CN1487501A - 磁场检测传感器 - Google Patents

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M������ɳ
M·沙马
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Abstract

本发明包括一种磁场检测传感器。磁场检测传感器包括具有第一检测层(220)和第一基准层(210)的第一磁性传感器(200)。具有第二检测层(222)和第二基准层(212)的第二磁性传感器(202)。第一磁性传感器(200)相对于第二磁性传感器(202)的物理取向使得由磁场检测传感器检测到的外部磁场会导致第一检测层(220)对第一基准层(210)的相对磁性取向与第二检测层(222)对第二基准层(212)的相对磁性取向相反。可以用一个差分放大器检测第一结传感器和第二结传感器的相对磁性取向。

Description

磁场检测传感器
技术领域
本发明总的涉及到磁场检测。本发明具体涉及到用至少两个磁性传感器检测磁场的装置、系统和方法。
背景技术
磁场检测可以用来检测存储在诸如磁盘或磁带等磁性介质表面上的信息。磁性传感器必须物理地接近磁性介质设置才能检测到磁存储的信息。
可以用来检测是否存在磁场的一种设备是磁性隧道结传感器。图1表示磁性隧道结传感器100的一个实施例。磁性隧道结传感器100包括一个被钉轧(pinned)层110、一个检测层120和一个绝缘层130。
被钉轧层110具有固定的磁化取向，即使在有效范围内施加磁场也不会旋转。检测层120的磁化可以在两个方向上取向。检测层120的第一磁化取向是在与被钉轧层110的固定磁化相同的方向上。检测层120的第二磁化取向是在与被钉轧层110的固定磁化相反的方向上。
检测层120的磁性取向所对准的方向一般是对应着最后出现在检测层120附近的检测层120外部磁场的那一方向。为了检测磁场，外部磁场必须有足够的场强来改变检测层120的取向。
跨越磁性隧道结传感器100的电阻量值会随着检测层120相对于被钉轧层110的磁性取向而改变。一般来说，如果检测层120的磁性取向与被钉轧层110的取向相反，跨越磁性隧道结传感器100的电阻就会很大。如果检测层120的磁性取向与被钉轧层110的取向相同，跨越磁性隧道结传感器100的电阻就小。因此就可以用跨越磁性隧道结传感器100的电阻来检测磁场方向，因为磁场方向决定了检测层120相对于被钉轧层110的磁性取向，也就是确定了跨越磁性传感器100的电阻。
图1的磁性传感器100的灵敏度有限。磁性传感器的电阻状态是通过将检测到的电阻与预定的电阻阈值相比较而确定的，并且根据比较来确定磁性传感器状态。也就是说，如果检测到的电阻小于预定阈值，磁性传感器的状态就是第一状态。如果检测到的电阻大于预定阈值，磁性传感器的状态就是第二状态。
理想的磁场检测装置和方法应该具有更高灵敏度，非易失性和低功耗。
发明内容
本发明包括具有更高灵敏度、非易失性和低功耗的磁场检测装置和系统。
本发明的第一实施例包括磁场检测传感器。磁场检测传感器包括具有第一检测层和第一基准层的第一磁性传感器。磁场检测传感器还包括具有第二检测层和第二基准层的第二磁性传感器。第一磁性传感器相对于第二磁性传感器的物理取向使得由磁场检测传感器检测到的外部磁场会导致第一检测层到第一基准层的相对磁性取向与第二检测层到第二基准层的相对磁性取向相反。
通过以下结合着用来举例说明本发明原理的附图的详细说明能明显看出本发明的其他方面及其优点。
附图说明
图1表示一个磁性隧道结传感器。
图2表示本发明的一个实施例。
图3表示本发明的另一实施例。
图4表示本发明的再一实施例。
图5表示按照本发明一个实施例的一对磁性隧道结传感器和一个差分放大器。
图6表示按照本发明另一实施例的一对磁性隧道结传感器和一个差分放大器。
图7表示按照本发明一个实施例的一对磁性隧道结传感器。
图8表示按照本发明另一实施例的一对磁性隧道结传感器。
图9表示按照本发明再一实施例的一对磁性隧道结传感器。
图10表示按照本发明一个实施例的磁性传感器阵列。
图11表示一个包括读出头的盘驱动器，其中读出头包括本发明一个实施例的磁性传感器。
具体实施方式
如示意性的附图所示，本发明体现为具有更高灵敏度、非易失性和低功耗的一种磁场检测装置和系统。
