CN202083786U

CN202083786U - 薄膜磁电阻传感元件、多个传感元件的组合及与该组合耦合的电子装置

Info

Publication number: CN202083786U
Application number: CN201120175774XU
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·G·迪克; 薛松生
Original assignee: MultiDimension Technology Co Ltd
Current assignee: MultiDimension Technology Co Ltd
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2021-05-27
Also published as: US20150364677A1; EP2662856A4; WO2012092831A1; US9123875B2; CN102280574A; EP2662856A1; US9478732B2; US20130277781A1; EP2662856B1; CN102280574B

Abstract

本实用新型涉及一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层，自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁藕合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成，隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。本实用新型还提供多个前述传感元件的组合以及一种与上述传感元件组合耦合的电子装置。

Description

薄膜磁电阻传感元件、多个传感元件的组合及与该组合耦合的电子装置

技术领域

本实用新型涉及利用一系列磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction）传感元件的一种矢量磁场测量传感系统，其包括具有垂直磁各向异性的铁磁材料。

背景技术

矢量磁场传感器可以用来制造电子罗盘，这在手机等消费电子和汽车导航系统中的应用正在不断成长，同时也包括定位和测量等许多具体的应用领域。这些器件通常要求低功耗，低成本，并适合大批量生产，以满足消费电子的大量需求。

现有多种装置可以作为矢量磁场传感器来探测磁信号，而其中，又有多种适合集成到单个半导体芯片当中。这些技术包括半导体霍尔器件以及磁电阻器件，其中磁电阻器件包括各向异性磁电阻（AMR，Anisotropic Magnetoresistance）和巨磁电阻（GMR，Giant Magnetoresistance）。霍尔效应器件本身比较昂贵且分辨率低。它们通常对垂直于它们所沉积的基片平面的磁场敏感。AMR和GMR器件虽然具有相对较高的分辨率，但由于输出信号幅值较小，因而需要对后端电路进行更好的设计，从而增加了系统的复杂性和大小，因此增加了系统的整体成本。AMR和GMR传感器通常对平行于其所沉积的基片平面方向的磁场敏感。

传感器通过隧道磁电阻（TMR）效应来检测磁场，其具有体积小、分辨率高和输出信号幅值大的特点，这些特点可用于简化电路设计，从而降低整体系统成本。AMR和GMR传感器，以及MTJ传感器的敏感方向平行于它们所沉积的基片平面。

同大多数半导体器件一样，最好的实现低成本和大批量生产的方式是将所有的器件集成到一个单一的半导体基片上。但是，由于通常的传感器只检测平行或垂直的磁场分量，因而将一个三轴矢量磁强计完全集成到一个单一的芯片上非常困难。为了解决这个问题，可以采用两个或两个以上的集成有传感元件的基片成直角对齐，然后封装到一起，但这增加了尺寸和成本。

采用现有的传感元件组成一个双轴磁场芯片已经有多种不同的实现方式。然而，这些方案都不能测量垂直于基片平面的磁场分量。通过软磁屏蔽层的聚磁作用，已构成了霍尔效应器件的三轴磁场传感器，或是采用范得堡瓦技术测量平面内的磁场分量，但这些器件都是相对高功耗和低灵敏度。

其它的被认为可行的技术方案是将检测垂直分量和检测平行分量的传感器结合起来，比如霍尔传感器与AMR、GMR或MTJ传感器的结合，但是，由于它们的灵敏度差异，以及可能存在的生产工艺的不兼容性使得它成为一个并不太具吸引力的解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是提供用于制作对垂直于基片方向的磁场敏感的MTJ传感器，以用于集成式单片矢量磁强计系统。

本实用新型一方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层，自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁藕合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成，隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。

本实用新型另一方面提供一种多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

本实用新型第三方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

本实用新型第四方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、参考层、位于自由层和参考层之间的隔离层。自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面，参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该参考层具有比自由层更高的矫顽力，隔离层由绝缘或是导电材料制成。

