CN112082579B - 宽量程隧道磁电阻传感器及惠斯通半桥 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽量程隧道磁电阻传感器，依次由反铁磁层、铁磁钉扎层、势垒绝缘层、铁磁自由层和非磁金属层叠加组成，利用电流在具有高自旋轨道力矩效应的功能材料(W,Ta，Pt，CuBi等)电极层中产生自旋流，注入到磁隧道结中的自由层中对其产生偏置磁场，从而改变TMR磁阻传感器的工作范围，由于这类偏置磁场的大小和方向可以方便地通过外加电流的大小和方向进行精确控制，所以TMR磁阻传感器的工作范围也可以根据实际需求进行实时的调节，解决TMR磁阻传感器工作范围小的问题。

Description

宽量程隧道磁电阻传感器及惠斯通半桥
技术领域
本申请涉及传感器设计领域，具体涉及一种宽量程隧道磁电阻传感器，及根据宽量程隧道磁电阻传感器设计的惠斯通电桥。
背景技术
磁性材料在受到外界的热、光、力以及射线的作用时，会相应地改变其磁特性。目前人们利用磁性材料的这类特性，研制出了各种高灵敏度、高温度稳定性、高响应速度、高抗干扰性和低功耗的传感器。目前，磁性传感器已被广泛应用于智能电网、智能家电、汽车电子行业、自动化制造行业、航空航天及国防安全等领域，用于电流传感、位置和方向传感及定位、物质成分检测和分析、各类环境监测等。
目前，常规的磁性传感器可分为如下四大类：平面霍尔效应(Hall)传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器、巨磁电阻(GMR)传感器和隧穿磁电阻(TMR)传感器。基于其物理机制和自身结构的限制，不同类型传感器具有不同的传感特性和应用。例如，Hall传感器是以半导体霍尔元件作为敏感单元，具有结构简单、易于加工和成本低等优势，但其功耗大、线性度差、温度稳定性差、灵敏度较低等缺陷限制了其在高端领域的应用。AMR磁阻元件的灵敏度要远高于霍尔元件，但是其线性范围窄，并且在实际使用过程中，需要用线圈对其进行预设/复位操作，且运行功耗较大。GMR类型传感器对外磁场的敏感度要比AMR类型传感器高一个数量级以上，且具有较好线性度和较低功耗，但其线性范围依然较窄。由于磁隧道中的隧穿磁电阻效应(TMR)比巨磁电阻(GMR)和各向异性磁电阻(AMR)效应要高1～3量级，达到200％-600％以上，TMR类型磁阻传感器在灵敏上可达到pT/Hz。例如，仅需把GMR类型磁读头更换成TMR磁读头，磁盘存储密度就可从100Gb/in2提高至1000Gb/in2的量级。
尽管隧穿磁电阻(TMR)传感器具有更高灵敏度、温度稳定性和低功耗等优点，受到精密检测等高端领域的广泛关注，有良好的应用前景，吸引了一批磁传感器厂家进行开发和研制，但是其依然无法克服磁阻传感器普遍存在的磁场响应窄的缺陷。磁阻传感器的有效磁场响应范围又称线性工作范围，是由磁阻传感器中的磁电阻效应随外磁场大小变化这一物理效应所决定的。在一定的低磁场范围内，隧道结的磁阻随外磁场大小呈现线性变化关系(即有效工作范围)，但当磁场继续增大时，磁阻大小逐渐趋于饱和，而不能够较好的响应磁场的变化，从而限制了传感器的灵敏度。磁阻传感器这种线性响应范围可以通过外加偏置磁场进行调整来满足各种不同磁场测试范围要求。目前现有产生偏置磁场方法是采用永磁材料提供一个固定大小偏置磁场来满足特定磁场范围需要，另外，永磁材料在较大的外磁场环境下，其磁性会发生不可恢复的转变，且这类型偏置磁体体积很大，不利于加工和集成。
发明内容
本申请提供一种宽量程隧道磁电阻传感器，用于解决TMR磁阻传感器工作范围小的问题。
本申请提供一种宽量程隧道磁电阻传感器，依次由反铁磁层、铁磁钉扎层、势垒绝缘层、铁磁自由层和非磁金属层叠加组成，其特征在于，反铁磁层由硬磁反铁磁材料组成，与铁磁钉扎层形成偏置效应；铁磁钉扎层与铁磁自由层之间由势垒绝缘层隔开；铁磁自由层由磁各向异性弱的软磁材料构成成，其磁化方向自由的随外部磁场方向和大小变化；铁磁钉扎层中的铁磁材料为自旋性极化率高的金属或半金属材料构成；非磁金属层，由具有自旋轨道力矩效应的材料构成，在非磁金属层通入面内电流对铁磁自由层产生有效偏置磁场，进而调节磁场的工作范围。