图2表示本发明的一个实施例。这一实施例包括物理上位置彼此接近的两个磁性隧道结传感器200、202。第一隧道结传感器200的第一参考(被钉轧)层210包括一个预置的磁性取向，它与第二隧道结传感器202的第二参考(被钉轧)层212的预置的磁性取向相反。
第一隧道结传感器200还包括第一检测层220及用来隔离第一基准层210和第一检测层220的第一绝缘隧道阻挡层230。第二隧道结传感器202还包括第二检测层222及用来隔离第二基准层212和第二检测层222的第二绝缘隧道阻挡层232。
基准层210，212和检测层220，222可以用铁磁性材料制成。
如果一个磁性隧道结传感器的检测层和基准层的磁化方向相同，就可以认为磁性隧道结传感器的取向是“平行”。如果一个磁性隧道结传感器的检测层和基准层的磁化方向相反，就可以认为磁性隧道结传感器的取向是“反向平行”。平行和反向平行这两种取向对应着磁性传感器的低电阻和高电阻。
绝缘隧道阻挡层230，232容许在基准层210，212和检测层220，222之间产生量子机械隧道效应(quantum mechanical tunneling)。隧道依赖于电子自旋，致使磁性隧道结传感器200，202的电阻成为基准层210，212和检测层200，222的磁化方向的相对取向的函数。建立基准层210，212和检测层220，222的磁化取向就能检测出有无磁场。
如果磁性隧道结传感器200，202的磁化取向是平行，各个磁性隧道结传感器200，202的电阻就是第一值(R)，如果磁化取向是反向平行，就是第二值(R+δ)。然而本发明不仅限于两层或仅仅两层的磁化取向。
绝缘隧道阻挡层230，232可以用氧化铝，二氧化硅，氧化钽，氮化硅，氮化铝或氧化镁制成。然而，其他介质和某些半导体材料也可以用作绝缘隧道阻挡层230，232。绝缘隧道阻挡层230，232的厚度范围是0.5纳米到3纳米。然而本发明并非仅限于这一范围。
检测层220，222可以用铁磁材料制成。下述的基准层210，212可以用合成铁磁体(SF)也称为合成反铁磁体制成。
第一隧道结传感器200的第一检测层220的排列方向大致对应着外部施加磁场的方向。第二隧道结传感器202的第二检测层222的排列方向也大致对应着外部施加磁场的方向。由于第一隧道结传感器200和第二隧道结传感器202的配置和物理取向，第一检测层220和第二检测层222在承受外部磁场之后一般都包括同方向的磁化取向。
如上所述，跨越磁性隧道结传感器200，202的电阻直接取决于检测层220，222相对于参考(被钉轧)层210，212磁化取向的磁化取向。同样如上所述，第一基准层210的磁化取向与第二基准层212的磁化取向是相反方向。因此，在第一磁性隧道结传感器200和第二磁性隧道结传感器202暴露于外部磁场之后，跨越第一磁性隧道结传感器200的电阻和跨越第二磁性隧道结传感器202的电阻会有很大差别。一个磁性隧道结传感器会具有高电阻(R+δ+R)，而另一磁性隧道结传感器会具有低电阻(R)。
第一磁性隧道结传感器200相对于第二磁性隧道结传感器202的物理取向使得第一检测层220对第一基准层210的相对磁性取向与第二检测层222对第二基准层212的相对磁性取向相反，这样就能用磁场检测传感器200，202检测到外部磁场。
可以用差分放大器检测第一磁性隧道结传感器200和第二磁性隧道结传感器202的相对磁性取向。也就是用差分放大器检测第一磁性隧道结传感器200和第二磁性隧道结传感器202之间的电阻差。
图3表示本发明另一实施例。在图3中，每个磁性隧道结传感器被表示成一个单元(单元1和单元2)。各单元可以被物理取向成并排配置。如下文所述，本发明的某些实施例可以采用这种并排配置方式。符号A，B和C表示与外部电子电路的接触点。
图4表示本发明的再一实施例。各个磁性隧道结传感器同样被表示成一个单元。单元(单元1和单元2)的物理取向可以是端对端配置。如下文所述，本发明的某些实施例可以采用这种端对端配置方式。符号A，B和C表示与外部电子电路的接触点。
图5表示按照本发明实施例的一对磁性隧道结传感器(单元1和单元2)和差分放大器510。差分放大器510检测第一磁性传感器(单元1)和第二磁性传感器(单元2)的相对磁性取向。如上所述，磁性传感器(单元1和单元2)的磁性取向决定了跨越磁性传感器的电阻。
