KR102554894B1 - 증가된 동작 범위를 갖는 자기 저항 소자 - Google Patents

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Abstract

기판상에 증착된 자기 저항 소자는 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제1 복수층을 포함하는 제1 스택부를 포함한다. 제1 스택부는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 또한, 자기 저항 소자는 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제2 복수층을 포함하는 제2 스택부를 포함한다. 제2 스택부의 제1 표면은 제1 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 제2 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다.

Description

증가된 동작 범위를 갖는 자기 저항 소자
종래에 알려진 바와 같이, 자기장 센싱 소자는 다양한 분야에서 사용될 수 있다. 예시적인 적용 분야에서, 자기장 센싱 소자는 기어 또는 링 자석과 같은 물체의 움직임을 검출(예를 들어, 회전)하는데 사용될 수 있다. 물체의 움직임에 의해 영향을 받는 자기장은, 인가된 자기장에 응답하여 신호(즉, 자기장 신호)를 제공하는 홀 효과(Hall effect) 소자 및/또는 자기 저항 소자와 동일한 하나 이상의 자기장 센싱 소자에 의해 검출될 수 있다. 예를 들어, 물체의 움직임은, 물체(또는 물체의 목표 특징) 및 자기장 센싱 소자 사이의 공극(air gap)의 변화를 초래할 수 있고, 자기장 센싱 소자가 노출되는 인가된 자기장 및 인가된 자기장에 응답하여 자기장 센싱 소자에 제공되는 자기장 신호내에서 변화를 초래할 수 있다. 예를 들어, 이러한 자기장 신호는 물체 움직임의 위치, 근접성, 속도 및/또는 방향을 검출하도록 처리될 수 있다.
다양한 파라미터는 자기장 센싱 소자 및 자기장 센싱 소자를 사용하는 회로 또는 센서의 성능을 특징 짖는다. 자기장 센싱 소자와 관련하여, 파라미터는, 예를 들어, 인가된 자기장(예를 들어, 강자성(ferromagnetic) 물체의 움직임에 의해 영향을 받을 수 있는 자기장)에 응답하여 자기 저항 소자의 저항의 변화 또는 홀 효과 소자로부터 출력 전압의 변화에 대응하는 감도를 포함한다. 부가적으로, 자기장 센싱 소자와 관련하여, 파라미터는, 자기 저항 소자의 저항 또는 홀 효과 소자로부터의 출력 전압이 인가된 자기장에 선형적으로(즉, 정비례로) 변화하는 정도에 대응하는 선형성을 포함한다.
자기 저항 소자는, 예를 들어, 홀 효과 소자와 비교하여 상대적으로 높은 감도를 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, 자기 저항 소자는 적당히 좋은 선형성을 갖는 것으로 알려져 있지만, 제한된 또는 한정된 범위의 자기장에 걸쳐, 홀 효과 소자가 동작할 수 있는 범위 보다 범위가 더 제한된다. 자기장의 제한된 범위(즉, 자기 저항 소자의 소위 "선형 영역" 또는 "선형 범위")에서, 자기 저항 소자의 저항은 일반적으로 자기 저항 소자가 노출되는 인가된 자기장을 가리키는 것으로 알려져 있다. 자기장의 제한된 범위 밖에서(즉, 소위 "포화 영역"에서), 자기 저항 소자의 저항은 일반적으로 인가된 자기장을 가리키지 않는 것으로 알려져 있다. 전술한 결과, 자기 저항 소자의 동작 범위(즉, 자기 저항 소자가 인가된 자기장을 가리키는 저항을 갖는 범위)는 일반적으로 자기장의 제한된 범위(즉, 자기 저항 소자의 선형 범위)에 한정된다. 부가적으로, 자기 저항 소자를 사용하는 회로 또는 센서(예를 들어, 자기장 센서)의 동작 범위(즉, 자기 저항 소자를 사용하는 회로 또는 센서가 인가된 자기장에 가리키는 신호를 발생할 수 있는 범위)는 자기 저항 소자의 동작 범위로 제한될 수 있다.
적어도 상기 이유들로 인해, 종래의 자기 저항 소자 및 종래의 자기 저항 소자를 사용하는 회로 또는 센서의 기본적인 사용은, 일반적으로 자기장(예를 들어, 저강도 자기장)의 제한된 범위에 걸쳐 센싱이 요구되고, 자기 저항 소자의 비교적 높은 감도 특성이 요구되는 분야로 제한된다.
본 명세서에서 증가된 동작 범위를 갖는 자기 저항 소자에 관한 개념, 시스템, 회로 및 기술이 서술된다. 보다 구체적으로, 일 실시 양태에서, 본 발명에 따른 자기 저항 소자는 기판에 증착되고, 적어도 제1 및 제2 재료 스택부(또한, 본 명세서에서 간단히 "스택부"로 지칭됨)를 포함한다. 제1 스택부는 대향하는 제1 및 제2 표면을 가지며, 복수의 제1 층을 포함한다. 부가적으로, 제1 스택부는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 또는 검출된 자기장(예를 들어, 국부 및/또는 외부 자기장)에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 제2 스택부는 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고, 복수의 제2 층을 포함한다. 제2 스택부의 제1 표면은 제1 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 제2 스택부는 제1 스택부의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. 실시 양태에서, 인가된 자기장은 국부 자기장 및 외부 자기장을 포함하고, 국부 자기장(예를 들어, 자기 저항 소자가 증착되는 기판에 제공되는 자석에 의해 발생될 수 있음)은 자기 저항 소자를 바이어스하고, 자기 저항 소자의 제1 및 제2 실질적 선형 응답의 적어도 하나에 영향을 주도록 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 자기 저항 소자와 관련하여, "실질적 선형 응답"이라는 용어는 소정의 선형 비율내에서 선형성으로부터 최대 편차를 갖는 자기 저항 소자의 응답 특성을 설명하기 위해 사용된다. 예를 들어, 소정의 선형 비율은 자기 저항 소자가 제공될 수 있는 시스템 또는 장치(예를 들어, 자기장 센서)에 요구되는 정확도에 의존한다. 일 실시 양태에서, 예를 들어, 자기 저항 소자가 약 제로 에르스텟의 자기장에서 최대 감도를 갖는다고 가정했을 때, 소정의 선형 비율은 선형의 약 10%, 예를 들어, 약 제로 에르스텟(Oersted)의 자기장에서 자기 저항 소자에 의해 보여지는 감도의 약 10%이다. 실시 양태들에서, 실질적 선형 응답은 연관된 자기장 강도(즉, 자기장 강도 범위에 걸쳐)를 갖는 자기장 범위에 걸쳐 발생한다. 부가적으로, 실시 양태들에서, 자기장 강도의 범위는 제1 및 제2 대향 단부를 가지며, 제1 및 제2 단부는 실질적 선형 영역이 소정의 선형 비율로부터 벗어난 평균 기울기를 갖는 점(예를 들어, 포화 영역으로 진입하는)에 대응한다.
자기 저항 소자는, 개별적으로 또는 다른 특징과 조합하여 하나 이상의 하기의 특징들을 포함할 수 있다. 제1 스택부의 제1 실질적 선형 응답은, 인가된 자기장이 제1 자기장 강도 범위에 있을 때 자기 저항 소자가 자기장 강도의 변화에 대한 제1 감도 레벨을 갖도록 할 수 있다. 제2 스택부의 제2 실질적 선형 응답은, 인가된 자기장이 제2 자기장 강도 범위에 있을 때 자기 저항 소자가 제1 감도 레벨에 비하여 감소된 자기장 강도의 변화에 대한 제2 감도 레벨을 갖도록 할 수 있다.
제1 자기장 강도 범위는 음의 자기장을 포함할 수 있다. 제2 자기장 강도 범위는 양의 자기장을 포함할 수 있다. 제1 자기장 강도 범위는 제2 자기장 강도 범위의 하나 이상의 부분과 겹칠 수 있다(즉, 제1 자기장 강도 범위는 또한 제2 자기장 강도 범위가 포함하는 하나 이상의 자기장 강도를 포함할 수 있다). 제1 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 가질 수 있고, 제1 스택부의 층들의 적어도 하나의 두께는 제1 스택부가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다. 제2 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 가질 수 있고, 제2 스택부의 층들의 적어도 하나의 두께는 제2 스택부가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다. 제1 스택부내의 제1 복수층의 순서는 제1 스택부가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다. 부가적으로, 제2 스택부내의 제2 복수층의 순서는 제2 스택부가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다.
실시 양태들에서, 제1 및 제2 복수층은 동일한 개수의 층을 포함할 수 있다. 부가적으로, 실시 양태들에서, 제1 및 제2 복수층은 상이한 개수의 층을 포함할 수 있다. 제1 스택부는 제1 고정층(pinned layer) 구조, 제1 고정층 구조상에 배치된 제1 스페이서층(spacer layer), 및 제1 스페이서층상에 배치된 제1 자유층 구조를 포함할 수 있다. 제1 스페이서층은 제1 두께를 갖는 제1 재료로 구성될 수 있다. 제1 재료 및 제1 두께는 제1 스택부가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다. 제2 스택부는 제2 고정층 구조, 제2 고정층 구조상에 배치된 제2 스페이서층, 및 제2 스페이서층상에 배치된 제2 자유층을 포함할 수 있다. 제2 스페이서층은 제2 두께를 갖는 제2 재료를 포함할 수 있다. 제2 재료 및 제2 두께는 제2 스택부가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다.
제1 및 제2 스페이서층은 루테늄(Ruthenium, Ru)으로 구성될 수 있다. 제2 스페이서층의 제2 선택된 두께는, 약 1.6 나노미터(nm)에서 약 1.8nm, 약 2.2nm에서 약 2.4nm, 약 2.9nm에서 약 3.1nm, 또는 약 3.5nm에서 약 3.7nm 사이의 범위에 있다. 제1 스페이서층의 선택된 제1 두께는 약 1.3nm일 수 있다. 제2 스페이서층의 제2 선택된 두께는 약 1.7nm일 수 있다. 제1 및 제2 스택부의 제1 및 제2 고정층 구조는 각각의 하나의 고정층을 포함할 수 있다. 부가적으로, 각각의 제1 및 제2 고정층 구조는 각각의 합성 반강자성(antiferromagnetic)(SAF) 구조를 포함한다. 자기 저항 소자는 거대 자기 저항(GMR) 소자, 자기 터널 접합(MTJ) 소자 및 터널링 자기 저항(TMR) 소자 중 하나 일 수 있다. 부가적으로, 자기 저항 소자는 자기장 센서에 제공될 수 있다.
일 실시 양태에서, 자기장 센서는, 인가된 자기장에 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 발생시키도록 구성된 자기 저항 소자를 포함한다. 제1 및 제2 실질적 선형 응답은 약 제로 에르스텟의 인가된 자기장 강도에서 자기 저항 소자의 기대 응답에 대하여 실질적으로 제로 오프셋을 갖는다. 실시 양태들에서, 제1 및 제2 실질적 선형 응답은, 예를 들어, 인가된 자기장이 약 제로 에르스텟에 실질적으로 균일하게 분포된 자기 저항 소자의 선형 범위에 걸쳐 약 제로 에르스텟의 자기장 강도를 가질 때, 자기 저항 소자가 실질적 오프셋을 갖지 않도록 한다.
다른 실시 양태에서, 자기장 센서는 인가된 자기장에 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 발생하기 위한 수단을 포함한다. 제1 및 제2 실질적 선형 응답은 약 제로 에르스텟의 인가된 자기장 강도에서 기대 응답에 대하여 실질적으로 제로 오프셋을 갖는다.
자기장 센서는 다음의 특징들 중 개별적으로 또는 다른 특징과 조합하여 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 발생시키는 수단은 자기 저항 소자일 수 있고, 상기 기대 응답은 자기 저항 소자의 기대 응답일 수 있다. 자기 저항 소자는, 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제1 복수층을 포함하는 제1 스택부를 포함할 수 있다. 자기 저항 소자는, 대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제2 복수층을 포함하는 제2 스택부를 포함할 수 있다. 제2 스택부의 제1 표면은 제1 스택부의 제2 표면상에 배치될 수 있다. 제1 스택부는 제1 실질적 선형 응답을 가질 수 있고 제2 스택부는 제2 실질적 선형 응답을 가질 수 있다. 제2 실질적 선형 응답은 제1 실질적 선형 응답과 상이할 수 있다. 제1 실질적 선형 응답은 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응할 수 있다. 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응할 수 있다.
본 발명에 따른 상기와 하기에 서술된 자기 저항 소자 및 자기장 센서는, 예를 들어, 자기 저항 소자가 각각 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 갖는 적어도 제1 및 제2 스택부를 갖기 때문에, 종래의 자기 저항 소자의 동작 범위와 비교하여 증가된 동작 범위를 갖는 것으로 밝혀졌다. 전술한 바와 같이, 제1 실질적 선형 응답은 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. 또한, 전술한 바와 같이, 제2 실질적 선형 응답은 제1 실질적 선형 응답과 상이하고, 제2 자기장 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다.
또한, 본 발명에 따른 자기 저항 소자는, 증가된 동작 범위내의 비교적 작거나 감소된 자기장에서 감도의 희생(즉, 감소) 없이 증가된 동작 범위를 갖는 것으로 밝혀졌다. 공지된 바와 같이, 자동차와 같은 고정밀 응용분야에서, 예를 들어, 하나 이상의 자기 저항 소자는 물체(예를 들어, 링 자석 또는 강자성 기어)의 움직임을 검출하는데 사용될 수 있고, 예를 들어, 물체의 특징(예를 들어, 기어치)을 구별하기 위해(즉, 목표 특징을 적절하게 검출하기 위해) 자기 저항 소자의 적절한 스위칭(예를 들어, 후처리 알고리즘 처리 과정을 통하여, 예를 들어, 자기 전자 소자의 또는 자기 저항 소자를 포함하는 센서의 출력을 적절하게 스위칭함)을 보장하기 위해 충분히 높은 신호대 잡음비(SNR)를 갖는 자기장이 필요할 수 있다. 충분히 높은 SNR은 응용분야의 유형에 의존할 수 있으며, 예를 들어, 고정밀 응용분야를 위한 충분히 높은 SNR은 약 25dB일 수 있다. 예를 들어, 자기 저항 소지 및 자기 저항 소자에 의해 센싱되는 물체 사이의 상대적으로 크거나 "먼" 공극(예를 들어, 센서면에서 물체 또는 목표까지 약 2.5nm 초과 공극)에서, 자기 저항 소자에 의해 센싱된 인가된 자기장은 상대적으로 작을 수 있고, SNR은 상대적으로 낮고 감도는(예를 들어, 물체의 특징들을 인식하기 위해) 중요할 수 있다. 상대적으로 작거나 "가까운" 공극(예를 들어, 센서면에서 물체 또는 물체까지 약 1nm 보다 작은 공극)에서, 인가된 자기장은 일반적으로 노이즈를 압도하기에 충분히 크며(즉, SNR은 가까운 공극에서 상대적으로 높다), 적절한 스위칭이 큰 공극에서 보다 작은 공극에서 문제가 덜 되게 한다.
실시 양태들에서, 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 적어도 제1 및 제2 실질적 선형 응답은, 인가된 자기장이 제1 임계치 미만이거나 제1 자기장 강도 범위내에 있을 때(예를 들어, 자기장 강도 및 SNR이 상대적으로 높은 가까운 공극에서) 자기 저항 소자가 자기장 강도의 변화에 적어도 제1 감도 레벨, 및 인가된 자기장이 제2 임계치 초과이거나 제2 자기장 강도 범위내에 있을 때(예를 들어, 자기장 강도 및 SNR이 비교적 낮은 먼 공극에서) 제1 감도 레벨에 비하여 감소된 자기장 강도의 변화에 적어도 제2 감도 레벨을 갖는 단편적인 선형 효과를 제공한다. 전술한 것은, 특히 클리핑이 발생할 수 있는 곳에서(예를 들어, 상대적으로 높은 자기장 강도에서), 자기 저항 소자의 동작 범위를 크게 확장시킬 수 있다. 또한, 전술한 것은 더 큰 오프셋 드리프트 허용치를 제공할 수 있다. 공지된 바와 같이, 자기 저항 소자는 일반적으로 오프셋의 영향을 받고, 자기 저항 소자가 제로 자기장에 있을 때 자기 저항 소자의 저항은 아주 작은(또는 제로) 자기장을 가리키지 않는 것이 특징이다. 공지된 바와 같이, 오프셋은 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 자기 저항 소자와 연관된 추가의 예시적인 장점이 이하에서 더 논의된다.
