CN1356559A - 一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件 - Google Patents

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田跃
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Abstract

本发明提供了一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件。其特征在于:由三维交叉放置的三组相同的磁隧道结磁电阻芯片(15)组成,各芯片的磁场敏感方向相互垂直;磁隧道结磁电阻芯片(15)由基片(1)和在其上生成的产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)以及磁隧道结磁电阻感应部分(14)构成;磁隧道结磁电阻感应部分(14)由磁隧道结和电信号输出电极以及电极引线构成。本发明的优点是对磁场的大小和方向具有高的灵敏度,同时具有复位和防退磁功能。

Description

一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件
技术领域：
本发明提供了一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件。磁隧道结磁电阻材料由极薄的、纳米量级厚度的绝缘体层分隔开的两层铁磁性层组成，或在其中一层铁磁性层上再加上一层反铁磁性层作为钉扎层组成，磁隧道结材料亦称为自旋相关隧道结材料。
背景技术：
微弱磁场(在本发明中指磁场小于100微特斯拉)检测是磁测量中的重要方面之一，在国民经济中有着广泛的应用，如信息工业中磁记录读出头，航海中地磁方位的测量，飞行器上磁场方位的测量，石油勘探中的地磁大小和方位的测量，工业生产中漏磁、剩磁的测量，冶金、航空工业中产品质量的无损检测，弱磁防伪技术中的应用等，现有的技术中主要采用各向异性磁电阻材料，如NiFe、NiCo等金属薄膜材料，自从1988年以来，随着研究工作的深入，各种新型磁电阻材料不断涌现，象金属多层膜巨磁电阻材料，自旋阀磁电阻材料，颗粒膜巨磁电阻材料，磁隧道结磁电阻材料等都有各自的特点。
    与其它材料相比，磁隧道结磁电阻材料的主要特点有：
1.适合于低磁场下工作。饱和磁场仅几个奥斯特(Oe)到几十个奥斯特
  (Oe)。
2.磁场灵敏度高。由于在外磁场作用下磁隧道结的磁电阻变化接近陡
  峭的台阶形式，其磁场灵敏度高达2％-8％/Oe，甚至更高，比现在普
  遍使用的各向异性磁电阻材料高一个量级以上。
3.热稳定性提高。经过热处理的磁隧道结磁电阻器件工作温度可达
  125℃以上。
4.磁噪声小。磁隧道结磁电阻器件磁矩转动的一致性，不同于现在普
  遍使用的各向异性磁电阻材料，因而其巴克豪森磁噪声显著降低。
5.响应时间快。响应时间在亚纳秒量级。这些特点为磁隧道结磁电阻材料在弱磁检测方面的应用提供了基础。
使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件的工作原理见图1。
在与上下两层铁磁层磁矩耦合方向相反方向或其它不同于原耦合方向上施加一外磁场H，隧道结磁电阻变化率TMR(％)＝[R(H)-R(0)]/R(0)随外磁场H的增加而变化的曲线见图1，R(H)是施加外磁场时磁隧道结的电阻，R(0)是没有外磁场时磁隧道结的电阻。在外磁场较小时，外磁场不能改变两层铁磁层中的磁矩的方向，TMR＝0，当外磁场进一步增加到H0时，矫顽力较小的铁磁层(如图1中的下层)率先开始改变磁矩方向而使隧道结磁电阻有一个接近台阶式的变化，在外磁场达到Hs时，矫顽力较小的铁磁层的磁矩完全转向外磁场方向，磁电阻达到饱和。本发明的三维微弱磁场检测器件就是利用外磁场在H0到Hs这段隧道结磁电阻剧变过程时所形成的高磁场灵敏度来完成对微弱磁场的检测；工作点就选择在隧道结磁电阻变化的中点，这时就需要施加一偏置磁场，其大小为Hbias，在本发明中，偏置磁场Hbias是由导电薄膜条中的电流大小来控制的。这样设置偏置磁场的优点在于：1)工作点选在最灵敏的区间，2)偏置磁场的大小可由导电薄膜条的电流大小方便的调节，3)器件的敏感方向由偏置磁场的方向决定，且只对该方向的磁场分量敏感，大大地提高了磁场方向的敏感性。用于复位功能的导电薄膜条是为了使磁矩排列到原耦合方向，同时可以防止退磁效应，保证器件的长期正常工作。
