CN1113572A

CN1113572A - 带有自旋阀磁阻元件的桥电路磁场传感器及其制作方法

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Publication number: CN1113572A
Application number: CN95105085A
Authority: CN
Inventors: 莫里斯·穆萨·多维克; 小罗伯特·爱德华·方塔纳; 维尔吉尔·西蒙·斯波里奥苏; 雅克林·凯特内尔·斯邦
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1995-05-05
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2015-05-05
Also published as: DE69534013T2; DE69534013D1; JP3017061B2; JPH08226960A; ATE289419T1; BR9504583A; CN1085843C; KR0175979B1; KR960018612A; EP0710850A2; AU1788295A; EP0710850A3; CA2158304A1; EP0710850B1; US5561368A; TW487169U

Abstract

一个磁场传感器利用四个单个磁阻自旋阀元件电连接于一个桥电路中。这些自旋阀元件以单板印刷术形成于同一片基上。在片基上形成一个电导体固定层。在制作磁场传感器过程中通过该固定导体加一电流以使两个被定住层的磁化强度方向固定成与另两个被定住层磁化强度方向反平行。通过制作传感器过程中适当固定被定住层磁化强度方向并适当连接输入和输出端引出脚，桥电路输出电压或为磁场的度量或为磁场梯度的度量。

Description

本发明涉及磁场传感器，特别是关于在桥电路中使用磁阻（MR）传感器元件的磁场传感器。

磁场传感器有广泛的商业用途，其应用诸如线性或环形编码器，接近度检测器，以及地球场磁力仪等。一种通用的磁场传感器是以霍尔效应为基础，用于感知100至1000奥斯特（Oe）范围的磁场，另一种通用的磁场传感器是以半导体或铁磁材料中的磁阻（MP）效应为基础，用于感知与霍尔效应传感器相比较小的磁场和在较远距离上的磁场。MR磁场传感器通过磁性材料制成的敏感元件中电阻的变化来检测磁场信号，作为敏感元件所感知的磁通量强度和方向的函数。

传统的MR传感器的运作是基于各向异性磁阻（AMR）效应，其中敏感元件电阻的一个分量随敏感元件中磁化强度和通过敏感元件的传感电流方向之间夹角余弦的平方而变化。被传感的外部磁场造成敏感元件中磁化强度方向的变化，这种变化反过来造成敏感元件中电阻的变化和被感知电流或电压的相应变化。

由AMR材料制成的电桥电路用作感知大约50Oe以下的磁场。在惠斯登桥电路中使用AMR元件的磁场传感器一例在授予Honeywell的美国专利No.5，247，278中进行了描述。在电气和电子工程师学会磁学会刊（IEEE Transactions on Magnetics）卷MAG-6，1976年11月，813-815页上描述了AMR惠斯登桥电路的另一个例子，该例中的桥电路和一个电流母线（current strap）一起使用，起到电流传感器的作用。

在多种磁性多层结构中已观测到另一种更显著的磁阻，叫作巨大磁阻（GMR）。GMR的实质性特点是它至少有两个铁磁金属层被一个非铁磁金属层分隔开。这种GMR效应已在多种显示出铁磁层的强抗铁磁耦合的多种系统中发现，例如Fe/Cr、Co/Cu、或Co/Ru，而且还在实际上不耦合的多层结构中发现，在这种多层结构中两个铁磁层之一里的磁化强度方向是固定的，或者说是被定住的。在所有GMR结构中的物理根源都是相同的;所施加的外磁场使相邻铁磁层的相对取向发生了变化。这种变化又引起依赖于自旋的导电电子散射的变化，从而使结构的电阻发生变化。这样，结构电阻随着铁磁层磁化强度相对排列的变化而变化。GMR的一个特别有用的应用是一种夹层结构，其组成是两个不耦合铁磁层被一个非磁性金属分离层隔开，其中一个铁磁层的磁化强度是被定住的。将要被定住的铁磁层放置在一个铁-锰（Fe-Mn）层上以互换耦合这两层，从而是实现固定磁化强度。这样造成一个自旋阀（SV）传感器，其中只有未定住的或自由的铁磁层在存在外加磁场时是自由转动的。IBM的美国专利第5，206，590号披露了一种基本SV传感器。IBM的美国专利第5，159，513号披露的一种SV传感器中至少几个铁磁层之一是钴或钴合金，而且其中通过被定住铁磁层与一抗铁磁层的互换耦合使在零外加磁场情况下这两个铁磁层的磁化强度保持彼此基本上互相垂直。IBM的美国专利No.5，341，261描述的一种SV传感器在其与金属隔离层相邻处有一钴薄膜用以增大磁阻。有最线性响应和最宽动态范围的SV传感器是这样一种传感器，其中被定住铁磁层的磁化强度平行于信号场，而自由铁磁层的磁化强度垂直于信号场。Heim等人在“自旋阀传感器的设计与操作”（IEEE Transaetions on Magnetics，卷30，第2期，1994年3月，316-321页）一文中描述了SV传感器的设计与操作。

