CN113098473B - 一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子材料与元器件技术领域，具体为一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，包括基片、上下电极、传感单元薄膜和导电薄膜。本发明利用不对称残余应变材料的残余应变有无可通过脉冲电压极性调控的特点，通过应变对基片上传感单元薄膜的铁磁层1产生磁弹耦合能有无来实现巨磁电阻双极性开关传感器中开关场的调控。由于该调控可在一固定传感单元中开关场调整，并且可配合残余应变引入时间，实现不对称开关场形式的巨磁电阻双极性开关传感器，因而可以提高该类产品的适应度及扩展应用场景，满足一些特殊的应用需求。

Description

一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器
技术领域
本发明属于电子材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体为一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器,利用残余应变诱导的磁弹耦合能实现开关场区域可调。
背景技术
磁双极性开关是利用正、负两个磁场，通过在正、负磁场下磁传感器件输出电压的高低实现开关性能。在直流无刷电机、速度传感器、脉冲计数器、临近开关、编码器中具有众多的应用。
一般情况下，将在正磁场下磁传感器件输出低电压时对应的磁场记为Bop(磁场工作点，打开场)，在负磁场下磁传感器输出高电压时对应的磁场记为Brp(磁场释放点，关闭场)，如图1所示。而其中的磁传感单元可由巨磁电阻薄膜构成，通过巨磁电阻薄膜中电阻值在正、负磁场下的改变实现高、低电压的输出，构成磁双极开关。其中巨磁电阻薄膜采用如下结构：铁磁层1(自由层)/隔离层/铁磁层2/超薄金属层/铁磁层3/反铁磁层，其中铁磁层2/超薄金属层/铁磁层3/反铁磁层构成的结构称为人工反铁磁钉扎结构(或固定层)，通过该结构可以使铁磁层2的磁矩固定，不随外磁场转动，且对铁磁层1无静磁耦合作用。而铁磁层1的磁矩则会随外磁场转动，当所施加的外磁场大于铁磁层1的饱和场时，铁磁层1的磁矩则会沿外磁场方向取向。这样，如果固定层磁矩沿正方向，当所施加的磁场为负磁场(对应于图1中的Brp)，且大于铁磁层1的饱和场，铁磁层1磁矩将沿负方向取向，根据巨磁电阻效应规律此时巨磁电阻薄膜中将获得高电阻，对应输出为高电压；而如果反过来，当所施加的磁场为正磁场(对应于图1中的Bop)，且大于铁磁层1的饱和场，铁磁层1磁矩将沿正方向取向，根据巨磁电阻效应规律此时巨磁电阻薄膜中将获得低电阻，对应输出为低电压，这样就实现了磁双极开关所需要的性能，如图1所示。由以上描述可见，磁双极开关的开关场大小其实对应的就是铁磁层1的饱和场。一般情况下铁磁层1正方向和负方向的饱和场大小是一样大的，因此|Bop|＝|Brp|。
目前，对于不同场景应用的磁双极开关，由于所需开关场大小不同，因此一般都是通过改变铁磁层1所用材料、厚度等参数来实现开关场大小的调整。一般只要巨磁电阻薄膜传感单元镀制完成则其开关场即确定了，不能更改；因此，目前的磁双极开关为适应不同的开关场需求，产品是系列化的。
可见，现有磁双极开关存在场景适应性相对单一，导致其应用时一定程度受限，以及面对多种需求时需要多个产品，从而总体使用成本增加的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有磁双极开关因制备完成后开关场大小不可变产生的一系列问题，本发明提供了一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，在巨磁电阻磁双极开关薄膜制备完成后，通过不对称应变材料引入无需电场维持的残余磁弹耦合能，改变巨磁电阻薄膜中铁磁层1的饱和场，实现在同一磁双极开关中可获得不同开关场区域，满足不同的应用需求。另外，通过应变材料上正负电压脉冲对有、无残余磁弹耦合能的调控，可实现不对称开关场|Bop|≠|Brp|的磁双极开关，满足特殊开关场区域的应用需求。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，包括基片、上下电极、传感单元薄膜和导电薄膜。
所述上下电极分别制备于基片的上下两面且不与传感单元薄膜和导电薄膜接触，作为对基片施加电压的电极。
