTJ)。如本文所用，术语“磁阻元件”可以非排他地表示任何或所有这些类型的磁阻元件。根据器件类型和其他应用要求，磁阻元件可以是由诸如硅(Si)或锗(Ge)的IV型半导体材料或者诸如砷化镓(GaAs)或铟化合物(例如，锑化铟(InSb))的III-V型半导体材料构成的器件。
磁阻元件可以是单个元件或者替代地可以包括按照各种配置(例如，半桥或全(惠斯通)桥)布置的两个或更多磁阻元件。
已知，磁阻元件(例如，GMR、TMR)倾向于具有平行于在上面形成或者以其他方式提供所述磁阻元件的衬底的最大灵敏度轴。
如本文所用，术语“磁场传感器”用于描述使用一个或多个磁场感测元件的电路，其一般与其他电路相结合。磁场传感器用于各种各样的应用中，包括但不限于感测磁场的方向角的角传感器、感测电流承载导体所承载的电流所生成的磁场的电流传感器、感测铁磁物体的接近度的磁开关、感测经过的铁磁物件(例如，环形磁体或者铁磁目标(例如，齿轮齿)的特征的磁畴，其中，磁场传感器与反向偏置磁体或其他磁体结合使用)的运动(例如，旋转)检测器、以及感测磁场的磁场密度的磁场传感器。
参考图1，曲线图100示出了表示现有技术理想磁阻(MR)元件在暴露于变化强度的磁场时所产生的示例性响应特性的曲线102(即，传递曲线)。磁场可以是(例如)由一个或多个源生成的本地磁场和/或外部磁场(即，外加磁场)。
曲线图100具有水平轴和垂直轴，水平轴具有以磁场强度单位(例如，奥斯特(Oe))衡量的刻度，垂直轴具有以电阻单位(例如，欧姆(Ω))衡量的刻度。正磁场强度单位(例如，+X)可以对应于MR元件例如响应于物体所做的第一方向的运动(例如，旋转)而在第一方向上经受的磁场。此外，负磁场强度单位(例如，-X)可以对应于MR元件例如响应于物体所做的与该物体的第一方向的运动相反的第二方向的运动而在与第一方向相反的第二方向上经受的磁场。
如所示，曲线102具有处于上饱和点102b和下饱和点102c之间的线性区域102a(即，单个线性区域)，在该线性区域中由曲线102表征的MR元件的电阻大致相对于该MR元件所经受的磁场的磁场强度的变化呈线性变化(即，与之成正比)。在对应于MR元件的操作范围(或动态范围)的线性区域102a中，MR元件的电阻大致指示磁场的磁场强度。此外，在线性区域102a中，包括MR元件的电路或传感器产生的信号也可以指示磁场的强度。对于现有技术理想MR元件而言，曲线102的线性区域102a基本上大致以曲线图100的垂直轴和水平轴的交叉点为中心，即，当MR元件经历微小(或零)磁场时，MR元件的电阻可以是所示曲线图中的饱和区域102d和102e的值之间的值，如点102f所指示的，并且MR元件不遭受偏移误差。
仍然如所示，曲线102具有第一和第二所谓的“饱和区域”102d和102e，其中，MR元件的电阻不再响应于磁场变化而变化(或者只发生非常小的变化)，并且曲线102相应地基本上变平。MR元件经历的暂时性大磁场可以(例如)使MR元件饱和，并且将MR元件置于饱和区域102d、102e之一中。
在磁场具有负磁场强度(-X)的饱和区域102d中，例如，MR元件的电阻在最小电阻值处(或者在最小电阻范围内)基本保持恒定。此外，在磁场具有正磁场强度(+X)的饱和区域102e中，MR元件的电阻在最大电阻值处(或者在最大电阻范围内)基本保持恒定。换言之，在饱和区域102d、102e中，MR元件的电阻基本上独立于磁场变化而保持恒定，并且MR元件基本上没有信号响应。由此可见，在饱和区域102d、102e中，MR元件的电阻基本上不指示磁场的磁场强度。此外，在饱和区域102d、102e中，由包括MR元件的电路或传感器产生的信号(例如，输出信号)也可以不指示磁场的磁场强度。例如，由电路或传感器产生的信号可能在线性区域102a的两侧上(即，在饱和区域102d、102e中)被限幅，或者在线性区域102a的一侧上(即，在任一饱和区域102d或102e中)被以一定的偏移限幅，并且在饱和区域102d、102e中基本上独立于磁场变化而保持恒定。
由于前述原因，当MR元件在饱和区域102d、102e中操作时，MR元件以及电路或传感器的检测准确度可能显著下降。由此可见，MR元件以及电路或传感器通常局限于在受限的磁场范围内在线性区域102a中感测磁场。至少出于上述原因，希望扩展或增大MR元件的线性区域102a(即，操作范围)，并且减少或者限制MR元件在饱和区域102d、102e中的操作。
应当理解，上文描述的线性区域102a以及饱和区域102d、102e分别表示理想线性区域和理想饱和区域，并且理想MR元件(例如，图2所示的现有技术MR元件200，将对其予以讨论)的响应可能发生变化。例如，理想(或非理想)MR元件的线性区域一般不是严格线性的。此外，实际MR元件一般还对温度变化做出响应，而且易受偏移误差的影响。
参考图2-5，示出了示例性现有技术非理想MR元件(即，实际MR元件)以及与现有技术MR元件相关联的响应曲线。应当认识到，下文描述的示例性现有技术MR元件只是现有技术MR元件的很多可能配置中的几种。此外，应当认识到，下文描述的示例性响应曲线只是现有技术MR元件的很多代表性响应曲线中的几种。
现在参见图2，表示实际(即，非理想)MR元件的第一示例性现有技术MR元件200(例如，所谓的“双重钉扎MR元件”)被沉积或以其他方式提供在衬底201(例如，硅衬底)上，并且包括多个层(这里为12个层)。多个层包括设置在衬底201之上的非磁性晶种层202、设置在非磁性晶种层202之上的材料堆叠层210(或堆叠部分)、以及设置在材料堆叠层210之上的非磁性帽盖层204。
材料堆叠层210包括设置在非磁性晶种层202之上的反铁磁钉扎层211、设置在反铁磁钉扎层211之上的铁磁钉扎层212、以及设置在铁磁钉扎层212之上的非磁性间隔体层213。材料堆叠层210还包括设置在非磁性间隔体层213之上的自由层结构214、设置在自由层214之上的非磁性间隔体层215、以及设置在非磁性间隔体层215之上的钉扎层结构216。自由层214包括第一铁磁自由层214a和设置在第一铁磁自由层214a之上的第二铁磁自由层214b。此外，钉扎层结构216包括第一铁磁钉扎层216a、第二铁磁钉扎层216c以及设置于其间的非磁性间隔体层216b。
材料堆叠层210额外包括设置在钉扎层结构216之上的反铁磁钉扎层217以及设置在钉扎层217之上的帽盖层204(例如，以保护MR元件200)。
现有技术MR元件200中的多个层中的每者包括一种或多种相应材料(例如，磁性材料)并且具有相应厚度，如所示。各层的材料以原子符号表示。此外，以纳米(nm)示出了各层的厚度。
一般而言，磁性材料可以具有各种各样的磁性特征，并且可以通过各种各样的术语加以分类，包括但不限于铁磁、反铁磁和非磁性。本文中不对各种类型的磁性材料做详细描述。然而，可以简单来说，即铁磁材料(例如，CoFe)是材料内的原子的磁矩倾向于(就平均而言)既平行又在同一方向上对齐，从而产生所述材料的非零净磁化的材料。此外，非磁性或抗磁性材料(例如，Ta、Cu或Ru)是倾向于呈现出与该材料被暴露的磁场相反并且基本成比例的极弱磁化并且不表现出净磁化的材料。此外，反铁磁材料(例如，PtMn)是材料内的原子的磁矩倾向于(就平均而言)平行但是在反方向上对齐，从而产生零净磁化的材料。
在现有技术MR元件200中的多个层中的一些层内，示出了当MR元件200经历微小的(或零)外加磁场时指示层的磁化方向的箭头。从纸面出来的箭头被标示为圆圈内的点，并且进入纸面的箭头被标示为圆圈内的叉。
本文不对各种磁化方向做详细描述。然而，简单来讲，本领域已知，一些MR元件(例如，GMR和TMR元件)凭借自旋电子学(即，电子自旋)而操作，其中，MR元件的电阻与MR元件中的某些层的磁化方向有关。
MR元件200具有对磁场的最大响应轴，所述最大响应轴平行于沉积MR元件200的衬底201的表面，如箭头199所示。此外，MR元件200具有电阻，所述电阻在有限的磁场强度范围内响应于沿MR元件200的最大响应轴的方向上的外加磁场而变化，如图3的曲线图300中所示，将对此予以讨论。
现在参考图3，曲线图300示出了表示图2的MR元件200在暴露于相对于MR元件200的最大响应轴199处于横向方向上的变化强度的磁场时产生的示例性响应特性的曲线302、304。曲线图300具有水平轴和垂直轴，水平轴具有以磁场强度单位(例如，奥斯特(Oe))衡量的刻度，垂直轴具有以电阻单位(例如，欧姆(Ω))衡量的刻度。与图1所示的曲线图100类似，曲线图300中的正磁场强度单位(例如，+X)可以对应于MR元件200例如响应于物体所做的第一方向的运动(例如，旋转)而在第一方向上经受的磁场。此外，曲线图300中的负磁场强度单位(例如，-X)可以对应于MR元件200例如响应于物体所做的与该物体的第一方向的运动相反的第二方向的运动而在与第一方向相反的第二方向上经受的磁场。
曲线302对应于MR元件200在暴露于从正磁场强度值(例如，500Oe)扫描到负磁场强度值(例如，-450Oe)的磁场时，例如由物体从第一方向的运动移动至第二方向的运动所产生的响应特性。此外，曲线304对应于MR元件200在暴露于从负磁场强度值(例如，-450Oe)扫描到正磁场强度值(例如，500Oe)时，例如由物体从第二方向的运动移动至第一方向的运动所产生的响应特性。
如所示，曲线302、304具有基本上线性的区域301a(即，单个线性区域)以及第一和第二饱和区域301b、301c。在对应于由曲线302、304表征的MR元件200的操作范围的线性区域301a中，MR元件200具有大致相对于外加磁场的磁场强度变化成比例变化的电阻，这里所述的磁场强度处于磁场强度范围303(例如，从大约-60Oe到大约40Oe)内。换言之，在线性区域301a中，MR元件200具有对应于磁场强度范围303内的外加磁场的基本上线性的响应(即，单个基本上线性的响应)。
此外，在通过基本上线性的区域301a相互隔开的饱和区域301b、301c中，MR元件200的电阻独立于外加磁场的磁场强度变化而基本上保持恒定。换言之，在饱和区域301b、301c中，MR元件200具有基本上不对磁场强度变化做出响应的电阻。具体而言，在饱和区域301b中，MR元件200的电阻基本上在最大电阻值上(或者最大电阻范围内)保持恒定。此外，在饱和区域301c中，MR元件200的电阻基本上在最小电阻值上(或者在最小电阻范围内)保持恒定。由此可见，在饱和区域301b、301c中，MR元件200的电阻基本上不指示磁场的磁场强度。由于前述原因，现有技术MR元件200通常局限于在磁场强度范围303(即，有限的磁场范围)内在线性区域301a中测量或感测磁场，其限制了信号输出。
同样如所示，与图1所示的理想MR元件的曲线102不同的是，MR元件200(即，实际MR元件)的曲线302、304不围绕大约零奥斯特的磁场对称。具体而言，曲线302、304相对于曲线图300的垂直轴和水平轴的交点发生水平偏移(即，不是基本上以所述交点为中心)，如箭头305所示。由此可见，MR元件200的线性区域301a并非围绕大约零奥斯特的磁场对称，并且因而使MR元件200做出响应的磁场强度范围(这里的范围303)也存在偏移。作为该偏移的结果，MR元件200在MR元件200的线性范围或操作范围(即，线性区域301a)中具有相对于MR元件200的预期电阻发生了偏移的电阻。此外，如果不考虑MR元件200的偏移并对其加以校正(例如，通过电路或传感器中的偏移校正电路)，那么其中提供MR元件200的电路或传感器所生成的信号(例如，输出信号)可能遭受偏移误差。
一般而言，所述偏移可能是由设计和制造约束以及形成MR元件200的层和/或材料中的缺陷引起的。作为一个示例，所述偏移可能是由MR元件200的钉扎层结构216的一个或多个部分(即，层)相对于MR元件200的自由层结构214的一个或多个部分(即，层)的错位引起的。所述偏移还可能是由温度漂移引起的，其可能引起室温下的MR元件200的响应的变化和/或磁场强度变化。温度的影响可以(例如)被表征为温度系数，可以按照每一度的温度的电阻单位来表征温度系数。
现在参考图4，第二示例性现有技术MR元件400(例如，所谓的“双重自旋阀MR元件”)被沉积或者以其他方式提供在衬底401上，并且包括多个层。所述多个层包括设置在衬底401之上的非磁性晶种层402、设置在非磁性晶种层402之上的第一材料堆叠部分410(文本中有时又称为“第一堆叠部分”)以及设置在第一材料堆叠部分410之上的反铁磁钉扎层420。MR元件400还包括设置在反铁磁钉扎层420之上的第二材料堆叠部分430(本文中有时又称为“第二堆叠部分”)以及设置第二材料堆叠部分430之上的非磁性帽盖层404。
含有与图2的现有技术MR元件200的堆叠部分210类似的层排序或布置(缺少第二反铁磁钉扎层，例如，图2所示的217)的第一堆叠部分410包括设置在非磁性晶种层402之上的反铁磁钉扎层411以及设置在反铁磁钉扎层411之上的铁磁钉扎层412。第一堆叠部分410还包括设置在铁磁钉扎层412之上的非磁性间隔体层413以及设置在非磁性间隔体层413之上的自由层结构414。自由层结构414包括第一铁磁自由层414a和设置在第一铁磁自由层414a之上的第二铁磁自由层414b。
第一堆叠部分410还包括设置在自由层结构414之上的非磁性间隔体层415以及设置在非磁性间隔体层415之上的钉扎层结构416。钉扎层结构416包括第一铁磁钉扎层416a、第二铁磁钉扎层416c以及设置于其间的非磁性间隔体层416b。