Daughton等在“应用于低强度场的GMR材料”（IEEE Transaetions on Magnetics，卷29，第6期，1993年11月，2705-2710页）中已建议在桥电路中使用GMR元件制作磁场传感器。该参考文献提出使用“被定住的”GMR结构（即SV元件）的桥电路是可能的，但他声明这种装置还没有被展示出来。

所需要的是这样一种桥电路磁场传感器，它利用了SV传感器的优于传统AMR传感器的改进了的性能。

本发明是一个磁场传感器，它利用了四个单个自旋阀（SV）元件电连接于一个桥电路中。SV元件用平板印刷术形成于同一片基上，使它们的自由层磁化强度轴彼此平行。在该片基上形成一个导电固定层，但它与各SV元件绝缘。在制造磁场传感器过程中，当固定导体中通过电流和同时对传感器适当加热和冷却，从而使SV元件中被定住层磁化强度方向固定成这样的结果：在两个SV元件中的被固定层的磁化强度方向反平行于另两个SV元件中的被固定层的磁化强度方向。桥电路输出电压响应传感器平面中的外加磁场。制造传感器过程中通过适当地固定被定住层磁化强度方向，使桥电路的输出电压成为或者是磁场强度的度量或者是磁场梯度的度量。该传感器提供磁场或磁场梯度的大小与符号两者的度量。固定导体，或者在片基上形成的一个单独的电流母线，能用于通过传感器传送一个未知电流，在这种情况下桥电路的输出电压是这一未知电流的度量。

为了进一步理解本发明的特性和优点，应参考下文中结合附图所做的详细描述。

图1是桥电路磁场传感器的示意图，表明构成SV元件的各层中的磁化取向。

图2给出单个SV元件的电阻响应，作为施加的或外部的被感知磁场的函数。

图3给出桥电路磁场传感器的被测电压响应，作为被感知磁场的函数。

图4是在片基上形成的桥电路磁场传感器组成层的平面图。

图5是桥电路磁场传感器的放大图，显示出片基上形成的各层。

图6是穿过图4中X-X截面选取的桥电路磁场传感器截面图。

图7A-7D给出制作构成桥电路磁场传感器所用典型SV元件的各层在制作过程各个阶段的状况。

首先参考图1，图中显示出SV桥电路磁场传感器的示意图，其中四个单独的SV元件A、B、C和D排列在一个惠斯登桥电路中。为了展示出构成每个SV元件A-D的各单个层，在图中的SV元件以透视图来表现。在实际上，它们是形成于图中平面上的。每个SV元件有长度L和宽度W。SV元件在平面上的排列是使它们的长度，彼此平行。被感知的磁场用箭头H表示，它处于该图所在平面并与SV元件的长度L垂直。

传感器10有第一组终端引出线20和22，分别位于第一和第二SV元件A-B之间以及第三和第四SV元件C-D之间，用作传感器的输入端引线。在输入端20和22之间加以恒定电压（图中未画出）。传感器10有第二组终端引出线24和26，分别位于SV元件A-C和B-D之间，用作传感器的输出端。被感知的外部磁场H引起每个SV元件中电阻的变化。

参考图1中的SV元件B能理解传感器10的操作，图1中显示了构成SV传感器的各个单层。SV元件B的构成是：一个铁磁自由层36，一个非铁磁隔离层37，一个被定住铁磁层39，以及一个抗铁磁层41用于定住相邻的被定住层39。操作传感器10的关键是每个SV元件A-D中相对自由和被定住层的取向。如图1所示，在没有外加磁场的情况下，对于4个SV元件所有自由层而方，各磁化强度轴的最佳方向是沿着SV元件的长度L。在典型SV元件B中，对于自由层36这个方向用箭头32表示。这样，在SV元件A-D中自由层磁化强度方向是排列成彼此平行的。然而，每个被定住层的磁化强度轴（在典型SV元件B中对被定住层39用箭头38表示）的取向垂直于通过其SV元件的电流的方向，而与其SV元件的宽度W平行。然而，在SV元件B和C中被定住层的磁化强度方向与SV元件A和D中被定住层的磁化强度方向相反。再参考典型SV元件B，被定住层39的磁化强度轴38与自由层36的最佳磁化强度轴32之间的垂直角在没有磁场的情况下提供了SV元件的最线性响应。常用的估计SV元件信号能力的性能指标是固有磁阻△R/R.用电阻变化（对于平行和垂直于传感器磁化强度的电流）除以平均电阻来计算。

因为SV元件A-D是在一共用基片上同时形成的，而且有同时确定的平板印刷尺寸，所以传感器10的桥电路是平衡的。于是终端引出线24和26之间的差分输出电压近似于零。当传感器10暴露于一均匀磁场H时，其自由层转动一个角度d而被定住层不受影响，造成每个SV元件A-D中电阻的改变。如图1所示，H是一个外加磁场，它完全处在基片平面内，其方向垂直于SV元件的长度L。然而，如果外加磁场不在片基平面内和/或不完全垂直于SV元件的长度L，那么传感器10将提供外加磁场的处于片基平面内和方向垂直于SV元件长度L的分量的振幅（大小和符号）的度量。

