CN111090063A

CN111090063A - 磁传感器

Info

Publication number: CN111090063A
Application number: CN201911016372.2A
Authority: CN
Inventors: 高野研一; 斋藤祐太; 平林启
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: US20200132786A1; JP6610746B1; DE102019113815B4; US10983181B2; JP2020067365A; DE102019113815A1; CN111090063B

Abstract

本发明涉及一种其输出特性对环境温度较不敏感的磁传感器。磁传感器(1)具有：自由层(24)，其磁化方向响应于外部磁场而改变；钉扎层(22)，其磁化方向相对于所述外部磁场固定；间隔层(23)，其位于所述钉扎层(22)与所述自由层(24)之间并表现出磁阻效应；以及至少一个磁性膜(25)，其设置在自由层(24)的侧边并向自由层(24)施加偏置磁场。满足关系0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05，其中T_{C_HM}是所述磁性膜的居里温度并且T_{C_FL}是所述自由层的居里温度。

Description

磁传感器

技术领域

本申请基于2018年10月24日提交的JP申请号2018-199998并要求其优先权，该专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。

本发明涉及磁传感器，并且具体地涉及使用磁阻效应元件的磁传感器。

背景技术

包括磁阻效应元件的磁传感器基于由磁阻效应引起的电阻改变来检测外部磁场。与其他磁传感器相比，使用磁阻效应元件的磁传感器具有更高的输出和更高的磁场灵敏度，并且还易于减小尺寸。磁传感器通常具有多层膜结构，其中其磁化方向响应于外部磁场而改变的自由层、表现出磁阻效应间隔层、以及其磁化方向相对于外部磁场固定的钉扎层按此顺序层叠。US2003/0030949公开了一种磁传感器，其具有设置在自由层的侧边的磁性膜。WO2014/208105公开了一种磁传感器，其具有将横向偏置磁场施加到磁性膜表面的导体膜。

设置在自由层的侧边的磁性膜使得自由层的磁化方向均匀。然而，除了磁传感器的输出特性之外，磁性膜的磁特性也受环境温度的影响。

本发明旨在提供一种磁传感器，其输出特性由于设置在自由层侧边的磁性膜的受控磁特性而对环境温度较不敏感。

发明内容

本发明的磁传感器包括：自由层，其磁化方向响应于外部磁场而改变；钉扎层，其磁化方向相对于所述外部磁场固定；间隔层，其位于所述钉扎层与所述自由层之间并表现出磁阻效应；以及至少一个磁性膜，其设置在所述自由层的侧边并向所述自由层施加偏置磁场。满足关系0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05，其中T_{C_HM}是磁性膜的居里温度并且T_{C_FL}是自由层的居里温度。