本实用新型第五方面提供一种多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

本实用新型第六方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

本实用新型第七方面提供一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，该传感元件包括自由层、第一参考层、位于自由层和第一参考层之间的第一隔离层、第二参考层、位于自由层和第二参考层之间的第二隔离层。自由层材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面；第一参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该第一参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第一参考层具有比自由层更高的矫顽力；第二参考层磁化方向与第一参考层方向相反，该第二参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第二参考层具有比自由层更高的矫顽力；第一隔离层由绝缘材料制成；第二隔离层由导电材料制成。

本实用新型第八方面提供多个上述传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

本实用新型第九方面提供一种与上述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

本实用新型还提供几种组合，各种组合为多个上述其中一种传感元件的组合，其中，多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。本实用新型另外还相应地提供几种分别与这些传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。

附图说明

图1 是传感器薄膜的坐标系；

图2是一种有效的采用永磁铁PM控制传感器的响应特性的MTJ磁场传感器材料的分层顺序示意图。这里钉扎层PL的磁化强度矢量被固定在垂直于膜面方向，而自由层FL的磁化矢量可以在垂直和平行方向自由移动，在钉扎层PL的这一初始磁化方向，传感器检测自由层FL磁化矢量的面外分量；第二钉扎层PL被用来控制MTJ器件电阻随外磁场变化关系函数曲线的中心点；

图3是垂直磁各向异性MTJ器件的随外加平行场的磁电阻变化曲线；

图4是由许多不同形状的垂直磁各向异性MTJ传感元件构成的一个多轴传感器的示意图；

图5是由垂直磁各向异性MTJ传感元件构成的一个多轴传感器的示意图，在图中传感器阵列分布在坡莫合金铁磁圆盘周围以分离外磁场的三个不同分量；

图6一个方形磁块的磁极分布示意图；

图7是磁通聚集器在感生磁极附近将面内方向磁场转变为垂直方向磁场的方法示意图，该图为磁通聚集器沿外场方向的截面图；

图8是一个将传感器系统的响应转换为三个正交磁场分量的电子系统原理图。

具体实施方式

图1反映的是矢量磁强计的正交坐标系，其中，一磁性传感器被沉积到位于XY平面内的基片5。X和Y坐标被定义为平行于基片的参考平面或是位于平面内，Z轴代表垂直于基片表面的方向。

本实用新型中MTJ传感器通常被设计成易受Z轴方向磁场分量控制的传感器。通常，MTJ传感器由至少3个关键层组成，分别可以称为自由层（FL），钉扎层（PL）和隧道势垒层。自由层和钉扎层由不同成分的铁磁合金组成，包括但不限于Ni，Fe，Co,Al，B，Mo，Hf，Pd，Pt和Cu。钉扎层的磁化严格保持在一个方向上，并且随外加磁场的改变不发生明显变化，自由层的磁化方向可以自由响应外加磁场。隧道势垒为绝缘材料的，通常是氧化物，比如AlOx或MgO。

在测量MTJ器件钉扎层和自由层之间的电阻时，MTJ器件显示出随着自由层的磁化方向相对于钉扎层磁化方向的改变，MTJ器件的电阻发生显著变化。这就是通常所说的隧道磁电阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）效应。电阻的变化可以量化成电阻变化率这一指标，电阻变化率定义为：