单个SV元件的电阻响应示于图2。对于输出终端引出线24和26之间出现的电压，元件A和D（它们各自的电阻为RA和RD）的响应必须与元件B和C的响应大小相等而符号相反。如在前面引述的Heim的参考文献所讨论的那样，这个关系是：

RA＝RD＝R_o+△R/2×H/H_k（eff）（1）

这里R_o是没有外加磁场时SV元件的电阻，H_k（eff）是SV元件的有效各向异性场，△R是SV元件电阻的最大变化。对于其被定住层垂直于元件长度L而且沿着正外加场H方向的SV元件（如元件B和C），这个等式是有效的。对于均匀外加磁场H，SV元件A和D有相等的电阻，因为它们有完全相同的几何形状。SV元件B和C的被定住层与SV元件A和D的被定住层成反平行排列，所以它们对外加磁场H的响应有相反的符号但相等的幅度：

RB＝RC＝R_o-△R/2×H/H_k（eff）（2）

桥电路的响应V_out由下式给出：

V_out＝V_in×（ (RC)/(RA+RC) ）-V_in×（ (RD)/(RB+RD) ）（3）

这里Vin是加到输入端引线20和22之间的供给电压。用上面给出RA、RB、RC和RD值代入该式，得到输出电压：

V_out＝-V_in×（△R/2R_o）×H/H_k（eff）（4）

如等式（4）所示，传感器的电压响应是完全在片基平面内且垂直于SV元件长度的外加磁场振幅（大小和符号）的度量。如果外加磁场有不在片基平面内和不垂直于SV元件长度的分量，那么等式（4）是处于片基平面内且垂直于SV元件长度的外加磁场分量的近似表示。

H_k（off）与桥电路磁场传感器对外加磁场H的灵敏度有关，并且包括在2至5奥斯特范围内的固有晶体各向异性以及形状各向异性，对于长度为L的较长元件，形状各向异性近似地由下式给出：

H_k（shapc）＝4πM₃（t/W）（5）

这里W是SV元件的宽度，t是自由层的厚度。H_k（off）是为克服由于结晶和形状各向异性产生的能量所需附加的磁场，因而使自由层垂直于指向它的容易轴（easy axis）。对于50A（埃）厚度的Ni-Fe自由层，H_k（shqpe）对于10微米宽的SV元件是5奥斯特，对于3.3微米宽的SV元件是15奥斯特。

使用△R/R为6%、片电阻为15欧姆、宽度W为3.3微米和和长度L为500微米的SV元件，当外加磁场H从＝H_k（off）变到+H_k（off）时，磁场传感器的电阻将变化136欧姆。对于供电电压Vin为5V的情况，这将造成场传感器输出Vout从-150mV变化到+150mV。这显示在图3的测量得到的磁场传感器响应中。对于20奥斯特的H_k（off）和5V的Vin，这相应于其响应为每奥斯特7.5mV。相比之下，对于当前商用AMR传感器而言，这个值是1.5mV每奥斯特。

在所显示和描述的最佳实施例中，输入电源是一个恒定电压源，如果输入电源是一个恒定电流源，该传感器也能工作。

图4和图5给出SV桥式磁场传感器10的最佳实施例。图4显示出在硅（Si）片基50上成型的构成桥电路的各具体分层;图5是这些层的放大透视图，以便更好地展示出它们的片基50上的取向。

参考图5，首先是一个缓冲层51沉积在Si片基50上。然后，SV元件A-D的各层按下述方式形成于缓冲层51之上。在此之后，缀片形式的电导体52、54、56、58成型于各SV元件A-D的末端以便电连接这四个单独的SV元件。电导体缀片52和56分别互连SV元件A-B和C-D，并包括传感器10的输入端引脚20和22。电导体缀片54和58分别互连SV元件A-C和B-D，并包括传感器10的输出端引脚24和26。然后在电导体缀片52、54、56和58以及SV元件上面形成绝缘层60。接着，在绝缘层60上面成型一个电导体SV元件固定层70。该固定层覆盖于所有SV元件A-D之上，但由于绝缘层60的存在并不与它们电连接。SV元件固定层并不一定在完成后的传感器10操作过程中起作用，在制造传感器10时要用它按下述方式永久性地定住每个SV元件被定住层。

下面将参考图6描述传感器10的制作过程，图6是通过图4中X-X截面所作的截面图。传感器10是利用传统的薄膜沉积、平板印刷和蚀刻处理制作出来的。一个单晶半导体品位的硅（Si）薄片用作为片基50。然后在Si片基50上用溅镀法沉积一个厚约1000-2000

