CN113866690B - 三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁传感器领域，提供一种三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法。所述三轴隧穿磁电阻传感器，包括上电极、下电极以及所述上电极与所述下电极之间的垂直磁各向异性隧道结；所述垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量。本发明基于TMR效应，利用垂直磁各向异性隧道结在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量，相较于现有的基于霍尔效应或巨磁阻效应的磁电阻传感器，灵敏度更高，易于集成。

Description

三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法

技术领域

本发明涉及磁传感器领域，具体地涉及一种三轴隧穿磁电阻传感器、一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法以及一种三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法。

背景技术

磁传感器能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息。磁传感器广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。由于磁场是一个矢量，具有大小和方向，多数磁传感器只能感应到一个方向上的磁场矢量，而不能感应到各个方向上的矢量。然而，三轴磁传感器件，能够同时感应三个不同方向的磁场从而能够更好的感知磁场的变化，在卫星定位、导航等领域重要应用。

现有的三轴磁传感器，通常采用基于霍尔效应、巨磁阻效应等原理制备。基于霍尔效应的三轴磁传感器，灵敏度过低，不再适用于大多数场合。巨磁电阻（Giant MagnetoResistance，简称GMR）的三轴磁传感器，由于巨磁阻效应中材料电阻随磁场变化的范围较小，灵敏度不高，不能满足更高精度的需求，不能应用于复杂环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法，以至少解决上述的三轴磁传感器灵敏度不高的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种三轴隧穿磁电阻传感器，包括上电极、下电极以及所述上电极与所述下电极之间的垂直磁各向异性隧道结；所述垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量。

进一步地，还包括：压电薄膜；

所述垂直磁各向异性隧道结包括：铁磁参考层、隧穿绝缘层以及铁磁自由层；所述压电薄膜设置于所述下电极与所述铁磁参考层之间，所述压电薄膜在被施加可调控电场的条件下改变所述垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，使得所述垂直磁各向异性隧道结能够感应不同方向的磁矩矢量。

进一步地，所述垂直磁各向异性隧道结的形状为矩形或椭圆形，所述垂直磁各向异性隧道结的面内易轴方向沿矩形的长边方向或椭圆形的长轴方向。

进一步地，所述压电薄膜被施加的可调控电场的强度，至少根据以下条件之一确定：

垂直磁各向异性隧道结的材料和晶格结构；

垂直磁各向异性隧道结的形状和尺寸；

垂直磁各向异性隧道结中铁磁参考层、隧穿绝缘层、铁磁自由层之间的界面质量。

本发明另一方面提供一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，所述方法包括：

在基底上生长作为下电极的导电层；

在所述作为下电极的导电层上生长压电薄膜；

在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结；

在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构。

进一步地，所述在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结，包括：在所述压电薄膜上依次生长铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层，形成垂直磁各向异性隧道结。

进一步地，所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFeB；或者所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、Al₂O₃、CoFeB；或者所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFe。

进一步地，所述压电薄膜的材料采用PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、掺杂Sm的PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的任意一种。

进一步地，所述在基底上生长作为下电极的导电层，包括：

在基底上沉积生长Ta层和CuN层，形成Ta层与CuN层交替的导电层。

进一步地，所述在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，包括：在所述铁磁自由层上沉积生长Ta层，在Ta层上覆盖Ru层。

进一步地，所述方法还包括：

对所述磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在所述磁阻膜堆结构的表面形成连接外电路的蒸镀电极。

本发明还提供一种三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法，所述三轴隧穿磁电阻传感器为上述的三轴隧穿磁电阻传感器，所述方法包括：在所述三轴隧穿磁电阻传感器的铁磁参考层和下电极施加电压；调节施加在上电极和下电极的电压强度，以改变所述三轴隧穿磁电阻传感器的磁矩感应方向。

进一步地，所述调节施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度，包括：

至少根据以下条件之一确定施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度：

所述三轴隧穿磁电阻传感器的材料和晶格结构；

所述三轴隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸；

所述三轴隧穿磁电阻传感器中铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层之间的界面质量。

本发明实施方式的三轴隧穿磁电阻传感器基于TMR效应，利用垂直磁各向异性隧道结在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量，相较于现有的基于霍尔效应或巨磁阻效应的磁电阻传感器，灵敏度更高；采用垂直磁各向异性隧道结的磁阻薄膜结构，空间结构紧凑，易于集成设计。