所述传感单元薄膜为巨磁电阻薄膜共计n个，n个传感单元薄膜通过n-1个导电薄膜沿其长轴方向依次串联设置于基片的一面；巨磁电阻薄膜由从下至上依次堆叠的铁磁层1/隔离层/铁磁层2/超薄金属层/铁磁层3/反铁磁层构成；在传感单元薄膜沉积过程中沿长轴方向加上外磁场H，用于人工反铁磁结构中交换偏置场的形成，使铁磁层2的磁矩固定，n＞0。
所述导电薄膜共计n-1个，n-1个导电薄膜将n个传感单元薄膜沿其长轴方向依次串联设置于基片的一面，且导电薄膜不具有磁性，作为传感单元薄膜间的连接导线。
所述基片采用不对称残余应变材料，具有在正或负极性电压脉冲作用后在铁磁层1中产生无需电场维持的残余磁弹耦合能，而在另一极性电压脉冲作用后可去除铁磁层1中的残余磁弹耦合能恢复到最初状态。
进一步的，所述传感单元薄膜和导电薄膜的布局图形为折线型。
进一步的，所述基片采用的材料为离子掺杂的PMN-PT或离子掺杂的PZN-PT。
进一步的，通过上下电极对基片施加正或负极性电压脉冲，对铁磁层1引入无需电场维持的残余磁弹耦合能，改变巨磁电阻薄膜中铁磁层1的饱和场，将初始开关场Bop1和Brp1改变到Bop2和Brp2；而后，再施加另一极性电压脉冲去除铁磁层1中的残余磁弹耦合能，恢复到初始状态的开关场Bop1和Brp1；以此实现在同一巨磁电阻双极性开关传感器获得不同对称型的开关场区域。
进一步的，所述对称型的开关场区域调整具体为：
在基片上施加正或负极性的脉冲电压，使该脉冲去除后在基片上存在残余应变，该残余应变对铁磁层1引入无需电场维持的残余磁弹耦合能，使铁磁层1的初始磁矩偏离原水平方向，使得铁磁层1的饱和场增大产生效果1，或者产生的残余磁弹耦合能使铁磁层1初始磁矩方向不改变但矫顽场增大，进而增大饱和场产生效果2；其中残余磁弹耦合能产生的是效果1还是效果2取决于残余磁弹耦合能正、负及铁磁层1磁滞伸缩系数的正、负。
当磁弹耦合能与铁磁层磁滞伸缩系数的乘积为正时，产生效果2，而当磁弹耦合能与铁磁层磁滞伸缩系数的乘积为负时，产生效果1；由于饱和场的增加使得该巨磁电阻磁双极性开关传感器的开关场相应改变增加为Bop2和Brp2。
如果需要将巨磁电阻磁双极性开关的开关场区域由Bop2和Brp2恢复为Bop1和Brp1，则需在具有残余应变的基片上施加另一极性的脉冲电压，去除残余应变即可。
进一步的，初始开关场为Bop1和Brp1，残余磁弹耦合能作用下改变的开关场为Bop2和Brp2，通过基片上正、负电压脉冲对有、无残余磁弹耦合能的调控，实现Bop1、Brp1、Bop2和Brp2的不对称排列组合开关场|Bop|≠|Brp|的磁双极开关。
进一步的，所述不对称型的开关场区域调整具体为：
如需实现不对称的开关场区域，如Bop1到Brp2的开关场区域，则可以在磁场还未达到释放点磁场Brp1时，在基片上施加一正或负极性的脉冲电压引入残余应变，使磁场释放点的磁场改变为Brp2，而在磁场到达磁场工作点Bop1之前在基片上施加另一极性的脉冲电压，去除之前的残余应变，则即可实现Bop1开、Brp2关的不对称开关场。
如需实现Bop2到Brp1的开关场区域，则需要先在基片上施加一正或负极性的脉冲电压引入残余应变，并在磁场还未达到释放点磁场Brp1时在基片上施加另一极性的脉冲电压，去除基片的残余应变，磁场释放点的磁场为Brp1，而在磁场到达磁场工作点Bop1之前在基片上施加一正或负极性的脉冲电压引入残余应变，则即可实现Bop2开、Brp1关的不对称开关场。
进一步，如需实现不对称的开关场区域，如Bop1到Brp2的开关场区域，则可以在磁场还未达到第一组磁场释放点磁场Brp1时，在具有残余应变的压电基片上施加一极性的脉冲电压，使该脉冲去除后在压电基片上引入残余应变，使磁场释放点的磁场改变为Brp2，而在磁场到达磁场工作点Bop1之前在具有残余应变的压电基片上施加另一极性的脉冲电压，去除之前的残余应变，则即可实现Bop1开、Brp2关的不对称开关场。而利用类似的方法，同样可实现Bop2开、Brp1关、的开关场区域。
上述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：选用PMN-PT、PZN-PT等具有不对称残余应变的材料作为磁双极性开关的基片材料，并在基片上下两面制备作为对压电基片施加电压的上下电极；上下电极不与传感单元薄膜和导电薄膜接触，作为对基片施加电压的电极。