与第一堆叠部分410类似但是所包括的层具有与在第一堆叠部分410中相对于晶种层402示出的层基本上相反的顺序或布置的第二堆叠部分430包括设置在反铁磁钉扎层420之上的钉扎层结构431、设置在钉扎层结构431之上的非磁性间隔体层432、以及设置在非磁性间隔体层432之上的自由层结构433。钉扎层结构431包括第一铁磁钉扎层431a、第二铁磁钉扎层431c以及设置于其间的非磁性间隔体层431b。此外，自由层结构433包括第一铁磁自由层433a和设置在第一铁磁自由层433a之上的第二铁磁自由层433b。
第二堆叠部分430还包括设置在自由层结构433之上的非磁性间隔体层434、设置在非磁性间隔体层434之上的铁磁钉扎层435以及设置在铁磁钉扎层435之上的反铁磁钉扎层436。非磁性帽盖层204设置在反铁磁钉扎层436之上。
与图2所示的现有技术MR元件200类似，现有技术MR元件400中的层中的每者包括一种或多种相应材料(例如，磁性材料)并且具有相应厚度，如所示。各层的材料以原子符号表示。此外，以纳米示出了各层的厚度。
此外，与图2所示的现有技术MR元件200类似，在现有技术MR元件400中的多个层中的一些层内，示出了当MR元件700经历微小的(或零)外加磁场时指示层的磁化方向的箭头。从纸面出来的箭头被标示为圆圈内的点，并且进入纸面的箭头被标示为圆圈内的叉。
本文不对各种磁化方向做详细描述。然而，简单来讲，本领域已知，一些MR元件(例如，GMR和TMR元件)凭借自旋电子学(即，电子自旋)而操作，其中，MR元件的电阻与MR元件中的某些层的磁化方向有关。
MR元件400具有针对磁场的最大响应轴，所述最大响应轴平行于沉积MR元件400的衬底401的表面，如箭头399所示。此外，MR元件400具有在有限的磁场强度范围内相对于在MR元件400的最大响应轴的方向上的外加磁场大致成比例地变化的电阻，如图5的曲线图500所示，将对此予以讨论。
现在参考图5，曲线图500示出了表示图4的MR元件400在暴露于相对于MR元件400的最大响应轴399处于横向方向上的变化强度的磁场时所产生的示例性响应特性的曲线502、504。曲线图500具有水平轴和垂直轴，水平轴具有以磁场强度单位(例如，奥斯特)衡量的刻度，垂直轴具有以电阻单位(例如，欧姆(Ω))衡量的刻度。
曲线502对应于MR元件400在暴露于从正磁场强度值(例如，550Oe)扫描到负磁场强度值(例如，-450Oe)的磁场时，例如由MR元件400感测的物体从第一方向的运动移动至与第一方向的运动相反的第二方向的运动所产生的响应特性。此外，曲线504对应于MR元件400在暴露于从负磁场强度值(例如，-450Oe)扫描到正磁场强度值(例如，550Oe)时，例如由物体从第二方向的运动移动至第一方向的运动所产生的响应特性。
如所示，曲线502、504具有基本上线性的区域501a(即，单个基本上线性的区域)以及第一和第二饱和区域501b、501c。在对应于由曲线502、504表征的MR元件400的操作范围的线性区域501a中，MR元件400具有相对于外加磁场的磁场强度变化大致成比例地变化的电阻，这里所述的磁场强度处于磁场强度范围503(例如，从大约-10Oe到大约40Oe)内。换言之，MR元件400在线性区域501a中对外加磁场具有基本上线性的响应。如所示，MR元件在线性区域501中具有单一灵敏度水平(即电阻变化速率)。
在饱和区域501b、501c中，MR元件400的电阻独立于磁场强度的变化而基本上保持恒定。换言之，MR元件400具有在饱和区域501b、501c中基本上不对磁场强度变化做出响应的电阻。具体而言，在饱和区域501b中，MR元件400的电阻基本上在最大电阻值上(或者最大电阻范围内)保持恒定。此外，在饱和区域501c中，MR元件400的电阻基本上在最小电阻值上(或者在最小电阻范围内)保持恒定。由此可见，由于现有技术MR元件400的电阻在饱和区域中不指示磁场，因而MR元件400局限于在磁场强度范围503(即，有限的磁场范围)内在线性区域501a中测量或感测外加磁场。
如所示，与图3所示的MR元件200(即，非理想MR元件)的曲线302、304类似，MR元件400(即，也是实际MR元件)的曲线502、504不围绕大约零奥斯特的磁场对称。具体而言，曲线502、504相对于曲线图500的垂直轴和水平轴的交点发生水平偏移，如箭头505所示。由此可见，MR元件400的线性区域501a并非围绕大约零奥斯特的磁场对称，并且因而使MR元件400做出响应的磁场强度范围(这里的范围503)也存在偏移，尽管其发生的偏移小于MR元件200的曲线302、304的偏移。作为该偏移的结果，MR元件400在MR元件400的线性范围或操作范围(即，线性区域501a)中具有相对于MR元件400的预期电阻发生了偏移的电阻。此外，如果不考虑MR元件400的偏移并对其加以校正(例如，通过电路或传感器中的偏移校正电路)，那么其中提供MR元件400的电路或传感器所生成的信号(例如，输出信号)可能遭受偏移误差。
参考图6-13，示出了根据本公开的MR元件以及与MR元件相关联的响应曲线的示例性实施例。应当认识到，下文描述的示例性MR元件只是根据本文描述的原理、系统、电路和技术的MR元件的很多种可能配置中的几种。此外，应当认识到，下文描述的示例性响应曲线只是MR元件的很多代表性响应曲线中的几种。
现在参考图6，曲线图600示出了表示根据本公开的示例性MR元件的示例性响应特性的曲线602、604，下文将联系附图进一步描述该MR元件的结构。曲线602、604对应于MR元件(例如，图7所示的700，该MR元件的层713具有大约3.3nm的厚度，并且该MR元件的层734具有大约2.0nm的厚度)在暴露于相对于该MR元件的最大响应轴(例如，图7所示的699)处于横向方向上的变化强度的磁场时所产生的响应特性。应当理解，外加磁场(例如，本地和/或外部磁场)可以是通过各种方式生成的，例如，取决于在其中提供MR元件的电路或传感器的类型及其应用。
曲线图600具有水平轴和垂直轴，水平轴具有以磁场强度单位(例如，奥斯特(Oe))衡量的刻度，并且垂直轴具有以电阻单位(例如，欧姆(Ω))衡量的刻度。曲线图600还包括表示MR元件可以操作的各种区域或子区域的边界的线606、608、610、612、614、616。
在例示的实施例中，曲线602、604具有第一基本上线性的区域601a和第二基本上线性的区域(这里，第二基本上线性的区域包括多个基本上线性的子区域601b、601c、601d、601e)(例如，分段的或者分立的线性区域)。此外，曲线602、604具有第一饱和区域601f和第二饱和区域601g。通过曲线602、604表征的MR元件在基本上线性的区域和饱和区域中的每者中对该MR元件被暴露的磁场具有相应的(一种或多种)响应。此外，基本上线性的区域和饱和区域中的每者与特定的磁场阈值或者外加磁场的磁场强度范围相关联。
具体而言，在第一基本上线性的区域601a中，MR元件对处于第一磁场强度范围603a内的外加磁场具有第一基本上线性的响应(即，经历第一基本上线性的电阻变化)。此外，在第二基本上线性的区域(即，子区域601b、601c、601d、601e)中，MR元件对处于第二磁场强度范围(即子范围603b、603c、603d、603e)内的外加磁场具有第二基本上线性的(一种或多种)响应。此外，在第一和第二饱和区域601f、601g中，MR元件对处于第三和第四磁场强度范围603f、603g内的外加磁场基本上没有响应，即，MR元件饱和，并且MR元件的电阻不再响应于磁场变化而变化(或者只发生非常小的变化)。
在实施例中，MR元件在第二基本上线性的区域的子区域601b、601c、601d、601e中的每者中也具有相应的基本上线性的响应，其中，MR元件在子区域601b、601c、601d、601e中的每者中的基本上线性的响应构成第二基本上线性的区域的第二基本上线性的响应。具体而言，在子区域601b中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603b内的外加磁场具有第五基本上线性的响应。此外，在子区域601c中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603c内的外加磁场具有第六基本上线性的响应。此外，在子区域601d中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603d内的外加磁场具有第七基本上线性的响应。此外，在子区域601e中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603e内的外加磁场具有第八基本上线性的响应。
在实施例中，MR元件的第二基本上线性的区域中的各个子区域601b、601c、601d、601e的基本上线性的响应(例如，第五、第六、第七等)中的每者互不相同。此外，在实施例中，子区域601b、601c、601d、601e的基本上线性的响应中的两者或更多者彼此相同或类似。例如，在实施例中，MR元件的第五和第六基本上线性的响应可以彼此相同或类似，但是不同于MR元件的第七基本上线性的响应。此外，在实施例中，MR元件的第七和第八基本上线性的响应可以彼此相同或类似，但是不同于MR元件的第五和第六基本上线性的响应。
如所示，第二基本上线性的区域的子区域601b与第二基本上线性的区域的子区域601d是连续的。此外，第二基本上线性的区域的子区域601c与第二基本上线性的区域的子区域601e是连续的。然而，子区域601b、601d与子区域601c、601e不连续。由此可见，在所例示的实施例中，第二基本上线性的区域包括多个不连续的子区域。应当理解，在其他实施例中，第二基本上线性的区域可以包括多个连续的子区域(或单个子区域)。
同样如所示，通过曲线602、604表征的MR元件在基本上线性的区域和饱和区域中的每者中对外加磁场具有相关联的(一个或多个)灵敏度水平。如上文所讨论的，就MR元件而言，灵敏度对应于MR元件的电阻响应于外加磁场而发生的变化。在实施例中，MR元件对磁场的相应响应(例如，第一、第三基本上线性的响应等)使得MR元件具有所述灵敏度水平。
具体而言，在第一基本上线性的区域601a中，MR元件对处于第一磁场强度范围603a内的外加磁场的磁场强度变化具有第一灵敏度水平(即，第一电阻变化速率)。此外，在第二基本上线性的区域(即，子区域601b、601c、601d、601e)中，MR元件对处于第二磁场强度范围(即子范围603b、603c、603d、603e)内的外加磁场的磁场强度变化具有第二灵敏度水平。此外，在第一和第二饱和区域601f、601g中，MR元件对处于第三和第四磁场强度范围603f、603g内的外加磁场的磁场强度变化具有第三和第四相应灵敏度水平。
在实施例中，MR元件还在第二基本上线性的区域的子区域601b、601c、601d、601e中的每者中针对外加磁场的磁场强度变化具有相应灵敏度水平，其中，MR元件在子区域601b、601c、601d、601e中的每者中的灵敏度水平构成第二基本上线性的区域的第二灵敏度水平。具体而言，在子区域601b中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603b内的外加磁场的磁场强度变化具有第五灵敏度水平。此外，在子区域601c中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603c内的外加磁场的磁场强度变化具有第六灵敏度水平。此外，在子区域601d中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603d内的外加磁场的磁场强度变化具有第七灵敏度水平。此外，在子区域601e中，MR元件可以对处于第二磁场强度范围的子范围603e内的外加磁场的磁场强度变化具有第八灵敏度水平。
在实施例中，与第一基本上线性的区域601a相关联的第一磁场强度范围603a对应于相对较“低”强度的外加磁场(这里处于大约-20Oe和+20Oe之间)。此外，在实施例中，与第二基本上线性的区域的子区域601b、601c相关联的磁场强度子范围603b、603c分别对应于相对“中等”强度的磁场，其在磁场强度上大于与第一基本上线性的区域601a的第一磁场强度范围603a相关联的“低”强度磁场。在例示的实施例中，磁场强度子范围603b包括负磁场强度值(这里处于大约-20Oe和大约-120Oe之间)，并且磁场强度子范围603c包括正磁场强度值(这里处于大约20Oe和大约125Oe之间)。
此外，在实施例中，与第二基本上线性的区域的子区域601d、601e相关联的磁场强度子范围603d、603e分别对应于相对较“高”强度的磁场，其在磁场强度上大于与第二基本上线性的区域的子区域601b、601c的磁场强度子范围603b、603c相关联的“中等”强度的磁场。在实施例中，“高”强度的磁场未大到足以使MR元件饱和。在例示的实施例中，磁场强度子范围603d包括负磁场强度值(这里处于大约-120Oe和大约-430Oe之间)，并且磁场强度子范围603e包括正磁场强度值(这里处于大约125Oe和大约550Oe之间)。
此外，在实施例中，分别与饱和区域601f、601g相关联的第三和第四磁场强度范围603f、603g对应于在磁场强度上大于与第二基本上线性的区域的子区域601d、601e的磁场强度子范围603d、603e相关联的“高”强度的磁场。不同于与第二磁场强度范围的磁场强度子范围603d、603e相关联的磁场，与第三和第四磁场强度范围603f、603g相关联的磁场大到足以使MR元件饱和，从而使MR元件的电阻在外加磁场存在变化时基本上保持恒定。在例示的实施例中，磁场强度子范围603d包括负磁场强度值(这里处于大约-120Oe和大约-430Oe之间)，并且磁场强度子范围603e包括正磁场强度值(这里处于大约130Oe和大约550Oe之间)。