的氧化铝（Al₂O₃）缓冲层51。缓冲层51的目的是对Si片基51提供电绝缘。然后在缓冲层51上形成单个SV元件A-D，图6中显示了SV元件A和B。

现在参考图7A-7B来描述典型的SV元件B的制作。在缓冲层51上先沉积一个50

厚的钽（Ta）底层55。如图7A所示，第一铁磁层36沉积于缓冲层51之上。层36是SV元件中的自由铁磁层，最好由Ni-Fe（镍-铁）构成，其组分范围是Ni₈₀Fe₂₀至Ni₈₅Fe₁₅，其厚度为10-100

。然后在铁磁层36上依次沉积一个薄的非铁磁金属隔离层37，一个铁磁材料第二薄层39，一个有相对较高电阻并直接与铁磁层39接触的互换偏倚材料薄层41，以及一个钽（Ta）盖层44。第二铁磁层39将成为被定住层，它也是由Ni-Fe构成的，厚度为10-100

。非磁性隔离层37最好是铜（Cu）的，形成厚度为20-40 。互换偏倚层41最好是由适当的抗铁磁材料制成，如铁-锰（Fe-Mn）或镍-锰（Ni-Mn）层，形成厚度为100-400

。

虽然在图7A-7D中没显示出来，但如先前引证过的，261号专利所示，在每个SV元件的最佳实施例中，其自由和被定住铁磁层36和39分别由铜隔离层37上的钴（Co）薄膜（5-15A厚）及Ni-Fe薄膜（10-100A厚）组成。这样可以产生较大的△R/R和较大输出电压。图3中的数据对应于由这种SV元件制成的磁场传感器。

铁磁层36被称作“自由”铁磁层，因为它将响应外加磁场（图1所示磁场H）而自由转动其磁化强度方向32。铁磁层39被称作“被定住的”铁磁层，因为它的磁化强度方向被固定或者说定住于一个优先取向，如箭头38所示，在存在外加磁场时不能转动。

然后在盖层44上成型光敏抗蚀剂以确定单个矩形SV元件A-D的形状，然后用传统的去除技术（例如离子研磨）去掉层36、37、39、41和44的未被光敏抗蚀剂保护起来的部分，并稍微深入到底层55。如图7B所示，这样造成了确定得很好的边缘，用以规定出每个SV元件的长度L和宽度W。这样，图7A-7B展示了构成SV元件（例如图6中的典型SV元件B）的方式方法。下一步是构成导体缀片（如缀片54、56）以电连接各SV元件。

现在参考图7B，光敏抗蚀剂45成型于SV元件之上以形成电导体缀片，例如缀片54、56（图7C）。在一种制作过程中，电导体由顺序沉积的Ta（钽）、Au（金）和Ta层构成，其总厚度达1000

。将缀片沉积于SV元件上然后去掉光敏抗蚀剂和金属而留下缀片（图7C）从而实现与每个SV元件的电连接。在另一种制作过程中，首先对SV元件端部进行离子研磨以去掉（多余）材料，然后或者沉积Ni-Fe和互换材料，或者沉积硬材料（CoPtCr），作为层57，随后再沉积Ta/Au/Ta。然后去掉光敏抗蚀剂和金属以形成如7D所示缀片54、56的形状。

尽管图7A-7B所示典型SV元件B的实施例中的自由层36的位置比被定住层39更靠近底层51，但以相反方式形成SV元件也是可能的，即以被定住层更靠近底层。在那种结构中，用于定住被定住层39的抗铁磁层41就要位于底层55和被定住层39之间。

再参考图6，导体缀片，如54、52、56，规定了一个互连所有SV元件A-D的电通路。在形成缀片和除掉光敏抗蚀剂之后，再沉积一层中等绝缘层60（最好是氧化铝（Al₂O₃））作为厚度约1500 的一片覆盖在缀片54、52、56及SV元件上。然后再加上光敏抗蚀剂并成型，以确定在氧化铝绝缘层60上覆盖的SV元件固定层70。导电固定层70最好是金（Au）的，而且其沉积厚度约为2000

。附加的氧化铝顶部绝缘层80（图4和图5中未画出）沉积成一个保护外套罩在形成传感器10的所有薄膜上。最后，以传统方式形成从顶部绝缘层80向下到固定层70的通道以构成固定层70的终端引出脚（引出脚72示于图6），再向下通过绝缘层80和60以形成导体缀片终端引出脚（引出脚26示于图6）。

在这些制作步骤之后，下一步是必须定住每个被定住层，如SV元件B中的层39（见图1），从而使它们的磁化强度方向永久固定于适当的方向对SV元件B的被定住层其方向为箭头38所示）。这样作是必要的，以便使每个被定住层的磁化强度取向垂直于通过各SV元件的电流方向，并处于图1中所示的各自方向。使用先前的SV元件制作过程不可能使四个不同的被定住层的磁化强度定住在不同的方向上，因为使用外加磁场来固定会使所有磁化强度取向于同一方向，这将使传感器10不能被用作为桥电路磁场传感器。利用导体固定层70使被定住层永久性定住在它们各自的适当取向成为可能。