본 발명의 전술한 특징 및 본 발명 자체는 이하 도면의 상세한 설명으로부터 보다 완벽하게 이해될 수 있다:
도 1은 이상적인 종래의 자기 저항 소자의 예시적인 응답 특성을 도시한 도면이다;
도 2는 예시적인 종래 기술의 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 3은 도 2의 종래 기술의 자기 저항 소자의 예시적인 응답 특성을 도시한 도면이다;
도 4는 다른 예시적인 종래 기술의 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 5는 도 4의 종래 기술의 자기 저항 소자의 예시적인 응답 특성을 도시한 도면이다;
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 자기 저항 소자의 응답 특성을 도시한 도면이다;
도 7은 본 발명에 따른 예시적인 제1 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 8은 본 발명에 따른 예시적인 제2 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 9는 본 발명에 따른 예시적인 제3 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 10은 도 9의 자기 저항 소자의 예시적인 제1 응답 특성을 도시한 도면이다;
도 11은 도 9의 자기 저장 소자의 예시적인 제2 응답 특성을 도시한 도면이다;
도 12는 본 발명에 따른 예시적인 제4 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 13은 본 발명에 따른 예시적인 제5 자기 저항 소자의 층을 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 14는 본 발명에 따른 자기 저항 소자를 포함할 수 있는 예시적인 저항 분배기 장치를 보여주는 블록 다이어그램이다;
도 14A는 본 발명에 따른 자기 저항 소자를 포함할 수 있는 예시적인 브리지 장치의 블록 다이어그램이다;
도 15는 본 발명에 따른 자기 저항 소자를 포함할 수 있는 예시적인 자기장 센서의 블록 다이어그램이다.
본 명세서에서 보호받고자 하는 개념, 시스템, 및 기술의 특징 및 다른 세부사항이 이하에서 구체적으로 서술될 것이다. 본 명세서에서 서술된 임의의 특정 실시 양태는 도면으로 도시되지만, 본 명세서에서 서술된 개시 및 개념을 제한하려는 것은 아닌 것으로 이해될 것이다. 본 명세서에서 서술된 주제의 특징은 보호받고자 하는 개념의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시 양태에서 이용될 수 있다. 본 발명의 실시 양태 및 연관된 장점은 도면을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있고, 도면에서 동일한 번호가 다양한 뷰에서 동일하고 대응하는 부분을 위해 사용된다. 물론, 도면에서 도시된 소자는 반드시 축척대로 그려진 것은 아님을 인식하야 한다. 예를 들어, 일부 소자의 치수는 명확성을 위해 다른 소자에 비해 과장될 수 있다.
편의를 위해, 본 명세서에서 사용된 특정 개념 및 용어가 제공된다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "자기장 센싱 소자"라는 용어는 자기장을 센싱할 수 있는 다양한 전자 소자를 서술하기 위해 사용된다. 일 예시적인 자기장 센싱 소자는 자기 저항 또는 자기 저항성(MR) 소자이다. 자기 저항 소자는 일반적으로 자기 저항 소자에 의해 경험되는 자기장과 관련하여 변화하는 저항을 갖는다.
알려진 바와 같이, 예를 들어, 인듐 안티몬화(Indium Antimonide, InSb), 거대 자기 저항(GMR) 소자, 스핀 밸브, 이방성 자기 저항 소자(AMR), 터널링 자기 저항(TMR) 소자, 및 자기 터널 접합(MTJ)과 같이 상이한 유형의 자기 저항 소자가 존재한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "자기 저항 소자"라는 용어는 이러한 유형의 자기 저항 소자의 임의의 것 또는 전부를 배타성 없이 언급할 수 있다. 디바이스 유형 및 다른 응용 요건에 따라, 자기 저항 소자는, 실리존(Si) 또는 게르마늄(Ge)과 같은 유형 IV 반도체 재료 또는 갈륨비소(Gallium Arsenide, GaAs) 또는 인듐 화합물, 예를 들어 인듐 안티몬화(InSb)와 같은 유형 III-V 반도체 재료로 만들어진 장치일 수 있다.
자기 저항 소자는 단일 소자일 수 있고, 또는 대안적으로 다양한 구성, 예를 들어, 하프 브리지 또는 풀(휘트스톤, Wheatstone) 브리지로 배열된 둘 이상의 자기 저항 소자를 포함할 수 있다.
공지된 바와 같이, 자기 저항 소자(예를 들어, GMR, TMR)는 이러한 것들이 형성되거나 다른 방법으로 제공되는 기판에 평행한 최대 감도 축을 갖는 경향이 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "자기장 센서"라는 용어는, 일반적으로 다른 회로와 조합하여 하나 이상의 자기장 센싱 소자를 사용하는 회로를 서술하기 위해 사용된다. 자기장 센서는, 자기장 방향의 각도를 센싱하는 각도 센서, 전류 전도체에 의해 전송되는 전류에 의해 발생하는 자기장을 센싱하는 전류 센서, 강자성의 물체의 근접성을 센싱하는 자기 스위치, 예를 들어, 자기장 센서가 역-바이어스 자석 또는 다른 자석과 조합으로 사용되는 링 자석 또는 강자성 목표의 특징(예를 들어, 기어치)의 자기 영역인 강자성 물품 통과를 센싱하는 움직임(예를 들어, 회전) 검출기, 및 자기장의 자기장 밀도를 센싱하는 자기장 센서를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다양한 분야에 사용된다.
도 1을 참조하면, 도표(100)는 다양한 강도의 자기장에 노출되었을 때 종래 기술의 이상적인 자기 저항(MR) 소자의 예시적인 응답 특성을 가리키는 곡선(102)(즉, 전달 곡선)을 도시한다. 예를 들어, 자기장은, 하나 이상의 소스에 의해 발생될 수 있는 국부 및/또는 외부 자기장(즉, 인가된 자기장)일 수 있다.
도표(100)는 자기장 강도 단위(예를 들어, 에르스텟(Oe))의 척도를 갖는 수평축과 저항 단위(예를 들어, 옴(Ω))의 척도를 갖는 수직축을 갖는다. 양의 자기장 강도 단위(예를 들어, +X)는 물체의 제1 움직임 방향(예를 들어, 회전)의 응답으로 제1 방향에서 MR 소자가 경험한 자기장에 대응할 수 있다. 부가적으로, 음의 자기장 강도 단위(예를 들어, -X)는, 물체의 제1 움직임 방향과 반대인 물체에 의한 제2 움직임 방향의 응답으로 제1 방향과 반대인 제2 방향에서 MR 소자가 경험한 자기장에 대응할 수 있다.
도시된 바와 같이, 곡선(102)은, 상위 포화점(102b)과 하위 포화점(102c) 사이에서 선형 영역(102a)(즉, 단일 선형 영역)을 갖고, 곡선(102)을 특징으로 하는 MR 소자의 전기 저항은 MR 소자에 의해 경험하는 자기장의 자기장 강도의 변화에 일반적으로 선형적(즉, 정비례)으로 변화한다. MR 소자의 동작 범위(또는 동적 범위)에 대응하는 선형 영역(102a)에서, MR 소자의 저항은 일반적으로 자기장의 자기장 강도를 나타낸다. 부가적으로, 선형 영역(102a)에서, MR 소자를 포함하는 회로 또는 센서에 의해 생성된 신호는 또한 자기장의 강도를 나타낼 수 있다. 종래의 이상적인 MR 소자에 대해, 곡선(102)의 선형 영역(102a)은 도표(100)의 수직축과 수평축의 교체점에 실질적으로 중심을 두고 있으며, 즉, MP 소자가 아주 작은(또는 제로) 자기장을 경험할 때, MR 소자의 저항은 점(102f)으로 나타난 바와 같이 도표에 도시된 포화영역(102d, 102e) 사이의 값일 수 있고, MR 소자는 오프셋 에러에 영향을 받지 않는다.
또한, 도시된 바와 같이, 곡선(102)은, MR 소자의 저항이 자기장 및 곡선(102)에서 변화에 응답하여 더 이상 변화하지 않는(또는 매우 작게 변화하는) 실질적으로 레벨 오프에 대응하는 소위 제1 및 제2 "포화 영역"(102d, 102e)을 가진다. 예를 들어, MR 소자자 의해 경험되는 일시적인 큰 자기장은 MR 소자를 포화시키고, MR 소자를 포화 영역(102d, 102e) 중 하나에 배치할 수 있다.
예를 들어, 자기장이 음의 자기장 강도(-X)를 갖는 포화 영역(102d)에서, MR 소자의 저항은 최소 저항값(또는 최소 저항 범위내에서)에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 부가적으로, 자기장이 양의 자기장 강도(+X)를 갖는 포화영역(102e)에서, MR 소자의 저항은 최대 저항값(또는 최대 저항 범위내에서)에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 다른 말해서, 포화영역(102d, 102e)에서, MR 소자의 저항은 자기장의 변화에 무관하게 실질적으로 일정하게 유지되고, MR 소자는 실질적으로 신호응답을 갖지 않는다. 포화영역(102d, 102e)에서, MR 소자의 저항은 일반적으로 자기장의 자기장 세기를 가리키지 않는다. 부가적으로, 포화영역(102d, 102e)에서, MR 소자를 포함하는 회로 또는 센서에 의해 생성된 신호(예를 들어, 출력 신호)는 또한 자기장의 자기장 강도를 가리키지 않을 수 있다. 예를 들어, 회로 또는 센서에 의해 생성된 신호는 선형영역(102a)의 양쪽(즉, 포화 영역(102d, 102e))에서 클리핑되거나, 오프셋에 의해 선형영역(102)의 한쪽(즉, 포화영역(102d 또는 102e) 어느 한쪽에서)에서 클리핑될 수 있고, 포화 영역(102d, 102e)에서 자기장의 변화에 무관하게 실질적으로 일정하게 유지된다.
전술한 결과로, MR 소자와 회로 또는 센서의 검출 정확도는, MR 소자가 포화영역(102d, 102e)에서 동작할 때 실질적으로 감소할 수 있다. MR 소자와 회로 또는 센서는 대체적으로 제한된 자기장 범위상의 선형영역(102a)에서 자기장을 센싱하는데 국한된다. 적어도 상기 이유 때문에, MR 소자의 선형영역(102a)(즉, 동작 범위)을 확장 또는 증가시키고, 포화영역(102d, 102e)에서 MR 소자의 동작을 감소 또는 제한하는 것이 바람직할 수 있다.
전술한 선형영역(102a) 및 포화 영역(102d, 102e)은 각각 이상적인 선형영역 및 이상적인 포화영역을 가리키고, 실제 MR 소자(예를 들어, 도 2에 도시되고, 이후에 논의될 종래 기술의 MR 소자(200))의 응답은 다를 수 있다는 것으로 이해된다. 예를 들어, 실제(즉, 이상적이지 않은) MR 소자의 선형영역은 일반적으로 완벽하게 선형이 아니다. 부가적으로, 실제 MR 소자는 일반적으로 온도 변화에 응답하며 오프셋 오류에 영향을 받는다.
도 2-5를 참고하면, 예시적인 종래 기술의 비-이상적인 MR 소자(즉, 실제 MR 소자) 및 종래 기술의 MR 소자와 연관된 응답 곡선이 도시된다. 이하에서 서술된 예시적인 종래 기술의 MR 소자는 종래 기술의 MR 소자의 많은 잠재적 구성 중 일부분임을 인식해야 한다. 부가적으로, 이하에서 서술된 예시적인 응답 곡선은 종래 기술의 MR 소자의 많은 대표적인 응답 곡선 중 일부분임을 인식해야 한다.
이제 도 2를 참고하면, 실제(즉, 비-이상적인) MR 소자를 가리키는 제1 예시적인 종래 기술의 MR 소자(200)(예를 들어, 소위 "이중 고정(pinned) MR 소자")가 기판(201)(예를 들어, 실리콘 기판)상에 증착되거나 아니면 제공되고, 복수의 층(여기서, 12개 층)을 포함한다. 복수의 층은, 기판(201)상에 배치된 비자성 시드층(202), 비자성 시드층(202)상에 배치된 재료 스택(210)(또는 스택부) 및 재료 스택부(210)상에 배치된 비자성 캡층(204)을 포함한다.
재료 스택(210)은 비자성 시드층(202)상에 배치된 반강자성 피닝층(pinning layer)(211), 반강자성 피닝층(211)상에 배치된 강자성 고정층(212) 및 강자성 고정층(212)상에 배치된 비자성 스페이서층(213)을 포함한다. 또한, 재료 스택(210)은 비자성 스페이서층(213)상에 배치된 자유층 구조(214), 자유층(214)상에 배치된 비자성 스페이서층(215) 및 비자성 스페이서층(215)상에 배치된 고정층 구조(216)를 포함한다. 자유층(214)은 제1 강자성 자유층(214a) 및 제1 강자성 자유층(214a)상에 배치된 제2 강자성 자유층(214b)을 포함한다. 부가적으로, 고정층 구조(216)는 제1 강자성 고정층(216a), 제2 강자성 고정층(216c), 및 그 사이에 배치된 비자성 스페이서층(216b)을 포함한다.
부가적으로, 재료 스택(210)은 고정층 구조(216)상에 배치된 반강자성 피닝층(217) 및 피닝층(217)상에 (예를 들어, MR 소자(200)를 보호하기 위해) 배치된 캡층(204)을 포함한다.
종래 기술의 MR 소자(200)에서 복수의 층 각각은 하나 이상의 각각의 재료(예를 들어, 자성 재료)를 포함하고, 도시된 바와 같이 각각의 두께를 갖는다. 층의 재료는 원자 기호로 도시된다. 부가적으로, 층의 두께는 나노미터(nm)로 도시된다.
일반적으로, 자성 재료는 다양한 자성 특정을 가질 수 있고, 강자성, 반강자성, 및 비자성을 포함하지만 이에 국한되지 않는 다양한 용어로 분류될 수 있다. 다양한 유형의 자성 재료에 대한 상세한 설명은 여기서 이루어지지 않는다. 그러나, 강자성 재료(예를 들어, CoFe)는, 재료내의 원자의 자성 모멘트가 평균적으로 평행하고 동일한 방향으로 정렬되어 재료의 0이 아닌 순 자성 자화를 초래하는 경향이 있는 재료라고 말하면 충분하다. 부가적으로, 비자성 또는 반자성 재료(예를 들어, Ta, Cu 또는 Ru)는 재료가 노출되는 자기장에 대향하고 실질적으로 비례하는 매우 약한 자화를 가리키는 경향이 있는 재료이고, 순자화를 가리키지 않는다. 더불어, 반강자성 재료(예를 들어, PtMn)는 재료내의 자기 모멘트가 평균으로 평행하지만, 반대방향으로 정렬되는 경향이 있어, 순자화가 0가 되는 재료이다.
종래 기술의 MR 소자(200)의 복수의 층 중 일부내에서, MR 소자(200)가 아주 작은(또는 제로) 인가된 자기장을 경험할 때, 화살표는 층의 자화 방향을 가리키도록 도시된다. 페이지에서 나오는 화살표는 원 안에 점으로 표시되고 페이지로 들어오는 화살표는 원 안에 십자가로 표시된다.