在所示的示例性实施例中，MR元件在第一基本上线性的区域601a中的第一灵敏度水平不同于(这里为大于)MR元件在第二基本上线性的区域(即子区域601b、601c、601d、601e)中的第二灵敏度水平。此外，MR元件在第二基本上线性的区域中的第二灵敏度水平不同于(这里为大于)MR元件在饱和区域601f、601g中的第三和第四灵敏度水平。
此外，在所示的示例性实施例中，MR元件在第二基本上线性的区域的子区域601b、601c中的第五和第六灵敏度水平不同于(这里为大于)MR元件在第二基本上线性的区域的子区域601d、601e中的第七和第八灵敏度水平。此外，MR元件在第二基本上线性的区域的子区域601d、601e中的第七和第八灵敏度水平不同于(这里为大于)MR元件在饱和区域601f、601g中的第三和第四灵敏度水平。
换言之，通过曲线602、604表征的MR元件对与第一基本上线性的区域601a相关联的第一磁场强度范围603a内的外加磁场的响应性比对与第二基本上线性的区域(即，子区域601b、601c、601d、601e)相关联的第二磁场强度范围(即，子范围603b、603c、603d、603e)内的外加磁场的响应性更大(即，经历更大的电阻变化并且具有更高的灵敏度)。此外，MR元件对第二磁场强度范围内的外加磁场的响应性比对与饱和区域601f、601g相关联的第三和第四磁场强度范围603f、603g内的外加磁场的响应性更大。
此外，在所示的示例性实施例中，MR元件对与第二基本上线性的区域的子区域601b、601c相关联的子范围603b、603c内的外加磁场的响应性比对与第二基本上线性的区域的子区域601d、601e相关联的子范围603d、603e内的外加磁场的响应性更大。此外，MR元件对与第二基本上线性的区域的子区域601d、601e相关联的子范围603d、603e内的外加磁场的响应性比对与饱和区域601f、601g相关联的第三和第四磁场强度范围603f、603g内的外加磁场的响应性更大。
在实施例中，MR元件在第一基本上线性的区域601a中的第一基本上线性的响应对应于MR元件的选定堆叠部分的基本上线性的响应。例如，第一基本上线性的响应可以对应于MR元件的第二堆叠部分(例如，图7所示的730)的基本上线性的响应。类似地，在实施例中，MR元件在第二基本上线性的区域(即，子区域601b、601c、601d、601e)中的第二基本上线性的响应可以对应于MR元件的第二堆叠部分(例如，图7中所示的730)的基本上线性的响应。
此外，在实施例中，MR元件在第一基本上线性的区域601a中的第一基本上线性的响应对应于MR元件的选定堆叠部分的基本上线性的响应，但是MR元件的其他堆叠部分也对第一基本上线性的响应起作用。例如，第一基本上线性的响应可以对应于MR元件的第二堆叠部分(例如，图7所示的730)的基本上线性的响应，但是MR元件的第一堆叠部分(例如，图7中所示的710)也对第一基本上线性的响应的至少部分起作用。类似地，在实施例中，MR元件在第二基本上线性的区域(即，子区域601b、601c、601d、601e)中的第二基本上线性的响应可以对应于MR元件的第一堆叠部分的基本上线性的响应，但是MR元件的第二堆叠部分仍然对第二基本上线性的响应的至少部分起作用。例如，上述情况可能归因于第二堆叠部分仍然对与第一基本上线性的区域601a相关联的第一磁场强度范围603a内的外加磁场做出响应，但是其灵敏度水平与第二堆叠部分在与第二基本上线性的区域(即子区域601b、601c、601d、601e)相关联的第二磁场强度范围(即，子范围603b、603c、603d、603e)内的灵敏度水平相比显著下降。
在所例示的实施例中，第一基本上线性的区域601a和第二基本上线性的区域(即子区域601b、601c、601d、601e)对应于通过曲线602、604表征的MR元件的操作范围。换言之，MR元件的操作范围包括多个基本上线性的区域(例如，分段或者分立的线性区域)，其中，操作范围对应于使MR元件具有指示MR元件被暴露的磁场的磁场强度的电阻的磁场范围。基本上线性的区域中的每者对外加磁场具有相应的基本上线性的响应，如上文所述。这与上文联系附图讨论的现有技术MR元件(例如，图4中所示的400)形成了对照，现有技术MR元件所具有的操作范围具有单个基本上线性的区域以及处于基本上线性的区域内的单一基本上线性的响应。上述情况的一种示例性结果是通过曲线602、604表征的MR元件的操作范围与(例如)现有技术MR元件的操作范围相比可以具有增大的操作范围，尤其是在限幅可以发生在外加磁场的大得多的磁场强度水平的情况下。
上述情况的另一个示例性结果是，通过曲线602、604表征的MR元件的操作范围包括对应于MR元件的多种基本上线性的响应的多个灵敏度水平。这样可以(例如)使MR元件在相对较“低”强度的磁场(其中，SNR相对较“低”)处具有第一灵敏度水平，并且在大于“低”强度磁场(例如，其中SNR相对较“高”)但是未达到饱和的磁场处具有不同于第一灵敏度水平的第二灵敏度水平。
在实施例中，可以通过选择由曲线602、604表征的MR元件的一个或多个特性(例如，构造和/或尺寸)而对与上文的基本上线性的区域和饱和区域中的每者相关联的灵敏度水平(例如，第一、第二、第三等)和/或磁场强度范围(例如，第一、第二、第三等)加以调整，下文将联系附图对此做进一步描述。
现在参见图7，示出了根据本公开的第一示例性磁阻(MR)元件700。MR元件700被沉积在衬底701(例如，Si衬底)上并且包括第一材料堆叠部分(本文中有时又称为“第一堆叠部分”)710和第二材料堆叠部分(本文中有时又称为“第二堆叠部分”)730。第一堆叠部分710具有第一和第二相对表面，其中，第一堆叠部分710的第一表面设置在晶种层702(例如，非磁性晶种层)之上，并且晶种层702设置在第一堆叠部分710和衬底701之间。此外，第二堆叠部分730具有第一和第二相对表面，其中，第二堆叠部分730的第一表面设置在钉扎层720(例如，反铁磁钉扎层)之上，并且钉扎层720设置在第二堆叠部分730和第一堆叠部分710之间。帽盖层704(例如，非磁性帽盖层)设置在第二堆叠部分730的第二表面之上。
第一堆叠部分710包括第一多个层(这里为9层)，第一堆叠部分710具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应，下文将对其做进一步讨论。第一多个层包括钉扎层711、钉扎层712和间隔体层713。第一堆叠部分710还包括自由层结构714、间隔体层715和钉扎层结构716。第一自由层结构714包括第一自由层714a和第二自由层714b。此外，钉扎层结构716包括第一钉扎层716a、第二钉扎层716c和间隔体层716b。
钉扎层711设置在晶种层702之上，并且钉扎层712设置在钉扎层711之上。此外，间隔体层713设置在钉扎层712之上，并且自由层结构714设置在间隔体层713之上。此外，间隔体层715设置在自由层结构714之上，并且钉扎层结构716设置在间隔体层715之上。
在实施例中，钉扎层711可以是反铁磁钉扎层，并且钉扎层712可以是铁磁钉扎层，并且间隔体层713可以是非磁性间隔体层。此外，在实施例中，自由层结构714可以是基本上未受偏置的自由层，间隔体层715可以是非磁性间隔体层，并且钉扎层结构716包括合成反铁磁(SAF)钉扎层结构或层。自由层结构714的第一自由层714a可以是铁磁自由层，并且自由层结构714的第二自由层714b可以是铁磁自由层。此外，钉扎层结构716的第一钉扎层716a可以是铁磁钉扎层，钉扎层结构716的第二钉扎层716c可以是铁磁钉扎层，并且钉扎层结构716的间隔体层716b可以是非磁性间隔体层。在实施例中，第一钉扎层716a和第二钉扎层716c的至少其中之一包括与第二自由层714b相同或类似的材料。
在所例示的实施例中，钉扎层711被示为包括PtMn或IrMn，并且钉扎层712被示为包括CoFe。此外，间隔体层713被示为包括Ru，第一自由层714a被示为包括NiFe，并且第二自由层714b被示为包括CoFe。此外，间隔体层715被示为包括Cu，第一钉扎层716a被示为包括CoFe，间隔体层716b被示为包括Ru，并且第二钉扎层716c被示为包括CoFe。然而应当理解，第一堆叠部分710中的上述层中的每者可以包括与所示出的那些不同的材料或材料成分，下文将对此做进一步描述。
在所例示的实施例中，钉扎层711还被示为具有处于大约5nm和大约15nm之间的厚度，并且钉扎层712被示为具有大约2.1nm的厚度。此外，间隔体层713被示为具有大约3.3nm的厚度，第一自由层714a被示为具有大约5nm的厚度，并且第二自由层714b被示为具有大约1nm的厚度。此外，间隔体层715被示为具有大约2.4nm的厚度，第一钉扎层716a被示为具有大约2.1nm的厚度，间隔体层716b被示为具有大约0.85nm的厚度，并且第二钉扎层716c被示为具有大约2.0nm的厚度。然而应当理解，上述层中的每者可以包括与所示出的那些不同的层厚度，下文将对此做进一步描述。
具有不同于第一堆叠部分710的第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应(如下文所进一步讨论的)的第二堆叠部分730包括第二多个层(这里为9层)，即，在所例示实施例中具有与第一堆叠部分710中的第一多个层相同数量的层。第二多个层包括钉扎层结构731、间隔体层732和自由层结构733。第二多个层还包括间隔体层734和钉扎层735。钉扎层结构731包括第一钉扎层731a、第二钉扎层731c和间隔体层731b。此外，自由层结构733包括第一自由层733a和第二自由层733b。
钉扎层结构731沉积在钉扎层720之上，并且间隔体层732设置在钉扎层结构731之上。此外，自由层结构733设置在间隔体层732之上，并且间隔体层734设置在自由层结构733之上。此外，钉扎层735设置在间隔体层734之上，并且钉扎层736设置在钉扎层735之上。
在实施例中，钉扎层结构731可以包括SAF钉扎层结构或层，并且间隔体层732可以是非磁性间隔体层。此外，在实施例中，钉扎层结构731的第一钉扎层731a可以是铁磁钉扎层，钉扎层结构731的第二钉扎层731c可以是铁磁钉扎层，并且钉扎层结构731的间隔体层731b可以是非磁性间隔体层。此外，在实施例中，自由层结构733的第一自由层733a可以是铁磁自由层，并且自由层结构733的第二自由层733b可以是铁磁自由层。在实施例中，间隔体层734可以是非磁性间隔体层，钉扎层735可以是铁磁钉扎层，并且钉扎层736可以是反铁磁钉扎层。
在所例示的实施例中，第一钉扎层731a被示为包括CoFe，间隔体层731b被示为包括Ru，并且第二钉扎层731c被示为包括CoFe。此外，间隔体层732被示为包括Cu，第一自由层733a被示为包括CoFe，并且第二自由层733b被示为包括NiFe。此外，间隔体层734被示为包括Ru，钉扎层735被示为包括CoFe，并且钉扎层736被示为包括PtMn或IrMn。然而，与MR元件700的第一堆叠部分710中的层类似的是，应当理解，MR元件700的第二堆叠部分730中的上述层中的每者可以包括与所示出的那些不同的材料或材料成分，下文将对此做进一步描述。
在所例示的实施例中，第一钉扎层731a被示为具有大约2.0nm的厚度，间隔体层731b被示为具有大约0.85nm的厚度，并且第二钉扎层731c被示为具有大约2.1nm的厚度。此外，间隔体层732被示为具有大约2.4nm的厚度，第一自由层733a被示为具有大约1nm的厚度，并且第二自由层733b被示为具有大约5nm的厚度。此外，间隔体层734具有处于四个示例性范围之一内的厚度T1，例如，四个示例性范围是大约1.6nm到大约1.8nm、大约2.2nm到大约2.4nm、大约2.9nm到大约3.1nm或者大约3.5nm到大约3.7nm。作为一个示例，间隔体层734可以具有大约2.0nm的厚度T1。此外，钉扎层735被示为具有大约2.1nm的厚度，并且钉扎层736被示为具有处于大约5nm和大约15nm之间的厚度。然而，与MR元件700的第一堆叠部分710中的层类似的是，应当理解MR元件700的第二堆叠部分730中的上述层中的每者可以具有与所示出的那些不同的层厚度，下文将对此做进一步描述。
在MR元件700中的多个层中的一些层内，示出了当MR元件700经历微小的(或零)外加磁场时指示层的磁化方向的箭头。从纸面出来的箭头被标示为圆圈内的点，并且进入纸面的箭头被标示为圆圈内的叉。
本文不对各种磁化方向做详细描述。然而，简单来讲，本领域已知，一些MR元件(例如，GMR和TMR元件)凭借自旋电子学(即，电子自旋)而操作，其中，MR元件的电阻与MR元件中的某些层的磁化方向有关。
MR元件700具有对磁场的最大响应轴，最大响应轴平行于沉积MR元件700的衬底701的表面，如箭头699所示。
如上文所指出的，MR元件700的第一堆叠部分710具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应。此外，如上文所指出的，第二堆叠部分730具有不同于第一堆叠部分710的第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应。第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。