发明内容：
本发明的三维微弱磁场检测器件(图12)是由三维交叉放置的三组相同的磁隧道结磁电阻芯片(15)组成，各芯片的磁场敏感方向相互垂直。其磁隧道结磁电阻芯片(15)是由基片(1)和在其上生成的产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)以及磁隧道结磁电阻感应部分(14)构成。
上述基片(1)可以是高分子材料，也可以是玻璃、二氧化硅等非晶态材料，也可以是氧化物材料，也可以是氮化物材料，也可以是半导体材料。
上述磁隧道结磁电阻芯片(15)中产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)是由在上述基片(1)上按导电薄膜层(2)和绝缘体层(3)顺序生成的双层膜组成的，具有交叉条形的电流载体部分。其中一条导电薄膜条用于产生偏置磁场，另一条导电薄膜条用于产生复位功能，并使产生复位功能的导电薄膜条部分(13)的长条方向垂直于磁电阻感应部分的上下铁磁层间的耦合方向，产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)的长条方向垂直于磁场敏感方向。
上述的导电薄膜层(2)可以是金属单质或合金层，也可以是金属氧化物层，厚度在10到5000纳米之间；绝缘体层(3)可以是氧化物层，也可以是氮化物层，也可以是碳化物层，也可以是其它绝缘体层，厚度在10到5000纳米之间。
上述磁隧道结磁电阻芯片(15)中磁隧道结磁电阻感应部分(14)是在上述的导电薄膜条上生成的按铁磁性层(4)、绝缘体层(5)和铁磁性层(6)的顺序构成的三层膜，或者按铁磁性层(4)、绝缘体层(5)、铁磁性层(6)和反铁磁性层(9)的顺序构成的四层膜，或者按反铁磁性层(9)、铁磁性层(4)、绝缘体层(5)和铁磁性层(6)的顺序构成的四层膜组成的，有一定形状的感应部分。绝缘体层(5)两边的铁磁性层(4)(6)和反铁磁性层(9)同时作为引出由于磁电阻变化引起的电信号变化的输出电极。其磁隧道结磁电阻感应部分(14)的尺寸小于上述条形导电薄膜的宽度，并将感应部分的磁隧道结置于交叉条形的正中。
上述铁磁性层(4)(6)可以是单质铁磁性金属层，也可以是金属合金铁磁性层，也可以是含氧原子的单质铁层，也可以是铁氧体等亚铁磁性层，厚度在10到5000纳米之间。上述绝缘体层(5)可以是氧化物层，也可以是氮化物层，也可以是硫化物层，也可以是砷化物层，厚度在0.5到10纳米之间。上述反铁磁性层(9)可以是金属合金反铁磁性层，也可以是氧化物反铁磁性层，厚度在10到5000纳米之间。
把三组用于单一方向磁场分量检测的上述磁隧道结磁电阻芯片(15)使其敏感方向两两相互垂直放置，从而制成三维微弱磁场检测器件(图12)。
本发明的优点在于：适合于对100微特斯拉以下，直到0.1微特斯拉量级的微弱磁场的检测；对磁场的空间方位和磁场大小检测灵敏度高；同时具有磁矩复位和防止退磁的功能。
附图说明：
图1是磁隧道结磁电阻特性随外加磁场变化的示意图。图中标注的方框中的箭头表示各铁磁层中磁矩的方向。
图2是本发明制作磁隧道结磁电阻感应部分用的按含20％氧原子的铁的铁磁性层、三氧化二铝绝缘体层和含20％氧原子的铁的铁磁性层的顺序构成的三层膜的断面扫描电子显微镜图像。
图3是本发明制作磁隧道结磁电阻感应部分用的按含20％氧原子的铁的铁磁性层、三氧化二铝绝缘体层和含20％氧原子的铁的铁磁性层的顺序构成的三层膜的隧道结磁电阻变化率随外磁场增加而变化的实验曲线，外磁场垂直于铁磁层间的耦合方向。该磁隧道结三层膜的尺寸是10mm×10mm。
图4是本发明制作的产生偏置磁场和复位功能的按导电薄膜层和绝缘体层顺序构成的导电薄膜条双层膜以及磁隧道结磁电阻感应部分用的按铁磁性层、绝缘体层、铁磁性层的顺序构成的三层膜的层状结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层。