其中选用的不对称应变材料应具有在正或负极性电压脉冲作用后在铁磁层1中产生无需电场维持的残余磁弹耦合能，而在另一极性电压脉冲作用后可去除铁磁层1中的残余磁弹耦合能恢复到最初状态。
步骤2：对于n个传感单元薄膜L1，采用标准lift-off光刻工艺，曝光出预设图形，然后将曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积铁磁层1/隔离层/铁磁层2/超薄金属层/铁磁层3/反铁磁层的传感单元薄膜(巨磁电阻薄膜层)。并在薄膜沉积过程中沿长轴方向加上外磁场H，利用人工反铁磁结构的形成，并使铁磁层2的磁矩固定。
其中L1为传感单元薄膜区域采用巨磁电阻薄膜结构，L1部分薄膜镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶。
步骤3：而后，对于n-1个导电薄膜L2部分，采用标准lift-off光刻工艺，曝光出预设图形，然后将曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积出Cu、Ag、Cr、Au等不具有磁性的导电薄膜。导电薄膜L2镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶。n-1个导电薄膜L2最终作为连接导线，将n个传感单元薄膜L1依次串联。此时即可获得开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器(如图2所示)，此时的开关场记为初始开关场Bop1和Brp1。
本发明利用不对称残余应变材料的残余应变有无可通过脉冲电压极性调控的特点，通过应变对铁磁层1产生磁弹耦合能有无来实现巨磁电阻双极性开关传感器中开关场的调控。由于该调控可在一固定传感单元中开关场调整，并且可配合残余应变引入时间，实现不对称开关场形式的巨磁电阻双极性开关传感器，因而可以提高该类产品的适应度及扩展应用场景，满足一些特殊的应用需求。
综上所述，本发明在巨磁电阻薄膜镀制备完成后，可通过对基片施加脉冲电压改变该磁双极开关的开关场，并且在开关场可改变的基础上配合一定调控方法，还可实现一些|Bop|≠|Brp|特殊场景的应用。因此，本发明有效提高了磁双极开关的适应度，解决了现有磁双极开关存在场景适应性相对单一，导致其应用时一定程度受限，以及面对多种需求时需要多个产品，从而总体使用成本增加的问题。
附图说明
图1是磁双极开关的开关电压示意及对应的巨磁电阻传感单元薄膜结构图。
图2是实施例磁双极性开关传感器结构示意图。
图3是实施例的磁双极性开关传感器常规开关性能输出测试图。
图4是实施例在同一单元上实现的另一开关场测试图。
图5是实施例在同一单元上实现的一种|Bop|≠|Brp|开关测试图。
图6是实施例在同一单元上实现的另一种|Bop|≠|Brp|开关测试图。
附图说明：1-铁磁层，2-隔离层，3-铁磁层2，4-超薄金属层，5-铁磁层3，6-反铁磁层，L1-传感单元薄膜，L2-导电薄膜。
具体实施方式
以下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器的制备方法及其调控实现过程，包括以下步骤：
步骤1：选用Mn2+离子掺杂且具有不对称残余应变的PMN-PT压电材料作为基片材料。该压电材料施以正电压脉冲作用后，基片上会产生无需电压维持的残余应变；而当对该压电材料施以负电压脉冲作用后，基片应变状态会回到初始态，其上原有残余应变会去除，不存在应变。采用真空镀膜工艺在该基片的下表面沉积Au(300nm)，作为对基片施加电压的下电极。
步骤2：采用标准lift-off光刻工艺，曝光出如图2所示的L1部分图形(商业化常用的折线型)，然后将曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积CoFe(14nm)/Cu(4nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(3nm)/IrMn(15nm)/Ta(5nm)的巨磁电阻薄膜层。其中顶层Ta(5nm)主要作为覆盖层，保护整个结构不被氧化。在薄膜沉积过程中沿巨磁电阻薄膜层的长轴方向加上外磁场H，制备完成后使铁磁层2的磁矩固定，不随开关磁场的影响而翻转。L1导电薄膜镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶。