在实施例中，第一堆叠部分710的第一基本上线性的响应使得MR元件700响应于外加磁场在第一磁场强度范围内而具有针对磁场强度变化的第一灵敏度水平(即，第一电阻变化速率)。此外，在实施例中，第二堆叠部分730的第二基本上线性的响应使得MR元件700响应于外加磁场在第二磁场强度范围内而具有针对磁场强度变化的第二灵敏度水平(即，第二电阻变化速率)。在实施例中，第一磁场强度范围与第二磁场强度范围的一个或多个部分重叠，即，第一磁场强度范围包括第二磁场强度范围同样包括的一个或多个磁场强度。此外，在实施例中，第一和第二磁场强度范围的至少其中之一包括一个或多个子范围(例如，图6所示的603b、603c、603d、603e)，并且与第一和第二磁场强度范围相关联的第一和/或第二基本上线性的响应包括对应的子区域(例如，图6中所示的601b、601c、601d、601e)。
第一和第二堆叠部分710、730每者具有被选择为使得第一和第二堆叠部分710、730分别具有第一和第二基本上线性的响应的至少一个特性(例如，构造和/或尺寸)。
例如，与第一和第二堆叠部分710、730的构造相关联的一个或多个参数可以包括被选择为使得第一和第二堆叠部分710、730具有第一和第二基本上线性的响应的至少一个特性。例示性的构造参数包括第一和第二堆叠部分710、730的层(例如，反铁磁层、钉扎层和/或非磁性层)中的一者或多者的材料、层厚度以及排序。构造参数还可以包括第一和第二堆叠部分710、730中的层的数量。
在所例示的实施例中，第一和第二堆叠部分710、730中的层中的每者被示为包括一种或多种材料。在实施例中，第一堆叠部分710中的层的一者或多者的材料被选择为使得第一堆叠部分具有第一基本上线性的响应。此外，在实施例中，第二堆叠部分730中的层中的一者或多者的材料被选择为使得第二堆叠部分具有第二基本上线性的响应。例如，第一堆叠部分710中的间隔体层713的材料(这里为钌(Ru))和/或第一堆叠部分710中的间隔体层715的材料(这里为铜(Cu))可以被选择为使得第一堆叠部分710具有第一基本上线性的响应。此外，第二堆叠部分730中的间隔体层732的材料(这里为Cu)和/或第一堆叠部分730中的间隔体层734的材料(这里为Ru)可以被选择为使得第二堆叠部分730具有第二基本上线性的响应。包括Ru的间隔体层(例如)可以提供在周围层之间的反铁磁耦合或者铁磁耦合，其可以提供第一和/或第二基本上线性的响应，下文将对此做进一步讨论。
应当理解，可以对除了第一堆叠部分710中的间隔体层713、715以及第二堆叠部分730中的间隔体层732、734之外的层的材料加以选择，从而使得第一和第二堆叠部分710、730具有第一和第二基本上线性的响应。
在所例示的实施例中，第一和第二堆叠部分710中的层中的每者被示为具有相应的厚度。在实施例中，第一堆叠部分710中的层的至少其中之一的厚度被选择为使得第一堆叠部分具有第一基本上线性的响应。此外，在实施例中，第二堆叠部分730中的层的至少其中之一的厚度被选择为使得第二堆叠部分具有第二基本上线性的响应。例如，第一堆叠部分710中的间隔体层713可以具有第一选定厚度(这里为大约3.3nm)，从而使得第一堆叠部分710具有第一基本上线性的响应。此外，第二堆叠部分730中的间隔体层734可以具有不同于第一选定厚度的第二选定厚度，从而使得第二堆叠部分730具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应。在所示的示例性实施例中，间隔体层734具有被选择为处于四个示例性范围之一内的厚度，例如，四个示例性范围是大约1.6纳米(nm)到大约1.8nm、大约2.2nm到大约2.4nm、大约2.9nm到大约3.1nm或者大约3.5nm到大约3.7nm。
在实施例中，示例性范围的确定方式是通过在间隔体层734的不同厚度(例如，Ru厚度)上测量与MR元件相关联的传递曲线，并选择取得特定的基本上线性的响应(例如，第一和/或第二基本上线性的响应)的间隔体层734的(一个或多个)厚度T1。具有处于各范围中的第一范围(例如，大约1.6nm到大约1.8nm)内的厚度T1的间隔体层734可以(例如)具有与具有处于各范围中的第二范围(例如，大约2.2nm到大约2.4nm)中的厚度T1的间隔体层734不同的相对于MR元件700的最大响应轴699成大约90度的峰值位置和/或与其不同的相对于最大响应轴699成大约0度的斜率。
应当理解，可以对除了第一堆叠部分710中的间隔体层713以及第二堆叠部分730中的间隔体层734之外的层的厚度加以选择，从而使得第一和第二堆叠部分710、730具有第一和第二基本上线性的响应。应当理解，第一和第二堆叠部分710、730中的某些层的厚度可以被选择为在第一和第二堆叠部分710、730中的相邻层之间提供预期量和/或预期类型的磁耦合。例如，第一堆叠部分710中的间隔体层713的厚度可以被选择为在第一堆叠部分710中的钉扎层712和自由层结构714之间提供预期量的磁耦合。此外，间隔体层713的厚度可以被选择为在钉扎层712和自由层结构714之间提供预期类型的磁耦合，即，铁磁耦合或反铁磁耦合或者介于铁磁耦合和反铁磁耦合之间。
这里，耦合被示为铁磁耦合，但是通过选择间隔体层713的厚度，耦合可以是反铁磁耦合或者可以介于铁磁耦合和反铁磁耦合之间。换言之，在没有外加磁场的情况下，有可能使自由层结构714中的自由层714a、714b的磁化方向旋转为如所示(从页面出来)或者进入页面，具体取决于间隔体层713的选定厚度。此外，通过选择间隔体层732、734的厚度，与间隔体层732、734相邻的层之间的耦合可以是反铁磁耦合或者介于铁磁耦合和反铁磁耦合之间。
作为另一示例，第一堆叠部分710中的间隔体层716b可以具有被选择为在周围层(例如，层716a、716c)之间提供具有第一耦合强度的第一磁耦合的第一厚度(例如，0.85nm)，并且间隔体层713可以具有被选择为在周围层(例如，层712、714)之间提供具有第二耦合强度的第二磁耦合的第二厚度(例如，3.3nm)，第二耦合强度不同于(例如，小于)第一耦合强度。Ru可以(例如)非常适于间隔体层716b和间隔体层713，因为其允许根据Ru厚度在周围层之间发生反铁磁耦合或铁磁耦合。换言之，第一和第二堆叠部分710、730中的层的材料和厚度可以被选择为实现周围层之间的特定磁耦合(或耦合强度)。
在实施例中，第一和第二基本上线性的响应至少部分地基于发生在第一和第二堆叠部分710、730中的磁耦合。在实施例中，磁耦合是确定第一和第二基本上线性的响应的主要(或者一个主要)因素。此外，在实施例中，用于制造MR元件700的退火工艺可能影响磁耦合，尤其是耦合发生的角度。
在所例示的实施例中，第一堆叠部分710中的第一多个层和第二堆叠部分730中的第二多个层被另外示为以特定排序布置。在实施例中，第一堆叠部分710中的第一多个层的排序对应于被选择为使得第一堆叠部分710具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。此外，在实施例中，第二堆叠部分730中的第二多个层的排序对应于被选择为使得第二堆叠部分730具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。例如，由于第一堆叠部分710的钉扎层结构716中的第一和第二钉扎层716a、716c之间的间隔体层716b的存在，第一钉扎层716a倾向于与第二钉扎层716c发生反铁磁耦合。结果，第一钉扎层716a具有的磁化方向指向与第二钉扎层716b的磁场所指向的磁化方向不同的方向。换言之，间隔体层716b以及第一和第二钉扎层716a、716c的排序可能影响发生在第一和第二钉扎层716a、716c之间的耦合的类型(例如，反铁磁或铁磁)，并且耦合可能使得第一堆叠部分710具有第一基本上线性的响应。
一般而言，一旦发现MR元件700的铁磁层和非铁磁层的布置和取向能够影响MR元件700对外加磁场做出响应的方式。此外，MR元件700的铁磁层和非铁磁层的不同取向能够产生不同类型的MR元件。在一个实施例中，MR元件700是巨磁阻(GMR)元件、磁隧道结(MTJ)元件和隧道磁阻(TMR)元件之一。
在所例示的实施例中，第一堆叠部分710中的第一多个层和第二堆叠部分730中的第二多个层被另外示为包括特定数量的层(这里为九层)。在实施例中，在第一多个层中提供的层的数量对应于被选择为使得第一堆叠部分具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。此外，在实施例中，在第二多个层中提供的层的数量对应于被选择为使得第二堆叠部分具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。
在一些实施例中，第一多个层包括与第二多个层相同数量的层，例如，如图7所示。在其他实施例中，第一多个层包括与第二多个层不同数量的层。例如，下文将联系图12示出并描述根据本公开的示例性MR元件，该MR元件包括具有相应的第一多个层和第二多个层的第一堆叠部分和第二堆叠部分，其中第一多个层和第二多个层具有不同数量的层。
通常，发现第一和第二堆叠部分710、730中的层的材料、层厚度、排序和数量能够影响MR元件700的第一和第二堆叠部分710、730对外加磁场做出响应的方式。
例如，在一个实施例中，第一堆叠部分710中的间隔体层713的材料被选择为影响MR元件700对外加磁场做出响应的方式，并且提供了(例如)图6所示的第二基本上线性的区域的各个子区域601b、601c、601d、601e。在所例示的实施例中，例如，Ru被选择为间隔体层713的材料，因为借助于Ru有可能在自由层714和第一堆叠部分710的偏置部分(例如，层711和/或层712)之间建立相对良好的耦合。在选择除了Ru之外的其他材料用于间隔体层713的情况下，可能减弱(或者丧失)耦合，例如，其可能导致比图6所示的更窄的第一基本上线性的区域601a。在实施例中，间隔体层713中的Ru的厚度也可能影响MR元件700对外加磁场做出响应的方式。例如，在一些实施例中，通过间隔体层713中的Ru发生的耦合在铁磁(F)和反铁磁(AF)之间振荡，而且对于某一Ru厚度而言，耦合接近零。耦合的类型(AF与F)可能不确定线性区域(例如，线性区域601a)的线性范围，但是耦合的幅度可以确定(或者至少影响)线性范围。作为一个示例，如果第一堆叠部分710中的间隔体层713中的Ru的厚度提供了与通过第二堆叠部分730中的间隔体层734获得的耦合强度类似的耦合强度，那么第一和第二堆叠部分710、730可以按照相同或类似的方式起作用，并且可能无法提供预期的分段响应。然而，如果间隔体层713、734之一所具有的厚度(和/或材料)提供了低于间隔体层713、734中的另一个的耦合幅度，那么可以出现分段响应。在一个实施例中，例如，耦合幅度越低，则线性区域601a的磁场强度范围603a就越窄。在基本上没有耦合的实施例中，在线性区域601a中存在陡峭的转变(即，陡峭的斜率或增大的灵敏度)。
尽管MR元件700被示为具有由特定材料形成的特定层，但是应当理解MR元件700仅例示了根据本公开的MR元件的一种示例性配置。例如，可以在MR元件700中提供其他层和材料。此外，在一些实施例中，MR元件700的上述层中的一者或多者可以包括多个层(或子层)。此外，在一些实施例中，一个或多个层(未示出)可以被插置在MR元件700的层之间。
在实施例中，MR元件700被提供在磁场传感器(例如，图15所示的1500，下文将对其予以讨论)或者另一感测电路中。如上文所讨论的，磁场传感器用于描述使用磁场感测元件的电路，其通常与其他电路相结合。在实施例中，MR元件700和磁场传感器的其他电路可以被集成在公共衬底(这里为衬底701)上。
下文将描述根据本公开的MR元件的附加的方面。
现在参考图8，其中，将与图7中类似的元件提供为具有类似的附图标记，根据本公开的第二示例性MR元件800包括第一堆叠部分810和第二堆叠部分830。第一堆叠部分810具有第一和第二相对表面，其中，第一堆叠部分810的第一表面设置在晶种层702之上，并且晶种层702设置在第一堆叠部分810和在上面沉积MR元件800的衬底701之间。此外，第二堆叠部分830具有第一和第二相对表面，其中，第二堆叠部分830的第一表面设置在钉扎层720之上，并且钉扎层720设置在第一堆叠部分810和第二堆叠部分830之间。帽盖层704设置在第二堆叠部分830的第二表面之上。
第一堆叠部分810包括第一多个层(这里为9层)。第一多个层包括钉扎层711、钉扎层712和间隔体层813。第一堆叠部分810还包括自由层结构714、间隔体层715和钉扎层结构716。第一自由层结构714包括第一自由层714a和第二自由层714b。此外，钉扎层结构716包括第一钉扎层716a、第二钉扎层716c和间隔体层716b。
钉扎层711设置在晶种层702之上，并且钉扎层712设置在钉扎层711之上。此外，间隔体层813设置在钉扎层712之上，并且自由层结构714设置在间隔体层813之上。此外，间隔体层715设置在自由层结构714之上，并且钉扎层结构716设置在间隔体层715之上。间隔体层813可以是非磁性间隔体层，其可以与图7所示的MR元件700的间隔体层713类似，但是具有不同于间隔体层713的厚度的厚度。
第二堆叠部分830包括第二多个层(这里为9层)，即，在所例示的实施例中包括与第一堆叠部分810的第一多个层相同数量的层。第二多个层包括钉扎层结构731、间隔体层732和自由层结构733。第二多个层还包括间隔体层834和钉扎层735。钉扎层结构731包括第一钉扎层731a、第二钉扎层731c和间隔体层731b。此外，自由层结构733包括第一自由层733a和第二自由层733b。