다양한 자화 방향에 대한 상세한 설명은 여기에서 이루어지지 않는다. 그러나, 당업계에 공지된 바와 같이, 일부 MR 소자(예를 들어, GMR 및 TMR 소자)는 MR 소자의 저항이 MR 소자내의 특정한 층의 자화 방향과 연관된 스핀 전자(즉, 전자 스핀)와 함께 동작한다고 말하면 충분하다.
MR 소자(200)는 화살표(199)로 표시된 바와 같이 MR 소자(200)가 증착된 기판(201)의 표면에 평행한 자기장에 대한 최대 응답 축을 갖는다. 부가적으로, MR 소자(200)는, 앞으로 논의될 것으로, 도 3의 도표(300)에 도시된 바와 같이, 자기장 강도의 제한된 범위에 걸쳐 MR 소자(200)의 최대 응답 축 방향으로 인가된 자기장에 응답하여 변화하는 저항을 갖는다.
도 3을 참조하면, MR 소자(200)의 최대 응답 축(199)에 대해 가로 방향으로 다양한 강도의 자기장에 노출될 때, 도표(300)는 도 2의 MR 소자(200)의 예시적인 응답 특성을 가리키는 곡선(302, 304)을 도시한다. 도표(300)는 자기장 강도 단위(예를 들어, 에르스텟(Oe))의 척도를 갖는 수평축과 저항 단위(예를 들어, 옴(Ω))의 척도를 갖는 수직축을 갖는다. 도 1에 도시된 도표(100)와 유사하게, 도표(300)에서 양의 자기장 강도 단위(예를 들어, +X)는, 물체에 의한 제1 움직임 방향(예를 들어, 회전)의 응답으로 제1 방향에서 MR 소자(200)에 의해 경험된 자기장에 대응할 수 있다. 부가적으로, 도표(300)에서 음의 자기장 강도 단위(예를 들어, -X)는, 물체의 제1 움직임 방향과 반대인 물체의 제2 움직임 방향의 응답으로 제1 방향과 반대인 제2 방향에서 MR 소자(200)에 의해 경험된 자기장에 대응할 수 있다.
곡선(302)은, 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 500 Oe)에서 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -450 Oe)으로 스윕하는, 예를 들어, 제1 움직임 방향으로부터 제2 움직임 방향으로 물체의 움직임에서 초래되는 자기장에 노출될 때, MR 소자(200)의 응답 특성에 대응한다. 부가적으로, 곡선(304)는, 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -450 Oe)에서 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 500 Oe)으로 스윕하는, 예를 들어, 제2 움직임 방향으로부터 제1 움직임 방향으로 물체의 움직임에서 초래되는 자기장에 노출될 때, MR 소자(200)의 응답 특성에 대응한다.
도시된 바와 같이, 곡선(302, 304)는 실질적으로 선형 영역(301a)(즉, 단일 선형 영역)과 제1 및 제2 포화 영역(301b, 301c)을 갖는다. 곡선(302, 304)에 의해 특징지어지는 MR 소자(200)의 동작 범위에 대응하는 선형 영역(301a)에서, MR 소자(200)는, 일반적으로 자기장 강도 범위(303)(예를 들어, 약 -60 Oe로부터 약 40 Oe까지)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도의 변화에 비례하여 변화하는 저항을 갖는다. 다시 말해서, 선형 영역(301a)에서 MR 소자(200)는, 자기장 강도 범위(303)내에서 인가된 자기장에 대응하는 실질적으로 선형 응답(즉, 실질적으로 단일 선형 응답)을 갖는다.
부가적으로, 실질적인 선형 영역(301a)에 의해 서로 분리된 포화 영역(301b, 301c)에서, MR 소자(200)의 저항은, 인가된 자기장의 자기장 강도와 무관하게 실질적으로 일정하게 유지된다. 다시 말해서, 포화 영역(301b, 301c)에서, MR 소자(200)는 자기장 강도의 변화에 실질적으로 응답하지 않는 저항을 갖는다. 특히, 포화 영역(301b)에서, MR 소자(200)의 저항은 최대 저항값(또는 최대 저항 범위내에서)에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 부가적으로, 포화 영역(301c)에서, MR 소자(200)의 저항은 최소 저항값(또는 최소 저항 범위내에서)에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 포화 영역(301b, 301c)에서 MR 소자(200)의 저항은 일반적으로 자기장의 자기장 강도를 가리키지 않는다. 전술한 결과와 같이, 종래 기술의 MR 소자(200)는, 전형적으로 신호 입력을 제한하는 자기장 강도 범위(303)(즉, 자기장의 제한된 범위)에 걸쳐 선형 영역(301a)에서 자기장을 측정 또는 센싱하는 것으로 제한된다.
또한, 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 이상적인 MR 소자의 곡선(102)과 달리, MR 소자(200)(즉, 실제 MR 소자)의 곡선(302, 304)은 약 제로 에르스텟의 자기장에 대해 대칭이 아니다. 특히, 곡선(302, 304)은, 화살표(305)에 의해 표시되는 도표(300)의 수직 및 수평 축의 교차점에 대해 수평으로 오프셋된다(즉, 실질적으로 중앙에 위치하지 않는다). MR 소자(200)의 선형 영역(301a)은 제로 에르스텟의 자기장에 대해 대칭이 아니며, 따라서, MR 소자(200)가 응답하는(여기서는, 범위(303)) 자기장 강도의 범위 또한 오프셋된다. 이러한 오프셋의 결과로서, MR 소자(200)는 MR 소자(200)의 선형 또는 동작 범위(즉, 선형 영역(301a))에서 MR 소자(200)의 기대 저항에 대해 오프셋된 저항을 갖는다. 부가적으로, MR 소자(200)의 오프셋이 고려되지 않고 정정(예를 들어, 회로 또는 센서내의 오프셋 정정 회로를 통해)되는 경우, MR 소자(200)가 제공될 수 있는 회로 또는 센서에 의해 발생된 신호(예를 들어, 출력 신호)는 오프셋 에러에 영향을 받을 수 있다.
일반적으로, 오프셋은 MR 소자(200)를 형성하는 층 및/또는 재료의 설계와 제조 제약 및 결함에 의해 야기될 수 있다. 일례로서, 오프셋은, MR 소자(200)의 자유층 구조(214)의 하나 이상의 부분(즉, 층)에 대해 MR 소자(200)의 고정층 구조(216)의 하나 이상의 부분(즉, 층)의 오정렬에 의해 야기될 수 있다. 또한, 오프셋은, 상온 및/또는 자기장 강도 변화에서 MR 소자(200)의 응답 변화를 초래할 수 있는 일탈온도(temperature excursion)에 의해 야기될 수 있다. 예를 들어, 온도의 효과는 온도당 저항 단위의 온도 계수로 특성화될 수 있다.
이제 도 4를 참고하면, 예시적인 제2 종래 기술의 MR 소자(400)(예를 들어, 소위 "이중 스핀 벨브 MR 소자")는 기판(401)상에 증착되거나 다른 방법으로 제공되고, 복수의 층을 포함한다. 복수의 층은 기판(401)상에 배치된 비자성 시드층(402), 비자성 시트 층(402)상에 배치된 제1 재료 스택부(410)(또는 본 명세서에서 종종 "제1 스택부"이라고도 함) 및 제1 재료 스택부(410)상에 배치된 반강자성 피닝층(420)을 포함한다. 또한, MR 소자(400)는 반강자성 피닝층(420)상에 배치된 제2 재료 스택부(430)(또는, 본 명세서에서 종종 "제2 스택부"이라고도 함) 및 제2 재료 스택부(430)상에 배치된 비자성 캡층(404)을 포함한다.
도 2의 종래 기술의 MR 소자(200)의 스택부(210)와 유사한 층의 순서 또는 배열을 포함하는 제1 스택부(410)(예를 들어, 도 2에 도시된 제2 반강자성 피닝층(217) 이하 부분)는 비자성 시트 층(402)상에 배치된 반강자성 피닝층(411) 및 반강자성 피닝층(411)상에 배치된 강자성 고정층(412)을 포함한다. 또한, 제1 스택부(410)는 강자성 고정층(412)상에 배치된 비자성 스페이서층(413) 및 비자성 스페이서층(413)상에 배치된 자유층 구조(414)를 포함한다. 자유층 구조(414)는 제1 강자성 자유층(414a) 및 제1 강자성 자유층(414a)상에 배치된 제2 강자성 자유층(414b)을 포함한다.
제1 스택부(410)는, 자유층 구조(414)상에 배치된 비자성 스페이서층(415) 및 비자성 스페이서층(415)상에 배치된 고정층 구조(416)를 더 포함한다. 고정층 구조(416)는 제1 강자성 고정층(416a), 제2 강자성 고정층(416c) 및 그 사이에 배치된 비자성 스페이서층(416b)을 포함한다.
제2 스택부(430)는, 제1 스택부(410)와 유사하지만 시드층(402)에 대해 제1 스택부(410)에 도시된 층으로서 실질적으로 반대 순서 또는 배열인 층을 포함하고, 반강자성 피닝층(420)상에 배치된 고정층 구조(431), 고정층 구조(431)상에 배치된 비자성 스페이서층(432) 및 비자성 스페이서층(432)상에 배치된 자유층 구조(433)를 포함한다. 고정층 구조(431)는 제1 강자성 고정층(431a), 제2 강자성 고정층(431c) 및 그들 사이에 배치된 비자성 스페이서층(431b)을 포함한다. 부가적으로, 자유층 구조(433)는 제1 강자성 자유층(433a) 및 제1 강자성 자유층(433a)상에 배치된 제2 강자성 자유층(433b)을 포함한다.
또한, 제2 스택부(430)는, 자유층 구조(433)상에 배치된 비자성 스페이서층(434), 비자성 스페이서층(434)상에 배치된 강자성 고정층(435) 및 강자성 고정층(435)상에 배치된 반강자성 피닝층(436)을 포함한다. 비자성 캡층(204)은 반강자성 피닝층(436)상에 배치된다.
도 2에 도시된 종래 기술의 MR 소자(200)와 유사하게, 종래 기술의 MR 소자(400)의 각각의 층은 하나 이상의 각각의 재료(예를 들어, 자기 재료)를 포함하고, 도시된 바와 같이 각각의 두께를 갖는다. 층의 재료는 원자 기호로 도시된다. 부가적으로, 층의 두께는 나노미터로 도시된다.
부가적으로, 도 2에 도시된 종래 기술의 MR 소자(200)와 유사하게, 종래 기술의 MR 소자(400)내의 복수의 층의 일부에서, MR 소자(700)가 아주 작은(또는 제로) 인가된 자기장을 경험할 때, 층의 자화 방향을 표시하는 화살표가 도시된다. 페이지에서 나오는 화살표는 원 안에 점으로 표시돠고, 페이지에서 들어오는 화살표는 원 안에 십자가로 표시된다.
다양한 자화 방향에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 이루어지지 않는다. 그러나, 당업계에 공지된 바와 같이, 일부 MR 소자(예를 들어, GMR 및 TMR 소자)는 MR 소자의 저항이 MR 소자내의 특정한 층의 자화 방향과 연관된 스핀 전자(즉, 전자 스핀)와 함께 동작한다고 말하면 충분하다.
MR 소자(400)는 화살표(399)로 표시된 바와 같이 MR 소자가 증착된 기판(401)의 표면에 평행한 자기장에 대한 최대 응답 축을 갖는다. 부가적으로, MR 소자(400)는, 앞으로 논의될 것으로, 도 5의 도표(500)에 도시된 바와 같이, 자기장 강도의 제한된 범위에 걸쳐 일반적으로 MR 소자(400)의 최대 응답 축 방향으로 인가된 자기장에 비례하여 변화하는 전기 저항을 갖는다.
이제 도 5를 참고하면, MR 소자(400)의 최대 응답 축(399)에 대한 가로 방향으로 다양한 강도의 자기장에 노출될 때, 도표(500)는 도 4의 MR 소자(400)의 예시적인 응답 특성을 가리키는 곡선(502, 504)을 도시한다. 도표(500)는 자기장 강도 단위(예를 들어, 에르스텟)의 척도를 갖는 수평축과 저항 단위(예를 들어, 옴(Ω))의 척도를 갖는 수직축을 갖는다.
곡선(502)은, 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 550 Oe)으로부터 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -450 Oe)으로 스윕하는, 예를 들어, MR 소자(400)에 의해 센싱되는 제1 움직임 방향으로부터 제2 움직임 방향으로 움직이는 물체에서 초래되는 자기장에 노출되었을 때 MR 소자(400)의 응답 특성에 대응한다. 부가적으로, 곡선(504)은 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -450 Oe)으로부터 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 550 Oe) 으로 스윕하는, 예를 들어, MR 소자(400)에 의해 센싱되는 제2 움직임 방향으로부터 제1 움직임 방향으로 움직이는 물체에서 비롯되는 자기장에 노출되었을 때 MR 소자(400)의 응답 특성에 대응한다.
도시된 바와 같이, 곡선(502, 504)은 실질적 선형 영역(501a)(즉, 실질적 단일 선형 영역)과 제1 및 제2 포화 영역(501b, 501c)을 갖는다. 곡선(502, 504)에 의해 특성화되는 MR 소자(400)의 동작 범위에 대응하는 선형 영역(501a)에서, MR 소자(400)는, 일반적으로 자기장 강도 범위(503)(예를 들어, 약 -100 Oe에서부터 약 40 Oe)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도의 변화에 비례하여 변화하는 저항을 갖는다. 다시 말해서, MR 소자(400)는 선형 영역(501a)에서 인가된 자기장에 실질적 선형 응답을 갖는다. 또한, 도시된 바와 같이, MR 소자는 선형 영역(501)에서 단일 감도 레벨(즉, 저항의 변화율)을 갖는다.
포화 영역(501b, 501c)에서, MR 소자(400)의 저항은 자기장 강도의 변화에 무관하게 실질적으로 일정하게 유지된다. 다시 말해서, MR 소자(400)는 포화 영역(501b, 501c)에서 자기장 강도의 변화에 실질적으로 응답하지 않는 저항을 갖는다. 특히, 포화 영역(501b)에서, MR 소자(400)의 저항은 최대 저항값(또는 최대 저항 범위내에서)에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 부가적으로, 포화 영역(501c)에서, MR 소자(400)의 저항은 최소 저항값(또는 최소 저항 범위내에서)에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 종래 기술의 MR 소자(400)의 저항은 포화 영역에서 자기장을 가리키지 않기 때문에, MR 소자(400)는 자기장 강도 범위(503)에 선형 영역(501a)내에서 인가된 자기장(즉, 제한된 범위의 자기장)을 측정하거나 센싱하는 것으로 제한된다.
또한, 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 MR 소자(200)(즉, 비-이상적인 MR 소자)의 곡선(302, 304)과 유사하게, MR 소자(400)(즉, 또한 실제 MR 소자)의 곡선(502, 504)은 약 제로 에르스텟의 자기장에 대해 대칭이 아니다. 특히, 곡선(502, 504)은, 화살표(505)로 표시된 도표(500)의 수직 및 수평 축의 교차점에 대해 수평으로 오프셋된다. MR 소자(400)의 선형 영역(501a)은 약 제로 에르스텟의 자기장에 대해 대칭이 아니며, 따라서, MR 소자(200)의 곡선(302, 304)보다 작은 오프셋이지만, MR 소자(400)가 응답하는(여기서는, 범위(503)) 자기장 강도의 범위 또한 오프셋된다. 이러한 오프셋의 결과로서, MR 소자(400)는, MR 소자(400)의 선형 또는 동작 범위(즉, 선형 영역(501a))내에서 MR 소자(400)의 기대 저항에 대해 오프셋된 저항을 갖는다. 부가적으로, MR 소자(400)의 오프셋이 고려되지 않고 정정(예를 들어, 회로 또는 센서내의 오프셋 정정 회로를 통해)되는 경우, MR 소자(400)가 제공될 수 있는 회로 또는 센서에 의해 발생된 신호(예를 들어, 출력 신호)는 오프셋 에러에 영향을 받을 수 있다.