再参考图4和图5，通过导体固定层70上的引出脚72和74加上固定电流（引出脚76和78不用于固定过程，但保留供下述其他应用中使用）。该电流值可以选择，从而使电流伴随的磁场有足够的强度使被定住层的磁化强度取向于适当方向。对于SV元件A、B、C、D，通过其固定层70每个脚的电流方向分别由箭头91、92、93和94表示。在每个SV元件被定住层的磁化强度将取向于由众所周知的“右手定则”所确定的方向。对于被定住层的这些方向示于图1。如果在SV元件上固定层70的宽度为10微米，通过固定层70的一个230mA电流将产生一个大约145Oc（奥斯特）的磁场。这个磁场的方向是“向上”还是“向下”取决于桥电路每个脚（亦即每个SV元件A-D）中的电流方向。当加上固定用电流时，如果抗铁磁定住层是Fe-Mn，则传感器10被加热到大约150-160℃。这个温度超过了使Fe-Mn亚晶格磁化强度与相邻被定住层磁化强度排成一行所需要的温度。在Fe-Mn的情况中，这个使其排成一行的设置温度被称作锁定（blocking）温度。自由和被定住的Ni-Fe层二者的磁化强度都与固定用电流造成的磁场排成一行。因为Ni-Fe被定住层被互换耦合于相邻的Fe-Mn层，它们的磁化强度将排列成平行于其相应Fe-Mn抗铁磁层的磁化强度。然后该传感器被冷却而同时继续加以固定用电流。在冷却之后，Fe-Mn抗铁磁层的亚晶格磁化强度取向被固定，它也把被互换耦合的被定住层的磁化强度永久定住在所希望的方向。当固定用电流被断掉后，自由层的磁化强度取向转向它们的原来状态，这通常是平行于SV元件的长度L。即使单个SV元件都形成于同一片基上。将不同的被定住层的磁化强度方向永久地固定于不同方向的这一过程造成了平衡电桥，其中每个脚按相反的意义响应被感知的外磁场。

对于SV元件而言，固定用电流值、固定层尺寸、以及固定过程对于获得尽可能大的△R/R是重要的。固定电流层70和各SV元件之间的重叠对于简化可制造性是需要的，以便提供层排列和层宽度容差，以及好的磁场均匀性。这一重叠应该最小为绝缘层60厚度的3倍。这种重叠的意思是层70中的导体宽度应该重叠每个SV元件的宽度W。这一重叠可以是在SV元件每侧大约3微米。在所述实施例（图4所示）中，SV元件的宽度是3.3微米，叠加在SV元件上的固定导体的宽度是10微米。

固定层70的电流按下列公式确定加于SV元件上的横向磁场H_T：

H_T＝2πI/W_F（6）

这里I的单位是mA，W_F是导体的宽度，以微米为单位，H_T是磁场，以Oc为单位。磁场H_T之值最小应为2H_k（off），因为当SV元件被加热超过它们的设置温度时，该磁场需要克服自由层和被定住层二者的形状各向异性磁场。因为H_k（off）只包括形状各向异性场的平均值，所以应该使用3-10H_k（off）范围的H_T值以保证被定住层的边缘部分也能适当地排列。对于图4所示实例，使用H_T＝7H_k（off）去固定被定位层。

磁场传感器10被固定用电流产生的热以及周围的热（通常来自加热炉）二者加热，以便提高其温度。如果使用Fe-Mn作为互换偏倚层，这个温度通常是160-180℃，这是Fe-Mn的锁定温度分布的上边缘。可选择其他抗铁磁材料作为互换偏倚层，这将需要不同的温度。例如，Ni-Mn有大约240℃的设置温度，必须在这一温度退火1-3小时，以使被定住层的互换场设置在所希望的方向。如果Ni-Mn被加热到这一温度以上，那么退火时间可以缩短。对于Ni-Mn的情况，设置温度不是锁定温度，而是发生四方晶相变的温度。当被定住层被固定以使因薄膜性质变化造成的△R/R损失达到最小时，对于Fe-Mn的最佳最高温度是200℃，而对于Ni-Mn是250℃。

一部分热量是由固定用电流本身提供的。对于升温的这一贡献是通过接通固定用电流时测量电阻的增大值并使用传感器材料的已知温度系数计算出来的。所测得的这一升温在30-50℃范围内。这样，传感器被置入一个加热炉中，它的温度是所需温度和由固定用电流产生的升温二者之差。单靠固定用电流加热也可能超过设置温度，这取决于传感器的热绝缘程度。在那种情况下，通过冷却使传感器保持在所希望的温度，以保证温度不会显著高于设置温度。