优选的，铁磁钉扎层与铁磁自由层之间由0.8-3nm势垒绝缘层隔开，从而消除铁磁钉扎层与铁磁自由层之间磁交换耦合作用和实现量子隧穿磁电阻效应。
优选的，非磁金属层，由具有高自旋轨道力矩效应的材料构成，具体包括：重金属薄膜或重金属合金或硫蔟化物薄膜或具有表面态的拓扑绝缘体材料。
优选的，在非磁金属层通入面内电流对铁磁自由层产生有效偏置磁场，进而调节磁场的工作范围，包括：
在非磁金属层通入面内电流对铁磁自由层产生有效偏置磁场；
通过调节面内电流大小和方向，对所述偏置磁场的工作范围进行调节。
本申请同时提供一种惠斯通半桥，包括两个标准电阻，两个宽量程隧道磁电阻传感器元件和非金属自由层；其中，两个宽量程隧道磁电阻传感器元件中的铁磁钉扎层的磁矩相互反向排列，其电阻分别为R1和R2；两个宽量程隧道磁电阻传感器元件分别位于非金属自由层上面，并与非金属自由层接触。
优选的，两个宽量程隧道磁电阻传感器元件中的铁磁钉扎层的磁矩相互反向排列，其电阻分别为R1和R2，其中，宽量程隧道磁电阻传感器元件MTJ1的电阻R1(T,H)＝R(T,0)-ΔR(T,H)随外磁场的增加而减小；宽量程隧道磁电阻传感器元件MTJ2的电阻R2(T,H)＝R(T,0)-ΔR(T,H)随外磁场的增加而增加；其中R(T,0)是外磁场为零时MTJ的电阻值，ΔR(T,H)是MTJ1和MTJ2这两个磁隧道结的磁阻值在某一外加磁场H作用下变化量。
优选的，两个标准电阻的电阻值为常值R，不随外磁场变化。
优选的，还包括：在两个宽量程隧道磁电阻传感器元件与两个标准电阻组成的结构中施加测量偏置电场Vcc，电桥输出电压Vout；电流流经非金属自由层产生偏置磁场，通过调节电流的大小和方向调节两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围。
优选的，电桥输出电压Vout，满足如下关系式：
式中，R为R1和R2电阻值的常值。
优选的，电流流经非金属自由层产生偏置磁场，通过调节电流的大小和方向调节两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围，包括：
宽量程隧道磁电阻传感器元件，其隧穿磁电阻值R随磁场成线性变化；
通过调节非磁金属层中的电流的大小和方向产生相应的偏置磁场Hbias，使两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围从-Hr<Hex<Hr扩展到-Hr-Hbias<Hex<Hr+Hbias；
在上述R-H线性区间内，待测磁场H＝kΔR(T,H)，其中k为隧穿磁电阻对外加磁场的响应系数根据电桥输出电压Vout关系式，得出
其中Hbias根据实际待测磁场范围进行电学设置，Hex为宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围，-Hr和Hr构成宽量程隧道磁电阻传感器元件的线性工作区域。
本申请提供一种宽量程隧道磁电阻传感器，依次由反铁磁层、铁磁钉扎层、势垒绝缘层、铁磁自由层和非磁金属层叠加组成，利用电流在具有高自旋轨道力矩效应的功能材料(W,Ta，Pt，CuBi等)电极层中产生自旋流，注入到磁隧道结中的自由层中对其产生偏置磁场，从而改变TMR磁阻传感器的工作范围，由于这类偏置磁场的大小和方向可以方便地通过外加电流的大小和方向进行精确控制，所以TMR磁阻传感器的工作范围也可以根据实际需求进行实时的调节，解决TMR磁阻传感器工作范围小的问题。
附图说明
图1是本申请示出的宽量程隧道磁电阻传感器元件的结构示意图；
图2是本申请示出的MTJ单元磁阻大小随外磁场变化关系及偏置磁场对其调节的示意图；