도 6-13을 참조하면, 본 발명에 따른 MR 소자의 예시적인 실시 양태 및 본 발명에 따른 MR 소자와 연관된 응답 곡선이 도시된다. 이하에서 서술된 예시적인 MR 소자는 본 명세서에서 서술된 개념, 시스템, 회로 및 기술에 따른 MR 소자의 많은 잠재적인 구성 중 일부분임을 인식해야 한다. 부가적으로, 이하에서 서술된 예시적인 응답 곡선은 MR 소자의 많은 대표적인 응답 곡선 중 일부분임을 인식해야 한다.
이제 도 6을 참조하면, 도표(600)는 본 발명에 따른 예시적인 MR 소자의 예시적인 응답 특성의 대표적인 곡선(602, 604)을 도시하고, MR 소자의 구조는 이하 도면과 연결하여 추가로 설명될 것이다. MR 소자의(예를 들어, 도 7에서 699로 도시된) 최대 응답 축에 대해 가로 방향으로 다양한 강도의 자기장에 노출될 때, 곡선(602, 604)은 MR 소자(예를 들어, 도 7에서 700 도시되고, MR 소자의 층(713)은 약 3.3nm의 두께를 갖고, MR 소자의 층(734)은 약 2.0nm의 두께를 갖는)의 응답 특성에 대응한다. 인가된 자기장은(예를 들어, 국부 및/또는 외부 자기장), 예를 들어, MR 소자가 제공되는 회로 또는 센서의 유형 및 응용분야에 따라 다양한 방법으로 발생될 수 있다.
도표(600)는 자기장 강도 단위(예를 들어, 에르스텟(Oe))의 척도를 갖는 수평축과 저항 단위(예를 들어, 옴(Ω))의 척도를 갖는 수직축을 가진다. 또한, 도표(600)는 MR 소자가 동작할 수 있는 다양한 영역 또는 하위-영역의 경계를 가리키는 선(606, 608, 610, 612, 614, 616)을 포함한다.
도시된 실시 양태에서, 곡선(602, 604)은 제1 실질적 선형 영역(601a) 및 제2 실질적 선형 영역(여기서는, 제2 실질적 선형 영역은 복수의 실질적 선형 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)을 포함함)을 갖는다(예를 들어, 단편적 또는 이산적 선형 영역). 부가적으로, 곡선(602, 604)은 제1 포화 영역(601f) 및 제2 포화 영역(601g)을 갖는다. 곡선(602, 604)을 특징으로 하는 MR 소자는, MR 소자가 각각의 실질적 선형 및 실질적 포화 영역에서 노출되는 자기장에 대한 각각의 응답(또는 응답들)을 갖는다. 부가적으로, 각각의 실질적 선형 및 포화 영역은 특별한 자기장 임계치 또는 인가된 자기장의 자기장 강도의 범위와 연관된다.
특히, 제1 실질적 선형 영역(601a)에서, MR 소자는, 제1 자기장 강도 범위(603a)에 걸쳐 인가된 자기장에 제1 실질적 선형 응답(즉, 저항에서 제1 실질적 선형 변화를 경험함)을 갖는다. 부가적으로, 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))에 걸쳐 인가된 자기장에 제2 실질적 선형 응답(또는 응답들)을 갖는다. 더불어, 제1 및 제2 포화 영역(601f, 601g)에서, MR 소자는, 제3 및 제4 자기장 강도 범위(603f, 603g)에 걸쳐 인가된 자기장에 실질적으로 응답을 갖지 않고, 즉, MR 소자가 포화되고 MR 소자의 저항이 자기장의 변화에 응답하여 더이상 변화하지 않는다(또는 매우 조금 변한다).
또한, 실시 양태에서, MR 소자는, 제2 실질적 선형 영역의 제2 실질적 선형 응답을 포함하는 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)에서 MR 소자의 실질적 선형 응답과 함께, 제2 실질적 선형 영역의 각각의 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)에서 각각 실질적 선형 응답을 갖는다. 특히, 서브 영역(601b)에서, MR 소자는, 제2 자기장 강도 범위의 서브 범위(603b)에 걸쳐 인가된 자기장에 제5 실질적 선형 응답을 가질 수 있다. 부가적으로, 서브 영역(601c)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 범위(603c)상에서 인가된 자기장에 제6 실질적 선형 응답을 가질 수 있다. 부가적으로, 서브 영역(601d)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 범위(603d)에 걸쳐 인가된 자기장에 제7 실질적 선형 응답을 가질 수 있다. 더불어, 서브 영역(601e)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 범위(603e)에 걸쳐 인가된 자기장에 제8 실질적 선형 응답을 가질 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자의 제2 실질적 선형 영역내의 다양한 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)의 각각의 실질적 선형 응답(예를 들어, 제5, 제6, 제7 등)은 서로 상이하다. 부가적으로, 실시 양태에서, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)의 두 개 이상의 실질적 선형 응답은 서로 동일하거나 유사하다. 예를 들어, 실시 양태에서, MR 소자의 제5 및 제6 실질적 선형 응답은 서로 동일하거나 유사할 수 있지만, MR 소자의 제7 실질적 선형 응답과는 상이할 수 있다. 부가적으로, 실시 양태에서, MR 소자의 제7 및 제8 실질적 선형 응답은 서로 동일하거나 유사하지만, MR 소자의 제5 및 제6 실질적 선형 응답과는 상이할 수 있다.
도시된 바와 같이, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601b)은 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d)과 인접한다. 부가적으로, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601c)은 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601e)과 인접한다. 그러나, 서브 영역(601b, 601d)은 서브 영역(601c, 601e)과 인접하지 않는다. 도시된 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역은 복수의 비-인접 서브 영역을 포함한다. 다른 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역은 복수의 인접한 서브 영역(또는 단일 서브 영역)을 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
또한, 도시된 바와 같이, 곡선(602, 604)에 의해 특성화되는 MR 소자는 각각의 실질적 선형 영역 및 포화 영역내에서 인가된 자기장과 연관된 감도 레벨(또는 레벨들)을 갖는다. 전술한 바와 같이, MR 소자에 대해, 감도는 인가된 자기장에 응답하여 MR 소자의 저항의 변화에 대응한다. 실시 양태에서, 자기장에 대한 MR 소자의 각각의 응답(예를 들어, 제1, 제2, 제3 등의 실질적 선형 응답)은 MR 소자가 감도 레벨을 갖도록 한다.
특히, 제1 실질적 선형 영역(601a)에서, MR 소자는 제1 자기장 강도 범위(603a)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 제1 감도 레벨(즉, 제1 저항 변화율)을 갖는다. 부가적으로, 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위(즉, 서브 범위(603b, 603c, 603d, 603e))에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 제2 감도 레벨을 갖는다. 더불어, 제1 및 제2 포화 영역(601f, 601g)에서, MR 소자는 제3 및 제4 자기장 강도 범위(603f, 603g)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 각각의 제3 및 제4 감도 레벨을 갖는다.
또한, 실시 양태에서, MR 소자는 제2 실질적 선형 영역의 각각의 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)에서 인가된 자기장의 자기장 강도의 변화에 대한 각각의 감도 레벨을 가지며, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)에서 MR 소자의 감도 레벨은 제2 실질적 선형 영역의 제2 감도 레벨을 포함한다. 특히, 서브 영역(601b)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 영역(603b)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 제5 감도 레벨을 가질 수 있다. 부가적으로, 서브 영역(601c)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 영역(603c)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 제6 감도 레벨을 가질 수 있다. 부가적으로, 서브 영역(601d)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 범위(603d)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 제7 감도 레벨을 가질 수 있다. 더불어, 서브 영역(601e)에서, MR 소자는 제2 자기장 강도 범위의 서브 범위(603e)에 걸쳐 인가된 자기장의 자기장 강도 변화에 대한 제8 감도 레벨을 가질 수 있다.
실시 양태에서, 제1 실질적 선형 영역(601a)과 연관된 제1 자기장 강도 범위(603a)는 비교적 "낮은" 강도에서 인가된 자기장(여기서는, 약 -20 Oe와 +20 Oe 사이)에 대응한다. 부가적으로, 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601b, 601c)과 연관된 자기장 강도 서브 범위(603b, 603c)는 각각 제1 실질적 선형 영역(601a)의 제1 자기장 강도 범위(603a)와 연관된 "낮은" 강도의 자기장 보다 큰 자기장 강도인 비교적 "중간" 강도의 자기장에 대응한다. 도시된 실시 양태에서, 자기장 강도 서브 범위(603b)는 음의 자기장 강도 값(여기서는, 약 -20 Oe와 약 -120 Oe 사이)을 포함하고, 자기장 강도 서브 범위(603c)는 양의 자기장 강도 값(여기서는, 약 20 Oe와 약 125 Oe 사이)을 포함한다.
부가적으로, 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d, 601e)과 연관된 자기장 강도 서브 범위(603d, 603e)는 각각 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601b, 601c)의 자기장 강도 서브 범위(603b, 603c)와 연관된 "중간" 강도의 자기장 보다 큰 자기장 강도인 비교적 "높은" 강도의 자기장에 대응한다. 실시 양태에서, "높은" 강도의 자기장은 MR 소자를 포화시킬 만큼 충분히 크지는 않다. 도시된 실시 양태에서, 자기장 강도 서브 범위(603d)는 음의 자기장 강도 값(여기서는, 약 -120 Oe와 -430 Oe 사이)을 포함하고, 자기장 강도 서브 범위(603e)는 양의 자기장 강도 값(여기서는, 약 125 Oe와 550 Oe 사이)을 포함한다.
더불어, 실시 양태에서, 포화 영역(601f, 601g)과 연관된 제3 및 제4 자기장 강도 범위(603f, 603g)는 각각 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d, 601e)의 자기장 강도 서브 범위(603d, 603e)와 연관된 "높은" 강도의 자기장 보다 큰 자기장 강도의 자기장에 대응한다. 제3 및 제4 자기장 강도 범위(603f, 603g)와 연관된 자기장은, 제2 자기장 강도 범위의 자기장 강도 서브 범위(603d, 603e)와 연관된 자기장과 상이하게, MR 소자를 포화시킬 만큼 충분히 커서, MR 소자의 저항이 인가된 자기장의 변화의 존재하에서 실질적으로 일정하게 유지된다. 도시된 실시 양태에서, 자기장 강도 서브 범위(603d)는 음의 자기장 강도 값(여기서는, 약 -120 Oe와 약 -430 Oe 사이)을 포함하고, 자기장 강도 서브 범위(603e)는 양의 자기장 강도 값(여기서는, 약 130 Oe와 약 550 Oe 사이)을 포함한다.
도시된 예시적인 실시 양태에서, 제1 실질적 선형 영역(601a)에서 MR 소자의 제1 감도 레벨은 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))에서 MR 소자의 제2 감도 레벨과 상이하다(여기서는, 더 크다). 부가적으로, 제2 실질적 선형 영역에서 MR 소자의 제2 감도 레벨은 포화 영역(601f, 601g)에서 MR 소자의 제3 및 제4 감도 레벨과 상이하다(여기서는, 더 크다).
더불어, 도시된 예시적인 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601b, 601c)에서 MR 소자의 제5 및 제6 감도 레벨은 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d, 601e)에서 MR 소자의 제7 및 제8 감도 레벨과 상이하다(여기서는, 더 크다). 더불어, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d, 601e)에서 MR 소자의 제7 및 제8 감도 레벨은 포화 영역(601f, 601g)에서 MR 소자의 제3 및 제4 감도 레벨과 상이하다(여기서는, 더 크다).
다시 말해서, 곡선(602, 604)으로 특성화되는 MR 소자는 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))과 연관된 제2 자기장 강도 범위(즉, 서브 범위(603b, 603c, 603d, 603e))에서 인가된 자기장 보다 제1 실질적 선형 영역(601a)과 연관된 제1 자기장 강도 범위(603a)에서 인가된 자기장에 더 잘 응답한다(즉, 저항의 변화가 더 크고, 더 높은 민감도를 갖는다). 부가적으로, MR 소자는 포화 영역(601f, 601g)과 연관된 제3 및 제4 자기장 강도 범위(603f, 603g)에서 인가된 자기장 보다 제2 자기장 강도 범위에서 인가된 자기장에 더 잘 응답한다.
더불어, 도시된 예시적인 실시 양태에서, MR 소자는 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d, 601e)과 연관된 서브 범위(603d, 603e)에서 인가된 자기장 보다 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601b, 601c)과 연관된 서브 범위(603b, 603c)에서 인가된 자기장에 더 잘 응답한다. 더불어, MR 소자는 포화 영역(601f, 601g)과 연관된 제3 및 제4 자기장 강도 범위(603f, 603g)에서 인가된 자기장 보다 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(601d, 601e)과 연관된 서브 범위(603d, 603e)에서 인가된 자기장에 더 잘 응답한다.
실시 양태에서, 제1 실질적 선형 영역(601a)에서 MR 소자의 제1 실질적 선형 응답은 MR 소자의 선택된 스택부의 실질적 선형 응답에 대응한다. 예를 들어, 제1 실질적 선형 응답은 MR 소자의 제2 스택부의 실질적 선형 응답(예를 들어, 도 7에 도시된 730)에 대응할 수 있다. 유사하게, 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))에서 MR 소자의 제2 실질적 선형 응답은 MR 소자의 제2 스택부(예를 들어, 도 7에서 도시된 730)의 실질적 선형 응답에 대응할 수 있다.
부가적으로, 실시 양태에서, 제1 실질적 선형 영역(601a)에서 MR 소자의 제1 실질적 선형 응답은 MR 소자의 선택된 스택부의 실질적 선형 응답에 대응하지만, MR 소자의 다른 스택부 또한 제1 실질적 선형 응답에 기여한다. 예를 들어, 제1 실질적 선형 응답은 MR 소자의 제2 스택부(예를 들어, 도 7에 도시된 730)의 실질적 선형 응답에 대응할 수 있지만, MR 소자의 제1 스택부(예를 들어, 도 7에 도시된 710) 또한 적어도 일부분 제1 실질적 선형 응답에 기여한다. 유사하게, 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))에서 MR 소자의 제2 실질적 선형 응답은 MR 소자의 제1 스택부의 실질적 선형 응답에 대응할 수 있지만, MR 소자의 제2 스택부 또한 적어도 일부분 제2 실질적 선형 응답에 기여한다. 예를 들어, 전술한 바는, 제2 스택부가 여전히 제1 실질적 선형 영역(601a)과 연관된 제1 자기장 강도 범위(603a)에 걸쳐 인가된 자기장에 응답하지만, 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))과 연관된 제2 자기장 강도 범위(즉, 서브 범위(603b, 603c, 603d, 603e))에 걸쳐 제2 스택부의 감도 레벨에 비해 감도 레벨이 실질적으로 감소한다.
제1 실질적 선형 영역(601a) 및 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e))은 도시된 실시 양태에서 곡선(602, 604)으로 특성화되는 MR 소자의 동작 범위에 대응한다. 다시 말해서, MR 소자의 동작 범위는 MR 소자가 상기 MR 소자가 노출되는 자기장의 자기장 강도를 표시하는 저항을 갖는 자기장 범위에 대응하고, 복수의 실질적 선형 영역(예를 들어, 단편적 또는 이산적 선형 영역)을 포함한다. 각각의 실질적 선형 영역은 전술한 바와 같이 인가된 자기장에서 각각 실질적 선형 응답을 갖는다. 각각의 실질적 선형 영역은 전술한 바와 같이 인가된 자기장에 각각의 실질적 선형 응답을 갖는다. 이것은, 실질적인 선형 영역에 걸쳐 실질적인 단일 선형 영역 및 실질적인 단일 선형 응답을 갖는 동작 범위를 갖는 상기 도면(예를 들어, 도 4에 도시된 400)과 관련하여 논의된 종래 기술의 MR 소자와는 대조적인 것이다. 전술한 내용의 일 예시적인 결과는, 곡선(602, 604)에 의해 특성화되는 MR 소자의 동작 범위가, 예를 들어, 특히 클리핑이 발생할 수 있는 인가된 자기장의 자기장 강도 레벨이 훨씬 더 큰 곳에서, 종래 기술의 MR 소자의 동작 범위에 비하여 증가된 동작 범위을 가질 수 있다는 것이다.
