CN110927636A

CN110927636A - 测量垂直磁场的传感器及其方法

Info

Publication number: CN110927636A
Application number: CN201911180632.XA
Authority: CN
Inventors: 郝润润; 朱大鹏; 陈伟斌; 李迎港; 赵巍胜; 冷群文
Original assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University
Current assignee: Qingdao Research Institute Of Beihang University
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-03-27

Abstract

本发明提供一种测量垂直磁场的磁传感器，其基本结构为自旋产生层和铁磁金属层。其中，铁磁金属层具有垂直磁化的特性，基于自旋霍耳或Rashba效应自旋轨道矩产生的面内等效磁场可实现磁矩偏置45°，通过检测自旋霍耳或Rashba‑Edelstein磁电阻效应引起的器件电阻变化，可测量垂直磁场或磁场垂直分量。数个磁传感器单元可组成惠斯通电桥结构。该磁传感器可避免复杂磁偏置工艺，同时具有高线性度、高灵敏度和高动态范围特性。

Description

测量垂直磁场的传感器及其方法

技术领域

本发明提出一种基于磁电阻效应的测量垂直磁场传感器及其测量方法，属于磁场传感器及金属化合物材料领域。

背景技术

伴随磁传感器在现今信息化社会的广泛应用，如航空航天、汽车、工业、消费以及军事等诸多领域，相关磁场探测技术得到了快速发展。现有磁场探测的应用原理包括霍耳效应、各向异性磁电阻等。其中，基于霍耳效应的半导体霍耳器件，因其本身存在灵敏度低、容易受应力和温度影响、响应频率低以及功耗大等缺点，越来越难以适应现代信息技术的发展需求。

在外磁场的作用下，材料的电阻会发生变化，这一效应称为磁电阻效应，利用该效应产生的电阻变化可以感知外磁场。基于磁电阻效应的磁传感器，则具有灵敏度高、体积小、功耗低以及易集成等优点，基于各向异性磁电阻效应的磁传感器已得到更加广泛地应用。

但是，现有基于各向异性磁电阻效应的磁传感器存在以下主要缺陷：第一方面，为了使器件实现高线性、高灵敏度和高动态范围的信号输出，磁电阻传感器在工作时需要电流与铁磁金属磁矩之间的夹角为45°，而磁矩的偏置涉及复杂的工艺或膜层结构。目前，最常用的磁偏置技术是软磁近邻层(SAL)偏置技术和巴贝(Barber)电极偏置技术。SAL偏置是在软磁/绝缘/探测层三层异质结构中实现，其中软磁层的电阻率远大于探测层，探测层中电流产生的奥斯特场会引起软磁层磁矩的偏置，磁矩偏置产生的杂散场反过来导致探测层磁矩的偏置。通过优化各层的厚度以及软磁层和探测层的磁性，可使探测层磁矩与电流之间夹角为45°。软磁层的存在会降低器件灵敏度，同时软磁层杂散磁场引起的偏置磁场存在不均匀的缺点。Barber电极偏置技术是指在铁磁金属层上覆盖条状电极，电极长轴与铁磁层的磁矩夹角为45°，这使相邻长条间电流流动方向与铁磁层磁矩的夹角为45°。因此Barber电极结构需要在磁性薄膜镀制完成的基础上进行Barber电极的光刻制备，需要复杂的工艺以及较高的对准精度，同时边缘也存在不均匀的问题。

第二方面，现有的磁电阻传感器都是基于铁磁金属中各向异性磁电阻效应，由于该效应的幅值较小，导致磁传感器灵敏度较低，这限制了该类传感器的适用范围和进一步发展。

第三方面，主流的磁电阻传感器无法测量垂直磁场(即待测磁场与器件表面垂直)或磁场的垂直分量，在生产中用于测量垂直磁场时，难以对器件的性能进行灵活的调节，这限制了磁电阻传感器件向小型化和高集成度方向发展。

因此，目前迫切需要引入新的方法或原理以制备新型磁传感器，通过简单的器件结构在各个方向上实现高线性度、高灵敏度的信号输出，推动器件的小型化和提高器件的集成度。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的测量垂直磁场的传感器及其方法，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而提出一种新型的磁场探测器，利用自旋霍耳或Rashba效应引起的自旋轨道矩等效磁场和自旋霍耳或Rashba-Edelstein磁电阻效应引起的电阻变化，以实现垂直磁场或磁场垂直分量的测量，从而达到避免复杂磁偏置工艺和具有高线性度、高灵敏度和高动态范围特性的设计目的。

