CN111929625A - 磁场传感器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种磁场传感器，应用于磁传感器技术领域，所述磁场传感器的衬底上沉积单层铁磁层，所述铁磁层内部发生自旋积累，以与所述铁磁层的磁矩相互作用产生单向磁电阻；所述磁场传感器为霍尔棒结构，利用所述霍尔棒结构测量所述单向磁电阻。本申请还公开了一种测试方法，单向磁电阻信号强度强，利用普通的电压即可进行磁场全角度检测。

Description

磁场传感器及测试方法

技术领域

本申请涉及磁传感器技术领域，尤其涉及一种磁场传感器及测试方法。

背景技术

磁场传感器在日常生活中扮演着重要角色，广泛应用在数据存储、物联网、汽车、航天、仪器仪表、导航等各个领域。目前的磁场传感器主要基于霍尔效应、各向异性磁电阻效应，巨磁电阻效应或隧穿磁电阻效应。

目前所有的磁场传感器的探测角度范围均为0°至180°，即输出信号正比于sin 2α或cos 2α，α为被探测磁场的角度，因此，目前的磁性传感器的探测角度范围均为0°至180°，无法区分被探测的磁场角度是α还是α+180°。单向磁电阻(USMR)理论上正比于sinα或cosα，具有0°至360°的角度探测能力，但在实际样品中，其仅存在于重金属/铁磁层的多层磁性薄膜中，在电流密度为10⁷A/cm²的探测电流下信号强度约为1mΩ，仅能通过锁相放大器等高精度仪器才可以探测到。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种磁场传感器，可实现0°至360°的全角度探测，同时结构简单、信号强度强，利用普通的电压检测设备即可进行检测。

为实现上述目的，本申请实施例第一方面提供一种磁场传感器，所述磁场传感器的衬底上沉积单层铁磁层，所述铁磁层内部发生自旋积累，以与所述铁磁层的磁矩相互作用产生单向磁电阻；

所述磁场传感器为霍尔棒结构，利用所述霍尔棒结构测量所述单向磁电阻。

可选的，所述铁磁层的上下表面的磁非活跃层具有非对称性。

可选的，所述铁磁层为CoFeB、Ni、CoFe、NiFe、Fe五种材料中的一种或几种的合金或者多层异质结，总厚度在1纳米至500纳米之间。

可选的，所述传感器为霍尔棒结构，霍尔棒的宽度在10纳米至1毫米之间，相邻两个霍尔棒的中心距离在15纳米至1毫米之间。

可选的，所述铁磁层上沉积有保护层，所述保护层为金属氧化物；

本申请实施例第二方面提供一种测试方法，应用于本申请实施例第一方面提供的磁场传感器，所述方法包括：

在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压；

根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻。

可选的，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个正电流，读取霍尔棒结构产生的电压，计算在所述正电流下测量到的电阻；

在磁场传感器上施加一个负电流，读取霍尔棒结构产生的电压，计算在所述负电流下测量到的电阻；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算在所述正电流下测量到的电阻和在所述负电流下测量到的电阻之间的差值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

可选的，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个脉冲电流，读取霍尔棒结构产生的脉冲电压；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算所述脉冲电压和所述脉冲电流的比值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

可选的，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个连续变化的电流，读取霍尔棒结构产生的电压；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算所述电压对所述电流的导数，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

可选的，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个频率为ω的交变电流，读取霍尔棒结构产生的频率为2ω的电压；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算所述频率为2ω的电压和所述频率为ω的电流的比值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的磁场传感器的示意图；

图2为本申请一实施例提供的测试方法的流程示意图；

图3为本申请一实施例提供的在正负电流下磁场传感器的电阻和外磁场的关系图；

图4为本申请一实施例提供的单向磁电阻和外磁场的关系图；

图5为本申请一实施例提供的单向磁电阻和外场角度的依赖关系图。

具体实施方式

为使得本申请的申请目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请一实施例提供的磁场传感器的示意图，所述磁场传感器的衬底上沉积单层铁磁层，所述铁磁层内部发生自旋积累，以与所述铁磁层的磁矩相互作用产生单向磁电阻；所述磁场传感器为霍尔棒(Hall Bar)结构，利用所述霍尔棒结构测量所述单向磁电阻。