此外，本发明通过垂直磁各向异性隧道结结构可以感应面外方向的磁矩矢量，在垂直磁各向异性隧道结基础上增加设计压电薄膜，利用压电薄膜在电场调控效应下改变垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，通过改变垂直磁各向异性隧道结膜堆的易轴方向，实现对面内方向的磁矩矢量的感应，从而实现不同方向磁矩矢量的感应，提高了三轴隧穿磁电阻传感器的准确性，可应用于复杂环境。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器在施加电场时的磁矩方向示意图；

图3是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器感应磁矩矢量的示意图；

图4是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法的流程图。

附图标记说明

10-下电极， 20-压电薄膜，30-铁磁参考层，40-隧穿绝缘层，

50-铁磁自由层，60-上电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明实施方式提供一种三轴隧穿磁电阻传感器，基于隧穿磁电阻效应（Tunnelmagnetoresistance，简称TMR）。基于隧穿磁电阻效应的磁隧道结（MTJ）中，铁磁薄层的磁化方向可以在外磁场的控制下被独立的切换，如果极化方向平行，电子隧穿过绝缘层的可能性会更大，宏观表现为电阻小；如果极化方向反平行，电子隧穿过绝缘层的可能性较小，宏观表现是电阻极大。磁隧道结可以在两种电阻状态（高阻态和低阻态）中快速切换，因此基于TMR效应的磁电阻传感器相较于GMR磁电阻传感器，具有灵敏度更高，易集成的优势。

本发明实施方式的三轴隧穿磁电阻传感器由磁阻单元和导线连接电路组成，磁阻单元包括多个磁阻薄膜层。图1是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器的结构示意图。如图1所示，本实施方式的三轴隧穿磁电阻传感器，包括上电极60、下电极10、上电极60与下电极10之间的垂直磁各向异性隧道结，所述垂直磁各向异性隧道结包括铁磁参考层30、隧穿绝缘层40以及铁磁自由层50，垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量。磁参考层30、隧穿绝缘层40、铁磁自由层50即为构成组成磁阻单元（磁阻膜堆）的磁阻薄膜层。

进一步地，所述三轴隧穿磁电阻传感器还包括压电薄膜20，所述压电薄膜20设置于下电极10与铁磁参考层30之间，压电薄膜20在被施加可调控电场的条件下改变垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，具体而言是改变隧道结膜堆的易轴方向，使得垂直磁各向异性隧道结能够感应不同方向的磁矩矢量。所述压电薄膜采用压电陶瓷材料，例如PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、掺杂Sm的PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3等。施加在压电薄膜的可调控电场的强度，可以根据垂直磁各向异性隧道结的材料和晶格结构、形状和尺寸，或者垂直磁各向异性隧道结中铁磁参考层、隧穿绝缘层、铁磁自由层之间的界面质量等条件来确定。例如掺氧的程度、MgO的晶格结构、CoFeB与MgO的界面质量等因素。在三轴隧穿磁电阻传感器的应用过程中，需要设计与其相匹配的电场提供装置。

如图1所示，铁磁参考层30、隧穿绝缘层40、铁磁自由层50构成具有垂直磁各项异性的隧穿磁电阻膜堆结构，其中铁磁参考层30和铁磁自由层50的磁矩方向均朝向面外，此时的垂直磁各向异性隧道结结构，可以感应面外方向的磁矩矢量。上文所述的“面外方向”是指垂直磁各向异性隧道结所处的平面之外，以x轴、y轴、z轴构成的三维结构为例，x轴、y轴位于垂直磁各向异性隧道结的膜堆层所在的平面，与垂直磁各向异性隧道结的膜堆层所在的平面呈一定角度的方向为“面外方向”；“面内方向”是指垂直磁各向异性隧道结的膜堆层所在的平面方向。z轴垂直于垂直磁各向异性隧道结的膜堆层所在的平面，图1中铁磁参考层30和铁磁自由层50的箭头所指的方向相当于z轴方向，是垂直磁各向异性隧道结的垂直磁方向。