第一电流源520使电流通过第一磁性传感器(单元1)，产生的第一电压电位V1取决于第一磁性传感器(单元1)的电阻状态。第二电流源530使电流通过第二磁性传感器(单元2)，产生的第二电压电位V2取决于第二磁性传感器(单元2)的电阻状态。第一和第二电流源520，530的量值基本上相同。
第一电压电位V1和第二电压电位V2的量值取决于第一磁性传感器(单元1)和第二磁性传感器(单元2)的电阻。差分放大器510检测第一磁性传感器(单元1)和第二磁性传感器(单元2)之间的电阻差别的相对程度，产生一个幅值为A(V2-V1)的输出，A是差分放大器510的增益。
这样，由差分放大器510的输出就能确定有无外部磁场以及磁场的方向。检测到的外部磁场会使磁性传感器(单元1和单元2)的检测层的磁化随外部磁场取向。由于磁性传感器(单元1和单元2)的基准层的磁化方向被固定为反方向，第一磁性传感器(单元1)的电阻会大于或小于第二磁性传感器(单元2)的电阻，这取决于外部磁场的方向。这样，差分放大器的输出就能提供外部磁场的有无和方向的指示。
图6表示按照本发明另一实施例的一对磁性隧道结传感器(单元1和单元2)和差分放大器610。差分放大器610检测第一磁性传感器(单元1)和第二磁性传感器(单元2)的相对磁性取向。差分放大器610包括一个交叉耦合的差分成对晶体管T1，T2，它们检测是第一磁性传感器还是第二磁性传感器具有较大的电阻。
在接触点C施加一个正电压电位(例如是通过一个时钟SCLOCK)来检测磁性传感器的状态。然后在VSENSE处通过一选择线(SELECT)检测该状态。
如果第一磁性传感器(单元1)的电阻比第二磁性传感器(单元2)大，接触点A处的电压电位就会低于接触点B处的电压电位。这样，晶体管T1就会比晶体管T2更多地导通。流经电阻R1，晶体管T1和第一磁性传感器(单元1)的电流会比流经电阻R2，晶体管T2和第二磁性传感器(单元2)的电流大。这样就会迫使晶体管T2完全关断，而晶体管T1会饱和。其结果是VSENSE处于低电压电位。
如果第二磁性传感器(单元2)的电阻比第一磁性传感器(单元1)大，接触点B处的电压电位就会低于接触点A处的电压电位。这样，晶体管T2就会比晶体管T1更多地导通。流经电阻R2，晶体管T2和第二磁性传感器(单元2)的电流会比流经电阻R1，晶体管T1和第一磁性传感器(单元1)的电流大。这样就会迫使晶体管T1完全关断，而晶体管T2会饱和。其结果是VSENSE处于高电压电位。
用差分放大器610的输出就能确定有无外部磁场以及磁场的方向。检测到的外部磁场会使磁性传感器(单元1和单元2)的检测层的磁化随外部磁场取向。由于磁性传感器(单元1和单元2)的基准层的磁化方向被固定为反方向，第一磁性传感器(单元1)的电阻会大于或小于第二磁性传感器(单元2)的电阻，取决于外部磁场的方向。这样，差分放大器的输出就能提供外部磁场的有无和方向的指示。
图7表示按照本发明一个实施例的一对磁性隧道结传感器700，702。本实施例的各个磁性隧道结传感器700，702包括一个参考(被钉轧)层710，712。基准层710，712的固定磁化取向处在相同的方向。这一磁性取向是理想的，因为容易制成具有同方向固定磁性取向的基准层710，712。
磁性隧道结传感器700，702还包括绝缘隧道阻挡层744，754。
本实施例的各个磁性隧道结传感器700，702包括合成铁磁结构检测层。即第一磁性隧道结传感器700包括的第一铁磁结构检测层又包括第一铁磁层722和第二铁磁层724。第一铁磁层722和第二铁磁层724被一个非磁性间隔层726隔开。第二磁性隧道结传感器702包括的第二铁磁结构检测层又包括第一铁磁层732和第二铁磁层734。第一铁磁层732和第二铁磁层734被一个非磁性间隔层736隔开。
制作铁磁层722，724，732，734的材料可以是CoFe，NiFe或Co。间隔层726，736可以用诸如Ru，Re，Rh或Cu等非磁性传导材料制成。
在第一磁性传感器700的第一铁磁层722和第二铁磁层724之间有一种强大的层间交换耦合。在第二磁性传感器702的第一铁磁层732和第二铁磁层734之间有一种强大的层间交换耦合。这一耦合的量值及其符号(也就是耦合的正、负)是间隔层726，736厚度和材料以及铁磁层722，724，732，734厚度和材料的函数。如果第一铁磁层的磁化方向与第二铁磁层的磁化方向是反向平行的，这种耦合就是负的。如果第一铁磁层的磁化方向与第二铁磁层的磁化方向是平行的，这种耦合就是正的。