如果互换偏倚层是由Fe-Mn构成的，那么在保持固定用电流接通的情况下把传感器冷却到大大低于Fe-Mn锁定温度，在这一温度点被固定层的全部区域被固定于所希望的方向。然后断掉固定用电流。如果互换偏倚层不是Fe-Mn而代这以Ni-Mn构成，则在继续向传感器供给固定用电流的情况下使传感器退火到240℃大约1-3小时。这将保证溅镀的Ni-Mn转变成具有400℃以上的锁定温度的抗铁磁四方晶相。在Ni-Mn已被退火足够长时间从而得到所需换偏倚水平之后，可以去掉固定用电流和使传感器冷却。

使用Fe-Mn作为每个SV元件中的抗铁磁层的传感器将具有操作温度范围高达120℃左右和存储温度高达150℃左右。使用Ni-Mn代替Fe-Mn能使最高操作温度提高到180℃左右。在Lin等的“铁磁Ni-Fe和抗铁磁Ni-Mn基膜之间改进的互换耦合”（Applicd Physics Letters（应用物理通讯），卷65，第9期，1994年8月，1183-1185页）一文中描述了使用Ni-Mn与Ni-Fe互换耦合。使用Ni-Mn代替Fe-Mn使操作温度提高了大约60℃，但也由于较低的磁阻△R/R使信号幅度损失百分之十五至二十。这一点由Speriosu等在“面间混合在巨磁阻中的作用”Physical Review B（物理评论B），卷47，第17期，1993-I，5月1日，11579-11582页）一文中描述过。

图5所示各层排列是在片基上制作各层的优选顺序。然而，但也可以将导体固定层70置于片基和SV元件之间，将绝缘层60置于导体固定层70和SV元件之间，从而以此方式制成传感器。

所显示和描述的磁场传感器是为测量在片基平面内的外加磁场振幅而设计的。然而，通过使被测量电流通过导电固定层70，该传感器也能用作为电流传感器。于是，固定层也用作为施加被感知电流的电流条（strap）。该电流按上述等式（6）产生一个磁场，而该磁场被桥式传感器检测到。参考图5，在这一应用中的电流将在固定层70的引脚76和78之间注入。另一种方式是可在传感器上形成一个与固定层分开的单独的电流条作为被感知电流的通路。

磁场传感器也可以构成为测量外加磁场H的梯度而不是外加磁场H的幅度。参考图1，如果在制作过程中固定电流被驱动的方式是使SV元件A和C与SV元件B和D有大小相等但符号相反的响应，那么这个桥电路将对SV元件B和D（或等效的A和C）之间发生的外加磁场值变化敏感。例如，在制作过程中将固定电流输入到图5中的引脚76和78，便能实现这种结构。遵循将磁场传感器作为磁场梯度传感器的制作过程，并按磁场幅度传感器相同的方式连接输入和输出引脚（图1），磁场梯度传感器有由下式给出的响应：

V_out=v_in(ΔR)/(R_o) (S)/(4H_k(eft)) (dH)/(dx) (7)

这里 (dH)/(dX) 是在垂直于元件长度L方向上的磁场梯度，S是在同一方向上元件之间的距离。SV元件A和C的间距S示于图5。等式（7）中的电压响应也给出了磁场梯度符号的度量。

尽管在传感器作为磁场传感器和磁场梯度传感器的最佳实施例中，输入和输出的连接如图1所示（即通过第一组引出脚20和22输入，通过第二组引出脚24和26输出），若将输入和输出联接对换（即通过第二组引出脚24和26输入，通过第一组引出脚20和22输出），该传感器也能工作。这种安排将会工作，但由于输入电流方向对SV元件自由层偏倚点的影响使它的性能低于最佳性能。如在前面引证的Heim等的文章中所解释的那样，由于处在次最佳偏倚点使每个SV元件的动态范围减小。

尽管详细展示了本发明的最佳实施例，但应该清楚地看到，可以对本发明进行修改和改进而不离开下面的权利要求书中所描述的本发明的范围和精神。

Claims

1、一个磁场传感器，包括：

一个片基；

在该片基上形成的第一、第二、第三和第四自旋阀元件，每个自旋阀元件的组成是：(a)在没有外加磁场时有一优选磁化强度轴的一个自由铁磁层，(b)与此自由铁磁层相邻的一个非磁性隔离层，(c)一个与该隔离层相邻的被定住铁磁层，它的磁化强度轴被定住在与自由铁磁层的优选磁化强度轴成一个角度的方向，这四个自由层的优选磁化强度轴彼此基本平行，而四个被定住层的磁化强度轴彼此基本平行或反平行；以及

在片基上形成的将四个自旋阀元件互连的电导体。

2、根据权利要求1的磁场传感器，其特征在于：电导体包括位于相邻自旋阀元件之间的终端引出脚。

3、根据权利要求2的磁场传感器，其特征在于：第一和第四自旋阀元件的被定住层磁化强度轴彼此平行排列，第二和第三自旋阀元件的被定住层磁化强度轴彼此平行排列但与第一和第四自旋阀元件磁化强度轴反平行，其组成中还包括一个电源连接在第一和第二自旋阀元件间的终端引出脚与第三和第四自旋阀元件间的终端引出脚上，而第一和第三自旋阀元件间的终端引出脚与第二和第四自旋阀元件间的终端引出脚构成该传感器的输出终端引出脚以提供被感知磁场大小的度量。