图5是本发明制作的产生偏置磁场和复位功能的按导电薄膜层和绝缘体层顺序构成的导电薄膜条双层膜以及磁隧道结磁电阻感应部分用的按反铁磁性层、铁磁性层、绝缘体层和铁磁性层的顺序构成的四层膜的层状结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层，(9)反铁磁性层。
图6是本发明制作的产生偏置磁场和复位功能的按导电薄膜层和绝缘体层顺序构成的导电薄膜条双层膜以及磁隧道结磁电阻感应部分用的按铁磁性层、绝缘体层、铁磁性层和反铁磁性层的顺序构成的四层膜的层状结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层，(9)反铁磁性层。
图7是本发明在磁隧道结磁电阻多层膜上形成的感应部分形状的光刻胶断面层状结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层，(10)光刻胶。
图8是本发明在产生偏置磁场和复位功能的导电薄膜条的双层膜上形成导电薄膜条形状的光刻胶断面层状结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层，(7)感应部分的下电极，(10)光刻胶。
图9是本发明通过半导体成型工艺形成的磁隧道结磁电阻感应部分和产生偏置磁场和复位功能的导电薄膜条的断面层状结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层，(7)感应部分的下电极，(8)感应部分的上电极，(12)产生偏置磁场的导电薄膜条部分，(13)产生复位功能的导电薄膜条部分，(14)磁隧道结磁电阻感应部分。
图10是本发明的磁隧道结磁电阻芯片(15)的三维结构示意图。(1)基片，(2)导电薄膜层，(3)绝缘体层，(4)铁磁性层，(5)绝缘体层，(6)铁磁性层，(7)感应部分的下电极，(8)感应部分的上电极，(9)反铁磁性层，(11)感应部分的下电极引线，(12)产生偏置磁场的导电薄膜条部分，(13)产生复位功能的导电薄膜条部分，(14)磁隧道结磁电阻感应部分。
图11是本发明的磁隧道结磁电阻芯片(15)的平面结构示意图。(1)基片，(7)感应部分的下电极，(8)感应部分的上电极，(11)感应部分的下电极引线，(12)产生偏置磁场的导电薄膜条部分，(13)产生复位功能的导电薄膜条部分，(14)磁隧道结磁电阻感应部分。
图12是本发明的三维微弱磁场检测器件的结构示意图，该器件由三组相互垂直的、对单一方向磁场敏感的磁隧道结磁电阻芯片组成。
具体实施方式：
例1：在石英玻璃基片上制作由磁隧道结磁电阻感应部分三层膜和导电薄膜条双层膜组成的、对单一方向磁场敏感的磁隧道结磁电阻芯片。
把上述长10mm、宽10mm、厚0.5mm的基片用丙酮超声波清洗后，用去离子水超声波清洗，最后用无水乙醇超声波清洗。清洗后的基片用高纯氮气吹干。把清洗过的基片放到磁控溅射镀膜设备的镀膜室内，把镀膜室抽到2×10-4帕斯卡的真空度。用磁控溅射方法在基片上沉积500纳米厚的铜薄膜，工作气体为0.8帕斯卡的氩气，随后用射频磁控溅射方法在其上沉积200纳米厚的二氧化硅膜，工作气体为0.8帕斯卡的氩气和氧气混合气体，其中氩气和氧气的比例为95比5，基片温度600度，沉积完二氧化硅膜后，充入一个大气压强氧气，原位保温一小时，完成导电薄膜条的双层膜制备。把镀膜室再次抽到2×10-4帕斯卡的真空度，用磁控溅射方法在双层膜上沉积200纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度；沉积完含20％氧原子的铁薄膜后，在其上继续用射频溅射方法沉积2纳米厚的三氧化二铝绝缘体层，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度；然后，用磁控溅射方法在三氧化二铝绝缘体层上沉积300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度为室温。各层薄膜的厚度可以用调整沉积时间来控制，沉积薄膜的断面层状结构如图4所示。