图3是本申请示出的MTJ磁阻传感器惠斯通半桥结构示意图和相应的等效电路图；
图4是本申请示出的MTJ磁阻传感器惠斯通电桥结构示意图和相应的等效电路图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
本申请提供一种宽量程隧道磁电阻传感器，也可称为三端口隧穿磁电阻传感器(MTJ)，其结构如图1所示，依次由1反铁磁层、2铁磁钉扎层、3势垒绝缘层、4铁磁自由层和5非磁金属层叠加组成，反铁磁层由硬磁反铁磁材料组成，与铁磁钉扎层形成偏置效应；铁磁钉扎层与铁磁自由层之间由势垒绝缘层隔开；铁磁自由层由磁各向异性弱的软磁材料构成，其磁化方向自由的随外部磁场方向和大小变化；铁磁钉扎层中的铁磁材料为自旋性极化率高的金属或半金属材料构成；非磁金属层，由具有自旋轨道力矩效应的材料构成，在非磁金属层通入面内电流对铁磁自由层产生有效偏置磁场，进而调节磁场的工作范围。
2铁磁钉扎层中的磁化方向被其相邻的1反铁磁层所钉扎以维持大于1-2特斯拉的高矫顽力场Hc，故被称为被钉扎层。
2铁磁钉扎层与4铁磁自由层之间由0.8-3nm势垒绝缘层隔开，从而消除铁磁钉扎层与铁磁自由层之间磁交换耦合作用和实现量子隧穿磁电阻效应。4
铁磁自由层由磁各向异性很弱的软磁材料如NiFe、CoFe、CoFeB等合金材料组成，其磁化方向可较自由地随外部磁场方向和大小变化，是磁电阻传感器单元中的磁场响应层，也被称之为自由层。
2铁磁钉扎层中的铁磁材料通常为自旋极化率高的Co、Fe、CoFe、CoFeB以及半金属材料CoFe2Al等合金构成。
3势垒绝缘层则通常为AlOx或MgO；1反铁磁层通常是能与铁磁层2形成很强的偏置效应的硬磁反铁磁材料如IrMn，PtMn，FeMn等。
为了解决目前两端口MTJ磁阻传感器元件的工作磁场范围窄的缺陷，本发明的核心内容是利用非磁金属层5设计了高灵敏度、宽磁场响应范围的三端口MTJ磁阻传感器元件，利用非磁金属层5具有强自旋-轨道耦合效应，可以在其邻近的铁磁自由层中通过电流I2产生很强的有效偏置磁场用于电学调节MTJ磁阻传感器元件的工作范围。5非磁金属层中使用的材料可以是重金属薄膜，如铂、钽、钨、钯等；重金属合金及硫蔟化物薄膜如：CuBi、TaOx、WOx、WTe2、WSe2、TaS2、TaSe2、TaTe2等；以及具有表面态的拓扑绝缘体材料Bi2Se3、Bi2Te3、Bi2(Se,Te)3等。
本发明提出的三端口MTJ磁阻传感器元件的工作原理如图2所示，在非磁金属层通入面内电流对铁磁自由层产生有效偏置磁场；通过调节面内电流大小和方向，对所述偏置磁场的工作范围进行调节。常规的两端口MTJ元件，其隧穿磁阻大小随外磁场呈线性变化关系的区间处于零磁场附近，如图2中的过原点实线，长方形虚线框代表其线性区间(即工作范围-Hr<H<Hr)。如上所述，本发明提出的三端口MTJ磁阻传感器元件中，其非磁金属层5可以通过电流I2对传感器中的响应层4产生大小和方向可调的有效偏置磁场，进而可以调制传感器的磁场线性响应区间，即工作范围。例如，原点左右两边的虚线分别是电流I2＝±I在非磁金属层5产生的偏置磁场±Hbias时，MTJ单元磁阻大小随待测外磁场依赖关系图。从图中可以看出，非磁金属层(5)中的I2产生的偏置磁场为±Hbias能有效地改变MTJ单元的线性区间，进而有效地扩充了MTJ磁阻传感器的工作范围，同时也保证了传感器的高灵敏性能。
另外，MTJ磁阻传感器元件中磁阻随外磁场大小相关的变化量ΔR(T,H)相对于其零场背底电阻R(T,0)是小量，如果用欧姆定律直接测量电阻变化量，受到大的零场电阻影响，导致磁场测量精度的降低。为了提高测量精度，惠斯通电桥和其他各类电桥的方法被广泛运用于测量电路中电阻的微小变化。本发明提出的这类三端口隧穿磁电阻元件也适合组建惠斯通电桥或其他各类电桥，从而把磁电阻传感器的电阻信号转变为电压用于进一步信号放大，提高信号的信噪比，消除共模信号，减少温漂或其他的不足。所以，基于同一发明构思，本发明提供一种惠斯通半桥，如图3a所示，两个三端口MTJ元件与两个标准电阻就可以组成惠斯通电桥结构的MTJ磁阻传感器。