为实现上述设计目的，所述测量垂直磁场的传感器，设计为具有自旋产生层和铁磁金属层的层叠结构；

其中，所述的铁磁金属层具有垂直磁化的特性，铁磁金属的垂直磁各向异性场(H_K)大于其退磁场(H_d)。

为了使铁磁金属层为垂直磁化，如有必要，增加一层结构形成层，结构形成层与铁磁金属层相邻而不与自旋产生层相邻，选材有MgO或Al₂O₃。

由于自旋霍耳或Rashba效应，通过注入电流就可产生自旋轨道等效磁场，从而可实现铁磁金属磁矩从垂直向面内的偏置。传感器结构简单、易于制备，而且偏置场是通过不同电流值的导入加以控制，调控性较好、均匀性较佳。

当向传感器通入电流时，自旋产生层中会产生自旋流，自旋流的极化与铁磁金属层磁矩的相对方向发生变化时，由于自旋霍耳或Rashba-Edelstein磁电阻效应，器件的电阻发生变化，通过测量电阻的变化，可测量垂直方向的磁场。数个完全相同的磁传感器单元组成惠斯通电桥结构，可提高垂直磁场的测量灵敏度，测量结果更为精确。

对上述测量垂直磁场的传感器按如下步骤进行制备：

首先，层叠结构的多层膜使用MBE或磁控溅射沉积以及真空退火；

然后，进行微纳加工，包括第一步光刻、氩离子刻蚀，第二部光刻等；

随后，生长电极阶段，主要材料选择为Au或Cu；

最后，进行清洗和封装；生长薄膜的基底材料可选择为Si或SiO₂。

基于上述传感器的结构设计，本申请还实现了如下垂直磁场的测量方法：将数个传感器进行惠斯通电桥连接并进行封装，封装所选绝缘材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂或Si_xN_1-x等。

所述测量垂直磁场的传感器形状可以为矩形、椭圆形或圆形。

综上所述，本申请测量垂直磁场的传感器及其方法具有的优点是：

1、本申请所述的磁传感器利用自旋霍耳或Rashba-Edelstein磁电阻效应进行垂直磁场测量，相比于现有技术具有更高的灵敏度。

2、本申请所述的磁传感器，不需要额外施加外磁场的装置，仅仅利用低密度的电流就可实现铁磁金属层磁化方向的45°偏置，传感器加工更为简单，有利于提高器件集成度。

3、实现了准确快捷地测量垂直磁场，方便与测量面内磁场的磁传感器进行集成。

附图说明

图1是本申请所述磁传感器及惠斯通电桥连接的示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明作进一步详细地描述。

实施例1，本申请基于各向异性磁电阻效应的垂直磁场探测技术，针对现有技术中磁电阻传感器无法测量垂直磁场或磁场的垂直分量的问题，在保证线性度的要求下，不需要额外的附加层以及工艺，即可测量垂直磁场。

如图1的(a)和(b)部分所示，所述测量垂直磁场的传感器，具有自旋产生层、铁磁金属层的层叠结构，传感器的形状为矩形。

具体地，自旋产生层包含Ta、W、Pt、Hf、Au、Hf、Ta、Mo或Ti等非磁金属以及它们组合的材料；

或是，Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃或(Bi_xSb_1-x)₂Te₃等晶体薄膜；

或是，Bi_xSe_1-x等多晶或非晶薄膜；

或是，WTe₂、MoTe₂或Mo_xW_1-xTe₂等单晶、多晶或非晶外尔半金属薄膜；

上述自旋产生层材料比例范围如下表所示：

所选材料	(Bi<sub>x</sub>Sb<sub>1-x</sub>)<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>	Mo<sub>x</sub>W<sub>1-x</sub>Te<sub>2</sub>	Bi<sub>x</sub>Se<sub>1-x</sub>
				X取值	0.1-0.4	0.1-0.5	0.4-0.6

铁磁金属层的选材为Co_xFe_1-x、(Co_xFe_1-x)_1-yB_y、Co、Co_xNi_1-x或Co_xPt_1-x等，所述材料比例范围如下表所示：

所选材料	Co<sub>x</sub>Ni<sub>1-x</sub>	Co<sub>x</sub>Fe<sub>1-x</sub>	Co<sub>x</sub>Pt<sub>1-x</sub>	(Co<sub>x</sub>Fe<sub>1-x</sub>)<sub>1-y</sub>B<sub>y</sub>
					X取值	0.3-0.7	0.2-0.8	0.3-0.7	0.2-0.5
Y取值				0.2-0.4