根据本发明，可以提供一种其输出特性对环境温度较不敏感的磁传感器。

本发明的上述和其他目的、特征和优点将从参照附图的以下描述中变得显而易见，附图示出了本发明的示例。

附图说明

图1是示意性地示出磁传感器的构造的电路图；

图2A-2B是示意性地示出磁阻效应元件的构造的视图；

图2C是示意性地示出零磁场状态下的自由层、内钉扎层和外钉扎层的磁化的视图；

图3A-3B是说明磁传感器的输出和偏置的概念图；

图4A-4B是示出偏移量变化相对于环境温度的测量值的曲线图；

图5是示出T_{C_HM}/T_{C_FL}与偏移量变化之间的关系的曲线图；

图6是示出磁性膜的膜厚度与M_st_{_HM}/M_st_{_FL}之间关系的曲线图；

图7A-7B是说明影响居里温度的参数的曲线图；

图8是示出磁性膜的居里温度、磁性膜的各向异性磁场为零的温度时的磁性膜的温度、以及磁性膜的矫顽力变为零时的磁性膜的温度之间关系的概念图；以及

图9A-9B是示意性地示出使用本发明的磁传感器的电流传感器的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述根据本发明的实施例的磁传感器。在以下说明和附图中，X方向是磁传感器的磁敏方向，并且还对应于钉扎层的磁化方向和磁阻效应元件的短轴方向。Y方向是与磁传感器的磁敏方向(X方向)正交的方向，并且还对应于零磁场状态下的自由层的磁化方向和磁阻效应元件的长轴方向。在本说明书中，“零磁场”表示不存在除偏置磁场之外的磁场的状态。Z方向是与X方向和Y方向正交的方向，并且也对应于磁阻效应元件的多层膜的层叠方向。应当指出的是，在每个附图中示出X方向的箭头的方向可以被称为+X方向，并且与箭头方向相反的方向可以被称为-X方向。

图1示出了磁传感器的示意性电路构造。磁传感器1具有四个磁阻效应元件(在下文中称为，第一磁阻效应元件11、第二磁阻效应元件12、第三磁阻效应元件13和第四磁阻效应元件14)，并且磁阻效应元件11至14通过桥接电路(惠斯通电桥)彼此连接。四个磁阻效应元件11至14被分成两组，即磁阻效应元件11、12的组和磁阻效应元件13、14的组，并且磁阻效应元件11、12和磁阻效应元件13、14分别串联连接。磁阻效应元件11、12的组的一个端部和磁阻效应元件组13、14的组的一个端部连接到电源电压Vcc，并且其他端部连接到接地(GND)。第一磁阻效应元件11与第二磁阻效应元件12之间的中点电压V1，以及第三磁阻效应元件13与第四磁阻效应元件14之间的中点电压V2可以被引出。因此，中点电压V1、V2可以分别通过以下公式获得，其中第一磁阻效应元件11至第四磁阻效应元件14的电阻分别为R1至R4。

图2A和图2B是示意性地示出第一磁阻效应元件11至第四磁阻效应元件14的构造的概念图。由于第一磁阻效应元件11至第四磁阻效应元件14具有相同的构造，因此这里将描述第一磁阻效应元件11。图2A是第一磁阻效应元件11的示意性透视图，并且图2B是沿图2A中的线A-A截取的截面图。第一磁阻效应元件11具有典型的自旋阀型膜构造。第一磁阻效应元件11由层叠层形成，所述层叠层包括反铁磁性层21、钉扎层22、间隔层23和自由层24，其以此顺序层叠。钉扎层22由内钉扎层22A、非磁性中间层22B和外钉扎层22C组成，其中内钉扎层22A与间隔层23接触，并且外钉扎层22C与反铁磁性层21接触。层叠层在Z方向上被一对电极层(未示出)夹在中间以便使感测电流在Z方向上从电极层流到层叠层。

自由层24是其磁化方向响应于外部磁场而改变并且可以例如由NiFe形成的磁化层。外钉扎层22C是其磁化方向由于与反铁磁性层21的交换耦合而相对于外部磁场固定的铁磁性层。反铁磁性层21可以由PtMn、IrMn、NiMn等形成。内钉扎层22A是夹在外钉扎层22C与间隔层23之间，并且经由由Ru、Rh等形成的非磁性中间层22B与外钉扎层22C磁性(或者更具体地说，反铁磁性地)耦合的铁磁性层。因此，内钉扎层22A和外钉扎层22C的磁化方向相对于外部磁场固定，但是磁化方向彼此反平行。间隔层23是位于自由层24与内钉扎层22A之间并且表现出磁阻效应的非磁性层。间隔层23可以是由非磁性金属(诸如Cu)形成的非磁性导电层，或者可以是由非磁性绝缘体(诸如Al₂O₃)形成的隧道势垒层。当间隔层23是非磁性导电层时，第一磁阻效应元件11作为巨磁阻效应(GMR)元件而起作用，并且当间隔层23是隧道势垒层时，第一磁阻效应元件11作为隧道磁阻效应(TMR)元件而起作用。第一磁阻效应元件11更优选地是TMR元件，这是由于较高的MR改变率并且由于桥电路的较高输出电压。在本实施例中，第一磁阻效应元件11是TMR元件。