步骤3：而后，对于L2及上电极部分，采用标准lift-off光刻工艺，曝光出图形，然后将曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积Cu(50nm)作为导电薄膜。L2及电极部分薄膜镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶。
步骤4：此时采用常规的巨磁电阻双极开关传感器测试方法，可得到如图3所示的常规开关图形，其中Brp＝-800e，Bop＝+800e。
步骤5：在PMN-PT基片上、下电极上加以+4.5kV/cm的脉冲电压，作用时间为10μs，当脉冲作用完成后将在基片上出现无需电压维持的负残余应变，对于巨磁电阻薄膜铁磁层1(CoFe(14nm))产生磁弹耦合能，由于CoFe薄膜磁滞伸缩系数为正，因此在该磁弹耦合能作用下无外磁场情况下其磁矩将偏离最初的长轴方向转向短轴方向一定角度，因而使其磁饱和场增大。此时采用常规的巨磁电阻双极开关传感器测试方法，可得到如图4所示的对称开关图形，其中Brp＝-2500e，Bop＝+2500e。
步骤6：在步骤5测试完成后，在PMN-PT基片上、下电极上加以-4.5kV/cm的脉冲电压，作用时间为10μs，当脉冲作用完成后基片上的残余应变将去除，此时巨磁电阻双极开关恢复到步骤4中所获得的开关图形。
步骤7：对于残余应变去除的磁双极开关传感器，我们采用如下的调控方式则可获得不对称的开关图形：在磁场由正转换到负磁场且还未达到常规磁场释放点磁场Brp1时，在PMN-PT基片上施加10μs的正电压脉冲，在基片上引入残余应变，这时磁场释放点的磁场将改变为Brp2；而在磁场由负转换到正磁场且还未达到常规磁双极开关磁场工作点Bop1之前在PMN-PT基片上施加10μs的负极性脉冲电压，去除之前的残余应变，则即可实现Bop1开、Brp2关的不对称开关场，如图5所示。
而利用类似的方法，同样可实现Bop2到Brp1的开关场区域，如图6所示。
通过以上实施例样品以及测试数据可见，本发明利用不对称残余应变材料的残余应变有无可通过脉冲电压极性调控的特点，通过应变对铁磁层1产生磁弹耦合能有无来实现巨磁电阻双极性开关传感器中开关场的调控。由于该调控可在一固定传感单元中开关场调整，并且可配合残余应变引入时间，实现不对称开关场形式的巨磁电阻双极性开关传感器，因而可以提高该类产品的适应度及扩展应用场景，满足一些特殊的应用需求。

Claims (8)

1.一种开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：包括基片、上下电极、传感单元薄膜和导电薄膜；
所述上下电极分别制备于基片的上下两面且不与传感单元薄膜和导电薄膜接触，作为对基片施加电压的电极；
所述传感单元薄膜为巨磁电阻薄膜共计n个，n个传感单元薄膜通过n-1个导电薄膜沿传感单元薄膜的长轴方向依次串联设置于基片的一面；巨磁电阻薄膜由从下至上依次堆叠的铁磁层1/隔离层/铁磁层2/超薄金属层/铁磁层3/反铁磁层构成；在传感单元薄膜沉积过程中沿传感单元薄膜的长轴方向加上外磁场H，用于人工反铁磁结构中交换偏置场的形成，使铁磁层2的磁矩固定，n＞0；
所述导电薄膜共计n-1个，n-1个导电薄膜将n个传感单元薄膜沿传感单元薄膜的长轴方向依次串联设置于基片的一面，且导电薄膜不具有磁性，作为传感单元薄膜间的连接导线；
所述基片采用不对称残余应变材料，具有在正或负极性电压脉冲作用后在铁磁层1中产生无需电场维持的残余磁弹耦合能，而在另一极性电压脉冲作用后可去除铁磁层1中的残余磁弹耦合能恢复到最初状态。
2.如权利要求1所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：所述传感单元薄膜和导电薄膜的布局图形为折线型。
3.如权利要求1所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：所述基片采用的材料为离子掺杂的PMN-PT或离子掺杂的PZN-PT。
4.如权利要求1所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：
通过上下电极对基片施加正或负极性电压脉冲，对铁磁层1引入无需电场维持的残余磁弹耦合能，改变巨磁电阻薄膜中铁磁层1的饱和场，将初始开关场Bop1和Brp1改变到Bop2和Brp2；而后，再施加另一极性电压脉冲去除铁磁层1中的残余磁弹耦合能，恢复到初始状态的开关场Bop1和Brp1；以此实现在同一巨磁电阻双极性开关传感器获得不同对称型的开关场区域。