考虑到铁磁材料的垂直磁化需要，在上述两层层叠结构的基础上，可增加结构形成层，选材有MgO或Al₂O₃。

在上述层叠结构中，铁磁金属层具有垂直磁化的特性，即易磁化方向沿垂直方向，铁磁金属的垂直磁各向异性场(H_K)大于其退磁场(H_d)；

上述铁磁金属形成垂直磁化特性的原因有多种，例如，(Co_xFe_1-x)_1-yB_y的垂直磁化是由于界面导致的，而Co_xN_1-x的垂直磁化特性是由于Co和Ni交替生长引起的。

所述的传感器，其整体形状可加工成圆形、椭圆形或矩形。

制备上述传感器的基本流程是，首先，层叠结构的多层膜使用MBE或磁控溅射沉积以及真空退火；然后，进行微纳加工，包括第一步光刻、氩离子刻蚀，第二部光刻等；随后，生长电极阶段，主要材料选择为Au或Cu；最后，进行清洗和封装，封装选用的材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂或Si_xN_1-x(X的取值范围在0.4-0.8之间)。

其中，生长薄膜的基底材料可选择为Si或SiO₂。

应用所述传感器的自旋产生层和铁磁金属层的层叠结构，当向传感器导入电流时，在自旋霍耳或Rashba效应的作用下，自旋产生层和铁磁金属层界面会引起自旋积累，该自旋积累的极化方向在面内且垂直于电流方向；

当向传感器导入一个垂直方向的外磁场，铁磁金属层偏置角度(θ)发生变化，自旋积累的极化方向与铁磁金属磁矩的相对方向发生变化，由于自旋霍耳或Rashba-Edelstein磁电阻效应，传感器自身的电阻会发生相应变化，通过测量器件的电阻变化，即可实现垂直磁场的测量。

进一步地，通过选取不同的电流密度，在自旋霍耳或Rashba效应产生的等效磁场作用下，实现不同的磁矩偏置角度(θ)，当偏置角度为45°时，磁传感器可以实现高线性度、高灵敏度的信号输出。

基于上述传感器层叠结构的设计与选材，可应用于测量垂直磁场或磁场的垂直分量。

具体地，使用上述传感器，在自旋霍耳或Rashba效应的作用下，仅仅需要通入电流，就可引起面内垂直电流方向的等效磁场(H_FL)，通过该磁场即可实现铁磁金属磁矩从垂直向面内的偏置，不需要其它产生偏置磁场的结构或工艺；

通过调节电流密度，可以引起不同强度的等效磁场，实现不同的磁矩偏置角度(θ)；

如图1的(c)部分所示，将数个所述的磁传感器进行惠斯通电桥连接进，则可有效地提高垂直磁场测量时的灵敏度、稳定性、以及输出电压的线性度。对上述采取数个磁传感器的惠斯通电桥进行封装，封装所选绝缘材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂或Si_xN_1-x等。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种测量垂直磁场的传感器，其特征在于：具有自旋产生层和铁磁金属层的层叠结构；

自旋产生层包含Ta、W、Pt、Hf、Au、Hf、Ta、Mo或Ti非磁金属；或是，Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃或(Bi_xSb_1-x)₂Te₃晶体薄膜；或是，Bi_xSe_1-x多晶或非晶薄膜；或是，WTe₂、MoTe₂或Mo_xW_1-xTe₂单晶、多晶或非晶外尔半金属薄膜；

铁磁金属层的选材为Co_xFe_1-x、(Co_xFe_1-x)_1-yB_y、Co、Co_xNi_1-x或Co_xPt_1-x。

2.根据权利要求1所述的测量垂直磁场的传感器，其特征在于：所述的铁磁金属层具有垂直磁化的特性，铁磁金属的垂直磁各向异性场(H_K)大于其退磁场(H_d)。

3.一种如权利要求1所述测量垂直磁场的传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，首先，层叠结构的多层膜使用MBE或磁控溅射沉积以及真空退火；然后，进行微纳加工，包括第一步光刻、氩离子刻蚀，第二部光刻等；随后，生长电极阶段，主要材料选择为Au或Cu；最后，进行清洗和封装，封装选用的材料为Al₂O₃、MgO、SiO₂或Si_xN_1-x；生长薄膜的基底材料可选择为Si或SiO₂。

4.根据权利要求3所述的测量垂直磁场的传感器，其特征在于：所述的测量垂直磁场的传感器形状为矩形、椭圆形或圆形。

5.一种如权利要求1所述测量垂直磁场的传感器的测量方法，其特征在于：将数个传感器进行惠斯通电桥连接。