CN1784610A

CN1784610A - 含有铁磁/反铁磁灵敏元件的磁致电阻传感器

Info

Publication number: CN1784610A
Application number: CN200480012325.6A
Authority: CN
Inventors: 米歇尔·赫恩; 阿兰·舒尔; 格雷戈里·马利诺夫斯基; 克里斯托弗·尼科特; 克里斯托弗·杜雷特
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: CN1784610B; FR2852399B1; FR2852399A1

Abstract

本发明涉及一种用于磁场的磁致电阻传感器，其包括参考元件(2)、分隔元件(3)和对磁场灵敏的元件(4)的堆叠(1)，其中参考元件(2)和灵敏元件(4)分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁各向异性(5、6)。灵敏元件(4)包括铁磁材料(FM1)的层和反铁磁材料(AF1)的层的重叠，布置该重叠以给出磁矩(10)，其在待测场方向上的分量作为待测磁场的函数可逆地且在可调的场范围中线性地变化。本发明还涉及这样地传感器的使用。

Description

含有铁磁/反铁磁灵敏元件的磁致电阻传感器

技术领域

本发明涉及一种磁致电阻磁场传感器以及这样的传感器用于测量磁场强度的使用。

背景技术

历史上，磁致电阻传感器利用单个磁材料的电阻的变化，其是由待测磁场的变化导致的。这是各向异性磁致电阻传感器运行的原理。然而，该电阻的变化较小。自从巨磁致电阻(1988年)和室温下隧道磁致电阻(1995年)的发现以来，已经设计了其它的传感器结构，其在室温下具有超过50％的电阻变化。

这些传感器包括磁参考元件(reference element)、分隔元件和对磁场灵敏的磁元件的堆叠，布置所述堆叠从而具有与待测磁场相关的电阻变化。

特别地，该堆叠可包括分别形成参考元件和灵敏元件的两个磁结构，其被分隔元件分隔开。该结构中，排列参考元件的磁矩的取向使得其不随待测磁场的作用而改变，同时灵敏元件的磁矩的取向可通过所述磁场的作用而改变。

当分隔元件导电时(例如金属或半导体层)，传感器利用巨磁致电阻，其表明电流关于磁结构的磁化的相对取向的相关性。当分隔元件电绝缘时，传感器利用隧道磁致电阻，其取决于自旋向上和向下的电子的界面带结构(interface band structure)，且对于给定自旋道(spin channel)其取决于它们的磁化的相对取向。这些传感器高度灵敏且可用于探测其大小可变化数个量级的磁场。

为了得到高性能磁致电阻传感器，需要具有对磁结构的磁矩的相对取向的控制，从而能够使电阻变化和待测磁场相互关联。特别地，参考元件的磁各向异性轴关于灵敏元件的磁各向异性轴的垂直取向使得线性化传感器的输出以得到可容易利用的测量信号成为可能。

文献FR-2809185描述了一种传感器，其中灵敏元件包括铁磁材料的层，其磁各向异性来自形状能量(shape energy)，且参考元件包括铁磁材料制成的层和反铁磁材料制成的层的重叠，其各向异性来自这两层之间的交换。根据该文献，因此形状能量被用于得到灵敏元件，交换各向异性被用于得到参考元件，即得到关于所述场被固定的磁矩。

从传感器的构造和所得测量性能两观点来看，该解决方案具有数个缺点。

关于构造，用于导致灵敏元件的各向异性的形状能量的使用被证明对实施来说是困难且昂贵的。这是因为，如文献FR-2809185所说明的，这需要使用毗邻的无取向(disoriented)的Si(111)表面；然而该衬底对工业应用来说是特别昂贵且困难的。这是因为缓慢降温的高温(900℃)热处理是必需的以得到发现形状各向异性需要的步幅(step)的累积。此外，该使用强加特定的各向异性方向，其对传感器的模块化是有害的。此外，这些衬底不适于灵敏元件在用于处理信号的ASIC上的集成。

关于测量性能，结果证明难以适应已知传感器的使用范围，且在任何情况下它保持相对局限。特别地，使用范围取决于还损害传感器的模块性的传感器尺寸。此外，在堆叠的上部设置反铁磁层造成测量的可靠性问题。这是因为已显示反铁磁层的结构(texture)对于强的阻挡(blocking)进而对于高温运行范围是必需的。然而，当反铁磁层被设置在非晶绝缘层上时，结构丧失，阻挡较差且对于比室温稍高的温度传感器不再起作用。