钉扎层结构731设置在钉扎层720之上，并且间隔体层732设置在钉扎层结构731之上。此外，自由层结构733设置在间隔体层732之上，并且间隔体层834设置在自由层结构733之上。此外，钉扎层735设置在间隔体层834之上，并且钉扎层736设置在钉扎层735之上。间隔体层834可以是包括一种或多种非磁性材料(例如，Ru)的非磁性间隔体层，其可以与图7所示的MR元件700的间隔体层734类似，但是具有不同于间隔体层734的厚度的厚度。
与图7的MR元件700中的第一堆叠部分710类似，MR元件800中的第一堆叠部分810具有对应于磁场强度的第一范围(即，第一磁场强度范围)内的外加磁场的第一基本上线性的响应。此外，与图7的MR元件700中的第二堆叠部分730类似，MR元件800中的第二堆叠部分830具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应，第二基本上线性的响应对应于磁场强度的第二范围(即，第二磁场强度范围)内的外加磁场。在实施例中，第一磁场强度范围与第二磁场强度范围的一个或多个部分重叠。MR元件800具有针对外加磁场的最大响应轴，该最大响应轴平行于沉积MR元件800的衬底表面(例如，衬底801的第一表面)，如箭头799所示。
第一堆叠部分810具有被选择为使得第一堆叠部分810具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。此外，第二堆叠部分830具有被选择为使得第二堆叠部分830具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。至少一个特性可以包括：第一和第二堆叠部分810、830中的层中的一者或多者的材料、层厚度以及排序。此外，至少一个特性还可以包括第一和第二堆叠部分810、830中的层的数量。
在所例示的实施例中，第一堆叠部分810中的间隔体层813的厚度可以(例如)对应于被选择为使得第一堆叠部分810具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。例如，间隔体层813可以具有被选择为使得第一堆叠部分810具有第一预定偏置(例如，“强”偏置)的厚度(这里为大约1.3nm)，该预定偏置又可以使第一堆叠部分810具有第一基本上线性的响应。
此外，在所例示的实施例中，第二堆叠部分830中的间隔体层834的厚度T2可以对应于被选择为使得第二堆叠部分830具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。例如，间隔体层834可以具有被选择为使得第二堆叠部分830具有第二预定偏置(例如，“非常弱的”偏置)的厚度(例如，大约1.7nm)，该预定偏置又可以使得第二堆叠部分830具有第二基本上线性的响应。
在实施例中，例如，由于被选择为使得MR元件800的第一堆叠部分810具有第一基本上线性的响应的至少一个特性，第一堆叠部分810具有的第一基本上线性的响应不同于MR元件700的第一堆叠部分710的第一基本上线性的响应。例如，在所例示的实施例中，第一堆叠部分810的具有与第一堆叠部分710的间隔体层713不同的厚度的间隔体层813可以使得MR元件800的第一堆叠部分810具有不同于MR元件700的第一堆叠部分710的第一基本上线性的响应的第一基本上线性的响应。
此外，所具有的第一基本上线性的响应不同于MR元件700的第一堆叠部分710的第一基本上线性的响应的第一堆叠部分810可以(例如)使得第一堆叠部分810具有针对在第一磁场强度范围内的磁场强度变化的第一灵敏度水平(即，电阻变化率)，该第一灵敏度水平不同于第一堆叠部分710在与第一磁场强度范围类似的磁场强度范围内的第一灵敏度水平。在实施例中，第一堆叠部分810可以具有与第一堆叠部分710的第一灵敏度水平基本上相同的第一灵敏度水平，只是(例如)发生在不同的磁场强度范围内。如上文所讨论的，在实施例中，第一磁场强度范围可以基于被选择为使得第一堆叠部分(例如，810)具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。
此外，在实施例中，由于被选择为使得MR元件800的第二堆叠部分830具有第二基本上线性的响应的至少一个特性，第二堆叠部分830具有的第二基本上线性的响应不同于MR元件700的第二堆叠部分730的第二基本上线性的响应。例如，在所例示的实施例中，MR元件800的第二堆叠部分830的具有不同于MR元件700的第二堆叠部分730的间隔体层734的厚度T1的厚度T2的间隔体层834可以使得MR元件800的第二堆叠部分830具有的第二基本上线性的响应不同于MR元件700的第二堆叠部分730的第二基本上线性的响应。
在一个实施例中，MR元件700的第一堆叠部分710具有第一耦合强度，并且MR元件800的第一堆叠部分810具有不同于(大于)第一耦合强度的第二耦合强度。上述情况可以归因于MR元件800的第一堆叠部分810具有的一个或多个特性不同于MR元件700的第一堆叠部分710的一个或多个特性。例如，如所示，第一堆叠部分810的间隔体层813具有不同于第一堆叠部分710的间隔体层713的厚度。在实施例中，这样可以使得MR元件800的第一堆叠部分810的第二耦合强度大于MR元件700的第一堆叠部分710的第一耦合强度。第一堆叠部分810的较大耦合强度可以(例如)使得MR元件800具有不同于MR元件700的类似的多个基本上线性的区域或子区域的多个基本上线性的子区域。例如，就图6所示的曲线602、604而言，MR元件800可以具有第二和第三基本上线性的区域(例如，601b、601c)，其具有的磁场强度子范围(例如，603b、603d)不同于(例如，大于)与MR元件700的第二和第三基本上线性的区域相关联的磁场强度子范围。此外，MR元件800可以具有第四和第五基本上线性的区域(例如，601d、601e)，其具有的磁场强度子范围(例如，603d、603e)不同于(例如，大于)与MR元件700的第四和第五基本上线性的区域相关联的磁场强度子范围。此外，MR元件800可以在第一磁场强度子范围(例如，603a)内具有第一灵敏度水平，其不同于(例如，大于)MR元件700在对应的第一磁场强度子范围内的第一灵敏度水平。
在一个实施例中，MR元件800的第一堆叠部分810的第二耦合强度对应于大约200Oe的耦合强度，其可以表示非常强的耦合强度。MR元件800的第一堆叠部分810的第二耦合强度如此之强的一个示例性结果是MR元件800的第二堆叠部分830中的间隔体层834的很多厚度(尤其是一些实施例中的超过大约2.3nm的厚度)可以提供具有充分分段的线性响应的MR元件800。当间隔体层834具有大约2.4nm、3.1nm、3.6nm和4.3nm的厚度时，MR元件800可以(例如)在第一磁场强度子范围(例如，603a)内具有相对较窄的第一基本上线性的区域(例如，601a)和相对较高的第一灵敏度水平。
所具有的第二基本上线性的响应不同于MR元件700的第一堆叠部分730的第二基本上线性的响应的第二堆叠部分830还可以使得第二堆叠部分830具有针对第二磁场强度范围内的磁场强度变化的第二灵敏度水平(即，电阻变化率)，该第二灵敏度水平不同于第二堆叠部分730在与第一磁场强度范围类似的磁场强度范围内的第二灵敏度水平。在实施例中，第二堆叠部分830可以具有与第二堆叠部分730的第二灵敏度水平基本上相同的第二灵敏度水平，只是(例如)发生在不同的磁场强度范围内。如上文所讨论的，第二磁场强度范围可以基于被选择为使得第二堆叠部分(例如，830)具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。
在实施例中，MR元件800被提供在磁场传感器(例如，图15所示的1500，如将讨论的)中，并且MR元件800被配置为生成上文讨论的第一和第二基本上线性的响应。此外，在实施例中，第一和第二基本上线性的响应相对于MR元件800在大约零奥斯特的外加磁场强度处的预期响应具有基本上为零的偏移(即，MR元件800受到退火，以取得基本为零的偏移)。上述情况可以(例如)使得MR元件800在(例如)经历具有大约零奥斯特的磁场强度的外加磁场时基本上没有偏移。此外，上述情况可以使得MR元件800的线性范围围绕零奥斯特基本上均匀地分布，下文将对此做进一步讨论。
参考图9，其中图7中的类似元件被示为具有类似的附图标记，第三示例性MR元件900包括第一堆叠部分910和第二堆叠部分930。第一堆叠部分910具有第一和第二相对表面，其中，第一堆叠部分910的第一表面设置在晶种层702之上，并且晶种层702设置在第一堆叠部分910和在上面沉积MR元件900的衬底701之间。此外，第二堆叠部分930具有第一和第二相对表面，其中，第二堆叠部分930的第一表面设置在钉扎层720之上，并且钉扎层720设置在第一堆叠部分910和第二堆叠部分930之间。帽盖层704设置在第二堆叠部分930的第二表面之上。
第一堆叠部分910包括第一多个层(这里为6层)，即，比图7所示的MR元件700的第一堆叠部分710以及图8所示的MR元件800的第一堆叠部分810少的层。第一多个层包括自由层结构714、间隔体层715和钉扎层结构716。自由层结构714包括第一自由层714a和第二自由层714b。此外，钉扎层结构716包括第一钉扎层716a、第二钉扎层716c和间隔体层716b。
自由层结构714设置在晶种层702之上，并且间隔体层715设置在自由层结构层714之上。此外，钉扎层结构716设置在间隔体层715之上。
第二堆叠部分930包括第二多个层(这里为6层)，即，与所例示的实施例中的第一堆叠部分910的第一多个层相同数量的层。第二多个层包括钉扎层结构731、间隔体层732和自由层结构733。钉扎层结构731包括第一钉扎层731a、第二钉扎层731c和间隔体层731b。此外，自由层结构733包括第一自由层部分733a和第二自由层部分733b。
钉扎层结构731设置在钉扎层720之上，并且间隔体层732设置在钉扎层结构731之上。此外，自由层结构733设置在间隔体层732之上。
与图8的MR元件800中的第一堆叠部分810类似，MR元件900中的第一堆叠部分910具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应。此外，与图8的MR元件800中的第二堆叠部分830类似，MR元件900中的第二堆叠部分1130具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应，第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。MR元件900具有针对磁场(即，外加磁场)的最大响应轴，该最大响应轴平行于沉积MR元件900的衬底表面(例如，衬底701的第一表面)，如箭头899所示。
第一堆叠部分910具有被选择为使得第一堆叠部分910具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。此外，MR元件900中的第二堆叠部分930具有被选择为使得第二堆叠部分930具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。如在上述附图中所讨论的，至少一个特性可以包括：第一和第二堆叠部分910、930中的层中的一者或多者的材料、层厚度以及排序。此外，至少一个特性还可以包括第一和第二堆叠部分910、930中的层的数量。
在所例示的实施例中，第一堆叠部分910中的自由层结构714的第一和第二自由层714a、714b的材料和/或层厚度可以(例如)对应于被选择为使得第一堆叠部分910具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。例如，第一和第二自由层714a、714b可以具有被选择为使得自由层结构714成为基本不受偏置的自由层(其又可以使得第一堆叠部分910具有第一基本上线性的响应)的材料和/或层厚度。
此外，在实施例中，第一和第二堆叠部分910、930中的层的数量可以是单独选择的，或者可以是与第一和第二堆叠部分910、930中的层中的一者或多者的材料、层厚度和排序相结合加以选择的，从而得到第一和第二基本上线性的响应。换言之，被选择为产生第一和第二基本上线性的响应的至少一个特性可以包括第一和第二堆叠部分910、930中的层的数量以及第一和第二堆叠部分910、930中的层中的一者或多者的材料、层厚度和排序。
在一些实施例中，第一堆叠部分910具有与图8的MR元件800中的第一堆叠部分810的第一基本上线性的响应相同或类似的第一基本上线性的响应，尽管其包括与第一堆叠部分810不同数量的层。此外，在一些实施例中，第二堆叠部分930具有与图8的MR元件800中的第二堆叠部分830的第二基本上线性的响应相同或类似的第二基本上线性的响应，尽管其包括与第二堆叠部分830不同数量的层。例如，第一堆叠部分910中的层中的一者或多者的材料、层厚度和/或排序可以被选择为使得第一堆叠部分910具有与第一堆叠部分810的第一基本上线性的响应相同或类似的基本上线性的响应。换言之，第一堆叠部分910中的层中的一者或多者的材料、层厚度和/或排序可以构成被选择为使得第一堆叠部分910具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。
应当理解，第一堆叠部分910也可以具有不同于第一堆叠部分810的第一基本上线性的响应的第一基本上线性的响应。此外，应当理解，具有不同于第一堆叠部分810的第一基本上线性的响应的第一基本上线性的响应的第一堆叠部分910可以(例如)使得第一堆叠部分910具有针对第一磁场强度范围内的磁场强度变化的第一灵敏度水平(即，电阻变化率)，该第一灵敏度水平不同于第一堆叠部分810在与第一磁场强度范围类似的磁场强度范围内的第一灵敏度水平。