图2是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器在施加电场时的磁矩方向示意图。使用三轴隧穿磁电阻传感器的过程中，通过给压电薄膜20提供电压，使其在压电效应下发生应变，压电薄膜20的应变会传递到邻近的隧道结膜堆层（磁阻薄膜层），尤其是铁磁参考层30。由于基于TMR效应的铁磁参考层30的磁性材料具有逆磁致伸缩效应，来自压电薄膜20的应力将改变磁性材料的磁各向异性场，使其磁矩方向发生改变，由垂直方向变为倾斜。参见图2中铁磁参考层30的箭头所指方由垂直变为倾斜，而铁磁自由层50的易轴方向转为面内，此时垂直磁各向异性隧道结可以感应到平面方向矢量的磁矩。

为了进一步区分平面方向（面内方向）的磁矩矢量，垂直磁各向异性隧道结采用不同形状的磁阻薄膜结构，利用形状磁各项异性区分面内方向的磁矩矢量。形状磁各项异性是指磁物质的某些性质随着形状的改变而有所变化，不同的形状会呈现出差异的性质，磁矩方向更容易朝向长轴方向。例如可以通过改变矩形的长宽之比来改变材料的形状各向异性。由于形状磁各项异性，铁磁参考层30的磁矩在电场调控效应作用下，朝向不同的方向，分别用于感应x方向、y方向的磁矩矢量，从而在一个平面结构内感应到不同方向的磁矩矢量。

垂直磁各向异性隧道结的磁阻薄膜结构的具体形状与所要检测的磁矩矢量相关。优选实施方式中，所述铁磁参考层的形状为矩形或椭圆形，所述铁磁参考层的磁矩方向沿矩形的长边方向或椭圆形的长轴方向。图3是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器感应磁矩矢量的示意图。根据感应磁矩矢量方向的不同，垂直磁各向异性隧道结的磁阻薄膜结构可以是沿x轴方向的椭圆形状，参见附图3中的左图，x轴对应磁阻薄膜的长轴方向，可检测x轴方向的磁矩矢量。垂直磁各向异性隧道结的磁阻薄膜结构可以是沿y轴方向的椭圆形状，参见附图3中的右图，y轴对应磁阻薄膜的长轴方向，可检测y轴方向的磁矩矢量。

本发明实施方式的三轴隧穿磁电阻传感器基于TMR效应，利用垂直磁各向异性隧道结在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量，相较于现有的基于霍尔效应或巨磁阻效应的磁电阻传感器，灵敏度更高；采用垂直磁各向异性隧道结的磁阻薄膜结构，空间结构紧凑，易于集成设计。

另一方面，本发明通过垂直磁各向异性隧道结结构可以感应面外方向的磁矩矢量，在垂直磁各向异性隧道结基础上增加设计压电薄膜，利用压电薄膜在电场调控效应下改变垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，通过改变垂直磁各向异性隧道结膜堆的易轴方向，实现对面内方向的磁矩矢量的感应，从而实现不同方向磁矩矢量的感应，提高了三轴隧穿磁电阻传感器的准确性，可应用于复杂环境。

此外，本发明的垂直磁各向异性隧道结采用不同形状的磁阻薄膜结构，利用形状磁各项异性区分面内x轴方向和y轴方向的磁矩矢量，提高传感器的感应精度。

图4是本发明实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法的流程图。如图4所示，本实施方式提供一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S10、在基底上生长作为下电极的导电层。

首先对基底进行清洗，使用丙酮去除基底表面的有机物，使用乙醇去离子水去除丙酮之后，对基底进行加热，去除乙醇去离子水。然后在基底上沉积生长Ta层和CuN层，形成Ta层与CuN层交替的导电层。优选的，Ta层的厚度为5-10nm，CuN层的厚度为10nm。

S11、在作为下电极的导电层上生长压电薄膜。

所述压电薄膜采用压电陶瓷材料，例如PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、掺杂Sm的PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3等。

S12、在压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结。

将步骤S11形成的结构置于磁控溅射腔体中，根据所需的磁阻薄膜结构进行层层生长，形成堆积层。

具体的，在压电薄膜上依次生长铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层，通过调节铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的厚度得到相应的垂直磁各向异性隧道结结构（P-MTJ）。铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFeB；或者铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、Al₂O₃、CoFeB；或者铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFe。

S13、在垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构。

在铁磁自由层上沉积生长Ta层，在Ta层上覆盖Ru层。在上电极的导电层覆盖Ru层，由于Ru的致密特性，可以保护磁阻膜堆结构，而且被外界空气氧化的Ru层，仍具备导电特性。