通过省略内钉扎层22A(或外钉扎层22C)和非磁性中间层22B，可以将钉扎层22形成为单层。然而，由内钉扎层22A、非磁性中间层22B和外钉扎层22C组成的合成结构制成的钉扎层22可以使内钉扎层22A的磁化方向比由单层结构制成的钉扎层22更稳定。另外，因为从内钉扎层22A放出的磁场被从外钉扎层22C放出的磁场抵消，所以可以限制泄漏到外部的磁场。由于这些原因，钉扎层22优选地由合成结构制成。

至少一个磁性膜25沿Y方向设置在第一磁阻效应元件11的侧边。在本实施例中，一对磁性膜25沿Y方向设置在第一磁阻效应元件11的两个侧边。磁性膜25沿Y方向定位在自由层24和钉扎层22的侧边，但可以至少沿Y方向定位在自由层24的侧边。防止在自由层24与钉扎层22之间发生短路的绝缘膜(未示出)设置在自由层24与磁性膜25之间以及钉扎层22与磁性膜25之间。磁性膜25沿Y方向向自由层24施加偏置磁场，从而使自由层24的磁化方向在零磁场状态下沿Y方向对准。磁性膜25主要由CoPt、FePt或SmCo形成，并且还可以包含选自由以下组成的组的至少一种元素：Cr、Ta、B、Ni、Ti、W、V、Mo、Mn、Zr、Nb、Hf、Si、Cu、Ag、Al、Ru和Rh。这里，术语“主要”是指元素的总原子分数为70％或更多。

如图2A所示，第一磁阻效应元件11具有基本矩形的形状，其具有长轴LA和短轴SA，以及从Z方向看面向一对磁性膜25的短边S。因此，自由层24、内钉扎层22A和外钉扎层22C各自具有基本矩形的形状，其具有面向一对磁性膜25的短边S。

图2C概念性地示出了零磁场状态下的自由层24、内钉扎层22A和外钉扎层22C的磁化。附图中的箭头示意性地示出了每个层的磁化方向。由于来自磁性膜25的偏置磁场，自由层24在零磁场状态下基本上沿长轴LA方向(Y方向)被磁化。如上所述，内钉扎层22A和外钉扎层22C基本上沿短轴SA方向(X方向)被磁化，并且磁化方向彼此反平行。当沿X方向(即沿磁敏方向)施加外部磁场时，自由层24的磁化方向根据外部磁场的方向和强度在图2C中顺时针或逆时针旋转。因此，内钉扎层22A的磁化方向与自由层24的磁化方向之间的相对角度改变，并且因此对于感测电流的电阻改变。内钉扎层22A也可以称为参考层，因为它提供了自由层24的磁化方向的旋转角度的参考。

再次参照图1，第一磁阻效应元件11至第四磁阻效应元件14的内钉扎层22A的磁化指向图中箭头的方向。因此，当沿+X方向施加外部磁场时，第一磁阻效应元件11和第三磁阻效应元件13的电阻减小，而第二磁阻效应元件12和第四磁阻效应元件14的电阻增加。因此，如图3A所示，中点电压V1增加并且中点电压V2减小。当沿-X方向施加外部磁场时，与上述相反，中点电压V1减小并且中点电压V2增加。与分别检测中点电压V1、V2相比，通过检测中点电压V1、V2的差异V1-V2可以使灵敏度加倍。此外，当中点电压V1、V2产生偏移时(即，中点电压V1、V2沿图3A中的输出轴线偏移)，可以通过检测差异来消除偏移的影响。

然而，由于第一磁阻效应元件11至第四磁阻效应元件14的变动，公式1和2不严格适用并且出现一些误差。因此，如作为图3A中的部分A的放大视图的图3B所示，在差异V1-V2中出现偏移。偏移是在零磁场状态下的差异V1-V2与零的偏差。偏移影响测量外部磁场的准确度。