（1）

这里是MTJ器件的自由层和钉扎层的磁化方向相互反平行排列时的电阻，

是自由层和钉扎层磁化方向相互平行排列时的电阻。通常，

要比

大，同时，电阻随着钉扎层和自由层磁化矢量方向之间的夹角呈余弦方式变化。

图2示出了一MTJ器件中各层的一个优选沉积顺序。优选的器件具有一个自由层（FL）30，该自由层30两边分别有一个钉扎层（PL）与之相邻。最顶层和最底层钉扎层11和10，它们的初始磁化方向相反，这样可以消除钉扎层在自由层产生的零散场可能导致的MTJ器件磁响应的非对称性。为了使MTJ器件能响应Z方向的磁化强度，钉扎层被沿Z轴方向磁化，同时，隔离各钉扎层与自由层30的空间层20和21由不同的材料组成，在优选的实施方案中，第一空间层20由MgO（氧化镁）形成，第二空间层21由Cu（铜）形成。采用MgO空间层的器件通常表现出比采用Cu空间层的器件大很多的电阻变化率（MR Ratio）。因此，MTJ器件的电阻变化反映了钉扎层10和自由层30磁化强度的相对角度。如果两个空间层采用的是相同的材料，则在一个空间层上的电阻增加将会补偿另一个空间层上的电阻减小，则整个MTJ器件的磁电阻效应会非常小。永磁层PM80用来在自由层FL30上产生一个偏置场，用以降低MTJ器件的磁滞并通过使自由层FL30相对磁畴自由转动而使MTJ器件的具有对外场的更好的线性响应。

器件的电阻变化对外场的响应如图3所示。其中水平轴代表外加的沿Z轴的磁场的大小，纵轴表示在绝缘空间层上的隧道磁电阻。曲线74展示了在没有XY平面的外场时，预期的电阻变化。曲线75显示了外加XY平面的外场时，使得线性区的R(Hz)曲线的斜率降低。该交叉轴灵敏度是器件的材料与几何形状的函数，可以使它增加或降低以满足传感器设计的要求。

自由层30的磁化方向通常更容易排列到一个被称为磁化易轴的方向。这一方向通常由磁各向异性决定，主要由两部分组成，分别称为铁磁材料的固有磁晶各向异性Ki和形状各向异性Ks，正如其名字所表示的，Ks决定于自由层的几何形状。自由层的总的磁各向异性等于这两部分的和：

K=Ki+Ks （2）

在MTJ器件中，可以多种不同来源的磁各向异性可以用来改善其性能，包括表面/界面各向异性和应力各向异性，但是对于近似的讨论，它们可以忽略。各向异性值K随着自由层的磁化方向而不同，磁化易轴的方向正是沿着使K值最小的方向。

当磁化矢量沿着自由层的长轴方向时，Ks比较小，因此，在没有外加一个很大的沿Z轴方向的场时，决定于Ks的自由层的磁化方向将躺在XY平面内。如果自由层成型成椭圆形的，则磁矩将会躺在XY面内并沿椭圆的长轴方向。

为了使磁矩能沿垂直于平面的方向，Ki需要一个很大的面内分量以补偿沿面外方向而增加的形状各向异性Ks。这将会使得磁化易轴沿面外方向，通常这被称为垂直磁各向异性。含有Ni，Co,Fe，Pt,Pd和Tb成分的合金在薄膜中通常被用来产生垂直磁各向异性。二元化合物的合金，如CoPt，FePt和CoPd最为常用。另外，可以通过诱生表面各向异性使磁矩沿垂直于自由层的表面，这已经通过在CoFeB超薄膜上覆盖不同的保护层，比如Ta得以实现。

作为线性工作的磁场传感器，较佳地，Ki略小于Ks，以使自由层的磁化倾向平面分布，但沿Z方向的适当的磁场Hz能使磁化转出面外。

采用垂直磁各向异性材料，并调节传感器的形状，可以在同一个基片上制作不同的传感器以响应磁场的不同分量。如果钉扎层的磁化被置于XY面内，则MTJ器件将对平行于XY平面的自由层磁化元件敏感。如果自由层的磁化被外场Hz转到面外，电阻将接近于中间值。假如自由层的磁化转到平行或反平行于钉扎层的磁化方向的平面内，电阻接近最小值或最大值。

或者，如果钉扎层的磁化方向被设定为Z方向，传感器将对沿Z方向的自由层磁化元件的最强烈地敏感。此外，自由层的形状能用来使磁化更易响应于沿一个平面内的轴——即X轴——外加的磁场转向，而不是沿另一个轴，即Y轴。这一效应能用来使传感器对沿某一方向的磁场比另一方向更敏感。传感器可以设计成圆形的或是采用永磁体的偏置的，因而对XY平面内的磁场相同敏感，但对沿Z轴方向的磁场响应最强。