전술한 내용의 다른 예시적인 결과는 곡선(602, 604)에 의해 특성화되는 MR 소자의 동작 범위가 MR 소자의 복수의 실질적 선형 응답에 대응하는 복수의 감도 레벨을 포함한다는 것이다. 이것은, 예를 들어, MR 소자가 비교적 "낮은" 강도의 자기장(예를 들어, SNR이 비교적 "낮은" 곳에서)에서 제1 감도 레벨을 갖고, "낮은" 강도의 자기장 보다 큰 자기장에서 제1 감도 레벨과 상이한 제2 감도 레벨을 갖지만, 포화되지는 않도록 한다.
실시 양태에서, 각각의 전술한 실질적 선형 영역 및 포화 영역과 연관된 감도 레벨(예를 들어, 제1, 제2, 제3 등) 및/또는 자기장 강도 범위(예를 들어, 제1, 제2, 제3 등)는, 곡선(602, 604)에 의해 특성화되는 MR 소자의 하나 이상의 특성(예를 들어, 구성 및/또는 치수)의 선택을 통해 조정될 수 있으며, 이하 도면과 관련하여 더 기술될 것이다.
이제 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 예시적인 자기 저항성(MR) 소자(700)가 도시된다. MR 소자(700)는 기판(701)(예를 들어, Si 기판)상에 증착되고, 제1 재료 스택부(710)(또한 본 명세서에서 때때로 "제1 스택부"로 지칭된) 및 제2 재료 스택부(730)(또한 본 명세서에서 때때로 "제2 스택부"로 지칭된)를 포함한다. 제1 스택부(710)는 제1 및 제2 대향 표면을 가지며, 제1 스택부(710)의 제1 표면은 시드층(702)(예를 들어, 비자성 시드층)상에 배치되고, 시드층(702)은 제1 스택부(710)와 기판(701) 사이에 배치된다. 부가적으로, 제2 스택부(730)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제2 스택부(730)의 제1 표면은 피닝층(720)(예를 들어, 반강자성 피닝층)상에 배치되고, 피닝층(720)은 제2 스택부(730)와 제1 스택부(710) 사이에 배치된다. 캡층(704)(예를 들어, 비자성 캡층)은 제2 스택부(730)의 제2 표면상에 배치된다.
이하에서 더 논의되는 바와 같이, 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는 제1 스택부(710)는, 제1 복수층(여기서는, 9개의 층)을 포함한다. 제1 복수층은 피닝층(711), 고정층(712) 및 스페이서층(713)을 포함한다. 또한, 제1 스택부(710)는 자유층 구조(714), 스페이서층(715) 및 고정층 구조(716)를 포함한다. 제1 자유층 구조(714)는 제1 자유층(714a) 및 제2 자유층(714b)을 포함한다. 부가적으로, 고정층 구조(716)는 제1 고정층(716a), 제2 고정층(716c) 및 스페이서층(716b)을 포함한다.
피닝층(711)은 시드층(702)상에 배치되고, 고정층(712)은 피닝층(711)상에 배치된다. 부가적으로, 스페이서층(713)은 고정층(712)상에 배치되고, 자유층 구조(714)는 스페이서층(713)상에 배치된다. 더불어, 스페이서층(715)은 자유층 구조(714)상에 배치되고, 고정층 구조(716)는 스페이서층(715)상에 배치된다.
실시 양태에서, 피닝층(711)은 반강자성 피닝층일 수 있고, 고정층(712)은 강자성 고정층 일수 있고, 스페이서층(713)은 비자성 스페이서층일 수 있다. 부가적으로, 실시 양태에서, 자유층 구조(714)는 실질적으로 바이어스 되지 않은 자유층일 수 있고, 스페이서층(715)은 비자성 스페이서층일 수 있고, 고정층 구조(716)는 합성 반강자성(SAF) 고정층 구조 또는 층을 포함한다. 자유층 구조(714)의 제1 자유층(714a)은 강자성 자유층일 수 있고, 자유층 구조(714)의 제2 자유층(714b)은 강자성 자유층일 수 있다. 부가적으로, 고정층 구조(716)의 제1 고정층(716a)은 강자성 고정층일 수 있고, 고정층 구조(716)의 제2 고정층(716c)은 강자성 고정층일 수 있고, 고정층 구조(716)의 스페이서층(716b)은 비자성 스페이서층일 수 있다. 실시 양태에서, 제1 고정층(716a) 및 제2 고정층(716c)중 적어도 하나는 제2 자유층(714b)과 동일하거나 유사한 재료를 포함한다.
도시된 실시 양태에서, 피닝층(711)은 PtMn 또는 IrMn을 포함하는 것으로 도시되고, 고정층(712)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시된다. 부가적으로, 스페이서층(713)은 Ru를 포함하는 것으로 도시되고, 제1 자유층(714a)은 NiFe를 포함하는 것으로 도시되고, 제2 자유층(714b)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시된다. 더불어, 스페이서층(715)은 Cu를 포함하는 것으로 도시되고, 제1 고정층(716a)는 CoFe를 포함하는 것으로 도시되고, 스페이서층(716b)는 Ru를 포함하는 것으로 도시되고, 제2 고정층(716c)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시된다. 그러나, 제1 스택부(710)내의 각각의 상술한 층은, 도시된 것과 상이한 재료, 또는 합성 재료를 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 하고, 이하에서 더 서술될 것이다.
또한, 도시된 실시 양태에서, 피닝층(711)은 약 5nm 및 약 15nm 사이의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 고정층(712)은 약 2.1nm의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 부가적으로, 스페이서층(713)은 약 3.3nm의 두께는 갖는 것으로 도시되고, 제1 자유층(714a)은 약 5nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 제2 자유층(714b)은 약 1nm의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 더불어, 스페이서층(715)은 약 2.4nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 제1 고정층(716a)은 약 2.1nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 스페이서층(716b)은 약 0.85nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 제2 고정층(716c)은 약 2.0nm의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 그러나, 각각의 전술한 층은 도시된 것과 상이한 층 두께를 가질 수 있는 것으로 이해되어야 하고, 이하에서 더 서술될 것이다.
이하에서 더 논의될 것인, 제1 스택부(710)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는 제2 스택부(730)는, 제2 복수층(여기서는, 9개의 층), 즉, 도시된 실시 양태에서 제1 스택부(710)의 제1 복수층과 동일한 개수의 층을 포함한다. 제2 복수층은 고정층 구조(731), 스페이서층(732) 및 자유층 구조(733)를 포함한다. 또한, 제2 복수층은 스페이서층(734) 및 고정층(735)을 포함한다. 고정층 구조(731)는 제1 고정층(731a), 제2 고정층(731c) 및 스페이서층(731b)을 포함한다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 제1 자유층(733a) 및 제2 자유층(733b)을 포함한다.
고정층 구조(731)는 피닝층(720)상에 증착되고, 스페이서층(732)은 고정층 구조(731)상에 배치된다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 스페이서층(732)상에 배치되고, 스페이서층(734)은 자유층 구조(733)상에 배치된다. 더불어, 고정층(735)은 공극층(734)상에 배치되고, 피닝층(736)은 고정층(735)상에 배치된다.
실시 양태에서, 고정층 구조(731)는 SAF 고정층 구조 또는 층을 포함할 수 있고, 스페이서층(732)은 비자성 스페이서층을 포함할 수 있다. 부가적으로, 실시 양태에서, 고정층 구조(731)의 제1 고정층(731a)은 강자성 고정층일 수 있고, 고정층 구조(731)의 제2 고정층(731c)은 강자성 고정층일 수 있고, 고정층 구조(731)의 스페이서층(731b)은 비자성 스페이서층일 수 있다. 더불어, 실시 양태에서, 자유층 구조(733)의 제1 자유층(733a)은 강자성 자유층일 수 있고, 자유층 구조(733)의 제2 자유층(733b)은 강자성 자유층일 수 있다. 실시 양태에서, 자유층(734)은 비자성 스페이서층일 수 있고, 고정층(735)은 강자성 고정층일 수 있고, 피닝층(736)은 반강자성 피닝층일 수 있다.
도시된 실시 양태에서, 제1 고정층(731a)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시되고, 스페이서층(731b)은 Ru를 포함하는 것으로 도시되고, 제2 고정층(731c)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시된다. 부가적으로, 스페이서층(732)은 Cu를 포함하는 것으로 도시되고, 제1 자유층(733a)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시되고, 제2 자유층(733b)은 NiFe를 포함하는 것으로 도시된다. 더불어, 스페이서층(734)은 Ru를 포함하는 것으로 도시되고, 고정층(735)은 CoFe를 포함하는 것으로 도시되고, 피닝층(736)은 PtMn 또는 IrMn을 포함하는 것으로 도시된다. 그러나, MR 소자(700)의 제1 스택부(710)내의 층과 유사하게, MR 소자(700)의 제2 스택부(730)의 각각의 전술한 층은 도시된 것과 상이한 재료 또는 합성 재료를 포함할 수 있고, 이하에서 더 서술될 것이다.
도시된 실시 양태에서, 제1 고정층(731a)은 약 2.0nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 스페이서층(731b)은 약 0.85nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 제2 고정층(731c)은 약 2.1nm의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 부가적으로, 스페이서층(732)은 약 2.4nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 제1 자유층(733a)은 약 1nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 제2 자유층(733b)은 약 5nm의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 더불어, 스페이서층(734)은 4개의 예시적인 범위, 예를 들어, 약 1.6nm에서 약 1.8nm, 약 2.2nm에서 약 2.4nm, 약 2.9nm에서 약 3.1nm, 또는 약 3.5nm에서 약 3.7nm 중 하나에서 두께(T1)를 갖는다. 일 실시예로서, 스페이서층(734)은 약 2.0nm의 두께(T1)를 가질 수 있다. 부가적으로, 고정층(735)은 약 2.1nm의 두께를 갖는 것으로 도시되고, 피닝층(736)은 약 5nm와 약 15nm 사이의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 그러나, MR 소자(700)의 제1 스택부(710)에서 층과 유사하게, MR 소자(700)의 제2 스택부(730)에서 각각의 전술한 층은 도시된 것과 상이한 층 두께를 가질 수 있는 것으로 이해되고, 이하에서 더 서술될 것이다.
MR 소자(700)의 복수층 중 일부내에서, MT 소자(700)가 아주 작은(또는 제로) 인가된 자기장을 경험할 때 층의 자화 방향을 가리키는 화살표가 도시된다. 페이지에서 나오는 화살표는 원 안에 점으로 표시되고, 페이지로 들어오는 화살표는 원 안에 십자가로 표시된다.
다양한 자화 방향에 대한 상세한 설명은 본 명세서에서 이루어지지 않는다. 그러나, 당업계에 공지된 바와 같이, 일부 MR 소자(예를 들어, GMR 및 TMR 소자)는 MR 소자의 저항이 MR 소자내의 특정한 층의 자화 방향과 연관된 스핀 전자(즉, 전자 스핀)와 함께 동작한다고 말하면 충분하다.
MR 소자(700)는 화살표(699)로 표시된 바와 같이 MR 소자(700)가 증착된 기판(701)의 표면에 평행한 자기장에 대한 최대 응답 축을 갖는다.
전술한 바와 같이, MR 소자(700)의 제1 스택부(710)는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, 전술한 바와 같이, 제2 스택부(730)는 제1 스택부(710)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다.
실시 양태에서, 제1 스택부(710)의 제1 실질적 선형 응답은, MR 소자(700)가 제1 자기장 강도 범위내에서 인가된 자기장에 응답하여 자기장 강도의 변화에 대한 제1 감도 레벨(즉, 저항의 제1 변화율)을 갖도록 한다. 부가적으로, 실시 양태에서, 제2 스택부(730)의 제2 실질적 선형 응답은. MR 소자(700)가 제2 자기장 강도 범위내에서 인가된 자기장에 응답하여 자기장 강도의 변화에 대한 제2 감도 레벨(즉, 저항의 제2 변화율)을 갖도록 한다. 실시 양태에서, 제1 자기장 강도 범위는 제2 자기장 강도 범위의 하나 이상의 부분과 중첩되고, 즉, 제1 자기장 강도 범위는 제2 자기장 강도 범위가 또한 포함하는 하나 이상의 자기장 강도를 포함한다. 부가적으로, 제1 및 제2 자기장 강도 범위의 적어도 하나는 하나 이상의 서브 범위(예를 들어, 도 6에 도시된 603b, 603c, 603d, 603e)를 포함하고, 제1 및 제2 지가장 강도 범위와 연관된 제1 및/또는 제2 실질적 선형 응답은 서브 영역(예를 들어, 도 6에 도시된 601b, 601c, 601d, 601e)을 포함한다.
각각의 제1 및 제2 스택부(710, 730)는, 제1 및 제2 스택부(710, 730)가 각각 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성(예를 들어, 구성 및/또는 치수)을 갖는다.
예를 들어, 제1 및 제2 스택부(710, 730)의 구성과 연관된 하나 이상의 파라미터는, 제1 및 제2 스택부(710, 730)가 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 포함한다. 도시된 구성 파라미터는 재료, 층 두께, 및 제1 및 제2 스택부(710, 730)의 하나 이상의 층의 순서(예를 들어, 반강자성층, 고정층 및/또는 비자성층)를 포함한다. 또한, 구성 파라미터는 제1 및 제2 스택부(710, 730)내의 층의 개수를 포함한다.
도시된 실시 양태에서, 제1 및 제2 스택부(710, 730)내의 각각의 층은 하나 이상의 재료를 포함하는 것으로 되시된다. 실시 양태에서, 제1 스택부(710)내의 하나 이상의 층의 재료는 제1 스택부가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된다. 부가적으로, 실시 양태에서, 제2 스택부(730)내의 하나 이상의 층의 재료는 제2 스택부가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된다. 예를 들어, 제1 스택부(710)내의 스페이서층(713)의 재료(여기서, 루테늄(Ru)) 및/또는 제1 스택부(710)내의 스페이서층(715)의 재료(여기서, 구리(Cu))는 제1 스택부(710)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다. 부가적으로, 제2 스택부(730)내의 스페이서층(732)의 재료(여기서, Cu) 및/또는 제2 스택부(730)내의 스페이서층(734)의 재료(여기서, Ru)는 제2 스택부(730)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있다. 이하에서 더 논의되는 바와 같이, 예를 들어, Ru를 포함하는 스페이서층은, 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 제공할 수 있는 주변 층 사이에 반강자성 또는 강자성 커플링을 제공할 수 있다,
제1 스택부(710)내에서 스페이서층(713, 715) 및 제2 스택부(730)내에서 스페이서층(732, 734) 이외의 층 재료(들)는 제1 및 제2 스택부(710, 730)가 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 도시된 실시 양태에서, 제1 및 제2 스택부(710)내의 각각의 층은 각각의 두께를 갖는 것으로 도시된다. 실시 양태에서, 제1 스택부(710)의 적어도 하나의 층 두께는 제1 스택부가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된다. 부가적으로, 실시 양태에서, 제2 스택부(730)의 적어도 하나의 층 두께는 제2 스택부가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된다. 예를 들어, 제1 스택부(710)내의 스페이서층(713)은 제1 스택부(710)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 제1 두께(여기서, 약 3.3nm)를 가질 수 있다. 부가적으로, 제2 스택부(730)내의 스페이서층(734)은 제2 스택부(730)가, 제1 실질적 선탱 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖게 하는, 선택된 제1 두께와는 상이하게 선택된 제2 두께를 가질 수 있다. 도시된 예시적인 실시 양태에서, 스페이서층(734)은 4개의 예시적인 범위, 예를 들어, 약 1.6nm에서 약 1.8nm, 약 2.2nm에서 약 2.4nm, 약 2.9nm에서 약 3.1nm, 또는 약 3.5nm에서 약 3.7nm 중 하나에서 선택된 두께를 갖는다.