偏移的量值取决于磁阻效应元件的环境温度而改变。例如，在TMR元件的情况下，当温度较高时，电阻减少。另外，在TMR元件的情况下，当温度较高时，输出因为MR改变率减少而减少。这些温度特性影响偏移的量值。此外，由于磁传感器1在约-50℃至150℃的宽温度范围内使用，因此偏移倾向于在较宽范围内变化。然而，难以控制环境温度，并且因此期望偏移对环境温度基本上较不敏感。

此外，在包括磁性膜25的磁传感器1中，偏移的温度依赖性取决于磁性膜25的居里温度(铁磁性能损失的温度)。为了解决这个问题，本实施例的磁传感器1满足以下关系：0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05，更优选地，0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0.9，其中T_{C_HM}是磁性膜25的居里温度并且T_{C_FL}是自由层24的居里温度。在下文中，将描述示例。

制造具有图1所示的块电路以及图2A和图2B所示的膜构造的多个磁传感器1。如从Z方向看，第一磁阻效应元件11至第四磁阻效应元件14中的每一个形成长轴LA为3.5μm且短轴SA为0.5μm的矩形形状。自由层24由CoFe层(膜厚度2nm)/NiFe层(膜厚度6nm)形成，内钉扎层22A由CoFe层(膜厚度为1.8nm)形成，外钉扎层22C由CoFe层(膜厚度为1.7nm)形成，反铁磁性层21由IrMn层(膜厚度为10nm)形成，并且磁性膜25由CoPt层(膜厚度为35nm或50nm)形成。自由层24的CoFe层/NiFe层意味着首先沉积CoFe层，即CoFe层与间隔层23接触。间隔层23由MgO形成，并且非磁性中间层22B由Ru形成。磁性膜25的居里温度在450K至900K的范围内改变，并且测量相对于环境温度改变的偏移量变化。通过改变Pt的原子分数来调整居里温度，如图7A所示。

图4A示出了膜厚度为35nm的磁性膜25的偏移量变化的测量值，并且图4B示出了膜厚度为50nm的磁性膜25的偏移量变化的测量值。垂直轴线示出偏移量变化。偏移量变化通过50℃的偏移量进行归一化。也就是说，偏移量变化是与50℃的偏移量的偏差。参考图4A和图4B，当磁性膜25的居里温度较低时，偏移量变化相对于环境温度单调增加，并且当居里温度较高时，偏移量变化相对于环境温度单调减少。在T_c＝750K时，相对于环境温度的偏移量变化被最小化。当环境温度超过150℃时，偏移量显示出显著改变。这是因为反铁磁性层21具有低阻挡温度，并且因此当环境温度超过150℃时，反铁磁性层21与外钉扎层22C之间的耦合磁场减小。

我们认为偏移量变化取决于磁性膜25的居里温度而变化的原因如下。通常，当环境温度升高时，具有TMR元件的磁传感器1的灵敏度减小。另一方面，来自磁性膜25的偏置磁场取决于居里温度与环境温度之间的关系而改变。当居里温度较低时，磁性膜25的偏置磁场趋于随着环境温度升高而减少。这削弱了绑定自由层24的磁化方向的力(即自由层24的磁化方向容易旋转)，并由此增加灵敏度。这是增加相对于环境温度的偏移量变化的因素。当居里温度较高时，在该温度范围内的偏置磁场减少是较小的。因此，随着温度升高，自由层24的灵敏度减少。这就是为何获得图4A和图4B的趋势的原因。此外，当这些因素平衡时，偏移量变化被最小化。

对于使用具有磁性膜25的磁阻效应元件的磁传感器1，最大输出电压为约400mV。如果由于温度而引起的偏移量变化至多限制在1％以内，则在实际操作中，偏移量的影响不是大问题。因此，期望偏移量变化限制在约±4mV以内。如上所述，偏移量变化单调增加或单调减少。因此，每单位温度的偏移量变化的目标值被设置为约0.04mV/℃。在-50℃至150℃的环境温度范围内获得一系列T_{C_HM}/T_{C_FL}(磁性膜25的居里温度T_{C_HM}与自由层24的居里温度T_{C_FL}的比率)，其中偏移量变化在约0.04mV/℃内。结果如图5所示。膜厚度为20nm的磁性膜25的结果也如图5所示。当磁性膜25的膜厚度为20nm或35nm时，偏移量变化落在0.5≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05范围中的目标内，并且偏移量变化在0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0.9范围中被最小化。当磁性膜25的膜厚度为50nm时，偏移量变化落在0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05范围中的目标内，并且偏移量变化在0.8≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05范围中被最小化。