4、根据权利要求2的磁场传感器，其特征在于：第一和第三自旋阀元件的被定住层磁化强度轴彼此平行排列，第二和第四自旋阀元件的被定住层磁化强度轴彼此平行排列但与第一和第三自旋阀元件磁化强度轴反平行，其组成中还包括一个电源连接在第一和第二自旋阀元件间的终端引出脚与第三和第四自旋阀元件间的终端引出脚上，而第一和第三自旋阀元件间的终端引出脚与第二和第四自旋阀元件间的终端引出脚构成该传感器的输出终端引出脚以提供被感知磁场梯度的度量。

5、根据权利要求1的磁场传感器，其特征在于：其电导体包括位于相邻自旋阀元件之间的终端引出脚，第一和第二自旋阀元件之间及第三和第四自旋阀元件之间的终端引出脚构成了第一组引出脚，而第一和第三自旋阀元件之间及第二和第四自旋阀元件之间的引出脚构成了第二组引出脚，其组成中还包括一个输入电源通过第一组或第二组引出脚连到传感器上;从而在跨过未与输入电源相连的那一组引出脚所测量的输出电压提供了被感知磁场的度量。

6、根据权利要求5的磁场传感器，其特征在于：跨过未与输入电源相连的那一组引出脚所测量的输出电压是处于片基平面内的磁场分量的幅度和符号二者的度量。

7、根据权利要求5的磁场传感器，其特征在于：跨过未与输入电源相连的那一组引出脚所测量的输出电压是处于片基平面内的磁场分量的梯度的幅度与符号的度量。

8、根据权利要求1的磁场传感器，其特征在于：它还包括一个在片基上形成的与自旋阀元件排成一列的第二导电体，用于制作传感器过程中传导一个固定用电流以使自旋阀元件被定住层的磁化强度轴取一定方向，还包括一个位于自旋阀元件和第二电导体之间的绝缘层。

9、根据权利要求8的磁场传感器，其特征在于：这第二电导体是在片基上形成的电流条，用于在制成传感器之后接受被测量电流，而磁场传感器通过感知穿过电流条的电流所伴随的磁场来测量穿过电流条的电流。

10、根据权利要求1的磁场传感器，其特征在于：每个自旋阀元件还包括一个抗铁磁材料的互换偏倚层靠近并接触被定住铁磁层，以使被定住层的磁化强度定住在所希望的方向。

11、根据权利要求10的磁场传感器，其特征在于：互换偏倚层是铁一锰或镍-锰层。

12、根据权利要求1的磁场传感器，其特征在于：它还包括一个在片基上形成的电流条，用于接受要被测量的电流，而磁场传感器通过感知穿过电流条的电流所伴随的磁场来测量穿过电流条的电流。

13、一个响应外加磁场而产生输出电压的桥电路磁场传感器，该传感器包括：

一个片基;

在该片基上形成的第一、第二、第三和第四自旋阀元件，每个自旋阀元件的组成是：（a）在没有外加磁场时有一优选磁化强度轴的一个自由铁磁层，（b）与该自由铁磁层相邻的一个非磁性隔离层，以及（c）一个与该隔离层相邻的被定住铁磁层，它的磁化强度轴被定住在与自由铁磁层的优选磁化强度轴成一个角度的方向，这四个自由层的优选磁化强度轴彼此基本平行，而四个被定住层中两个的磁化强度方向基本上彼此平行，而且基本上与另两个被定住层的磁化强度方向反平行;

在片基上形成的第一电导体，用于将四个自旋阀元件互连，该第一导体包括位于相邻自旋阀元件之间的终端引出脚，第一和第二自旋阀元件间的与第三和第四自旋阀元件间的终端引出脚构成第一组引出脚，而第一和第三自旋阀元件间的与第二和第四自旋阀元件间的终端引出脚构成第二组终端引出脚;

一个在片基上形成的第二电导体，它与自旋阀元件排成一行，以便在传感器制作过程中传导一个固定用电流使被定住层的磁化强度取一定方向;以及

自旋阀元件和第二电导体之间的一个绝缘层。

14、根据权利要求13的磁场传感器;其特征在于：第一和第四自旋阀元件的被定住层磁化强度方向彼此排成一行，而且还包括一个电源连在第一组终端引出脚上;于是跨过第二组终端引出角的输出电压是基本上处于片基平面内的外加磁场振幅的度量。

15、根据权利要求13的磁场传感器;其特征在于：第一和第三自旋阀元件的被定位层磁化强度方向彼此平行，它还进一步包括一个与第一组终端引出脚相连的电源;于是跨在第二组终端引出脚之间的输出电压是一个外部磁场分量的梯度的测量，该磁场分量基本上处于片基平面内沿着通常垂直于自旋阀元件长度的方向。