5.如权利要求4所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：
所述对称型的开关场区域调整具体为：
在基片上施加正或负极性的脉冲电压，使该脉冲去除后在基片上存在残余应变，该残余应变对铁磁层1引入无需电场维持的残余磁弹耦合能，使铁磁层1的初始磁矩偏离原水平方向，使得铁磁层1的饱和场增大产生效果1，或者产生的残余磁弹耦合能使铁磁层1初始磁矩方向不改变但矫顽场增大，进而增大饱和场产生效果2；其中残余磁弹耦合能产生的是效果1还是效果2取决于残余磁弹耦合能正、负及铁磁层1磁滞伸缩系数的正、负；
当磁弹耦合能与铁磁层磁滞伸缩系数的乘积为正时，产生效果2，而当磁弹耦合能与铁磁层磁滞伸缩系数的乘积为负时，产生效果1；由于饱和场的增加使得该巨磁电阻磁双极性开关传感器的开关场相应改变增加为Bop2和Brp2；
如果需要将巨磁电阻磁双极性开关的开关场区域由Bop2和Brp2恢复为Bop1和Brp1，则需在具有残余应变的基片上施加另一极性的脉冲电压，去除残余应变即可。
6.如权利要求1所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：
初始开关场为Bop1和Brp1，残余磁弹耦合能作用下改变的开关场为Bop2和Brp2，通过基片上正、负电压脉冲对有、无残余磁弹耦合能的调控，实现Bop1、Brp1、Bop2和Brp2的不对称排列组合开关场|Bop|≠|Brp|的磁双极开关，当|Bop|≠|Brp|时为不对称型开关场区域。
7.如权利要求6所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其特征在于：
所述不对称型的开关场区域调整具体为：
如需实现不对称的开关场区域，如Bop1到Brp2的开关场区域，则可以在磁场还未达到释放点磁场Brp1时，在基片上施加一正或负极性的脉冲电压引入残余应变，使磁场释放点的磁场改变为Brp2，而在磁场到达磁场工作点Bop1之前在基片上施加另一极性的脉冲电压，去除之前的残余应变，则即可实现Bop1开、Brp2关的不对称开关场；
如需实现Bop2到Brp1的开关场区域，则需要先在基片上施加一正或负极性的脉冲电压引入残余应变，并在磁场还未达到释放点磁场Brp1时在基片上施加另一极性的脉冲电压，去除基片的残余应变，磁场释放点的磁场为Brp1，而在磁场到达磁场工作点Bop1之前在基片上施加一正或负极性的脉冲电压引入残余应变，则即可实现Bop2开、Brp1关的不对称开关场。
8.如权利要求1所述开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：在不对称残余应变材料的基片上下两面制备上下电极，上下电极不与传感单元薄膜和导电薄膜接触，作为对基片施加电压的电极；
其中不对称应变材料具有在正或负极性电压脉冲作用后在铁磁层1中产生无需电场维持的残余磁弹耦合能，而在另一极性电压脉冲作用后可去除铁磁层1中的残余磁弹耦合能恢复到最初状态；
步骤2：对于n个传感单元薄膜L1，采用标准lift-off光刻工艺，曝光出预设图形，然后将曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积传感单元薄膜，并在薄膜沉积过程中沿传感单元薄膜的长轴方向加上外磁场H，利用人工反铁磁结构的形成，并使铁磁层2的磁矩固定；传感单元薄膜L1镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶；
步骤3：而后，对于n-1个导电薄膜L2部分，采用标准lift-off光刻工艺，曝光出预设图形，然后将曝光后的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积出不具有磁性的导电薄膜，导电薄膜L2镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶；
n-1个导电薄膜L2最终作为连接导线，将n个传感单元薄膜L1依次串联，此时即可获得开关场区域可调的巨磁电阻磁双极性开关传感器，此时的开关场记为初始开关场Bop1和Brp1。
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