然而，当磁性膜25的膜厚度较大时，磁头1的输出因为偏置磁场增加而减少，并且由此自由层24的磁化方向较不易旋转。另一方面，具有较小膜厚度的磁性膜25不能将自由层24磁化成单个磁畴。M_St_{_HM}/M_St_{_FL}是磁性膜25的饱和磁化强度和厚度的乘积M_St_{_HM}(M_S是磁性膜25的饱和磁化强度，t是磁性膜25的膜厚度)与自由层24的饱和磁化强度和厚度的乘积M_St_{_FL}(M_S是自由层24的饱和磁化强度，t是自由层24的膜厚度)的比率，并且优选为大于等于2且小于等于4。该示例的自由层24的饱和磁化强度和厚度的乘积为7.8A(0.78emu/cm²)。因此，磁性膜25的饱和磁化强度和厚度的优选乘积是15.6至31.2A(1.56至3.12emu/cm²)，其在转换成膜厚度时对应于26nm至52nm。应当注意，磁性膜25的膜厚度t_{_HM}与M_St_{_HM}/M_St_{_FL}之间存在比例关系，如图6所示。

因此，当考虑磁体25的优选膜厚时，优选T_{C_HM}/T_{C_FL}满足0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05。

磁性膜25的居里温度T_{C_HM}可以通过改变其组成来容易地进行调整，如上参考图7A所述。如图7B所示，磁性膜25的居里温度T_{C_HM}还可以通过改变磁性颗粒的平均粒径来调整。在图7B中，水平轴线表示形成磁性膜25的磁性颗粒的平均粒径，如沿Z方向所看到的，并且竖直轴线表示居里温度。磁性膜由Co50Pt50形成，并且居里温度在平均粒径为10nm或更大且50nm或更小的范围内在420K与830K之间变化。由于自由层24的居里温度T_{C_FL}通常在650K至900K的范围内，因此如果平均粒径为10nm或更大且50nm或更小，则可以轻松满足关系0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05。

另外，在概念上，在磁性膜25的磁化、各向异性磁场和矫顽力与环境温度之间存在图8所示的关系。磁性膜25的磁化和各向异性磁场随着温度增加而实质上沿相同路径显著减少，并且在大约相同的温度下变为零。即各向异性磁场变为零时的磁性膜25的温度T_{HK＝0_HM}对应于磁性膜25的居里温度T_{C_HM}。磁性膜25的矫顽力也随着温度增加而沿与磁化和各向异性磁场相同的路径显著减少，但在比各向异性磁场变为零时的居里温度T_{C_HM}和温度T_{HK＝0_HM}略低的温度T_{HC＝0_HM}下变为零。然而，矫顽力变为零的温度T_{HC＝0_HM}与T_{C_HM}和T_{HK＝0_HM}相关。因此，可以说在自由层24的居里温度T_{C_FL}与磁性膜25的各向异性磁场变为零时的温度T_{HK＝0_HM}之间存在关系0.7≤T_{HK＝0_HM}/T_{C_FL}≤1.05，并且在自由层24的居里温度T_{C_FL}与磁性膜25的矫顽力变为零时的温度T_{HC＝0_HM}之间存在关系0.7≤T_{HC＝0_HM}/T_{C_FL}≤1.05。