其中，所述霍尔棒结构由两个并列的纵向霍尔棒101和102和一个横向霍尔棒103组成。

可选的，该衬底为绝缘衬底，衬底的材料为Si/SiO₂、MgO、Al₂O₃等，厚度在10纳米至1毫米之间。

当前单向磁电阻效应中，自旋积累都是通过一个相邻的非铁磁性层产生的，因此需要两层以上的异质结结构。而本申请中自旋积累来自于铁磁层本身，可无需额外的非铁磁性层。

具体的，当自旋积累所对应的自旋极化方向和铁磁层的磁化方向一致时，单向磁电阻为一个阻态，当自旋积累所对应的自旋极化方向和铁磁层的磁化方向反平行时，单向磁电阻为另一个阻态。由于铁磁层内部的自旋积累所对应的自旋极化方向和电流方向相关，同时铁磁层的磁化方向和外磁场的方向相关，因此通过改变电流方向和磁场方向(如旋转180°)都会导致单向磁电阻的变化，从而可用于外磁场在0°至360°范围内变化的探测，同时测量电流产生的能斯特效应可以增强单向磁电阻信号。而基于霍尔效应、AMR、GMR和TMR的磁场传感器中，磁场旋转180°不会导致电阻信号发生改变，同时也不可能会增强单向磁电阻信号。

在本公开其中一个实施例中，所述铁磁层的上下表面的磁非活跃层(magneticdead layer)具有非对称性。

具体的，常规的铁磁层具有很强的轨道耦合作用，通常表现出反常霍尔效应、自旋霍尔效应、以及反常能斯特效应等。由于常规的铁磁层结构具有反演对称性，自旋霍尔效应导致和反常霍尔效应导致的自旋积累在铁磁层内部会互相抵消。而本申请铁磁层上下表面的磁非活跃层是不对称的，这样就导致了反演对称性的破缺，因此可以在铁磁层内部产生一定方向的自旋积累。自旋积累和铁磁层本身磁矩的相互作用就会导致一个额外的类似于巨磁电阻效应的电阻，即单向磁电阻。

在本公开其中一个实施例中，所述铁磁层为CoFeB、Ni、CoFe、NiFe、Fe五种材料中的一种或几种的合金或者多层异质结。

具体的，通过利用上述材料制作而成的铁磁层，可以使铁磁层内部发生自旋积累。

在本公开其中一个实施例中，所述铁磁层为总厚度在1纳米至500纳米之间。

在本公开其中一个实施例中，所述霍尔棒101、102、103的特征宽度(featuresize)在10纳米至1毫米之间，霍尔棒101、102与霍尔棒103的两个交叉点的中心间距为15纳米至1毫米。

在本公开其中一个实施例中，所述铁磁层上沉积有保护层，所述保护层为金属氧化物；所述磁场传感器的表面镀有氧化物保护层。

可选的，金属氧化物如SiO₂，MgO，Al₂O₃等，保护层的厚度在1纳米至1微米之间。

可选的，该磁场传感器表面的氧化物保护层的厚度约为100纳米。

在上述实施例图1提供的磁场传感器，其制备方法包括：在衬底上沉积铁磁层和保护层；通过光刻、电子束曝光和离子刻蚀得到所述霍尔棒结构101、102、103；给所述霍尔棒结构101、102、103镀上氧化物保护层。

需要说明的是，还可通过光刻在霍尔棒结构各端沉积电极用于测试。

请参阅图2，图2为本申请一实施例提供的测试方法的流程示意图，该测试方法应用于图1所示的磁场传感器，该测试方法包括：

S201、在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压；

S202、根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻。

在本申请其中一个实施例中，步骤S201包括：在磁场传感器上施加一个正电流，读取霍尔棒结构产生的电压，计算在所述正电流下测量到的电阻；在磁场传感器上施加一个负电流，读取霍尔棒结构之间产生的电压，计算在所述负电流下测量到的电阻；

步骤S202包括：计算在所述正电流下测量到的电阻和在所述负电流下测量到的电阻之间的差值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