所述三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，还包括以下步骤：

对磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在磁阻膜堆结构的表面形成连接外电路的蒸镀电极。具体的，根据设定的结构对磁阻膜堆结构进行光刻工艺，得到所需的器件结构，将器件置于电子束蒸发腔体中蒸镀电极，可使用金、铜等作为蒸镀电极材料。后续，将器件多余的电极剥离，即得到相应的三轴隧穿磁电阻传感器器件。

本发明实施方式还提供一种三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法，应用于上述的三轴隧穿磁电阻传感器，所述方法包括：在三轴隧穿磁电阻传感器的铁磁参考层和下电极施加电压，通过在铁磁参考层和下电极施加电压，为压电薄膜提供电压，压电薄膜在压电效应下发生应变，其应变会作用到邻近的铁磁参考层。电压强度（电压大小）可以根据三轴隧穿磁电阻传感器的材料和晶格结构、形状和尺寸，或者铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层之间的界面质量等条件来确定。例如掺氧的程度、MgO的晶格结构、CoFeB与MgO的界面质量等因素。通过调节施加在铁磁参考层和下电极的电压强度，可以改变三轴隧穿磁电阻传感器的磁矩感应方向，使其感应到不同方向的磁矩矢量。例如，可通过设计相应的电路结构来提供相应的电压或根据实际应用来调节电压大小。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。

Claims (10)

1.一种三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，包括上电极、下电极以及所述上电极与所述下电极之间的垂直磁各向异性隧道结；

所述垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量；

还包括：压电薄膜；

所述垂直磁各向异性隧道结包括：铁磁参考层、隧穿绝缘层以及铁磁自由层；

所述压电薄膜设置于所述下电极与所述铁磁参考层之间，所述压电薄膜在被施加可调控电场的条件下改变所述垂直磁各向异性隧道结的铁磁参考层的磁各向异性，使得所述垂直磁各向异性隧道结能够感应不同方向的磁矩矢量；

所述垂直磁各向异性隧道结的形状为矩形或椭圆形，所述垂直磁各向异性隧道结的面内易轴方向沿矩形的长边方向或椭圆形的长轴方向。

2.根据权利要求1所述的三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述压电薄膜被施加的可调控电场的强度至少根据以下条件之一确定：

垂直磁各向异性隧道结的材料和晶格结构；

垂直磁各向异性隧道结的形状和尺寸；

垂直磁各向异性隧道结中铁磁参考层、隧穿绝缘层、铁磁自由层之间的界面质量。

3.一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

在基底上生长作为下电极的导电层；

在所述作为下电极的导电层上生长压电薄膜；

在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结；

在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构；

其中，所述在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结，包括：

在所述压电薄膜上依次生长铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层，形成垂直磁各向异性隧道结；

所述压电薄膜用于在被施加可调控电场的条件下改变所述垂直磁各向异性隧道结的铁磁参考层的磁各向异性，使得所述垂直磁各向异性隧道结能够感应不同方向的磁矩矢量。

4.根据权利要求3所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFeB；或者

所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、Al₂O₃、CoFeB；或者

所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFe。

5.根据权利要求3所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述压电薄膜的材料采用PMN-PT、PZN-PT、PIN-PMN-PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3、掺杂Sm的PMN-PT中的任意一种。

6.根据权利要求3所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述在基底上生长作为下电极的导电层，包括：

在基底上沉积生长Ta层和CuN层，形成Ta层与CuN层交替的导电层。

7.根据权利要求3所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，包括：

在所述铁磁自由层上沉积生长Ta层，在Ta层上覆盖Ru层。

8.根据权利要求3所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在所述磁阻膜堆结构的表面形成连接外电路的蒸镀电极。

9.一种三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法，所述三轴隧穿磁电阻传感器为权利要求1或2中任一项权利要求所述的三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述方法包括：

在所述三轴隧穿磁电阻传感器的铁磁参考层和下电极施加电压；

调节施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度，以改变所述三轴隧穿磁电阻传感器的磁矩感应方向。

10.根据权利要求9所述的三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法，其特征在于，所述调节施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度，包括：

至少根据以下条件之一确定施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度：

所述三轴隧穿磁电阻传感器的材料和晶格结构；

所述三轴隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸；

所述三轴隧穿磁电阻传感器中铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层之间的界面质量。

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