16、根据权利要求13的磁场传感器，其特征在于：第二电导体的宽度在自旋阀元件的每一侧边重叠于自旋阀元件的宽度，其重叠距离大于约3倍绝缘层厚度，该绝缘层位于自旋阀元件和第二电导体之间。

17、根据权利要求13的磁场传感器，其特征在于：第二电导体是在片基上形成的电流条，用于在传感器制成后接受被测电流，而磁场传感器通过感知穿过该电流条的电流所伴随的磁场来测量穿过该电流条的电流。

18、根据权利要求13的磁场传感器，其特征在于：每个自旋阀元件还包括一个抗铁磁材料的互换偏倚层靠近并接触被定住铁磁层，以使被定住层的磁化强度定住在所希望的方向。

19、根据权利要求18的磁场传感器，其特征在于：互换偏倚层是铁-锰或镍-锰层。

20、一个响应外加磁场而产生输出电压的桥电路磁场传感器，该传感器包括：

一个片基;

在该片基上形成的通常为长方形的第一、第二、第三和第四自旋阀元件，它们的长度方向通常是平行的，每个自旋阀元件的组成是：（a）在没有外加磁场时有一通常是平行于自旋阀元件长度的磁化强度轴优选方向的自由铁磁层，（b）与该自由铁磁层相邻的一个非磁性隔离层，以及（c）一个与隔离层相邻的被定住铁磁层，它的被定住向磁化强度轴通常平行于自旋阀元件的宽度，在第一和第四自旋阀元件中的被定住层磁化强度方向彼此平行而且基本上与另两个被定住层的磁化强度方向反平行;

在片基上形成的第一电导体，用于将四个自旋阀元件互连，该第一导体包括位于相邻自旋阀元件之间的终端引出脚，第一和第二自旋阀元件之间的与第三和第四自旋阀元件之间的终端引出脚构成提供传感器输入电源的输入端，而第一和第三自旋阀元件间的与第二和第四自旋阀元件间的终端引出脚构成传感器输出电压的输出端;

一个在片基上形成的第二电导体，它与自旋阀元件排成一行，以便在传感器制作过程中传导一个固定用电流使被定住层的磁化强度取一定方向;

自旋阀元件和第二电导体之间的一个绝缘层;以及

连到输入引出脚的电源;从而使输出电压提供一个对基本上处于片基平面内且沿基本上垂直于自旋阀元件长度方向的外加磁场分量振幅的度量。

21、制作桥电路磁场传感器的方法，包括：

提供一个片基;

在片基上形成第一、第二、第三和第四自旋阀元件、每个自旋阀元件的形成步骤组成是：（a）沉积一个在没有外加磁场情况下取优选的磁化强度轴向的自由铁磁层，（b）在自由铁磁层上沉积一个非磁性隔离层并与自由铁磁层接触，（c）在隔离层上沉积一个用作为被定住层的第二铁磁层并与隔离层接触，（d）在第二铁磁层上沉积一个由具有特性设置温度的抗铁磁材料构成的互换偏倚层，并使该层与第二铁磁层接触;

形成第一电导体与每个自旋阀元件接触，以允许各自旋阀元件电互连;

在片基上形成第二电导体并使其与自旋阀排成一列;

在自旋阀元件和第二电导体之间形成一个绝缘层，以防止流经第二导体的电流流过自旋阀元件;

通过第二电导体施加一个固定用电流以产生一个伴随的磁场，用以使每个第二铁磁层和互换偏倚层的磁化强度取一定方向;

在施加固定用电流过程中控制互换偏倚层的温度使其高于所述设置温度。

22、根据权利要求21的方法，还包括：

在施加固定用电流过程中使互换偏倚层的温度降到所述设置温度以下，从而使每个互换偏倚层的磁化强度方向成为固定的;以及

然后去掉所加的固定用电流，从而使每个第二铁磁层的磁化强度方向被它伴随的互换偏倚层定住。

23、根据权利要求22的方法，其特点在于：控制温度步骤是施加足够强度的固定用电流以使互换偏倚层的温度上升到所述设置温度以上，降低温度步骤是冷却片基。

24、根据权利要求22的方法，其特征在于：控制温度的步骤是施加足够强度的固定用电流以使互换偏倚层的温度上升到所述设置温度以上，降低温度步骤是冷却片基。

25、根据权利要求21的方法，其特征在于：互换偏倚层是由Ni-Mn（镍-锰）构成的，控制温度的步骤组成是：保持互换偏倚层的温度高于所述设置温度达一段时间，以获得足够的互换偏倚水平，而且还包括：

在此之后去掉固定用电流并使互换偏倚层的温度降到所述设置温度以下。

26、根据权利要求21的方法，其特征在于：构成每个自旋阀元件的步骤还包括：在沉积互换偏倚层之后，沉积一个有自旋阀元件形状的掩盖层并通过掩盖层浸蚀掉先前沉积的层;从而使各自旋阀元件同时形成于该片基上。