在本申请其中一个实施例中，步骤S201包括在磁场传感器上施加一个脉冲电流，读取磁场传感器产生的脉冲电压；

步骤S202包括：计算所述脉冲电压和所述脉冲电流的比值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

在本申请其中一个实施例中，步骤S201包括：在磁场传感器上施加一个连续变化的电流，读取磁场传感器产生的电压；

步骤S202包括：计算所述电压对所述电流的导数，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

在本申请其中一个实施例中，步骤S201包括：在磁场传感器上施加一个频率为ω的交变电流，读取磁场传感器之间产生的频率为2ω的电压；

步骤S202包括：计算所述频率为2ω的电压和所述频率为ω的电流的比值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

以下以绝缘衬底选用上表面具有300纳米厚的二氧化硅的硅片衬底、单层铁磁层选用4纳米厚的CoFeB、保护层为10纳米的SiO₂为例对本公开进行示意性说明，其不可理解为对本公开的限制。以上各层通过磁控溅射依次沉积在衬底上。沉积的样品通过光刻和离子刻蚀制备出如图1所示的霍尔棒结构，其中沿着x，y方向霍尔棒的宽度均为2.5微米，沿着x方向的两个霍尔棒中心的间距为100微米。图3在接入正电流和负电流(I)下，磁场传感器的电阻(R)和磁场的关系，即普通的AMR测量结果。从图3中可以看到在接入正电流和负电流下，电阻的差别较大。在接入正电流和负电流下的电阻差值和磁场方向有关：当磁场为正时，负电流测得的电阻阻值高于正电流测得的阻值；当磁场为负时，正电流测得的电阻阻值大于负电流测得的电阻。图4为根据图3计算的单向磁电阻(ΔR)和外磁场的关系。从图4中可以看到，单向磁电阻依赖于外磁场的方向。图5为单向磁电阻和外场角度α的依赖关系，其明显遵从cosα关系，可实现360°全角范围的磁场探测。根据此样品例的实测结果，在1.5×10⁷A/cm²的探测电流下信号强度约为1.2欧姆，是重金属/铁磁层中信号的1000倍以上。以上数据的测量均为普通的电流电压表，无需高精度的锁相测试方法。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种磁场传感器及测试方法的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种磁场传感器，其特征在于，所述磁场传感器的衬底上沉积单层铁磁层，所述铁磁层内部发生自旋积累，以与所述铁磁层的磁矩相互作用产生单向磁电阻；

所述磁场传感器为霍尔棒结构，利用所述霍尔棒结构测量所述单向磁电阻。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述铁磁层的上下表面的磁非活跃层具有非对称性。

3.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述铁磁层为CoFeB、Ni、CoFe、NiFe、Fe五种材料中的一种或几种的合金或者多层异质结，总厚度在1纳米至500纳米之间。

4.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述传感器为霍尔棒结构，霍尔棒的特征宽度在10纳米至1毫米之间，相邻两个霍尔棒的中心距离在15纳米至1毫米之间。

5.根据权利要求1所述的磁场传感器，其特征在于，所述铁磁层上沉积有保护层，所述保护层为金属氧化物。

6.一种测试方法，应用于权利要求1至5任意一项所述的磁场传感器，其特征在于，所述方法包括：

在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压；

根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻。

7.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构之间的电压包括：

在磁场传感器上施加一个正电流，读取霍尔棒结构产生的电压，计算在所述正电流下测量到的电阻；

在磁场传感器上施加一个负电流，读取霍尔棒结构产生的电压，计算在所述负电流下测量到的电阻；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算在所述正电流下测量到的电阻和在所述负电流下测量到的电阻之间的差值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

8.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个脉冲电流，读取霍尔棒结构产生的脉冲电压；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算所述脉冲电压和所述脉冲电流的比值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

9.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个连续变化的电流，读取霍尔棒结构产生的电压；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算所述电压对所述电流的导数，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

10.根据权利要求6所述的测试方法，其特征在于，所述在磁场传感器接入预设电流，读取霍尔棒结构的电压包括：

在磁场传感器上施加一个频率为ω的交变电流，读取霍尔棒结构产生的频率为2ω的电压；

所述根据所述预设电流和电压，计算所述磁场传感器的单向磁电阻包括：

计算所述频率为2ω的电压和所述频率为ω的电流的比值，得到所述磁场传感器的单向磁电阻。

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