具体的，一种惠斯通半桥，包括两个标准电阻，6和7两个宽量程隧道磁电阻传感器元件和非金属自由层；其中，6和7两个宽量程隧道磁电阻传感器元件中的铁磁钉扎层的磁矩相互反向排列，其电阻分别为R1和R2；6和7两个宽量程隧道磁电阻传感器元件分别位于非金属自由层上面，并与非金属自由层接触。
6和7两个宽量程隧道磁电阻传感器元件中的铁磁钉扎层的磁矩相互反向排列，其电阻分别为R1和R2，其中，宽量程隧道磁电阻传感器元件MTJ1的电阻R1(T,H)＝R(T,0)-ΔR(T,H)随外磁场的增加而减小；宽量程隧道磁电阻传感器元件MTJ2的电阻R2(T,H)＝R(T,0)-ΔR(T,H)随外磁场的增加而增加；其中R(T,0)是外磁场为零时MTJ的电阻值，ΔR(T,H)是MTJ1和MTJ2这两个磁隧道结的磁阻值在某一外加磁场H作用下变化量。两个标准电阻的电阻值为常值R，不随外磁场变化。
如果在6和7两个MTJ元件与两个标准电阻组成的惠斯通电桥结构施加测量偏置电场Vcc，隧穿磁电电阻R1和R2随外界磁场响应而引起自身电阻值的变化，从而在它们底端产生相应电势差Vout，基于下述公式就可以计算出来外界待测磁场的大小。图3b是这两三端口MTJ磁阻传感器组成的惠斯通电桥结构的等效电路图。根据图3b所示的等效电路图，电桥的输出电压Vout满足下面关系式：
式中，R为R1和R2电阻值的常值。
根据图2所示，TMR磁阻元件设计与惠斯通半桥结构相类似，四个这类三端口MTJ单元可以组建出一个高灵敏度、宽工作范围的惠斯通电桥结构的TMR磁阻传感器。具体结构如图4a所示，其包括9、10、11与12四个MTJ元件、13与14两个非磁金属层、15与16上电极层。9MTJ3和10MTJ4位于13非磁金属层上面，且MTJ3与MTJ4中的铁磁钉扎层的磁矩方向相互反向排列，其隧穿磁电阻分别为R3和R4，且随外磁场的增加分别表现出增加和减小的行为；11MTJ5和12MTJ6位于14非磁金属层上面，且MTJ4与MTJ5中的铁磁钉扎层的磁矩方向相互反向排列，其隧穿磁电阻分别为R5和R6，且随外磁场的增加分别表现出增加和减小的行为。这样就构造出了MTJ3与MTJ6这两个元件的电阻值R3(T,H)＝R6(T,H)＝R(T,0)-ΔR(T,H)随磁场增加而减少，MTJ4与MTJ5这两个元件的电阻值R4(T,H)＝R5(T,H)＝R(T,0)+ΔR(T,H)随磁场增加而增加，其中R(T,0)是外磁场为零时的电阻值，ΔR(T,H)是MTJ3、MTJ4、MTJ5和MTJ6这四个磁隧道结的磁阻R在某一外加磁场H作用下变化量。9MTJ3与11MTJ5，10MTJ4与12MTJ6分别通过15与16上电极层相互连接。如果在13和14两个非磁金属层之间施加测量电场Vcc，外界待测磁场大小就反应在15与16上电极层之间的电势差Vout。根据图4b所示的等效电路图，电桥的输出电压Vout满足下面关系式：
根据图2所示，TMR磁阻元件在一定范围外界磁场范围内(-Hr<Hex<Hr)，其隧穿磁电阻值R随磁场成线性变化(即工作范围)，为了进一步扩展TMR元件的磁场响应范围，可以通过调节13与14非磁金属层中的电流I2或I3的大小和方向产生相应的偏置磁场Hbias，使9、10、11与12四个MTJ元件的工作范围从-Hr<Hex<Hr扩展到-Hr-Hbias<Hex<Hr+Hbias。在上述R-H线性区间内，待测磁场H＝kΔR(T,H)，其中k为隧穿磁电阻对外加磁场的响应系数(即图2中实线在线性区间的斜率)。根据上述公式(2)，可推导出