现在参考图10，曲线图1000示出了表示图9的MR元件900在暴露于相对于MR元件900的最大响应轴899处于横向方向上的变化强度的磁场时所产生的第一示例性响应特性的曲线1002、1004。曲线图1000具有水平轴和垂直轴，水平轴具有以磁场强度单位(这里为奥斯特(Oe))衡量的刻度，垂直轴具有以电阻单位(这里为欧姆(Ω))衡量的刻度。分别与图3和图5所示的曲线图300和500类似，曲线图1000中的正磁场强度单位(例如，+X)可以对应于MR元件900例如响应于物体(例如，图15所示的环形磁体1510)所做的第一方向的运动(例如，旋转)而在第一方向上经受的磁场。此外，曲线图1000中的负磁场强度单位(例如，-X)可以对应于MR元件900例如响应于物体所做的与该物体的第一方向的运动相反的第二方向的运动而在与第一方向相反的第二方向上经受的磁场。
曲线1002对应于MR元件900在暴露于从正磁场强度值(例如，600Oe)扫描到负磁场强度值(例如，-500Oe)的磁场时，例如由从第一方向的运动到第二方向的运动所产生的响应特性。此外，曲线1004对应于MR元件900在暴露于从负磁场强度值(例如，-500Oe)扫描到正磁场强度值(例如，600Oe)时，例如由从第二方向的运动到第一方向的运动所产生的响应特性。
曲线1002、1004具有第一基本上线性的区域1001a和第二基本上线性的区域(这里，第二基本上线性的区域包括基本上线性的子区域1001b、1001c)。曲线1002、1004还具有第一和第二饱和区域1001d、1001e。如所示，第二基本上线性的区域的子区域1001b通过第一基本上线性的区域1001a与第二基本上线性的区域的子区域1001c隔开。
第一基本上线性的区域1001a的第一端出现在第一基本上线性的区域1001a具有相对于与之相关联的第二基本上线性的区域的子区域(例如，子区域1001b)的平均斜率发生了预定量(例如，大约百分之五)的偏离的斜率的点上。此外，第一基本上线性的区域1001a的第二相对端出现在第一基本上线性的区域1001a具有相对于与之相关联的第二基本上线性的区域的子区域(例如，子区域1001c)的平均斜率发生了大约预定量(例如，大约百分之五)的偏离的斜率的点上。第一和第二基本上线性的区域(即，区域1001a、1001b、1001c)对应于所例示的实施例中的MR元件900的操作范围，在该操作范围内MR元件900具有充分响应于外加磁场的磁场强度变化的电阻。
在实施例中，第一基本上线性的区域1001a对应于上文联系图9讨论的MR元件900的第一堆叠部分910的第一基本上线性的响应，其中，第一基本上线性的响应对应于第一磁场强度范围1003a(这里处于大约-5Oe和大约5Oe之间，即，有限的磁场强度范围)内的外加磁场。
此外，在实施例中，第二基本上线性的区域(即，子区域1001b、1001c)对应于上文联系图9讨论的MR元件900的第二堆叠部分930的第二基本上线性的响应，其中，第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围(这里，第二磁场强度范围包括子范围1003b、1003c)内的外加磁场。在所例示的实施例中，子范围1003b包括处于大约-5Oe和大约-100Oe之间的磁场强度。此外，在所例示的实施例中，子范围1003c包括处于大约5Oe和大约80Oe之间的磁场强度。
如上文所讨论的，第二堆叠部分930的第二基本上线性的响应不同于第一堆叠部分910的第一基本上线性的响应。在所例示的实施例中，第二基本上线性的响应发生在不同于第一磁场强度范围1003a的第二磁场强度范围(这里为子范围1003b、1003c)内。在实施例中，MR元件900在与第二基本上线性的响应相关联的第二基本上线性的区域的子区域1001b、1001c中的每者中具有相应的基本上线性的响应，其中，MR元件900在子区域1001b、1001c中的基本上线性的响应(例如，第四和第五基本上线性的响应)构成了第二基本上线性的区域的第二基本上线性的响应。
第一堆叠部分910的第一基本上线性的响应使得MR元件900在外加磁场处于第一磁场强度范围1003a内时具有针对磁场强度变化的第一灵敏度水平(即，第一电阻变化速率)。第一灵敏度水平可以是通过(例如)观察曲线1002、1004在第一基本上线性的区域1001a中的平均斜率而确定的。此外，第二堆叠部分930的第二基本上线性的响应使得该磁阻元件在外加磁场处于第二磁场强度范围(这里为子范围1003b、1003c)内时具有针对磁场强度变化的第二灵敏度水平(即，第二电阻变化速率)。第二灵敏度水平可以是(例如)通过观察曲线1002、1004在第二基本上线性的区域(即，第二基本上线性的区域的子区域1001b、1001c)中的平均斜率而确定的。
与所例示的实施例中的第一灵敏度水平相比，第二灵敏度水平有所下降。由此可见，与MR元件900在第二基本上线性的区域(即，子区域1001b、1001c，其相较于区域1001a包括更为扩展的磁场强度范围)内对磁场强度的变化的灵敏度相比，MR元件900在第一基本上线性的区域1001a内(即，在小的或者有限的磁场强度范围内)对磁场强度变化的灵敏度更高。所例示的实施例中的MR元件900的第一灵敏度水平(例如，使得MR元件900具有在大约为零的磁场强度上显著变化的电阻)可以(例如)是通过MR元件900的第一堆叠部分910的自由层714或者其他层的旋转而给定的。此外，MR元件900的第一灵敏度水平可以归因于在MR元件900中没有偏置部分(例如，图7中所示的层712)。例如，在不需要绝对场传感器的实施例中，MR元件900的所例示的第一灵敏度水平可以是合乎需要的，但是希望MR元件900在某一磁场强度阈值或范围发生切换。在其他实施例中，第一灵敏度水平可以具有相对于所示出的灵敏度有所下降的灵敏度(即，区域1001a中的下降的斜率)。此外，在其他实施例中，第一灵敏度水平可以相较于第二灵敏度水平有所下降。
在实施例中，MR元件900还在第二基本上线性的区域的子区域1001b、1001c中的每者中具有针对外加磁场的磁场强度变化的相应灵敏度水平，其中，MR元件900在子区域1001b、1001c中的灵敏度水平(例如，第四和第五灵敏度水平)构成了第二基本上线性的区域的第二灵敏度水平。
此外，在实施例中，第一和第二堆叠部分910、930的至少一个特性(例如，一个或多个层的层厚度)可以被选择为调节或改变曲线1002、1004的一个或多个区域，例如，其与上文联系图7讨论的被选择为提供MR元件700的第一和第二堆叠部分710、730的第一和第二基本上线性的响应的至少一个特性类似。
如所示，在图4的现有技术MR元件400中，第一和第二堆叠部分410、430相对于外加磁场表现为反对称(即，基本相等并且相反)，从而使得MR元件400在单个基本上线性的区域401a内具有单个基本上线性的响应，如曲线图500所示，与MR元件400不同，MR元件900的第一和第二堆叠部分910、930对外加磁场具有第一和第二相应的不同的基本上线性的响应。由于上述情况，MR元件900在第一基本上线性的区域1001a内具有第一基本上线性的响应并且在不同于第一基本上线性的区域1001a的第二基本上线性的区域(这里为子区域1001b、1001c)内具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应。在实施例中，MR元件900的第一和第二基本上线性的响应至少部分地由钉扎层720提供，更具体地由源自于钉扎层720的PtMn生长的晶体结构提供。这与图4的MR元件400形成了对照，在该MR元件400中，例如由于Ru间隔体层413、434使自由层414、433稳定，Ru间隔体层413、434提供实施例中的MR元件400的单个基本上线性的响应。
同样如所示，MR元件900相较于现有技术MR元件400和现有技术MR元件200具有缩小的偏移，如曲线1002、1004所示，与图5的曲线图500中所示的曲线502、504以及图3的曲线图300中所示的曲线304、304相比，曲线1002、1004相对于曲线图1000的垂直轴和水平轴的交点发生较少的水平偏移。由于前述原因，与现有技术MR元件400和现有技术MR元件200相比，MR元件900做出响应的磁场强度范围也具有缩小的偏移。
在实施例中，MR元件900的增大的操作范围还提供MR元件900的提高的偏移漂移耐受力，例如，偏移漂移可能是由于温度、老化和/或MR元件与MR元件900感测的物体(即，磁场)之间的错位或误放而发生的。具体而言，由于MR元件900的增大的操作范围(即，MR元件900可以感测的更大的磁场范围)的原因，MR元件900能够感测到在其他情况下常规MR元件(例如，MR元件200)无法检测的磁场，从而使偏移漂移更可耐受。一般而言，根据本公开的具有第一操作范围的MR元件与具有小于第一操作范围的第二操作范围的常规MR元件相比可以具有提高的偏移漂移耐受力。可以(例如)在耦合MR元件的输出(例如，如图14所示的VOUT，如将讨论的)的信号处理电路中对剩余的偏移误差(如果有的话)进行校正。
在实施例中，MR元件900的增大的操作范围可以进一步提供MR元件900对常见场干扰的提高的抗扰性。具体而言，本领域已知，常见场干扰可以向MR元件(例如，900)可能经历的磁场信号(即，外加磁场)添加偏移。如果MR元件的线性范围或操作范围过小，那么偏移可能使MR元件变得饱和。在实施例中，MR元件900(以及根据本公开的其他MR元件)的增大的线性范围或操作范围显著减少(或者理性地避免)了MR元件900在遭受常见场干扰(以及由常见场干扰引起的偏移)时发生饱和。
现在参考图11，曲线图1100示出了表示图9的MR元件900在暴露于处于基本上平行于MR元件900的最大响应轴899的方向上的变化强度的磁场时产生的第二示例性响应特性的曲线1102、1104(即，传递曲线)。曲线图1100具有水平轴和垂直轴，水平轴具有以磁场强度单位(这里为奥斯特(Oe))衡量的刻度，垂直轴具有以电阻单位(这里为欧姆(Ω))衡量的刻度。
曲线1102对应于MR元件900在暴露于从正磁场强度值(例如，200Oe)扫描到负磁场强度值(例如，-200Oe)的磁场时产生的响应特性。此外，曲线1104对应于MR元件900在暴露于从负磁场强度值(例如，-200Oe)扫描到正磁场强度值(例如，200Oe)时产生的响应特性。
如所示，曲线1102、1104具有第一和第二基本上线性的区域1101a、1101b，其中，通过曲线1102、1104表征的MR元件900在暴露于较低强度的磁场时具有相对较低的电阻。此外，曲线1102、1104具有第一和第二饱和区域1101c、1101d，其中，MR元件900在暴露于较高强度的磁场时具有相对较高的电阻。在基本上线性的区域1101a中，通过曲线1102、1104表征的MR元件900具有对应于大于第一阈值、或者处于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应。此外，在基本上线性的区域1101b中，MR元件900具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应，第二基本上线性的响应对应于小于第二阈值、或者处于第二磁场强度范围内的外加磁场。在饱和区域1101c、1101d中，MR元件900基本上对外加磁场没有响应。
同样如所示，曲线1102、1104在大约零奥斯特处具有相应的峰值1102a、1104a。此外，曲线1102、1104基本上以零奥斯特为中心，并且MR元件900的基本上线性的范围1101a、1101b在磁场强度范围(-Oe到+Oe)的幅度方面基本上均匀。在实施例中，这样的情况对应于通过曲线1102、1104表征的MR元件具有小的偏移(理想的情况是不存在偏移)。
在实施例中，与根据本公开的MR元件相关联的曲线的峰值(与曲线1102、1104的峰值1102a、1104a类似)一般出现在对应于偏置场的幅度上，其中，偏置场由MR元件的一个或多个层(例如，Ru间隔体713和734)的厚度确定。然而，与图11所示的曲线1102、1104相关联的MR元件900(例如)不具有Ru间隔体(例如，Ru间隔体713、734)和偏置部分。上述情况的一种示例性结果是曲线1102、1104的峰值1102a、1104a在大约零奥斯特上基本重叠。
参考图12，其中图8和图11的类似元件被示为具有类似的附图标记，第四示例性MR元件1200包括第一堆叠部分910和第二堆叠部分1230。第一堆叠部分910具有第一和第二相对表面，其中，第一堆叠部分910的第一表面设置在晶种层702之上，并且晶种层702设置在第一堆叠部分910和在上面沉积MR元件1200的衬底之间。此外，第二堆叠部分1230具有第一和第二相对表面，其中，第二堆叠部分1230的第一表面设置在钉扎层720之上，并且钉扎层720设置在第一堆叠部分910和第二堆叠部分930之间。帽盖层704设置在第二堆叠部分1230的第二表面之上。
第一堆叠部分910(即，与MR元件900的第一堆叠部分相同的第一堆叠部分)包括第一多个层(这里为6层)。此外，第二堆叠部分1230包括第二多个层(这里为9层)，即与第一多个层不同数量的层。
第二堆叠部分1230的第二多个层包括钉扎层结构731、间隔体层732和自由层结构733。第二多个层还包括间隔体层1234、钉扎层735和钉扎层736。钉扎层结构731包括第一钉扎层731a、第二钉扎层731c和间隔体层731b。此外，自由层结构733包括第一自由层733a和第二自由层733b。