실시 양태에서, 예시적인 범위는, 스페이서층(734)의 상이한 두께(예를 들어, Ru 두께)에서 MR 소자와 연관된 전송 곡선을 측정하고, 특정한 실질적 선형 응답(예를 들어, 제1 및/또는 제2 실질적 선형 응답)을 달성하기 위해 스페이서층(734)의 두께(또는 두께들)(T1)를 선택함으로써 결정된다. 예를 들어, 상기 범위들 중 제1 범위(예를 들어, 약 1.6nm에서 약 1.8 nn)에서 두께(T1)를 갖는 스페이서층(734)은, 상기 범위들 중 제2 범위(예를 들어, 약 2.2nm에서 약 2.4nm)에서 두께(T1)를 갖는 스페이서층(734)과 MR 소자(700)의 최대 응답 축(699)에 관하여 약 90도에서 상이한 피크 위치 및/또는 최대 응답 축(699)에 관하여 약 0도에서 상이한 기울기를 갖는다.
제1 스택부(710)내에서 스페이서층(713) 및 제2 스택부(730)내에서 스페이서층(734) 이외의 층 두께는 제1 및 제2 스택부(710, 730)가 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 제1 및 제2 스택부(710, 730)내에서 특정한 층의 두께는 제1 및 제2 스택부(710, 730)내의 인접한 층 사이에 자기 커플링의 원하는 양 및/또는 유형을 제공하기 위해 선택될 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 제1 스택부(710)내에서 스페이서층(713)의 두께는 제1 스택부(710)내에서 고정층(712) 및 자유층 구조(714) 사이의 자기 커플링의 원하는 양을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 부가적으로, 스페이서층(713)의 두께는 고정층(712) 및 자유층 구조(714) 사이에서 자기 커플링의 원하는 유형, 즉, 강자성 커플링, 또는 반강자성 커플링, 또는 강자성 및 반강자성 커플링 사이의 유형을 제공하기 위해 선택될 수 있다.
여기서는, 상기 커플링이 강자성 커플링인 것으로 도시되어 있지만, 스페이서층(713)의 두께를 선택함으로써, 상기 커플링은 반강자성 또는 강장성 및 반강자성 사이의 커플링일 수 있다. 다시 말해서, 인가된 자기장이 없을 때, 제1 자유층 구조(714)내에서 자유층(714a, 714b)의 자화 방향은, 스페이서층(713)의 선택된 두께에 따라, 도시된 바와 같이 (페이지 외부) 또는 페이지 내로 회전될 수 있다. 부가적으로, 스페이서층(732, 734)의 두께를 선택함으로써, 스페이서층(732, 734)에 인접한 층 사이의 커플링은 반강자성 또는 강자성 및 반강자성 사이의 커플링일 수 있다.
다른 실시 예로서, 제1 스택부(710)내의 스페이서층(716b)은 제1 커플링 강도를 갖는 둘러싼 층(예를 들어, 층(716a, 716c)) 사이에서 제1 자기 커플링을 제공하기 위해 선택된 제1 두께(예를 들어, 0.85nm)를 가질 수 있고, 스페이서층(713)은 제1 커플링 강도와 상이한(예를 들어, 보다 작은) 제2 커플링 강도를 갖는 둘러싼 층(예를 들어(712, 714)) 사이에서 제2 자기 커플링을 제공하기 위해 선택된 제2 두께(예를 들어, 3.3nm)를 가질 수 있다. 예를 들어, Ru는, Ru 두께에 따라 둘러싼 층 사이에 반강자성 커플링 또는 강자성 커플링을 허용하기 때문에, 제1 스페이서층(716b) 및 스페이서층(713)에 적합할 수 있다. 다시 말해서, 제1 및 제2 스택부(710, 730)내에서 층의 재료 및 두께는 둘러싼 층 사이에서 특정한 자기 커플링(또는 커플링 강도)을 달성하기 위해 선택될 수 있다.
실시 양태에서, 제1 및 제2 실질적 선형 응답은, 적어도 부분적으로, 제1 및 제2 스택부(710, 730)내에서 발생하는 자기 커플링에 기초한다. 실시 양태에서, 자기 커플링은 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 결정하는 주요(또는 하나의 주요) 요소이다. 부가적으로, 실시 양태에서, MR 소자(700)를 제조하는데 사용되는 어닐링(annealing) 프로세스는 자기 커플링, 특히 커플링이 발생하는 각도에 영향을 줄 수 있다.
도시된 실시 양태에서, 제1 스택부(710)내의 제1 복수층 및 제2 스택부(730)내의 제2 복수층은 특정 순서로 배열되어 부가적으로 도시된다. 실시 양태에서, 제1 스택부(710)내의 제1 복수층의 순서는, 제1 스택부(710)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다. 부가적으로, 실시 양태에서 제2 스택부(730)내의 제2 복수층의 순서는 제2 스택부(730)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다. 예를 들어, 제1 스택부(710)의 고정층 구조(716)내의 제1 및 제2 고정층(716a, 716c) 사이의 스페이서층(716b)의 존재로 인해, 제1 고정층(716a)은 제2 고정층(716c)과 반강자성으로 커플링되는 경향이 있다. 결과적으로, 제1 고정층(716a)은, 제2 고정층(716b)의 자기장이 가리키는 자화 방향과 상이한 방향을 가리키는 자화 방향을 갖는다. 다시 말해서, 스페이서층(716b)과 제1 및 제2 고정층(716a, 716c)의 순서는, 제1 및 제2 고정층(716a, 716c) 사이에 발생할 수 있는 커플링 유형(예를 들어, 반강자성 또는 강자성)에 영향을 미칠 수 있고, 상기 커플링은 제1 스택부(710)가 제1 실질적 선형 응답을 가질 수 있게 한다.
일반적으로, MR 소자(700)의 강자성 및 비강자성 층의 배열 및 배향은 MR 소가(700)가 인가된 자기장에 응답하는 방식에 영향을 줄 수 있음이 밝혀졌다. 부가적으로, MR 소자(700)의 강자성 및 비강자성 층의 상이한 배향은 상이한 유형의 MR 소자를 생산할 수 있다. 일 실시 양태에서, MR 소자(700)는 거대 자기 저항(GMR) 소자, 자기 터널 접합(MTJ) 소자 및 터널링 자기 저항(TMR) 소자 중 하나이다.
또한, 도시된 실시 양태에서, 제1 스택부(710)내의 제1 복수층과 제2 스택부(730)내의 제2 복수층은 특별한 개수의 층(여기서, 9개 층)을 포함하는 것으로 도시된다. 실시 양태에서, 제1 복수층에서 제공되는 층의 개수는 제1 스택부가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다. 부가적으로, 실시 양태에서 제2 복수층에서 제공되는 층의 개수는 제2 스택부가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다.
일부 실시 양태에서, 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 복수층은 제2 복수층과 동일한 개수의 층을 포함한다. 다른 실시 양태에서, 제1 복수층은 제2 복수층과 상이한 개수의 층을 포함한다. 예를 들어, 각각 상이한 개수의 층을 구비한 제1 및 제2 복수층을 갖는 제1 및 제2 스택부를 포함하는 본 발명에 따른 예시적인 MR 소자가 도 12와 관련하여 아래에서 도시되고 서술된다.
일반적으로, 제1 및 제2 스택부(710, 730)내에서 재료, 층 두께, 순서 및 층의 개수는 MR 소자(700)의 제1 및 제2 스택부(710, 730)가 인가된 자기장에 응답하는 방식에 영향을 줄 수 있다.
예를 들어, 일 실시 양태에서, 제1 스택부(710)내의 스페이서층(713)의 재료는 MR 소자(700)가 인가된 자기장에 응답하는 방식에 영향을 주고, 예를 들어, 도 6에 도시된 제2 실질적 선형 영역의 다양한 서브 영역(601b, 601c, 601d, 601e)을 제공하도록 선탠된다. 예를 들어, 도시된 실시 양태에서, Ru를 이용하면 제1 스택부(710)의 자유층(714) 및 바이어스부(예를 들어, 층(711) 및/또는 층(712)) 사이에 비교적 양호한 커플링을 확립할 수 있기 때문에, Ru는 스페이서층(713)의 재료로서 선택된다. 스페이서층(713)을 위해 선택된 Ru 이외의 재료를 이용하면, 상기 커플링은 감소(또는 손실)될 수 있고, 예를 들어, 도 6에 도시된 것 보다 더 좁은 제1 실질적 선형 영역(601a)을 초래할 수 있다. 또한, 실시 양태에서, 스페이서층(713)내의 Ru의 두께는 MR 소자(700)가 인가된 자기장에 응답하는 방식에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 양태에서, 스페이서층(713)내의 Ru를 통한 커플링은 강자성(F)과 반강자성(AF) 사이에 진동하고, Ru의 임의의 두께에서는 커플링은 제로에 가깝다. 커플링(AF 대 F) 유형은 선형 영역(예를 들어, 선형 영역(601a))의 선형 범위를 결정하지 않을 수 있지만, 커플링의 진폭은 선형 범위를 결정할 수 있다(또는 적어도 영향을 준다). 일 실시예에서, 제1 스택부(710)내의 스페이서층(713)에서 Ru의 두께가 제2 스택부(730)내의 스페이서층(734)을 통해 얻어진 커플링 강도와 유사한 커플링 강도를 제공한다면, 제1 및 제2 스택부(710, 730)는 동일하거나 유사한 방식으로 동작할 수 있으며, 원하는 단편적인 응답이 제공되지 않을 수 있다. 그러나, 스페이서층(713, 734) 중 하나가 다른 것 보다 낮은 커플링 진폭을 제공하는 두께(및/또는 재료)를 갖는 경우, 단편적인 응답이 나타날 수 있다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 커플링 진폭이 낮을수록, 선형 영역(601a)의 자기장 강도 범위(603a)는 더 좁아진다. 실질적으로 커플링이 되지 않는 실시 양태에서, 선형 영역(601a)내의 가파른 천이(예를 들어, 가파른 경사 또는 증가된 감도)가 있다.
MR 소자(700)가 특정 재료로 형성된 특정 층을 갖는 것으로 도시되었지만, MR 소자(700)는 본 발명에 따른 MR 소자를 일 예시적인 구성을 나타낸 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 다른 층과 재료는 MR 소자(700)에서 제공된다. 부가적으로, MR 소자(700)의 전술한 층들 중 하나 이상은 일부 실시 양태에서 복수의 층들(또는 서브 층들)을 포함할 수 있다. 부가적으로, 일부 실시 양태에서, 하나 이상의 다른 층들(미도시)은 MR 소자(700)의 층들 사이에 끼워질 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자(700)는 자기장 센서(예를 들어, 후술되는 바와 같이 도 15에 도시된 1500) 또는 다른 감지 회로에 제공된다. 전술한 바와 같이, 자기장 센서는 일반적으로 다른 회로와 조합하여 자기장 센싱 소자를 사용하는 회로를 서술하는데 사용된다. 실시 양태에서, MR 소자(700) 및 자기장 센서의 다른 회로는 공통 기판(여기서, 기판(701))상에 집적될 수 있다.
본 발명에 따른 MR 소자의 부가적인 양상이 이하에서 설명된다.
이제 도 8을 참조하면, 도 7의 유사 소자는 유사 참조 명칭을 갖도록 제공되며, 본 발명에 따른 예시적인 제2 MR 소자(800)는 제1 스택부(810) 및 제2 스택부(830)를 포함한다. 제1 스택부(810)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제1 스택부(810)의 제1 표면은 시드층(702)상에 배치되며, 시드층(702)은 제1 스택부(810) 및 MR 소자(800)가 증착되어 있는 기판(701) 사이에 배치된다. 부가적으로, 제2 스택부(830)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제2 스택부(830)의 제1 표면은 피닝층(720)상에 배치되고, 상기 피닝층(720)은 제1 스택부(810) 및 제2 스택부(830) 사이에 배치된다. 캡층(704)은 제2 스택부(830)의 제2 표면상에 배치된다.
제1 스택부(810)는 제1 복수층(여기서, 9개 층)을 포함한다. 제1 복수층은 피닝층(711), 고정층(712) 및 스페이서층(813)을 포함한다. 또한, 제1 스택부(810)는 자유층 구조(714), 스페이서층(715) 및 고정층 구조(716)를 포함한다. 제1 자유층 구조(714)는 제1 자유층(714a) 및 제2 자유층(714b)을 포함한다. 부가적으로, 상기 고정층 구조(716)는 제1 고정층(716a), 제2 고정층(716c) 및 스페이서층(716b)을 포함한다.
피닝층(711)은 시드층(702)상에 배치되고, 고정층(712)은 피닝층(711)상에 배치된다. 부가적으로, 스페이서층(813)은 고정층(712)상에 배치되고, 자유층 구조(714)는 스페이서층(813)상에 배치된다. 더불어, 스페이서층(715)은 자유층 구조(714)상에 배치되고, 고정층 구조(716)는 스페이서층(715)상에 배치된다. 스페이서층(813)은, 도 7에서 도시된 MR 소자(700)의 스페이서층(713)과 유사할 수 있지만, 스페이서층(713)의 두께와 상이한 두께를 가질 수 있고, 비자성 스페이서층일 수 있다.
제2 스택부(830)는 제2 복수층(여기서, 9개 층), 즉, 도시된 실시 양태에서 제1 스택부(810)의 제1 복수층과 동일한 개수의 층을 포함한다. 제2 복수층은 고정층 구조(731), 스페이서층(732) 및 자유층 구조(733)를 포함한다. 또한, 제2 복수층은 스페이서층(834) 및 고정층(735)을 포함한다. 고정층 구조(731)는 제1 고정층(731a), 제2 고정층(731c) 및 스페이서층(731b)을 포함한다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 제1 자유층(733a) 및 제2 자유층(733b)을 포함한다.
고정층 구조(731)는 피닝층(720)상에 배치되고, 스페이서층(732)은 고정층 구조(731)상에 배치된다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 스페이서층(732)상에 배치되고, 스페이서층(834)은 자유층 구조(733)상에 배치된다. 더불어, 고정층(735)은 스페이서층(834)상에 배치되고, 피닝층(736)은 고정층(735)상에 배치된다. 스페이서층(834)은 도 7에 도시된 MR 소자(700)의 스페이서층(734)과 유사하지만, 스페이서층(734)의 두께와 상이한 두께를 가질 수 있으며, 하나 이상의 비자성 재료(예를 들어, Ru)를 포함하는 비자성층일 수 있다.
도 7의 MR 소자(700)내의 제1 스택부(710)에 유사하게, MR 소자(800)내의 제1 스택부(810)는 제1 자기장 강도 범위(즉, 제1 자기장 강도 범위)에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, 도 7에 도시된 MR 소자(700)내의 제2 스택부(730)와 유사하게, MR 소자(800)내의 제2 스택부(830)는 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 가지며, 상기 제2 실질적 선형 응답은 자기장 강도의 제2 범위(즉, 제2 자기장 강도 범위)에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. 실시 양태에서, 제1 자기장 강도 범위는 제2 자기장 강도 범위의 하나 이상의 부분과 중첩된다. MR 소자(800)는, 화살표(733)로 표시된 바와 같이, MR 소자가 배치되어 있는 기판 표면에 평행하게 인가된 자기장에 최대 응답 축을 가진다.