任何情况下，显然，采用沉积到一基片上的同一传感器薄膜，可以将相邻的MTJ传感器成型为各种对应于外磁场的不同的不同形状的元件。这一特性可以用来制作单片的矢量磁强计。一个单片的矢量磁强计的设计图如图4所示。这里，三个不同形状的MTJ传感器被制成分别对外磁场的三个垂直分量敏感。一个传感器90对沿轴1方向的磁场最为敏感，另一传感器91对沿轴2方向的磁场最为敏感。为了使传感器90和91在工作时具有低磁滞，采用了永磁体80给传感器90和91外加偏置场，同时该偏置场补偿了Z方向传感器92，使其能同等地响应XY面内的外磁场。

图5阐明了另一种采用垂直磁各向异性MTJ器件设计矢量磁强计的方式。在该方式下，传感器包括一个方形的高磁导率的铁磁盘，该铁磁盘使得外磁场重新分布，并且在铁磁盘的边界处改变方向。这是由于具有很强渗透力的聚磁器220响应外磁场并发生磁极化，至少在数学描述上，从磁荷等效的观点，在铁磁盘两端，磁场进入和离开铁磁盘的情况如图6所示。磁极的磁化强度与外加磁场成线性关系。图7显示了一渗透性的聚磁器220在外加X方向磁场时的XZ截面。注意到，在聚磁器220的左手边外磁场被诱导到向上的方向，在右手边被诱导成向下的方向。Z轴磁场传感器被置于聚磁器220的左右两边将会表现出相反的电阻变化。因而位于高渗透率聚磁器两边的两个传感器的电阻值的差分指示X方向磁场分量，并对Y、Z方向的外加磁场不敏感。因此，如图5所示构造的磁感器对于分离不同方向的磁场分量非常有用。

无论是图4还是图5中的矢量磁强计，都希望它能很好地分离不同的磁场分量，并且对于不沿预期的敏感轴的磁场分量，每一个不同的传感器有不同的交叉轴敏感度。为了解决这一问题，并克服敏感轴的非正交性问题，可以构建一个如图8所示的传感器系统。

矢量磁强计的工作原理包括处理每一个不同传感器的电压输出，即对三个不同方向磁场Hx，Hy，Hz的三个多项式和一直流偏置电压进行求和。推荐的公式如下：

（3）

整个方程如下所示：

（4）

这里，M是传感器阵列的传感器数量，N是用来逼近传感器响应的多项式的项数。该系统可以用如下的一个矩阵方程来加以描述：

V-V ^off = C H (5)

该方程可以通过求逆来求得矩阵H，所需要要的磁场分量如下：

H = C ^-1 (V-V ^off ) (6)

简单地，考虑一用来检测Hx、Hy的双轴传感器。假定是线性响应，则该双轴传感器的输出可以如下式描述：

(7A)

（7B)

写成矩阵形式是：

(8)

解该矩阵方程可得H：

(9)

利用存储的C和Voff的数值，通过一片上微控制器可以很容易地从方程9中解出H。C和Voff的矩阵的数值可以很容易地通过将传感器阵列置于一个固定的校准位置测量V（Hx,Hy）来获得，并且每个传感器获得足够的点数以拟合出方程7的响应。

如果传感器的响应是非线性的，同时具有横轴响应，则多项式的更高阶项系数可以确定，但是为了能确定所有的项，则至少需要原来两倍的传感器数量。对于本实用新型中所述的三维磁强计，需要包括H3以拟合传感器的多项式，然后该系统需要进行求逆以获得一个双轴传感器的磁场分量：

(10)

在这种情况下，需要存储20个参数以求解该矩阵方程。依此类推，该方程可以扩展成包括三个正交轴和尽量多项的多项式可以存储在一个芯片上。则芯片上的最小存储面积是：

. (11)