其中Hbias可以根据实际待测磁场范围进行电学设置，Hex为宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围，-Hr和Hr构成宽量程隧道磁电阻传感器元件的线性工作区域。上述结果表明，由四个MTJ组成的惠斯通电桥结构的灵敏度是两个MTJ组建的惠斯通半桥结构的2倍。另外，需要注意的测量过程中外部环境磁场和热噪声对测量精度的影响，为了降低外部环境磁场的影响，测量部件可以采用多层坡莫合金做成磁场屏蔽箱进行环境磁场屏蔽。热噪声是影响各类电学测量精度的主要因素，是由于电路中载流子运动时受到的与温度相关的热扰动所导致的，属于高斯白噪声，可以通过在电路中添加锁相放大器技术进行消除。
由此可知，本申请提供一种宽量程隧道磁电阻传感器，利用电流在具有高自旋轨道力矩效应的功能材料(W,Ta，Pt，CuBi等)电极层中产生自旋流，注入到磁隧道结中的自由层中对其产生偏置磁场，从而改变TMR磁阻传感器的工作范围，由于这类偏置磁场的大小和方向可以方便地通过外加电流的大小和方向进行精确控制，所以TMR磁阻传感器的工作范围也可以根据实际需求进行实时的调节，解决TMR磁阻传感器工作范围小的问题。另外，这类三端口隧穿磁电阻元件也适合组建惠斯通电桥或其他各类电桥，从而把磁电阻传感器的电阻信号转变为电压用于进一步信号放大，提高信号的信噪比，消除共模信号，减少温漂或其他的不足。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种惠斯通半桥，包括两个标准电阻，两个宽量程隧道磁电阻传感器元件和非金属自由层；其中，两个宽量程隧道磁电阻传感器元件中的铁磁钉扎层的磁矩相互反向排列，其两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的电阻分别为R1和R2，其中，宽量程隧道磁电阻传感器元件MTJ1的电阻R1(T,H)＝R1(T,0)-ΔR1(T,H)随外磁场的增加而减小，R1(T,0)是外磁场为零时MTJ1的电阻值，ΔR1(T,H)是MTJ1磁隧道结的磁阻值在某一外加磁场H作用下变化量；宽量程隧道磁电阻传感器元件MTJ2的电阻R2(T,H)＝R2(T,0)-ΔR2(T,H)随外磁场的增加而增加；其中R2(T,0)是外磁场为零时MTJ2的电阻值，ΔR2(T,H)是MTJ2磁隧道结的磁阻值在某一外加磁场H作用下变化量；两个宽量程隧道磁电阻传感器元件分别位于非金属自由层上面，并与非金属自由层接触。
2.根据权利要求1所述的惠斯通半桥，其特征在于，两个标准电阻的电阻值为常值R，不随外磁场变化。
3.根据权利要求2所述的惠斯通半桥，其特征在于，还包括：在两个宽量程隧道磁电阻传感器元件与两个标准电阻组成的结构中施加测量偏置电场Vcc，电桥输出电压Vout；电流流经非金属自由层产生偏置磁场，通过调节电流的大小和方向调节两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围。
4.根据权利要求3所述的惠斯通半桥，其特征在于，电桥输出电压Vout，满足如下关系式：
式中，R为R1和R2电阻值的常值。
5.根据权利要求3所述的惠斯通半桥，其特征在于，电流流经非金属自由层产生偏置磁场，通过调节电流的大小和方向调节两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围，包括：
宽量程隧道磁电阻传感器元件，其隧穿磁电阻值随磁场成线性变化；
通过调节非磁金属层中的电流的大小和方向产生相应的偏置磁场Hbias，使两个宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围从-Hr<Hex<Hr扩展到-Hr-Hbias<Hex<Hr+Hbias；
其中Hbias根据实际待测磁场范围进行电学设置，Hex为宽量程隧道磁电阻传感器元件的工作范围，-Hr和Hr构成宽量程隧道磁电阻传感器元件的线性工作区域。
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