为了解决所有这些缺点，本发明提出一种磁致电阻传感器，其中通过交换导致灵敏元件的磁各向异性，该交换存在于铁磁材料的层和反铁磁材料的层的界面处。

发明内容

为了实现该目的，且根据第一方面，本发明提出一种磁致电阻磁场传感器，其包括参考元件、分隔元件和对磁场灵敏的元件的堆叠，其中该参考元件和灵敏元件分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁各向异性。该灵敏元件包括铁磁材料的层和反铁磁材料的层的重叠，布置该重叠以得到一磁矩，其取向在所述待测场方向上的分量关于待测磁场的强度线性且可逆地变化，且在可调的场范围中线性地变化。

根据第二方面，本发明提出用于测量磁场强度的这样的传感器的使用，其中参考元件的各向异性方向平行于待测磁场的方向设置。

附图说明

在下面参照附图给出的描述中，本发明的其它目的和优点将显现出来，附图中：

图1和2是分别示意性显示用于根据本发明的传感器的实施例的设置在衬底上的层的堆叠的第一和第二实施例的透视图；

图3是根据图1或2的堆叠中各向异性轴、磁化和待测磁场的磁配置的图；

图4a和4b分别描述对于图1的堆叠根据图3的配置的灵敏元件和参考元件的磁化关于待测磁场的变化；

图5a和5b分别描述对于图2的堆叠根据图3的配置的灵敏元件和参考元件的磁化关于待测磁场的变化；

图6描述由图4a和4b描述的磁化变化引起的结的电阻关于待测磁场的变化；

图7描述由图5a和5b描述的磁化变化引起的结的电阻关于待测磁场的变化；

图8示出根据本发明的传感器的电和磁灵敏度关于温度的变化；

图9示出其总灵敏度关于温度的变化；

图10示出优化的传感器的总灵敏度关于温度的变化。

具体实施方式

这里特别关注的属性是当铁磁材料FM1和反铁磁材料AF1具有公共界面时当垂直于表现出交换的磁轴施加场时得到的响应。在这种情况下，通过成核及壁的传播的磁化反转过程(当场沿着表现出交换的磁轴施加时的反转)被磁化的可逆旋转代替(当场垂直于表现出交换的磁轴施加时的反转)。然后磁滞特性被图4a的可逆特性代替。此外，在相当宽的场范围中，信号是线性的。

形式上，磁化对施加磁场的响应的梯度由下式给出：

\frac{&PartialD; M}{&PartialD; H} |_{H = 0} = {(2 \frac{K_{F}}{M_{S}} + \frac{J}{t_{F} M_{S}})}^{- 1} . . . (1)

其中M_S是铁磁层FM1的饱和磁化，t_F是铁磁层FM1的厚度，K_F是铁磁层FM1的各向异性常数，且J是铁磁层和反铁磁层之间存在的耦合。当K_F＝0时，可以解析地确定层FM1的磁化在施加场的方向上的分量，即

(H) = \sin (\arctan (\frac{t_{F} M_{S}}{J} H)) . . . (2)

这样铁磁/反铁磁公共界面的产生导致磁各向异性轴，在铁磁层中其方向是可控的。在小振幅磁场中的响应是可逆的，具有一梯度，且因此具有未来传感器的灵敏度，其通过M_S、t_F和J的函数是可调的。

本发明涉及一种磁致电阻磁场传感器，其包括参考元件2、分隔元件3和对磁场灵敏的元件4的堆叠1。参考元件2和灵敏元件4分别具有在第一和第二方向上的第一5和第二6磁各向异性。

布置该类型的传感器，使得在待测磁场的影响下，灵敏元件4的磁化10的方向关于参考元件2的磁化方向改变，其导致堆叠1的电阻与所述场的强度相关的变化。

根据第一实施例，分隔元件3包括电绝缘材料的层S，例如基于氧化和/或硝化的铝，氧化镓、氧化钽、氧化镁或氧化钛酸锶。然后磁致电阻传感器利用被绝缘层S分开的两个磁元件2、4形成的结的隧道磁致电阻特性。该实施例中，垂直于层S的平面进行电阻测量。

根据第二实施例，分隔元件3由导电材料的层S形成，例如基于诸如铜的金属或基于半导体。然后磁致电阻传感器利用由被导电层S分开的两个磁元件2、4形成的“自旋阀”的巨磁致电阻特性。该实施例中，或者垂直于或者平行于层S的平面进行电阻测量。

这两个实施例中，磁致电阻效应产生堆叠1的电阻与待测磁场相关的变化，所述变化在电子处理电路中被使用以得到所述场的强度。以特定方式，通过安排没有待测磁场时第一各向异性5垂直于第二各向异性6以便于电阻变化的利用。

结合图1，给出堆叠1的第一实施例的描述，其包括作为参考元件2的铁磁材料FM2的层、以及作为灵敏元件4的铁磁材料FM1的层和反铁磁材料AF1的层的重叠。铁磁材料FM1、FM2例如基于钴、铁、镍或这些材料的合金。根据传感器所需的特性，参考元件2的和灵敏元件4的铁磁材料可以性质上相同或不同。反铁磁材料可以基于IrMn、FeMn、PtMn、NiMn或其它锰基化合物。