磁隧道结磁电阻感应部分以及产生偏置磁场和复位功能的导电薄膜条部分的形状可以由半导体成型工艺分三步来完成。第一步，形成磁隧道结磁电阻感应部分的上电极和绝缘体层的形状，把光刻胶涂敷在沉积的多层膜上，使用具有0.1mm×0.1mm的正方形感应区形状的光刻板，把光刻板作为遮光板盖在涂有光刻胶的多层膜上，用紫外线使未被遮光板遮住的光刻胶感光硬化，然后，用化学溶液洗去未被紫外线感光的光刻胶。这样，在多层膜表面就形成了0.1mm×0.1mm的正方形的光刻胶覆盖区域，参看图7。把这一样品用离子刻蚀设备进行刻蚀，控制刻蚀深度到刚好刻完磁隧道结绝缘体层，就形成了0.1mm×0.1mm正方形的磁隧道结磁电阻感应部分的上电极和绝缘体层的形状。第二步，形成磁隧道结磁电阻感应部分的下电极(0.08mm×0.08mm正方形)和电极引线(长1mm，宽0.01mm)的形状，与第一步不同的是，除了在多层膜表面形成下电极和电极引线形状的光刻胶覆盖区域之外，还需形成第一步中成形的上电极和绝缘体层形状的光刻胶覆盖区域，其它过程相同。第三步，形成导电薄膜条的形状，即在保护第一步和第二步形成的图形基础上，将产生偏置磁场和复位功能的双层膜光刻、刻蚀成长10mm、宽1mm的十字交叉长条，参看图8、图9和图11。这样就在石英玻璃基片上制作了由磁隧道结磁电阻三层膜和导电薄膜条双层膜组成的、对单一方向磁场敏感的磁隧道结磁电阻芯片，将三组这样的相同芯片使其敏感方向两两垂直放置，就构成了三维微弱磁场检测器件，其三维结构示意图参看图10，只是图10中的反铁磁层(9)不存在，其它部分相同。由三组这样的相同器件两两垂直放置，就构成了三维微弱磁场检测芯片，参见图12。
磁隧道结磁电阻感应部分和引出电极的形状以及产生偏置磁场和复位功能的导电薄膜条的形状不受本实施例的限制。
例2：在热氧化硅基片上制作由磁隧道结磁电阻四层膜和导电薄膜条双层膜组成的、对单一方向磁场敏感的磁隧道结磁电阻芯片。
把上述长10mm、宽10mm、厚0.5mm的热氧化硅基片(硅表面二氧化硅层厚500纳米)用丙酮超声波清洗后，用去离子水超声波清洗，最后用无水乙醇超声波清洗。清洗后的基片用高纯氮气吹干。把清洗过的基片放到磁控溅射镀膜设备的镀膜室内，把镀膜室抽到2×10-4帕斯卡的真空度。用磁控溅射方法在基片上沉积500纳米厚的铜薄膜，工作气体为0.8帕斯卡的氩气，随后用射频磁控溅射方法在其上沉积200纳米厚的三氧化二铝膜，工作气体为0.8帕斯卡的氩气和氮气混合气体，其中氩气和氧气的比例为95比5，基片温度400度，沉积完三氧化二铝膜后，充入一个大气压强氧气，原位保温一小时，完成导电薄膜条的双层膜制备。把镀膜室再次抽到2×10-4帕斯卡的真空度，用磁控溅射方法在双层膜上沉积300纳米的FeMn反铁磁层薄膜，沉积时的氩气压强为0.8帕斯卡，基片温度300度；随后沉积300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度为室温；沉积完含20％氧原子的铁薄膜后，在其上继续用射频溅射方法沉积2纳米厚的三氧化二铝绝缘体层，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度；然后，用磁控溅射方法在三氧化二铝绝缘体层上沉积300纳米厚的含20％氧原子的铁薄膜，沉积时的氩气和氧气混合气体压强为0.8帕斯卡，其中氩气和氧气的比例为98比2，基片温度200度。各层薄膜的厚度可以用调整沉积时间来控制，沉积薄膜的断面层状结构如图5所示。
磁隧道结磁电阻感应部分以及产生偏置磁场和复位功能的导电薄膜条部分的形状可以由半导体成型工艺分三步来完成。第一步，形成磁隧道结磁电阻芯片感应部分的上电极和绝缘体层的形状，把光刻胶涂敷在沉积的多层膜上，使用具有0.1mm×0.1mm的正方形感应区形状的光刻板，把光刻板作为遮光板盖在涂有光刻胶的多层膜上，用紫外线使未被遮光板遮住的光刻胶感光硬化，然后，用化学溶液洗去未被紫外线感光的光刻胶。这样，在多层膜表面就形成了0.1mm×0.1mm的正方形的光刻胶覆盖区域。把这一样品用离子刻蚀设备进行刻蚀后，就形成了0.1mm×0.1mm正方形的磁隧道结磁电阻芯片感应部分的上电极和绝缘体层的形状。第二步，形成磁隧道结磁电阻芯片感应部分的下电极(0.08mm×0.08mm正方形)和电极引线(长1mm，宽0.01mm)的形状，下电极和电极引线由下层铁磁层和反铁磁层组成；与第一步不同的是，除了在多层膜表面形成下电极和电极引线形状的光刻胶覆盖区域之外，还需形成第一步中成形的上电极和绝缘体层形状的光刻胶覆盖区域，其它过程相同。第三步，形成导电薄膜条的形状，即在保护第一步和第二步形成的图形基础上，将产生偏置磁场和复位功能的双层膜光刻、刻蚀成长10mm、宽1mm的十字交叉长条。这样就在热氧化硅基片上制作了由磁隧道结磁电阻四层膜和导电薄膜条双层膜组成的、对单一方向磁场敏感的磁隧道结磁电阻芯片(参见图10和图11)，由三组这样的相同器件两两垂直放置，就构成了三维微弱磁场检测器件，参见图12。