第一铁磁层722，732的矫顽力与第二铁磁层724，734的矫顽力可能稍有不同。例如，第一铁磁层722，732的矫顽力可以大约是10Oe，而第二铁磁层724，734的矫顽力可以大约是50Oe。基准层710，712的矫顽力一般要高于铁磁层722，724，732，734的矫顽力。
由于第一铁磁层722，732的磁化取向与第二铁磁层724，734的方向相反，它们的力矩趋于相互抵消。
间隔层726，736的厚度大约在.2nm到2nm之间。
各个铁磁层722，724，732，734包括具有一定磁场强度的磁化矢量。各个铁磁层722，724，732，734的磁场强度通常取决于铁磁层722，724，732，734的厚度。
在第一磁性隧道结传感器700的第一铁磁层722内部表示的矢量比第一磁性隧道结传感器700的第二铁磁层724内部表示的矢量要长。矢量的长度代表第一铁磁层722的磁化强度和第二铁磁层724的磁化强度。如图所示，代表第一铁磁层722磁化强度的矢量要大于代表第二铁磁层724磁化强度的矢量。
磁化量值一般取决于铁磁层的厚度。厚度t1代表第一磁性隧道结传感器700的第一铁磁层722的厚度。厚度t2代表第一磁性隧道结传感器700的第二铁磁层724的厚度。对于图7的实施例，第一铁磁层722的厚度t1要大于第二铁磁层724的厚度。因此，第一铁磁层722的磁化要大于第二铁磁层724的磁化。在暴露于外部磁场时，第一铁磁层722的磁化会与外部磁场取向一致。
厚度t3代表第二磁性隧道结传感器702的第一铁磁层732的厚度。厚度t4代表第二磁性隧道结传感器702的第二铁磁层734的厚度。对于图7的实施例，第一铁磁层732的厚度t3要小于第二铁磁层734的厚度。因此，第一铁磁层732的磁化要小于第二铁磁层734的磁化。在暴露于外部磁场时，第二铁磁层734的磁化会与外部磁场取向一致。
第一铁磁层722，732，第二铁磁层724，734和间隔层726，736的可行厚度及材料类型的例子如下。
    例1     例2     例3     厚度(nm)
第一铁磁层     CoFe     NiFe     Co     3.0
    间隔层     Ru     Ru     Ru     .75
第二铁磁层     CoFe     NiFe     Co     4.0
绝缘隧道阻挡层744，754容许在基准层710，712和第一铁磁层722，732之间形成量子机械隧道。隧道依赖于电子自旋，致使磁性隧道结传感器700，702的电阻成为基准层710，712和第一铁磁层722，732的磁化方向的相对取向的函数。
建立基准层710，712和第一铁磁层722，732的磁化取向就能检测出有无磁场。实现的方式例如是通过将磁性隧道结传感器700，702结合到图5和图6所示的本发明的实施例中。也就是可以用跨越磁性隧道结传感器700，702的电阻差异来检测有无外部磁场。
图8表示按照本发明另一实施例的一对磁性隧道结传感器。这一实施例包括由第一磁性传感器830和第二磁性传感器820共享的一个公共检测层结构810。第一磁性传感器820还包括第一绝缘隧道阻挡层824和第一基准层822。第二磁性传感器830还包括第二绝缘隧道阻挡层834和第二基准层832。
第一基准层822和第二基准层832的预置磁化取向方向相同。
公共检测层结构810包括一个合成铁磁结构检测层，检测层又包括第一铁磁层812和第二铁磁层814。对于本实施例，一个铁磁层812，814的厚度应该大于另一个铁磁层812，814的厚度。如图8所示，第一铁磁层812比第二铁磁层814厚。因此，第一铁磁层812的磁化强度要大于第二铁磁层814的磁化强度。
第一铁磁层812和第二铁磁层814被一个非磁性间隔层860隔开。
第一铁磁层812的磁化方向会与外部施加的磁场取向一致。第二铁磁层814的磁化方向会与外部施加的磁场反向平行。
第一绝缘隧道阻挡层824容许在第一基准层822和第一铁磁层812之间形成量子机械隧道。第二绝缘隧道阻挡层834容许在第二基准层832和第二铁磁层814之间形成量子机械隧道。隧道依赖于电子自旋，致使磁性隧道结传感器820，830的电阻成为基准层822，832和铁磁层812，814的磁化方向的相对取向的函数。