当铁磁材料和反铁磁材料具有公共界面时，可以观察到被称为“交换偏置”的效应，其主要表现为磁滞回线的磁场的位移。然后铁磁层FM1具有反铁磁材料AF1强加的各向异性方向6。该各向异性方向6具有可控的优点，或者通过在层AF1的沉积期间使铁磁层FM1的磁化饱和，或者通过沉积之后在磁场下的热处理，其中样品在冷却到阻挡温度(blockingtemperature)下之前被加热到比反铁磁材料AF1的阻挡温度高的温度。冷却期间，应确保铁磁层FM1的磁化在该层的各向异性所需的方向上饱和。

堆叠1设置在衬底7上，例如由硅或玻璃制成的衬底，反铁磁材料AF1的层设置在衬底上。为了这样做，可以使用真空阴极溅射技术，其使得可以连续沉积所需材料的薄层。关于氧化铝层的沉积，可以安排通过真空阴极溅射沉积铝的层，然后在氧气下氧化该层。为了在反铁磁材料AF1的层中限制缺陷的形成，可以设计在衬底7上沉积缓冲层，例如非晶钽膜8，其用于改善反铁磁材料AF1设置在其上的表面的条件。

该实施例中，通过在磁场下沉积铁磁材料FM2的层使得各向异性5定向在施加的磁场的方向上，或者通过在铁磁材料FM2的层中导致形状各向异性，例如通过安排参考元件2在各向异性5的方向上具有更大的尺寸，来获得参考元件2的各向异性5。布置参考元件2以具有比待测场范围更大的矫顽场。这样，通过施加磁场，可导致灵敏元件4的磁矩的取向的改变而没有改变参考元件2的磁矩。

例如，实现了下面的磁隧道结：

玻璃/Ta(5nm)/Co(10nm)/IrMn(10nm)/Co(10nm)/AlOx/Co(2nm)/Co₈₀Pt₂₀(5nm)/Pt(4nm)。

玻璃构成衬底，Ta/Co双层是缓冲层。灵敏元件包括IrMn(10nm)/Co(10nm)双层。Co(2nm)/Co₈₀Pt₂₀(5nm)参考元件包括加有铂的钴以增加矫顽场。Pt(40nm)层是保护层。

层在低于5×10^-7mbar的基压强(base pressure)下在室温通过阴极溅射来沉积。沉积期间氩压强是5×10^-3mbar。

为了得到绝缘层(AlOx)，在1.3nm金属层的沉积之后，在阴极溅射室中利用在10^-1mbar的纯氧等离子体中在300W持续35秒的连续发光放电(luminescent discharge)来实施氧化。样品被传送到该室而没有中断真空。

生长之后，样品在300Oe磁场中在200℃被热处理30分钟，以在IrMn层中建立“交换偏置”且垂直于Co(2nm)/Co₈₀Pt₂₀(5nm)/Pt(4nm)层的各向异性方向定向该层的各向异性方向。

通过UV光刻和离子束蚀刻以公知方式实施结的成形。

根据图2描述的第二实施例，参考元件2包括铁磁材料FM2的层和反铁磁材料AF2的重叠，灵敏元件4与图1描述的类似。该实施使得可以得到参考元件2关于待测磁场的更大的稳定性(图5b)。

该实施例中，传感器因此包括堆叠AF1/FM1/S/FM2/AF2，反铁磁材料AF1和AF2分别具有阻挡温度T1和T2，其是不同的，例如T1＞T2。为了得到图3描述的磁构造，可遵循下面的工序：

-堆叠1在磁场下在温度T＞T1被热处理，从而在灵敏元件4和参考元件2中分别导致各向异性，其平行于施加的磁场；然后

-该堆叠在与先前步骤中所加磁场垂直的磁场下在T1和T2之间的温度T被热处理，从而在参考元件2中导致各向异性5，其平行于所施加的磁场且因此垂直于灵敏元件4的各向异性6。

在这两个实施例中，布置灵敏元件4使得其磁矩10关于待测磁场而变化，且布置参考元件2使得其磁矩9的方向和敏感性(sense)相关于待测磁场固定。

通过改变使用的材料的性质和/或不同层的厚度来得到与待测磁场的强度有关的这些特性。特别地，层地厚度可以是10nm的级别且可以被布置以在待测磁场的强度范围中得到所需的结、隧道或巨磁致电阻。

图3描述分别对于参考元件2和灵敏元件4的各向异性轴5、6和磁化9、10的可能磁配置。该配置中，零磁场下，磁矩10、9是垂直的。当待测磁场11被施加在平行于参考元件2的各向异性5的方向的固定方向上时，其导致灵敏层4的磁矩10的旋转(到位置10′)，同时参考层2的磁化9保持固定。