제1 스택부(810)는 상기 제1 스택부(810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다. 부가적으로, 제2 스택부(830)는 제2 스택부(830)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다. 적어도 하나의 특성은: 재료, 층 두께 및 제1과 제2 스택부(810, 830)내의 하나 이상의 층의 순서를 포함한다. 또한, 부가적으로, 적어도 하나의 특성은 제1 및 제2 스택부(810, 830)의 층의 개수를 포함한다.
도시된 실시 양태에서, 제1 스택부(810)내의 스페이서층(813)의 두께는, 예를 들어, 제1 스택부(810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다. 예를 들어, 스페이서층(813)은 제1 스택부(810)가 소정의 제1 바이어스(예를 들어, "강한" 바이어스)를 갖도록 선택된 두께(여기서, 약 1.3nm)를 가질 수 있고, 결과적으로 제1 스택부(810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
부가적으로, 도시된 실시 양태에서, 제2 스택부(830)내의 스페이서층(834)의 두께(T2)는 제2 스택부(830)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응할 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(834)은 제2 스택부(830)가 소정의 제2 바이어스(예를 들어, "매우 약한" 바이어스)를 갖도록 선택된 두께(예를 들어, 약 1.7nm)를 가질 수 있고, 결과적으로, 제2 스택부(830)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자(800)의 제1 스택부(810)는, 예를 들어, 제1 스택부(810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성으로 인하여 MR 소자(700)의 제1 스택부(710)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 예를 들어, 도시된 실시 양태에서, 제1 스택부(710)의 스페이서층(713)과 상이한 두께를 갖는 제1 스택부(810)의 스페이서층(813)은 MR 소자(800)의 제1 스택부(810)가 MR 소자(700)의 제1 스택부(710)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
부가적으로, MR 소자(700)의 제1 스택부(710)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제1 실질적 선형 응답을 갖는 제1 스택부(810)는, 예를 들어, 제1 스택부(810)가 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 자기장 강도의 변화에 제1 감도 레벨(즉, 저항의 변화율)을 갖도록 하고, 상기 제1 감도 레벨은 제1 자기장 강도 범위와 유사한 자기장 강도 범위에 걸쳐 제1 스택부(710)의 감도 레벨과 상이하다. 실시 양태에서, 제1 스택부(810)는, 예를 들어, 자기장 강도의 상이한 범위에 걸쳐, 제1 스택부(710)의 제1 감도 레벨과 실질적으로 동일한 제1 감도 레벨을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 실시 양태에서, 제1 자기장 강도 범위는 제1 스택부(예를 들어, 810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 기초할 수 있다.
부가적으로, 실시 양태에서, MR 소자(800)의 제2 스택부(830)는, 제2 스택부(830)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성으로 인하여 MR 소자(700)의 제2 스택부(730)의 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 가진다. 예를 들어, 도시된 실시 양태에서, MR 소자(700)의 제2 스택부(730)의 스페이서층(734)의 두께(T1)와 상이한 두께(T2)를 갖는 MR 소자(800)의 제2 스택부(830)의 스페이서층(834)은, MR 소자(800)의 제2 스택부(830)가 MR 소자(700)의 제2 스택부(730)의 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
일 실시 양태에서, MR 소자(700)의 제1 스택부(710)는 제1 커플링 강도를 갖고, MR 소자(800)의 제1 스택부(810)는 제1 커플링 강도와 상이한(예를 들어, 큰) 제2 커플링 강도를 갖는다. 전술한 바는, MR 소자(800)의 제1 스택부(810)가 MR 소자(700)의 제1 스택부(710)의 하나 이상의 특성과 상이한 하나 이상의 특성을 갖기 때문이다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 스택부(810)의 스페이서층(813)은 제1 스택부(710)의 스페이서층(713)과 상이한 두께를 갖는다. 실시 양태에서, 그러한 바는, MR 소자(800)의 제1 스택부(810)의 제2 커플링 강도가 MR 소자(700)의 제1 스택부(710)의 제1 커플링 강도 보다 큰 결과를 초래할 수 있다. 제1 스택부(810)의 더 큰 커플링 강도는, 예를 들어, MR 소자(800)가 MR 소자(700)의 유사한 복수의 실질적 선형 영역 또는 서브 영역과 상이한 복수의 실질적 선형 서브 영역을 갖도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 곡선(602, 604)과 관련하여, MR 소자(800)는, MR 소자(700)의 제2 및 제3 실질적 선형 영역과 연관된 자기장 강도 서브 범위와 상이한(예를 들어, 큰) 자기장 강도 서브 범위(예를 들어, 603b, 603d)를 갖는 제2 및 제3 실질적 선형 영역(예를 들어, 601b, 601c)을 가질 수 있다. 부가적으로, MR 소자(800)는, MR 소자(700)의 제4 및 제5 실질적 선형 영역과 연관된 자기장 강도 서브 범위와 상이한(예를 들어, 큰) 자기장 강도 서브 범위(예를 들어, 603d, 603e)를 갖는 제4 및 제5 실질적 선형 영역(예를 들어, 601d, 601e)을 가질 수 있다. 더불어, MR 소자(800)는, 상응하는 제1 자기장 강도 서브 범위에 걸쳐 MR 소자의 제1 감도 레벨과 상이한(예를 들어, 큰) 제1 자기장 강도 서브 범위(예를 들어, 603a)에 걸쳐 제1 감도 레벨을 가질 수 있다.
일 실시 양태에서, MR 소자(800)의 제1 스택부(810)의 제2 커플링 강도는, 매우 강한 커플링 강도를 나타낼 수 있는 약 200 Oe의 커플링 강도에 대응한다. 일 실시예에서, MR 소자(800)의 제1 스택부(810)의 제2 커플링 강도가 너무 강한 결과, MR 소자(800)의 제2 스택부(830)내에서 스페이서층(834)의 여러 두께, 특히 일부 실시 양태에서 약 2.3nm 초과하는 두께는 MR 소자(800)가 실질적으로 단편적인 선형 응답을 갖게 할 수 있다. MR 소자(800)는, 예를 들어, 스페이서층(834)이 약 2.4nm, 3.1nm, 3.6nm 및 4.3nm의 두께를 가질 때 제1 자기장 강도 서브 범위(예를 들어, 603a)에 걸쳐 비교적 좁은 제1 실질적 선형 영역(예를 들어, 601a) 및 비교적 높은 제1 감도 레벨을 갖는다.
제2 스택부(830)가 MR 소자(700)의 제1 스택부(730)의 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는 것은 또한 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 자기장 강도의 변화에 대해 제2 감도 레벨(즉, 저항의 변화율)을 갖도록 할 수 있고, 상기 제2 감도 레벨은 제1 자기장 강도 범위와 유사한 자기장 강도 범위에 걸쳐 제2 스택부(730)의 제2 감도 레벨과 상이하다. 실시 양태에서, 제2 스택부(830)는, 예를 들어 자기장 강도의 상이한 범위에 걸쳐, 제2 스택부(730)의 제2 감도 레벨과 실질적으로 동일한 제2 감도 레벨을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 실시 양태에서, 제2 자기장 자기장 강도 범위는, 제2 스택부(예를 들어, 830)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 기초할 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자(800)는 자기장 센서(예를 들어, 도 15에 도시된 1500, 이하에서 논의될 것임)에 제공되고, MR 소자(800)는 전술한 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 발생시키도록 구성된다. 부가적으로, 실시 양태에서, 제1 및 제2 실질적 선형 응답은 약 제로 에르스텟에서 인가된 자기장에서 MR 소자(800)의 기대 응답에 대하여 실질적으로 제로 오프셋을 갖는다(즉, MR 소자(800)는 실질적으로 제로 오프셋에 어닐(anneal)된다). 예를 들어, 전술한 바는, 예를 들어 인가된 자기장이 약 제로 에르스텟의 자기장을 가질 때, MR 소자(800) 실질적인 오프셋을 갖지 않도록 할 수 있다. 부가적으로, 전술한 바는, MR 소자(800)의 선형 범위가 이하에서 더 논의될 바와 같이 약 제로 에르스텟에 대해 실질적으로 균등하게 분포되도록 할 수 있다.
도 7의 같은 소자가 같은 참조 명칭을 갖는 것으로 도시된 도 9를 참고하면, 제3 예시적인 MR 소자(900)는 제1 스택부(910) 및 제2 스택부(930)를 포함한다. 제1 스택부(910)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제1 스택부(910)의 제1 표면은 시드층(702)상에 배치되고, 시드층(702)은 제1 스택부(910) 및 MR 소자(900)가 증착되는 기판(701) 사이에 배치된다. 부가적으로, 제2 스택부(930)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제2 스택부(930)의 제1 표면은 피닝층(720)상에 배치되고, 피닝층(720)은 제1 스택부(910) 및 제2 스택부(930) 사이에 배치된다. 캡층(704)은 제2 스택부(930)의 제2 표면상에 대치된다.
제1 스택부(910)는 제1 복수의 층(여기서, 6개 층), 즉, 도 7에 도시된 MR 소자(700)의 제1 스택부(710) 및 도 8에 도시된 MR 소자(800)의 제1 스택부(810) 보다 적은 개수의 층을 포함한다. 제1 복수층은 자유층 구조(714), 스페이서층(715) 및 고정층 구조(716)를 포함한다. 자유층 구조(714)는 제1 자유층(714a) 및 제2 자유층(714b)를 포함한다. 부가적으로, 고정층 구조(716)는 제1 고정층(716a), 제2 고정층(716c) 및 스페이서층(716b)을 포함한다.
자유층 구조(714)는 시드층(702)상에 배치되고, 스페이서층(715)은 자유층 구조(714)상에 배치된다. 부가적으로, 고정층 구조(716)는 스페이서층(715)상에 배치된다.
제2 스택부(930)는 제2 복수층(여기서, 6개 층), 즉, 도시된 실시 양태에서 제1 스택부(910)의 제1 복수층과 동일한 개수의 층을 포함한다. 제2 복수층은 고정층 구조(731), 스페이서층(732) 및 자유층 구조(733)를 포함한다. 고정층 구조(731)는 제1 고정층(731a), 제2 고정층(731c) 및 스페이서층(731b)을 포함한다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 제1 자유층부(733a) 및 제2 자유층부(733b)를 포함한다.
고정층 구조(731)는 피닝층(720)상에 배치되고, 스페이서층(732)은 고정층 구조(731)상에 배치된다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 스페이서층(732)상에 배치된다.
도 8의 MR 소자(800)내의 제1 스택부(810)와 유사하게, MR 소자(900)내의 제1 스택부(910)는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, 도 8의 MR 소자(800)내의 제2 스택부(830)와 유사하게, MR 소자(900)의 제2 스택부(930)는 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖고, 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. MR 소자(900)는, 화살표(899)로 표시된 바와 같이, MR 소자(900)가 배치된 기판 표면(예를 들어, 기판(701)의 제1 표면)에 평행한 자기장(예를 들어, 인가된 자기장)의 최대 응답 축을 갖는다.
제1 스택부(910)는, 제1 스택부(910)가 제1 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다. 부가적으로, MR 소자(900)내의 제2 스택부(930)는 제2 스택부(930)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다. 전술한 도면에서 논의한 바와 같이, 적어도 하나의 특성은: 재료, 층 두께 및 제1과 제2 스택부(910, 930)내의 하나 이상의 층의 순서를 포함할 수 있다. 부가적으로, 적어도 하나의 특성은 또한 제1 및 제2 스택부(910, 930)내의 층의 개수를 포함한다.
도시된 실시 양태에서, 제1 스택부(910)내의 자유층 구조(714)의 제1 및 제2 자유층(714a, 714b)의 재료 및/또는 층 두께는, 예를 들어, 제1 스택부(910)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 자유층(714a, 714b)은 자유층 구조(714)가 실질적으로 바이어스 되지 않는 자유칭이 되도록 선택된 재료 및/또는 층 두께를 가질 수 있고, 결과적으로, 제1 스택부(910)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
부가적으로, 실시 양태에서, 제1 및 제2 스택부(910, 930)내의 층의 개수는, 제1 및 제2 실질적 선형 응답 결과를 초래하기 위해 단독으로 선택되거나 제1 및 제2 스택층(910, 930)내의 하나 이상의 층의 재료, 층 두께 및 순서와 조합하여 선택될 수 있다. 다시 말해서, 제1 및 제2 실질적 선형 응답 결과를 초래하기 위해 선택된 적어도 하나의 특징은 제1 및 제2 스택부(910, 930)의 층 개수 및 제1 및 제2 스택부(910, 930)내의 하나 이상의 층의 재료, 층 두께와 순서를 포함할 수 있다.
일부 실시 양태에서, 제1 스택부(910)는, 제1 스택부(810)와 상이한 층 개수를 포함함에도 불구하고, 도 8의 MR 소자(800)내의 제1 스택부(810)의 제1 실질적 선형 응답과 동일한 또는 유사한 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, 일부 실시 양태에서, 제2 스택부(930)는, 제2 스택부(830)와 상이한 층 개수를 포함함에도 불구하고, 도 8의 MR 소자(800)내의 제2 스택부(830)의 제2 실질적 선형 응답과 동일한 또는 유사한 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 예를 들어, 제1 스택부(910)내의 하나 이상의 층의 재료, 층 두께 및/또는 순서는, 제1 스택부(910)가 제1 스택부(810)의 제1 실질적 선형 응답과 동일한 또는 유사한 실질적 선형 응답을 갖도록 하기 위해 선택될 수 있다. 다시 말해서, 제1 스택부(910)의 하나 이상의 층의 재료, 층 두께 및/또는 순서는, 제1 스택부(910)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 하기 위해 선택된 적어도 하나의 특성을 포함할 수 있다.
제1 스택부(910)는 또한 제1 스택부(810)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제1 실질적 선형 응답을 가질 수 있는 것으로 이해된다. 부가적으로, 제1 스택부(910)가 제1 스택부(810)의 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제1 실질적 선형 응답을 갖는 것은, 예를 들어, 제1 스택부(910)가 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 자기장의 변화에 제1 감도 레벨(즉, 저항의 변화율)을 갖도록 할 수 있고, 상기 제1 감도 레벨은 제1 자기장 강도 범위와 유사한 자기장 강도 범위에 걸쳐 제1 스택부(810)의 제1 스택부(810)의 제1 감도 레벨과 상이하다.
이제 도 10을 참조하면, 도표(1000)는, MR 소자(900)의 최대 응답 축(899)에 대해 가로 방향으로 다양한 강도의 자기장에 노출되었을 때, 도 9의 MR 소자(900)의 제1 예시적인 응답 특성을 가리키는 곡선(1002, 1004)을 도시한다. 도표(1000)는 자기장 강도 단위(여기서, 에르스텟(Oe))의 척도를 갖는 수평축과 저항 단위(여기서, 옴)의 척도를 갖는 수직축을 갖는다. 도 3 및 도 5에 각각 도시된 도표(300, 500)와 유사하게, 도표(1000)의 양의 자기장 단위(예를 들어, +X)는, 물체(예를 들어, 도 15에 도시된 링 자석(1510))의 제1 움직임 방향(예를 들어, 회전)의 응답으로 제1 방향에서 MR 소자(900)에 의해 경험되는 자기장에 대응할 수 있다. 부가적으로, 도표(1000)의 음의 자기장 단위(예를 들어, -X)는, 물체의 제1 움직임 방향과 반대로 물체의 제2 움직임 방향의 응답으로 제1 방향과 반대인 제2 방향에서 MR 소자(900)에 의해 경험되는 자기장에 대응할 수 있다.
곡선(1002)은, 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 600 Oe)으로부터 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -500 Oe)으로, 예를 들어, 제1 움직임 방향으로부터 제2 움직임 방향으로 스윕하는 자기장에 노출될 때, MR 소자(900)의 응답 특성에 대응한다. 부가적으로, 곡선(1004)은, 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -500 Oe)으로부터 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 600 Oe)으로, 예를 들어, 제2 움직임 방향으로부터 제1 움직임 방향으로 스윕하는 자기장에 노출될 때, MR 소자(900)의 응답 특성에 대응한다.
