CN110726959B - 一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件。本发明从上到下依次为导电层、绝缘层、薄膜层、缓冲层，所述导电层用于接入控制电压，从而调控薄膜层垂直各向异性的大小，来调节磁性传感器件的灵敏度；其中薄膜层和缓冲层经过刻蚀微纳加工成的结构为十字结构，所述的薄膜层由CoFeB和MgO构成，当沿垂直于传感器件厚度方向通入的控制电压Us为一固定值时，传感器件横向两电极通入恒定电流I，检测来自于和电流方向一致的外部磁场H，而传感器件纵向两电极用于采集随外部磁场变化的电压，从而实现对外部磁场的检测。本发明可以灵活选择量程范围，准确测量外部磁场。

Description

一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件
技术领域
本发明属于磁场检测传感领域，具体涉及一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件。
技术背景
1879年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现了一个物理现象，即在一个通有电流的导体中，如果施加一个垂直于电流方向的磁场，在洛伦兹力的作用下，导体中电子的运动方向将发生偏转，从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。后来人们又发现磁场并不是霍尔效应的必要条件，电子之间的自旋和轨道耦合相互作用也可以导致霍尔效应的产生。这种在零磁场条件下，依靠材料本身的特性实现霍尔效应的现象，被称为反常霍尔效应，反常霍尔效应在制备低功耗高速电子元件等微电子产业方面有广泛的应用。
相比于传统的霍尔传感器件，基于反常霍尔效应制作的磁性传感器件的优势在于具有更小的体积、更高的灵敏度，更好的线性度，且是一种灵敏度可由电场调谐的磁性检测器件，可实现不同量程范围磁场的检测。
发明内容
本发明属于磁场检测传感领域，具体涉及一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件。
一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件，结构为：从上到下依次为导电层、绝缘层、薄膜层、缓冲层，所述导电层用于接入控制电压，从而调控薄膜层垂直各向异性的大小，来调节磁性传感器件的灵敏度；其中薄膜层和缓冲层经过刻蚀微纳加工成的结构为十字结构，所述的薄膜层由CoFeB和MgO构成，CoFeB的厚度为1.1-1.5nm，MgO的厚度为2-3nm。当沿垂直于传感器件厚度方向通入的控制电压Us为一固定值时，传感器件横向两电极通入恒定电流I，检测来自于和电流方向一致的外部磁场H，而传感器件纵向两电极用于采集随外部磁场变化的电压，从而实现对外部磁场的检测。
作为优选，所述导电层应为导电材料，为Al、Pt或Ru，厚度为20nm。
作为优选，所述绝缘层应为绝缘材料，为SiO2、TiO2或Ta2O5，此层厚度选择50nm。
作为优选，所述的缓冲层为缓冲材料Ta，厚度应为3-5nm。
所述的Ta层用作缓冲层，目的在于防止取向生长时，薄膜形貌的连续在受热时被破坏。1.1-1.5nm厚度范围的CoFeB具有良好的垂直各向异性，它的垂直各向异性能够被电场改变。MgO可以使CoFeB发生取向生长，磁化易轴沿着垂直于膜面的方向，目的在于使CoFeB保持良好的垂直各向异性。SiO2用作绝缘层，50nm厚度的SiO2可以有效防止器件漏电。
一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件的制备方法为：先在硅基片上溅射Ta层、CoFeB层、MgO层；随后直接在磁控溅射腔内对薄膜材料进行真空退火热处理，退火温度为300-350℃，退火时间为30分钟至1小时，然后经过刻蚀微纳加工成十字结构，继续在此结构上溅射SiO2层和Ru层，然后刻蚀掉十字结构横向两个电极上多余的镀层，露出电极。
与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、相比于传统的基于霍尔效应的磁场检测传感器件，基于反常霍尔效应的磁场检测传感器件的灵敏度可由电场调节，可以灵活选择量程范围，准确测量外部磁场。