如图4a和5a中可见的，在施加场方向上灵敏元件4的磁化的变化在待测场的强度的变化的宽范围(图4a和4b中在-50和+50Oe之间)是线性的，同时参考元件2的磁化在该范围保持恒定(图4b和5b)。关于参考元件2的磁化(图4b)，与在待测场的影响下该磁化的反转对应的矫顽场在100Oe(图4b)或300Oe(图5b)的级别，其充分超越图4a的线性范围。

因此，如图6和7所示得到根据本发明的堆叠1的电阻变化，其包括作为一重要特性的事实：在待测场强的大范围(-50和+50Oe之间)具有线性且可逆的响应。因此该变化规律可以以特别简单的方式被使用于电子处理电路中从而得到与堆叠1的电阻有关的磁场的强度，因为电阻的变化关于待测磁场的强度是线性的。

此外显示出，传感器的总灵敏度S分为电灵敏度S_e和磁灵敏度S_m，从而S＝S_e×S_m，S_e＝(R_P-R_AP)/2且S_m＝1/H_ex，其中R_P和R_AP分别是参考元件和灵敏元件的磁化平行和反平行时结的电阻，且Hex＝J/(M_St_F)是IrMn/Co双层中的有效交换场。

对上面描述的样品独立测量磁灵敏度和电灵敏度。为了实现该目的，存在与灵敏元件的反铁磁层的各向异性方向平行的施加场时在不同温度测量与场有关的电阻，以明确地得到(R_P-R_AP)/2和H_ex。

图8示出所得结果。该图中，曲线(·)表示电灵敏度，曲线(о)表示磁灵敏度的倒数，温度高达430K。

磁灵敏度随温度线性地变化。令人惊奇地，同样规律也适用于电灵敏度。这样，总灵敏度也随温度线性地变化(在本情况下它增大，如图9所示)。

实际上，图8的精细分析显示结的电阻关于温度根据一规律变化：

R (T) = R (0) (1 - C \frac{d}{\sqrt{Φ}} T^{2})

其中C是常数，d是绝缘层的厚度，Φ是以eV为单位的结势垒的高度。因此，可以通过改变势垒的参数d和Φ，特别地其厚度来设定S_e的梯度。对于具有给定势垒高度的结，因此可以确定绝缘层的厚度使得与关于温度的S_e的梯度补偿关于温度的Sm的梯度且传感器的总灵敏度是温度无关的。

上述样品的总灵敏度关于温度的变化显示在图10中，其中可注意到，它几乎不存在。

Claims

1.一种磁致电阻磁场传感器，包括参考元件(2)、分隔元件(3)和对磁场灵敏的元件(4)的堆叠(1)，其中该参考元件(2)和该灵敏元件(4)分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁各向异性(5、6)，所述传感器特征在于该灵敏元件(4)包括铁磁材料(FM1)的层和反铁磁材料(AF1)的层的重叠，其被布置为得到磁矩(10)，其取向在待测场方向上的分量关于待测磁场的强度可逆地变化，且在可调场范围中线性地变化。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述第一各向异性(5)垂直于所述第二各向异性(6)。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于所述参考元件(2)包括具有关于待测磁场固定的磁化方向和敏感性(9)的铁磁材料(FM2)的层。

4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于所述参考元件(2)包括铁磁材料(FM2)的层和反铁磁材料(AF2)的层的重叠，其被布置为得到关于待测磁场固定的磁化方向和敏感性(9)。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于所述灵敏元件(2)的反铁磁材料(AF2)的阻挡温度不同于所述参考元件(4)的反铁磁材料(AF1)的阻挡温度。

6.如权利要求1至5的任一项所述的传感器，其特征在于所述灵敏元件(4)的反铁磁材料(AF1)的层设置在衬底(7)上。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于所述衬底(7)包括用于改善其上设置有所述反铁磁材料(AF1)的表面的条件的材料层(8)。

8.如权利要求1至5的任一项所述的传感器，其特征在于所述分隔元件(3)由导电材料的层(S)形成。

9.如权利要求1至5的任一项所述的传感器，其特征在于所述分隔元件(3)包括电绝缘材料的层(S)。

10.如权利要求9所述的传感器，其特征在于其灵敏度基本温度无关。

11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，根据由所述参考元件、分隔元件和灵敏元件的堆叠构成的磁隧道结的势垒高度，所述分隔元件的厚度为使得该传感器的电灵敏度随温度的变化基本补偿其磁灵敏度随温度的变化。

12.如权利要求1至11的任一项所述的传感器用于测量磁场强度的使用，其中所述参考元件(2)的各向异性方向(5)被设置为平行于待测磁场的方向。