和上面一样，这里N是用来对磁场H的每一个分量进行拟合的多项式的项数。

在一个可选的方案中，通过阵列传感器输出电压，再通过片上系统来求解该方程，来描绘阵列传感器中在正交磁场分量的方法如图8所示。这里，M个阵列传感器100通过一个模拟多路复用器110和模数转换器（ADC）120，被周期性的选定并进行采样。模数转换器ADC的输出被送到微控制器130，用来计算磁场值从阵列电压值。微控制器采用存储在片上内存150中的数据来进行修正。微控制器提供数字输出形式140。该系统可以设计成在芯片级进行修正，同时也可以由最终用户通过特殊的修正模式进行再次修正。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，其特征在于包括：

一自由层，该自由层的材料固有的易轴被设置成垂直于其所沉积的基片平面；

一参考层，所述参考层中的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由与反铁磁层磁藕合的铁磁层构成或由比自由层矫顽力高的铁磁层构成；

一隔离层，该隔离层位于所述自由层和参考层之间，该隔离层由绝缘材料或是导电材料制成。

2.如权利要求1所述的薄膜磁电阻传感元件，其特征在于：它还包括永磁体，用于施加一平行于沿平行于基片平面方向的自由层的磁场，该磁场用来减小自由层对外加的垂直于基片平面的磁场响应的磁滞。

3.一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，其特征在于包括：

一参考层，该参考层的磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该参考层具有比自由层更高的矫顽力；

一隔离层，所述隔离层位于所述自由层和参考层之间，该隔离层由绝缘或是导电材料制成。

4.如权利要求3所述的薄膜磁电阻传感元件，其特征在于：它还包括永磁体，该永磁体施加一平行于沿平行于基片平面的方向的自由层的磁场，该磁场用来减小自由层对外加的垂直于基片平面的磁场响应的磁滞。

5.一种薄膜磁电阻传感元件，用来检测垂直于其所沉积的基片平面的磁场分量，其特征在于包括：

一第一参考层，其磁化方向限制为平行于基片平面的方向，该第一参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第一参考层具有比自由层更高的矫顽力；

一第一隔离层，其位于所述自由层和第一参考层之间，该第一隔离层由绝缘材料制成；

一第二参考层，其磁化方向与第一参考层方向相反，该第二参考层由具有垂直各向异性和形状各向异性的铁磁材料构成，该第二参考层具有比自由层更高的矫顽力；

一第二隔离层，其位于自由层和第二参考层之间，该第二隔离层由导电材料制成。

6.如权利要求5所述的薄膜磁电阻传感元件，其特征在于：它还包括永磁体，该永磁体施加一平行于沿基片平面的方向的自由层的磁场，该磁场用来减小自由层对外加的垂直于基片平面的磁场响应的磁滞。

7.多个如权利要求1所述的传感元件的组合，其特征在于：多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

8.一种与权利要求7所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

9.多个如权利要求3所述的传感元件的组合，其特征在于：多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

10.一种与权利要求9所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

11.多个如权利要求5所述的传感元件的组合，其特征在于：多个传感元件沉积到相同的基片上且成形为多个形状，每一个传感元件对沿两个或更多个倾斜轴施加的磁场具有不同的灵敏度。

12.一种与权利要求11所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对不同的传感元件响应在表达两个或三个正交的磁场方向的坐标系中退卷积。

13.多个如权利要求1所述的传感元件的组合，其特征在于：多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。

14.一种与权利要求13所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。

15.多个如权利要求3所述的传感元件的组合，其特征在于：多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。

16.一种与权利要求15所述传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。

17.多个如权利要求5所述的传感元件的组合，其特征在于：多个传感元件沉积到相同的基片上且排列在高磁导率的铁磁平面周围的不同位置上，用来将外加磁场分为不同方向的分量。

18.一种与权利要求17所述的传感元件组合耦合的电子装置，用来对具有三个正交方向的坐标系中的不同传感元件的响应进行退卷积。