2、相比于传统的磁场检测传感器件，基于反常霍尔效应的磁场检测传感器件体积小，并可用于X方向和Y方向磁场检测。
附图说明
图1是磁场传感器件的检测结构图；
图2是薄膜结构剖面图；
图3十字结构图；
图4是待测磁场对器件磁化方向的作用原理图；
图5不同控制电压Us条件下的待测磁场和采集电压的线性图；
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于反常霍尔效应(AHE)的灵敏度可调节的磁场传感器件。本发明：利用此磁场传感器件检测和内部电流方向一致的外部磁场，即可采集到对应的电压，得出相对应的外部磁场值，并可根据磁场的数值，选择相对应的量程，测出更准确的磁场值。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一、一种基于反常霍尔效应(AHE)的灵敏度可调节的磁场传感器件
1)给器件X方向两电极通入恒定电流I，在器件Z方向上通入控制电压Us，令待测磁场方向与器件X方向保持一致，可在Y方向两电极处可采集到电压U，即可得相应待测磁场的数值。
2)在沿器件Z方向上通入的电压值固定时，随着外部磁场的变化，采集到的电压也会随之变化；当沿器件Z方向上通入的电压改变时，磁性传感器件的测量范围也将随之改变，即实现磁性传感器件的灵敏度可调谐。
下面结合附图和实施示例对本发明作进一步的说明：
如图1所示，器件从下到上分别是Ta层、CoFeB层、MgO层、SiO2层、Ru层。当恒定电流的方向为X正方向时，待测磁场H的方向和恒定电流的方向保持一致，当沿器件Z方向通入控制电压Us时，可以在Y方向采集到的电压U。
如图2所示，①Ta层用作缓冲层，目的在于防止取向生长时，薄膜形貌的连续在受热时被破坏。②1.1-1.5nm厚度的CoFeB具有良好的垂直各向异性，它的垂直各向异性能够被电场改变。③MgO可以使CoFeB发生取向生长，磁化易轴沿着垂直于膜面的方向，目的在于使CoFeB保持良好的垂直各向异性。④SiO2用作绝缘层，50nm厚度的SiO2可以有效防止器件漏电。⑤Ru充当导电层。
如图3所示，1、2、4、5四个区域为电极区域，3为薄膜样品区域。假设5处电极为接地端，沿器件Z方向上的控制电压可由薄膜最上层的Ru和5处电极构成一个电势差，类似于一个电容，从而实现外部控制电压的输入。
如图4所示，外部磁场H，磁化强度M，未测量外部磁场时，器件的磁化方向为垂直方向，当测量来自面内方向的磁场时，器件的磁化方向将由垂直转向面内的方向，取决于面内磁场的大小，磁化偏转的角度不同，器件的电阻也随之不同，从而采集到的电压也不同。
如图5所示，当器件Z方向上通入的控制电压Us不同时，采集电压U随待测磁场改变而改变的斜率也不同，传感器件的灵敏度也随之不同，从而可以达到灵活选择量程的目的。

Claims (4)

1.一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件，其特征在于，该磁场传感器件具有多层膜结构，结构为：从上到下依次为导电层、绝缘层、薄膜层、缓冲层，所述导电层用于接入控制电压，从而调控薄膜层垂直各向异性的大小，来调节磁性传感器件的灵敏度；其中薄膜层和缓冲层经过刻蚀微纳加工成的结构为十字结构，然后刻蚀掉十字结构横向两个电极上多余的镀层，露出电极；所述的薄膜层由CoFeB和MgO构成，CoFeB的厚度为1.1-1.5nm，MgO的厚度为2-3nm；
当沿垂直于传感器件厚度方向通入的控制电压Us为一固定值时，传感器件横向两电极通入恒定电流I，检测来自于和电流方向一致的外部磁场H，而传感器件纵向两电极用于采集随外部磁场变化的电压，从而实现对外部磁场的检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件，其特征在于，所述导电层应为导电材料，为Al、Pt或Ru，厚度为20nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件，其特征在于，所述绝缘层应为绝缘材料，为SiO2、TiO2或Ta2O5，此层厚度选择50nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于反常霍尔效应的灵敏度可调节的磁场传感器件，其特征在于，所述的缓冲层为缓冲材料Ta，厚度应为3-5nm。
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