上述磁传感器1可以用在例如电流传感器中。图9A示出了具有磁传感器1的电流传感器101的示意性截面图。图9B是沿图9A中的线A-A截取的截面图。磁传感器1安装在电流线102附近，并且响应于所施加的信号磁场Bs的改变而产生磁阻改变。电流传感器101具有作为用于调整磁场强度的模块的第一软磁体103和第二软磁体104、以及设置在磁传感器1附近的螺线管型反馈线圈105。反馈线圈105产生抵消信号磁场Bs的抵消磁场Bc。反馈线圈105围绕磁传感器1和第二软磁体104螺旋地缠绕。电流i在图9A中沿图中的沿前后方向(y方向)在电流线102中流动，并且在图9B中从左到右流动。电流i在图9A中感应出顺时针外部磁场Bo。外部磁场Bo被第一软磁体103衰减，然后被第二软磁体104放大，并且然后作为信号磁场Bs向左施加到磁传感器1。磁传感器1输出对应于信号磁场Bs的电压信号，并且电压信号被输入到反馈线圈105。反馈电流Fi在反馈线圈105中流动，并且反馈电流Fi产生抵消信号磁场Bs的抵消磁场Bc。信号磁场Bs和抵消磁场Bc具有相同的绝对值并且指向相反的方向。因此，通过抵消磁场Bc来抵消信号磁场Bs，并且施加到磁传感器1的磁场基本上为零。反馈电流Fi通过电阻(未示出)转换为电压，并且作为电压输出。电压与反馈电流Fi、抵消磁场Bc和信号磁场Bs成比例。因此，可以从电压获得在电流线102中流动的电流。

尽管已经详细示出和描述了本发明的某个优选实施例，但应当理解，在不脱离所附权利要求的精神或范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

Claims

1.一种磁传感器，其特征在于，

包括：

自由层，其磁化方向响应于外部磁场而改变；

钉扎层，其磁化方向相对于所述外部磁场固定；

间隔层，其位于所述钉扎层与所述自由层之间并表现出磁阻效应；以及

至少一个磁性膜，其设置在所述自由层的侧边并向所述自由层施加偏置磁场，

其中满足关系0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤1.05，其中T_{C_HM}是所述磁性膜的居里温度并且T_{C_FL}是所述自由层的居里温度。

2.根据权利要求1所述的磁传感器，其中满足关系0.7≤T_{C_HM}/T_{C_FL}≤0.9。

3.一种磁传感器，其特征在于，

包括：

自由层，其磁化方向响应于外部磁场而改变；

钉扎层，其磁化方向相对于所述外部磁场固定；

其中满足关系0.7≤T_{HK＝0_HM}/T_{C_FL}≤1.05，其中T_{HK＝0_HM}是所述磁性膜的其各向异性磁场变为零时的温度，并且T_{C_FL}是所述自由层的居里温度。

4.一种磁传感器，其特征在于，

包括：

自由层，其磁化方向响应于外部磁场而改变；

钉扎层，其磁化方向相对于所述外部磁场固定；

其中满足关系0.7≤T_{HC＝0_HM}/T_{C_FL}≤1.05，其中T_{HC＝0_HM}是所述磁性膜的其矫顽力变为零时的温度，并且T_{C_FL}是所述自由层的居里温度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中所述磁性膜主要由CoPt、FePt或SmCo形成。

6.根据权利要求5所述的磁传感器，其中所述磁性膜还包含从由Cr、Ta、B、Ni、Ti、W、V、Mo、Mn、Zr、Nb、Hf、Si、Cu、Ag、Al、Ru和Rh组成的组中选择的一种或多种元素。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中从所述自由层、所述间隔层和所述外钉扎层层叠的方向看，形成所述磁性膜的磁性颗粒的平均粒径大于等于10nm且小于等于50nm。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中所述至少一个磁性膜是位于所述自由层的两个侧边的一对磁性膜，并且从所述自由层、所述间隔层和所述钉扎层层叠的方向看，所述自由层具有矩形形状，所述矩形形状具有面向所述一对磁性膜的短边。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的磁传感器，其中所述磁性膜的饱和磁化强度和膜厚的乘积与所述自由层的饱和磁化强度和膜厚的乘积的比率为大于等于2且小于等于4。