建立基准层822，832和铁磁层812，814的磁化取向就能检测出有无磁场。实现的方式例如是通过将磁性隧道结传感器820，830结合到图5和图6所示的本发明的实施例中。也就是可以用跨越磁性隧道结传感器820，830的电阻差异来检测有无外部磁场。
图9表示按照本发明再一实施例的一对磁性隧道结传感器。这一实施例包括由第一磁性传感器920和第二磁性传感器930共享的一个公共参考(被钉轧)层结构910。
这种并排的合成铁磁结构构造与图7所示的铁磁结构相似。然而，公共基准层是在两个磁性隧道结传感器920，930之间共享的。
磁性隧道结传感器920，930包括绝缘隧道阻挡层944，954。
本实施例的各个磁性隧道结传感器920，930包括合成铁磁结构检测层。即第一磁性隧道结传感器920包括第一磁性结构检测层，该检测层又包括第一铁磁层922和第二铁磁层924。第一铁磁层922和第二铁磁层924被一个非磁性间隔层926隔开。第二磁性隧道结传感器930包括第二磁性结构检测层，该检测层又包括第一铁磁层932和第二铁磁层934。第一铁磁层932和第二铁磁层934被一个非磁性间隔层936隔开。
图10表示按照本发明一个实施例的磁性传感器阵列1010。磁性传感器阵列1010包括按一定图形布置的本发明实施例的磁场检测传感器。
磁性传感器阵列可以用来检测和感知各种强度的磁场。也就是说，检测到外部磁场能够将磁性传感器设置成变化的电阻状态。如果预先将传感器阵列暴露于第一磁场，后来的磁场就会改变所有或是某些传感器的状态，这取决于后来磁场的强度和方向。
图11表示一个磁盘驱动器1120的读出头1110。读出头1110包括本发明一个实施例的磁场传感器1130。磁盘驱动器1120主要包括磁盘1140，磁盘又包括存储在磁盘1142表面上的信息。用磁场检测传感器1130检测存储在磁盘1140的表面1142上的信息。
尽管已经描述并示出了本发明的具体实施例，本发明并非仅限于所描述和示出的具体形式或安排。本发明仅仅由后附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种磁场检测传感器包括：
具有第一检测层(220)和第一基准层(210)的第一磁性传感器(200)；
具有第二检测层(222)和第二基准层(212)的第二磁性传感器(202)；
第一磁性传感器(200)相对于第二磁性传感器(202)物理地取向成使得由磁场检测传感器检测到的外部磁场会导致第一检测层(220)对第一基准层(210)的相对磁性取向与第二检测层(222)对第二基准层(212)的相对磁性取向相反；以及
用来检测第一磁性传感器(200)和第二磁性传感器(202)的相对磁性取向的一个差分放大器。
2.按照权利要求1的磁场检测传感器，其特征在于，第一磁性传感器(200)和第二磁性传感器(202)各是一个磁性隧道结传感器。
3.按照权利要求1的磁场检测传感器，其特征在于，第一检测层(220)对第一基准层(210)的磁性取向决定了第一磁性传感器(200)的电阻。
4.按照权利要求1的磁场检测传感器，其特征在于，第二检测层(222)对第二基准层(212)的磁性取向决定了第二磁性传感器(202)的电阻。
5.按照权利要求1的磁场检测传感器，其特征在于，第一基准层(710)和第二基准层(712)具有同方向的固定磁性取向。
6.按照权利要求5的磁场检测传感器，其特征在于，第一检测层包括第一合成铁磁结构检测层，而第二检测层包括第二合成铁磁结构检测层。
7.按照权利要求6的磁场检测传感器，其特征在于，每个合成铁磁结构检测层包括被一非磁性间隔材料(726，736)隔开的第一铁磁层(722，732)和第二铁磁层(724，734)，每个铁磁层具有的厚度和材料类型使得第一铁磁层(722，7 32)和第二铁磁层(724，734)能够实现反铁磁性耦合。
8.按照权利要求7的磁场检测传感器，其特征在于，第一铁磁层的第一厚度不同于第二铁磁层的第二厚度，因而第一铁磁层的第一磁化仅会部分抵消第二铁磁层的第二磁化。
9.按照权利要求7的磁场检测传感器，其特征在于，各个铁磁层包括软磁性材料。
10.按照权利要求1的磁场检测传感器，其特征在于，第一基准层(210)和第二基准层(212)具有反方向的固定磁性取向。
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