磁隧道结磁电阻感应部分和引出电极的形状以及产生偏置磁场和复位功能的导电薄膜条的形状不受本实施例的限制。

Claims (3)

1、一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件，其特征在于：由三维交叉放置的三组相同的磁隧道结磁电阻芯片(15)组成，各芯片的磁场敏感方向相互垂直；磁隧道结磁电阻芯片(15)由基片(1)和在其上生成的产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)以及磁隧道结磁电阻感应部分(14)构成；磁隧道结磁电阻感应部分(14)由磁隧道结和电信号输出电极以及电极引线构成。
2、按照权利要求1所述的器件，其特征在于：基片(1)可以是塑料、聚四合物等高分子材料，也可以是玻璃、二氧化硅等非晶态材料，还可以是氧化镁、氧化铝、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、钛酸锆酸镧酸铅金属氧化物材料，也可以是硅、砷化镓半导体材料；产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)由在基片(1)上按导电薄膜层(2)和绝缘体层(3)顺序生成的双层膜组成的，具有交叉条形的电流载体部分，其中一部分用于产生偏置磁场，另一部分用于产生复位功能，两交叉条形的夹角大小由磁隧道结上下铁磁层的耦合方向和偏置磁场方向的夹角来确定，绝缘体层(3)用于分隔导电薄膜条中的导电薄膜层(2)和在导电薄膜条上的磁隧道结磁电阻感应部分(14)；导电薄膜条中所沉积的导电薄膜层(2)可以是Al、Cu、Au、Ag、Pt、Ta、AlCu金属单质或合金层，也可以是二氧化铱，二氧化钌金属氧化物薄膜层；绝缘体层(3)可以是三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、二氧化钛、五氧化二钒、氧化锌、钛酸钡、钛酸铅、锆酸铅、钛酸锆酸铅、钛酸锆酸镧酸铅氧化物层，也可以是氮化钽、氮化铝、氮化硅、氮化钛氮化物层，也可以是碳化硅碳化物，以及其它绝缘体材料；其导电薄膜条的双层膜中导电薄膜层(2)和绝缘体层(3)厚度分别为10纳米到5000纳米。
3、按照权利要求1或2所述的器件，其特征在于：磁隧道结磁电阻感应部分(14)由导电薄膜条双层膜上生成的按铁磁性层(4)、绝缘体层(5)和铁磁性层(6)的顺序构成的三层膜，或者按铁磁性层(4)、绝缘体层(5)、铁磁性层(6)和反铁磁性层(9)的顺序构成的四层膜，或者按反铁磁性层(9)、铁磁性层(4)、绝缘体层(5)和铁磁性层(6)的顺序构成的四层膜组成的感应部分；将感应部分的磁隧道结置于交叉导电薄膜条的正中；其绝缘体层(5)两边的铁磁性层(4)(6)和反铁磁性层(9)同时作为引出由于磁电阻变化引起的电信号变化的输出电极；其磁隧道结磁电阻感应部分(14)的铁磁性层(4)(6)和反铁磁性层(9)的厚度分别为10纳米到5000纳米；绝缘体层(5)的厚度为0.5纳米到10纳米；磁隧道结磁电阻感应部分(14)所沉积的铁磁性层(4)(6)可以是Ni、Co、Fe单质金属层，也可以是NiFe、NiCo、CoFe、NiCu、AuCo以Ni、Co、Fe为基的金属合金层，也可以是含5％～40％氧原子的铁层，也可以是GaMnAs铁磁半导体层，也可以是铁氧体亚铁磁性层；绝缘体层(5)可以是三氧化二铝、五氧化二钽、五氧化二钒、氧化镁、二氧化硅、二氧化钛氧化物层，也可以是氮化钽、氮化铝、氮化硅、氮化钛氮化物层，也可以是硫化锌硫化物层，也可以是砷化铝砷化物层；反铁磁性层(9)可以是FeMn、IrMn金属合金层，也可以是氧化镍、氧化钴氧化物层。
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