钉扎层结构731设置在钉扎层720之上，并且间隔体层732设置在钉扎层结构731之上。此外，自由层结构733设置在间隔体层732之上，并且间隔体层1234设置在自由层结构733之上。此外，钉扎层735设置在间隔体层1234之上，并且钉扎层736设置在钉扎层735之上。间隔体层1234可以是包括一种或多种非磁性材料(例如，Ru)的非磁性间隔体层，其可以与图7所示的MR元件700的间隔体层734类似，但是具有不同于间隔体层734的厚度的厚度。
MR元件1200中的第一堆叠部分910具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应。此外，MR元件1200中的第二堆叠部分1230具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应，第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。MR元件1200具有针对磁场(即，外加磁场)的最大响应轴，该最大响应轴平行于沉积MR元件1200的衬底表面(例如，衬底701的第一表面)，如箭头1199所示。
第一堆叠部分910具有被选择为使得第一堆叠部分910具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。此外，第二堆叠部分1230具有被选择为使得第二堆叠部分1230具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。
在所例示的实施例中，第二堆叠部分1230中的间隔体层1234的厚度可以(例如)对应于被选择为使得第二堆叠部分1230具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。例如，间隔体层1234可以具有被选择为使得第二堆叠部分1230具有反铁磁局部偏置的厚度(这里为大约4nm)，该反铁磁局部偏置又可以使得第二堆叠部分1230具有第二基本上线性的响应。
参考图13，其中图8的类似元件被示为具有类似的附图标记，第五示例性MR元件1300包括第一堆叠部分810、第二堆叠部分1330和第三堆叠部分1350，即处于在上述附图中讨论的MR元件之上的附加堆叠部分。第一堆叠部分810具有第一和第二相对表面，其中，第一堆叠部分810的第一表面设置在晶种层702之上，并且晶种层702设置在第一堆叠部分810和在上面沉积MR元件1300的衬底701之间。此外，第二堆叠部分1330具有第一和第二相对表面，其中，第二堆叠部分1330的第一表面设置在钉扎层720之上，并且钉扎层720设置在第一堆叠部分810和第二堆叠部分1330之间。此外，第三堆叠部分1350具有第一和第二相对表面，其中，第三堆叠部分的第一表面设置在钉扎层1340之上，并且钉扎层1340设置在第二堆叠部分1330和第三堆叠部分1350之间。帽盖层704设置在第三堆叠部分1350的第二表面之上。
第一堆叠部分810(即，与图8的MR元件800的第一堆叠部分相同的堆叠部分)包括第一多个层(这里为9层)。此外，第二堆叠部分1330包括第二多个层(这里为8层)，即与第一多个层不同数量的层。此外，第二堆叠部分1350包括第三多个层(这里为9层)，即与第一多个层相同数量并且与第二多个层不同数量的层。
第二堆叠部分1330的第二多个层包括钉扎层结构731、间隔体层732和自由层结构733。第二多个层还包括间隔体层834和钉扎层735。钉扎层结构731包括第一钉扎层731a、第二钉扎层731c和间隔体层731b。此外，自由层结构733包括第一自由层733a和第二自由层733b。
钉扎层结构731设置在钉扎层720之上，并且间隔体层732设置在钉扎层结构731之上。此外，自由层结构733设置在间隔体层732之上，并且间隔体层834设置在自由层结构733之上。此外，钉扎层735设置在间隔体层834之上。
第三堆叠部分1350的第三多个层包括钉扎层1351、间隔体层1352和自由层结构1353。第三多个层还包括间隔体层1354、钉扎层结构1355和钉扎层1356。在一些实施例中可以与第一堆叠部分810中的自由层结构714相同或类似的自由层结构1353包括第一自由层1353a和第二自由层1353b。此外，在一些实施例中可以与第一堆叠部分810中的钉扎层结构716相同或类似的钉扎层结构1355包括第一钉扎层1355a、第二钉扎层1355c和间隔体层1355b。
在实施例中，钉扎层1351可以是铁磁钉扎层，间隔体层1352可以是非磁性间隔体层，并且自由层结构1353可以是无偏置自由层。此外，在实施例中，间隔体层1354可以是非磁性间隔体层，钉扎层结构1355可以包括SAF钉扎层结构或层，并且钉扎层1356可以是反铁磁钉扎层1356。自由层结构1353的第一自由层1353a可以是铁磁自由层，并且自由层结构1353的第二自由层1353b可以是铁磁自由层。此外，钉扎层结构1355的第一钉扎层1355a可以是铁磁钉扎层，钉扎层结构1355的第二钉扎层1355c可以是铁磁钉扎层，并且钉扎层结构1355的间隔体层1355b可以是非磁性间隔体层。
第一堆叠部分810具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应。此外，第二堆叠部分1330具有不同于第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应。第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的外加磁场。第三堆叠部分1350具有与第一基本上线性的响应和第二基本上线性的响应均不同的第三基本上线性的响应。第三基本上线性的响应对应于第一磁场强度范围和第二磁场强度范围之间的或者与它们重叠的外加磁场。在一个实施例中，第一基本上线性的响应具有处于大约100Oe的第一偏置幅度，第二基本上线性的响应具有大约10Oe的第二偏置幅度，并且第三基本上线性的响应具有大约50Oe(即，处于第一和第二偏置幅度之间)的第三偏置幅度。在实施例中，相应的偏置幅度对应于MR元件的堆叠部分对磁场强度变化最具响应或最灵敏的磁场强度。
与在上述附图中讨论的MR元件类似，MR元件1300中的堆叠部分810、1330、1350中的每者具有被选择为使得堆叠部分810、1330、1350对外加磁场具有其相应的基本上线性的响应(例如，与发生在图6的曲线图600中所示的区域601a、601b、601c中的类似的第一、第二、第三基本上线性的响应等)的至少一个特性。
在所例示的实施例中，第一堆叠部分810中的间隔体层813的厚度可以(例如)对应于被选择为使得第一堆叠部分810具有第一基本上线性的响应的至少一个特性。例如，间隔体层813可以具有被选择为使得第一堆叠部分810具有第一预定偏置(例如，大约200Oe的“强”偏置)的厚度(这里为大约1.3nm)，该预定偏置又可以使得第一堆叠部分810具有第一基本上线性的响应。
此外，在所例示的实施例中，第二堆叠部分1330中的间隔体层834的厚度T2可以对应于被选择为使得第二堆叠部分1330具有第二基本上线性的响应的至少一个特性。例如，间隔体层834可以具有被选择为特定值(例如，大约1.7nm)的厚度T2，该厚度使得第二堆叠部分1330具有第二预定偏置(例如，小于大约10Oe的“非常弱的”偏置)，该预定偏置又可以使得第二堆叠部分1330具有第二基本上线性的响应。
此外，在所例示的实施例中，第三堆叠部分1350中的间隔体层1352的厚度可以对应于被选择为使得第三堆叠部分1350具有第三基本上线性的响应的至少一个特性。例如，间隔体层1352可以具有被选择为使得第三堆叠部分1350具有第三预定偏置(例如，大约70Oe的“中等”偏置)的厚度(这里为大约2.6nm)，该预定偏置又可以使得第三堆叠部分1350具有第三基本上线性的响应。
应当理解，可以另外或者替代性地对第一、第二和第三堆叠部分810、1330、1350的其他特性(例如，材料、层厚度等)加以选择，从而使得第一、第二和第三堆叠部分810、1330、1350具有其相应的第一、第二和第三基本上线性的响应。
尽管在图7、图8、图9、图12和图13中示出了包括两个或三个所谓的“堆叠部分”的MR元件，但是应当理解，根据本公开的MR元件在一些实施例中可以包括三个以上堆叠部分。此外，应当理解，图7、图8、图9、图12和图13中所示的MR元件只是根据本公开的MR元件的很多种可能配置中的五种。作为一个示例，MR元件1300的堆叠部分的至少其中之一(例如，1350)可以包括比图示的更高数量的层或者更少数量的层。
此外，尽管在图7、图8、图9、图12和图13中示出了根据本公开的MR元件中的层的特定材料和厚度，但是应当理解，一些层的材料和厚度可以与图示不同，从而(例如)提供MR元件中的第一、第二、第三堆叠部分等的第一、第二、第三基本上线性的响应等。
此外，尽管在图7、图8、图9、图12和图13中示出了根据本公开的MR元件中的层的特定顺序，但是应当理解，在所示的层中的任何两个或更多层之间可以有其他插入层，例如，其他间隔体层，从而(例如)提供MR元件中的第一、第二、第三堆叠部分等的第一、第二、第三基本上线性的响应等。而且，在图7、图8、图9、图12和图13中所示的层上方或下方可以有其他层。还应当理解，可以按照各种各样的尺寸和形状形成MR元件。例如，可以通过(例如)对MR元件的各种层进行沉积、图案化和退火的制造工艺(例如)按照轭形(例如图15中所示的形状)形成MR元件。
还应当理解，根据本公开的MR元件可以按照各种各样的布置耦合，例如，按照电阻分压器布置(如图14中所示)耦合，或者按照电桥布置(如图14A中所示)耦合，下文将对其加以描述。此外，应当理解，根据本公开的MR元件可以被用到各种各样的应用中，包括但不限于对电流做出响应的电流传感器、对铁磁物体(例如，含铁的齿轮齿)的接近做出响应的接近检测器、以及对处于磁场传感器外的磁场做出响应的磁场传感器。图15示出了一种示例性磁场传感器，下文还将对其予以描述。
参考图14，电阻分压器1400包括电阻器1402和MR元件1404，MR元件1404可以与联系上述附图描述的被制作成材料堆叠体的MR元件(例如，图8所示的800)相同或类似。电阻分压器1400耦合至电压源1401，并且可以通过电压源1401驱动电阻器1402和MR元件1404。
可以响应于外加磁场(例如，可以是响应于如图15所示的诸如环形磁体1510的物体的运动而生成的磁场，将对此予以讨论)在形成于电阻器1402和MR元件1404之间的节点1400a处生成输出电压(VOUT)。具体而言，外加磁场的变化可以引起MR元件1404的电阻发生变化。随着MR元件1404的电阻的变化，节点1400a处的输出电压也可以变化。输出电压可以具有指示外加磁场的幅度。在实施例中，电阻器1402可以是基本上固定的电阻器。此外，在实施例中，电阻器1402可以是MR元件(即，第二MR元件)。
参考图14A，电桥布置(例如，惠斯通电桥电路)1450包括MR元件1452、1454、1456、1458，所述元件中的一者或多者可以与上文联系附图描述的MR元件(例如，图8所示的800)相同或类似。电桥1450耦合至电压源1451，并且磁阻元件1452、1454、1456、1458中的每者可以通过电压源1451来驱动。
第一输出电压(VOUT1)可以是在响应于外加磁场在形成于磁阻元件1452、1454之间的第一电压节点1450a处生成的。此外，可以响应于外加磁场在形成于磁阻元件1456、1458之间的第二电压节点1450b处生成第二输出电压(VOUT2)。具体而言，随着MR元件1452、1454、1456、1458的电阻响应于外加磁场而变化，在第一电压节点1450a处生成的第一输出电压和在第二电压节点1450b处生成的第二输出电压的至少其中之一也可以发生变化。第一输出电压(例如，第一磁场信号)和第二输出电压(例如，第二磁场信号)之间的电压差可以指示外加磁场。在实施例中，电桥1450可以包括至少一个基本上固定的电阻器，并且电桥1450中的MR元件1452、1454、1456、1458的至少其中之一可以被至少一个基本上固定的电阻器替代。
如上文所示，图14的电阻分压器1400和图14A的电桥布置1450可以提供指示MR元件(例如，图14中所示的1404)经历的外加磁场的输出信号(例如，磁场信号)。应当理解，电阻分压器1400和电桥布置1450只是根据本公开的MR元件的很多种可能布置中的两种。
参考图15，示出了包括多个MR元件(这里为四个MR元件1502、1504、1506、1508)的示例性磁场传感器1500。在所例示的实施例中，可以与联系上述附图描述的MR元件(例如，图8所示的800)相同或类似的MR元件1502、1504、1506、1508均是按照轭形形成的，并且设置在公共衬底1501之上。在实施例中，MR元件1502、1504、1506、1508可以按照电阻分压器布置来耦合，该电阻分压器布置可以与图14所示的电阻分压器1400相同或类似。此外，在实施例中，MR元件1502、1504、1506、1508可以按照电桥布置(例如，惠斯通电桥)耦合，该电桥布置可以与图14A所示的电桥布置1450相同或类似。应当理解，MR元件1502、1504、1506、1508的其他配置当然也是可能的。此外，应当理解，例如放大器、模数转换器(ADC)和处理器的其他电子部件(未示出)(即电子电路)可以设置在衬底1501之上并且耦合至MR元件1502、1504、1506、1508中的一者或多者，例如，以处理MR元件1502、1504、1506、1508产生的信号(即，磁场信号)。
在所例示的实施例中，磁场传感器1500被设置为靠近移动的磁性物体，例如，具有交替的北磁极和南磁极的环形磁体1510。环形磁体1510经受运动(例如，旋转)，并且可以将磁场传感器1500的MR元件1502、1504、1506、1508的取向设定为使得MR元件1502、1504、1506、1508的最大响应轴与环形磁体1510生成的磁场(例如，外加磁场)对准。在实施例中，也可以使MR元件1502、1504、1506、1508的最大响应轴与被设置为靠近磁场传感器1500或者被设置在磁场传感器1500内的磁体(未示出)所生成的磁场(例如，本地磁场)对准。借助于这样的反向偏置磁体配置，环形磁体1510的运动可以引起MR元件1502、1504、1506、1508感测的磁场的变化。
在实施例中，MR元件1502、1504、1506、1508由电压源(例如，图14A中所示的1451)驱动，并且被配置为响应于环形磁体1510在例如第一运动方向上以及不同于第一运动方向的第二运动方向上的运动而生成一个或多个磁场信号(例如，图14A所示的Vout1、Vout2)。此外，在实施例中，例如，磁场传感器1500上的一个或多个电子部件(例如，ADC)(未示出)被耦合为接收磁场信号，并且被配置为生成指示环形磁体1510的位置、接近度、速度和/或运动方向的信号。在一些实施例中，环形磁体1510耦合至目标物体，例如，引擎的凸轮轴，并且所感测到的环形磁体1510的运动速度指示目标物体的运动速度。磁场传感器1500的输出信号(例如，输出电压)一般具有与MR元件1502、1504、1506、1508经历的磁场的幅度有关的幅度。
在MR元件1502、1504、1506、1508被提供为根据本公开的MR元件(例如，图8所示的800)的实施例中，例如由于根据本公开的磁阻元件相较于常规磁阻元件具有增大的操作范围，磁场传感器1500可以相对于磁场传感器1500包括常规MR元件的实施例具有提高的感测精确度。具体而言，由于根据本公开的磁阻元件相较于常规磁阻元件具有增大的操作范围，磁阻传感器1500能够更加准确地感测比在其他情况下能够感测到的磁场强度范围更宽的(或者增大的)磁场强度范围。例如，由于增大的操作范围，根据本公开的MR元件可以检测到在其他情况下会使MR元件饱和的磁场强度。其可以提供根据本公开的MR元件可以适用的提高数量的应用(例如，由于可以使用根据本公开的MR元件准确地检测的磁场强度的增大的范围)。
此外，与磁场传感器1500包括常规磁阻元件的实施例相比，在MR元件1502、1504、1506、1508被提供为根据本公开的MR元件(例如，图8的800)并且磁场传感器1500包括被耦合为接收来自MR元件1502、1504、1506、1508的磁场信号并且被配置为生成磁场传感器1500的输出信号的电子部件(例如，ADC)的实施例中，可以降低对电子部件(例如，所谓的“前端电子部件”或“信号处理电子部件”)的操作要求。
例如，已知ADC具有对应于ADC能够解析(即处理)的信号幅度或强度范围的动态范围。如果模拟输入信号具有大于动态范围的上限阈值的幅度或者低于动态范围的下限阈值的幅度，那么ADC可能无法准确地将模拟信号转化成对应的数字信号。如上文所讨论的，根据本公开的MR元件至少具有产生针对磁场强度变化的第一灵敏度水平的第一基本上线性的响应、和产生针对磁场强度变化的第二灵敏度水平的第二基本上线性的响应。还是如上文所讨论的，根据本公开的MR元件的至少第一堆叠部分和第二堆叠部分中的至少一个特性可以被选择为提供第一和第二基本上线性的响应以及第一和第二灵敏度水平。换言之，可以基于MR元件的第一和第二堆叠部分中选择的至少一个特性来选择MR元件的第一和第二灵敏度水平。
在实施例中，可以将根据本公开的MR元件的第一和第二灵敏度水平选择为与常规MR元件的单个灵敏度水平相比有所下降，并且结果，根据本公开的MR元件的输出(例如，图14中所示的VOUT)与常规MR元件的输出相比可以更加逐渐地或者按照低速率提高(并且具有降低的上限阈值)。由此可见，被耦合为接收根据本公开的MR元件的输出的ADC可以具有与被耦合为接收常规MR元件的输出的ADC的范围要求相比有所降低的动态范围要求。由于前述原因，与磁场传感器1500包括常规MR元件的实施例相比，在磁场传感器1500包括根据本公开的MR元件的实施例中，磁场传感器1500能够使用具有降低的动态范围(并因而可能成本更低)的ADC。
应当理解，ADC的动态范围只是可以受益于与根据本公开的MR元件相关联的各种特性的ADC的一个示例性操作参数。还应当理解，ADC只是可以用到磁场传感器1500中并且可以受益于与根据本公开的MR元件相关联的各种特性的一种示例性电部件。
在实施例中，根据本公开的MR元件还可以提供与(例如)包括常规MR元件的磁场传感器1500相比具有降低数量的电部件(例如，信号处理部件)的磁场传感器1500。例如，在磁场传感器1500包括常规MR元件并且被配置为感测具有多个磁场强度范围(例如，-10G到10G，-100G到100G以及-300G到300G)的外加磁场的实施例中，磁场传感器1500可能需要对应的多个ADC。相反，在磁场传感器1500包括根据本公开的MR元件并且被配置为感测多个磁场强度范围的实施例中，磁场传感器1500可以包括比多个磁场强度范围更少的或者降低数量的ADC。在一个实施例中，上述情况归因于根据本公开的MR元件与常规MR元件相比具有增大的操作范围。具体而言，就根据本公开的MR元件而言，随着信号(例如，磁场信号)变大，可以使信号减小(或者在一些实施例中甚至使其变哑)，但是仍然可用于信号处理(例如，由于MR元件未被迫使进入饱和状态)。
尽管在所例示的实施例中磁场传感器1500被示为并且描述为针对环形磁体1510的运动旋转的运动检测器，但是应当理解，其他磁场传感器(例如电流传感器)也可以包括根据本公开的MR元件中的一者或多者。
此外，尽管MR元件1502、1504、1506、1508被示为并且描述为按照轭形形成，但是应当理解，在一些实施例中，MR元件可以转而按照直条状或者很多其他形状形成。例如，对于GMR元件而言，GMR元件的堆叠部分(例如，第一和第二堆叠部分)可以形成轭形。相比之下，对于TMR元件而言，在一些实施例中，TMR元件的选定部分(例如，堆叠部分的自由层)可以具有轭形，而TMR元件的其余部分则可以具有其他形状(例如，直条)。在一些实施例中，轭形或者其他形状的MR元件的一个或多个尺寸(例如，长度、宽度和高度)可以基于MR元件中的层的数量和/或MR元件中的层的厚度。
如上文，并且本领域普通技术人员将认识到，本文公开的实施例可以被配置成系统、方法或其组合。相应地，本公开的实施例可以由包括硬件、软件、固件或其任何组合的各种装置构成。
已经描述了用来对作为本专利的主题的各种原理、结构和技术进行举例说明的作用的优选实施例，现在对于本领域普通技术人员而言变得显而易见的是，可以使用并入了这些原理、结构和技术的其他实施例。此外，可以结合文中描述的不同实施例的要素，以形成上文未具体阐述的其他实施例。
因此，认为本专利的范围不应局限于所描述的实施例，而是仅由下述权利要求的精神和范围限定。

Claims (25)

1.一种沉积在衬底上的磁阻元件，包括：
第一堆叠部分，具有相对的第一表面和第二表面并且包括第一多个层，所述第一堆叠部分具有对应于第一磁场强度范围内的外加磁场的第一基本上线性的响应；以及
第二堆叠部分，具有相对的第一表面和第二表面并且包括第二多个层，其中，所述第二堆叠部分的第一表面设置在所述第一堆叠部分的第二表面之上，并且所述第二堆叠部分具有不同于所述第一基本上线性的响应的第二基本上线性的响应，所述第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的所述外加磁场。
2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一堆叠部分的所述第一基本上线性的响应使得所述磁阻元件在所述外加磁场处于所述第一磁场强度范围内时具有针对磁场强度变化的第一灵敏度水平。
3.根据权利要求2所述的磁阻元件，其中，所述第二堆叠部分的所述第二基本上线性的响应使得所述磁阻元件在所述外加磁场处于所述第二磁场强度范围内时具有相较于所述第一灵敏度水平有所下降的针对磁场强度变化的第二灵敏度水平。
4.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一磁场强度范围包括负磁场。
5.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第二磁场强度范围包括正磁场。
6.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一磁场强度范围与所述第二磁场强度范围的一个或多个部分重叠。
7.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一堆叠部分的层中的每者具有相应的厚度，并且所述第一堆叠部分的层的至少其中之一的厚度被选择为使得所述第一堆叠部分具有所述第一基本上线性的响应。
8.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第二堆叠部分的层中的每者具有相应的厚度，并且所述第二堆叠部分的层的至少其中之一的厚度被选择为使得所述第二堆叠部分具有所述第二基本上线性的响应。
9.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一堆叠部分中的所述第一多个层的排序被选择为使得所述第一堆叠部分具有所述第一基本上线性的响应，并且其中，所述第二堆叠部分中的所述第二多个层的排序被选择为使得所述第二堆叠部分具有所述第二基本上线性的响应。
10.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一多个层和所述第二多个层包括相同数量的层。
11.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一多个层和所述第二多个层包括不同数量的层。
12.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第一堆叠部分包括：第一钉扎层结构；设置在所述第一钉扎层结构之上的第一间隔体层；以及设置在所述第一间隔体层之上的第一自由层结构，其中，所述第一间隔体层由具有第一厚度的第一材料构成，所述第一材料和所述第一厚度被选择为使得所述第一堆叠部分具有所述第一基本上线性的响应。
13.根据权利要求12所述的磁阻元件，其中，所述第二堆叠部分包括：第二钉扎层结构；设置在所述第二钉扎层结构之上的第二间隔体层；以及设置在所述第二间隔体层之上的第二自由层结构，其中，所述第二间隔体层由具有第二厚度的第二材料构成，所述第二材料和所述第二厚度被选择为使得所述第二堆叠部分具有所述第二基本上线性的响应。
14.根据权利要求13所述的磁阻元件，其中，所述第一间隔体层和所述第二间隔体层由钌(Ru)构成。
15.根据权利要求14所述的磁阻元件，其中，所述第二间隔体层的第二选定厚度处于大约1.6纳米(nm)到大约1.8nm、大约2.2nm到大约2.4nm、大约2.9nm到大约3.1nm或者大约3.5nm到大约3.7nm之间的范围内。
16.根据权利要求14所述的磁阻元件，其中，所述第一间隔体层的第一选定厚度约为1.3nm，并且其中，所述第二间隔体层的第二选定厚度约为1.7nm。
17.根据权利要求13所述的磁阻元件，其中，所述第一钉扎层结构和所述第二钉扎层结构包括一个相应的钉扎层。
18.根据权利要求13所述的磁阻元件，其中，所述第一钉扎层结构和所述第二钉扎层结构每者包括相应的合成反铁磁(SAF)结构。
19.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述磁阻元件是巨磁阻(GMR)元件、磁隧道结(MTJ)元件和隧道磁阻(TMR)元件之一。
20.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述磁阻元件被提供到磁场传感器中。
21.一种磁场传感器，包括：
磁阻元件，其被配置为生成针对外加磁场的第一基本上线性的响应和第二基本上线性的响应，其中，所述第一基本上线性的响应和所述第二基本上线性的响应相对于所述磁阻元件在大约为零奥斯特的外加磁场强度上的预期响应具有大约为零的偏移。
22.一种磁场传感器，包括：
用于生成针对外加磁场的第一基本上线性的响应和第二基本上线性的响应的装置，其中，所述第一基本上线性的响应和所述第二基本上线性的响应相对于在大约为零奥斯特的外加磁场强度上的预期响应具有大约为零的偏移。
23.根据权利要求22所述的磁场传感器，其中，所述用于生成第一基本上线性的响应和第二基本上线性的响应的装置是磁阻元件，并且所述预期响应是所述磁阻元件的预期响应。
24.根据权利要求23所述的磁场传感器，其中，所述磁阻元件包括：
第一堆叠部分，其具有相对的第一表面和第二表面并且包括第一多个层；以及
第二堆叠部分，其具有相对的第一表面和第二表面并且包括第二多个层，其中，所述第二堆叠部分的第一表面设置在所述第一堆叠部分的第二表面之上，并且所述第一堆叠部分具有所述第一基本上线性的响应，并且所述第二堆叠部分具有所述第二基本上线性的响应。
25.根据权利要求24所述的磁场传感器，其中，所述第二基本上线性的响应不同于所述第一基本上线性的响应，并且其中，所述第一基本上线性的响应对应于第一磁场强度范围内的所述外加磁场，并且所述第二基本上线性的响应对应于第二磁场强度范围内的所述外加磁场。
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