곡선(1002, 1004)은 제1 실질적 선형 영역(1001a) 및 제2 실질적 선형 영역(여기서, 제2 실질적 선형 영역은 실질적 선형 서브 영역(1001b, 1001c)을 포함함)을 갖는다. 또한, 곡선(1002, 1004)은 제1 및 제2 포화 영역(1001d, 1001e)을 갖는다. 도시된 바와 같이, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(1001b)은 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(1001c)으로부터 제1 실질적 선형 영역(1001a)에 의해 분리된다.
제1 실질적 선형 영역(1001a)의 제1 단부는, 제1 실질적 선형 영역(1001a)이 예를 들어 서브 영역(1001b)과 연관된 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역의 평균 기울기로부터 소정의 양(예를 들어, 약 5 퍼센트)만큼 벗어난 기울기를 갖는 점에서 발생한다. 부가적으로, 제1 실질적 선형 영역(1001a)의 제2 대향 단부는, 제1 실질적 선형 영역(1001a)이, 예를 들어, 서브 영역(1001c)과 연관된 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역의 평균 기울기로 부터 소정의 양(예를 들어, 약 5 퍼센트)만큼 벗어난 기울기를 갖는 점에서 발생한다. 제1 및 제2 실질적 선형 영역(즉, 영역(1001a, 1001b, 1001c))은, MR 소자(900)가 인가된 자기장의 자기장 강도의 변화에 실질적으로 응답하는 저항을 갖는 도시된 실시 양태에서 MR 소자(900)의 동작 범위에 대응한다,
실시 양태에서, 제1 실질적 선형 영역(1001a)은 도 9와 관련하여 위에서 논의된 MR 소자(900)의 제1 스택부(910)의 제1 실질적 선형 응답에 대응하고, 제1 실질적 선형 응답은 제1 자기장 강도 범위(1003a)(여기서, 약 -5 Oe 및 약 5 Oe 사이, 즉, 자기장 강도의 제한 범위)에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다.
부가적으로, 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 영역(즉, 서브 영역(1001b, 1001c))은 도 9와 관련하여 전술한 MR 소자(900)의 제2 스택부(930)의 제2 실질적 선형 응답에 대응하고, 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위(여기서, 서브 영역(1003b, 1003c)을 포함하는 제2 자기장 강도 범위)에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. 도시된 실시 양태에서, 서브 영역(1003b)은 약 -5 Oe 및 약 -100 Oe 사이의 자기장 강도를 포함한다. 부가적으로, 도시된 실시 양태에서, 서브 영역(1003c)은 약 5 Oe 및 약 80 Oe 사이의 자기장 강도를 포함한다.
위에서 논의된 바와 같이, 제2 스택부(930)의 제2 실질적 선형 응답은 제1 스택부(910)의 제1 실질적 선형 응답과 상이하다. 도시된 실시 양태에서, 제2 실질적 선형 응답은, 제1 자기장 강도 범위(1003a)와 상이한 제2 자기장 강도 범위(여기서, 서브 영역(1003b, 1003c))에 걸쳐 발생한다. 실시 양태에서, MR 소자(900)는 제2 실질적 선형 응답과 관련된 제2 실질적 선형 영역의 각각의 서버 영역(1001b, 1001c)에서 각각의 실질적인 선형 응답을 갖고, 서브 영역(1001b, 1001c)에서 MR 소자(900)의 실질적 선형 응답(예를 들어, 제4 및 제5 실질적 선형응답)은 제2 실질적 선형 영역의 제2 실질적 선형 응답을 포함한다.
제1 스택부(910)의 제1 실질적 선형 응답은, MR 소자(900)가 인가된 자기장이 제1 자기장 강도 범위(1003a)내에 있을 때 자기장 강도 변화에 제1 감도 레벨(즉, 저항의 제1 변화율)을 갖도록 한다. 제1 감도 레벨은, 예를 들어, 제1 실질적 선형 영역(1001a)내의 곡선(1002, 1004)의 평균 기울기를 관찰함으로써 결정될 수 있다. 부가적으로, 제2 스택부(930)의 제2 실질적 선형 응답은, 자기 저항 소자가 인가된 자기장이 제2 자기장 강도 범위(여기서, 서브 영역(1003b, 1003c))내에 있을 때 자기장 강도 변화에 제2 감도 레벨(즉, 저항의 제2 변화율)을 갖도록 한다. 제2 감도 레벨은, 예를 들어, 제2 실질적 선형 영역(즉, 제2 실질적 선형 영역의 서브 영역(1001b, 1001c))내의 곡선(1002, 1004)의 평균 기울기를 관찰함으로써 결정될 수 있다.
도시된 실시 양태에서, 제2 감도 레벨은 제1 감도 레벨과 비교하여 감소된다. 따라서, MR 소자(900)는, 제2 실질적 선형 영역내의 자기장 강도의 변화(즉, 영역(1001a)보다 더 넓은 범위의 자기장을 포함하는 서브 영역(1001b, 1001c)) 보다 제1 실질적 선형 영역(1001a)(즉, 작은 또는 제한된 범위의 자기장에 걸쳐서)내의 자기장 강도의 변화에 더 높은 감도를 갖는다. 도시된 실시 양태에서, MR 소자(900)의 제1 감도 레벨(예를 들어, 결과적으로 MR 소자(900)가 약 제로 자기장 강도에서 실질적으로 변화하는 저항을 가짐)은, 예를 들어, MR 소자(900)의 제1 스택부(910)의 자유층(714) 또는 다른 층의 회전에 의해 얻어질 수 있다. 부가적으로, MR 소자(900)의 제1 감도 레벨은 MR 소자(900)내의 바이어싱 부분(예를 들어, 도 7에 도시된 층(712))의 부재에 기인할 수 있다. MR 소자(900)의 도시된 제1 감도 레벨은, 예를 들어, 절대 필드 센서가 필요하지 않지만, MR 소자(900)가 자기장 강도의 특정 임계치 또는 범위에서 전환이 요구되는 실시 양태에서 요구될 수 있다. 다른 실시 양태에서, 제1 감도 레벨은 도시된 것으로부터 감소된 감도(즉, 영역(1001a)내의 감소된 기울기)를 가질 수 있다. 부가적으로, 다른 실시 양태에서, 제1 감도 레벨은 제2 감도 레벨에 비해 감도될 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자(900)는 제2 실질적 선형 영역의 각각의 서브 영역(1001b, 1001c)에서 인가된 자기장내의 자기장 강도 변화에 각각의 감도 레벨을 갖고, 서브 영역(1001b, 1001c)에서 MR 소자(900)의 감도 레벨(예를 들어, 제4 및 제5 감도 레벨)은 제2 실질적 선형 영역의 제2 감도 레벨을 포함한다.
부가적으로, 실시 양태에서, 제1 및 제2 스택부(910, 930)의 적어도 하나의 특성(예를 들어, 하나 이상의 층의 층 두께)은, 예를 들어, 도 7과 관련하여 전술한 MR 소자(700)의 제1 및 제2 스택부(710, 730)의 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 제공하기 위해 선택된 적어도 하나의 특성과 유사하게 곡선(1002, 1004)의 하나 이상의 영역을 조율 또는 변경하도록 선택될 수 있다.
도시된 바와 같이, 예를 들어, 제1 및 제2 스택부(410, 430)는 인가된 자기장에 비대칭적으로(즉, 실질적으로 동일하고 반대로) 동작하여, 도표(500)에 도시된 바와 같이 MR 소자(400)가 실질적 단일 선형 응답 영역(401a)상에서 실질적 단일 선형 응답을 갖도록 하는 도 4의 종래 기술의 MR 소자(400)와 달리, MR 소자(900)의 제1 및 제2 스택부(910, 930)는 인가된 자기장에 상이한 각각의 제1 및 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 전술한 결과로서, MR 소자(900)는 제1 실질적 선형 영역(1001a)에 걸쳐 제1 실질적 선형 응답 및 제1 실질적 선형 영역(1001a)과 상이한 제2 실질적 선형 영역(여기서, 서브 영역(1001b, 1001c))에 걸쳐 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 실시 양태에서, MR 소자(900)의 제1 및 제2 실질적 선형 응답은 적어도 부분적으로 피닝층(720), 더 구체적으로 피닝층(720)의 PtMn 성장으로부터 오는 크리스털 구조에서 제공된다. 이는 도 4의 MR 소자(400)와는 대비되는 것으로, 실시 양태에서, 예를 들어, Ru 스페이서층(413, 434)이 자유층(414, 433)을 안정화시키기 때문에, Ru 스페이서층(413, 434)은 MR 소자(400)의 실질적 단일 선형 응답을 제공한다.
또한 도시된 바와 같이, MR 소자(900)는, 곡선(1002, 1004)으로 묘사된 바와 같이 종래 기술의 MR 소자(400) 및 종래 기술의 MR 소자(200) 에 비해 감소된 오프셋을 갖고, 도 5의 도표(500)에 도시된 곡선(502, 504) 및 도 3의 도표(300)에 도시된 곡선(302, 304) 보다 도표(1000)의 수직 및 수평 축의 교차점에서 수평으로 덜 오프셋된다. 전술한 결과 처럼, MR 소자(900)가 응답하는 자기장 강도의 범위는 또한 종래 기술의 MR 소자(400) 및 종래 기술의 MR 소자(200)에 비해 감소된 오프셋을 갖는다.
실시 양태에서, MR 소자(900)의 증가된 동작 범위는, 또한 MR 소자(900)에 의해 증가된 오프셋 드리프트(drift) 허용 오차를 제공할 수 있고, 예를 들어, 상기 오차는 온도, 사용 기간(age) 및/또는 MR 소자와 MR 소자(900)에 의해 센싱되는 물체(즉, 자기장) 사이에 오정렬 또는 오배치로 인해 발생할 수 있다. 특히, MR 소자(900)의 증가된 동작 범위(즉, MR 소자(900)에 의해 센싱될 수 있는 자기장의 더 넓은 범위)로 인하여, MR 소자(900)는 종래 MR 소자(예를 들어, MR 소자(200))에 의해 검출될 수 없는 자기장을 센싱할 수 있고, 오프셋 드리프트의 허용 범위가 더 넓어지게 만든다. 일반적으로, 제1 동작 범위를 갖는 본 발명에 따른 MR 소자는, 제1 동작 범위 보다 좁은 제2 동작 범위를 갖는 종래의 MR 소자와 비교하여 증가된 오프셋 드리프트 허용 오차를 가질 수 있다. 남아있는 오프셋 에러(존재하는 경우)는, 예를 들어, MR 소자의 출력(예를 들어, 도 14에 도시된 VOUT으로, 이하에서 논의될 것이다)에 커플링된 신호 처리 회로에서 정정될 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자(900)의 증가된 동작 범위는 MR 소자(900)에 의한 공통 필드 간섭에 대한 개선된 면역성을 더 제공할 수 있다. 특히, 종래 기술에서 알려진 바와 같이, 공통 필드 간섭은 MR 소자(예를 들어, 900)가 경험하는 자기장 신호(즉, 인가된 자기장)에 오프셋을 부가할 수 있다. MR 소자의 선형 또는 동작 범위가 너무 좁은 경우, 오프셋은 MR 소자가 포화되는 것을 야기할 수 있다. 실시 양태에서, MR 소자(900)(및 본 발명에 따른 다른 MR 소자)의 증가된 선형 또는 동작 범위는, 공통 필드 간섭을 받을 때(및 공통 필드 간섭으로부터 오프셋이 야기될 때), MR 소자(900)의 포화를 실질적으로 감소시킨다(또는 이상적으로 막는다).
이제 도 11을 참고하면, 도표(1100)는, MR 소자(900)의 최대 응답 축(899)에 실질적으로 평행한 방향으로 다양한 강도의 자기장에 노출되었을 때, 도 9에 MR 소자(900)의 예시적인 제2 응답 특성을 가리키는 곡선(1102, 1104)(즉, 전달 곡선)을 도시한다. 도표(1100)는 자기장 강도 단위(여기서, 에르스텟(Oe))의 척도를 갖는 수평축 및 저항 단위(여기서, 옴)의 척도를 갖는 수직축을 갖는다.
곡선(1102)은, 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 200 Oe)으로부터 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -200 Oe)으로 스윕하는 자기장에 노출되었을 때, MR 소자(900)의 응답 특성에 대응한다. 부가적으로, 곡선(1104)은, 음의 자기장 강도 값(예를 들어, -200 Oe)으로부터 양의 자기장 강도 값(예를 들어, 200 Oe)으로 스윕하는 자기장에 노출되었을 때, MR 소자(900)의 응답 특성에 대응한다.
도시된 바와 같이, 곡선(1102, 1104)은, 곡선(1102, 1104)에 의해 특화되는 MR 소자(900)가 낮은 강도의 자기장에 노출되었을 때 비교적 낮은 저항을 갖는 제1 및 제2 실질적 선형 영역(1101a, 1101b)을 갖는다. 부가적으로, 곡선(1102, 1104)은, MR 소자(900)가 높은 강도의 자기장에 노출되었을 때 비교적 높은 저항을 갖는 제1 및 제2 포화 영역(1101c, 1101d)을 갖는다. 실질적인 선형 영역(1101a)에서, 곡선(1102, 1104)에 의해 특화되는 MR 소자(900)는, 제1 임계치보다 높은 인가된 자기장 또는 제1 자기장 강도 범위내에 대응하는, 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, 실질적인 선형 영역(1101b)에서, MR 소자(900)는 제1 실질적 선형 영역과 상이한 제2 실질적 선형 영역을 갖고, 제2 실질적 선형 영역은 제2 임계치보다 낮은 인가된 자기장, 또는 제2 자기장 강도 범위내에 대응한다. 포화 영역(1101c, 1101d)에서, MR 소자(900)는 인가된 자기장에 실질적으로 응답하지 않는다.
또한 도시된 바와 같이, 곡선(1102, 1104)은 약 제로 에르스텟에서 각각 피크(1102a, 1104a)를 갖는다. 부가적으로, 곡선(1102, 1104)은 실질적으로 약 제로 에르스텟을 중심으로 하고, MR 소자(900)의 실질적 선형 범위(1101a, 1101b)는 자기장 강도의 크기 범위(-Oe에서 +Oe)에서 실질적으로 균일하다. 실시 양태에서, 그러한 바는 작은(이상적으로는, 존재하지 않는) 오프셋을 갖는 곡선(1102, 1104)을 특징으로 하는 MR 소자에 대응한다.
실시 양태에서, 본 발명에 따른 MR 소자와 관련된 곡선의 피크(곡선(1102, 1104)의 피크(1102a, 1104a)와 유사한)는 일반적으로 바이어스 필드에 대응하는 진폭에서 나타나며, 상기 바이어스 필드는 MR 소자의 하나 이상의 층(예를 들어, Ru 공극(713 및 734))의 두께에 의해 결정된다. 그러나, 도 11에 도시된 곡선(1102, 1104)과 관련된 MR 소자(900)는, 예를 들어, Ru 스페이서(예를 들어, Ru 스페이서(713 및 734)) 및 바이어싱 부분을 갖지 않는다. 곡선(1102, 1104)의 피크(1102a, 1104a)의 전술한 일 예시적인 결과는 약 제로 에르스텟에서 실질적으로 중첩된다.
도 8 및 도 11에 도시된 같은 소자가 같은 참조 명칭을 갖는 것으로 도시된 도 12를 참조하면, 제4 예시적 MR 소자(1200)는 제1 스택부(910) 및 제2 스택부(1230)을 포함한다. 제1 스택부(910)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제1 스택부(910)의 제1 표면은 시드층(702)상에 배치되고, 시드층(702)는 제1 스택부(910) 및 MR 소자(1200)가 증착된 기판 사이에 배치된다. 부가적으로, 제2 스택부(1230)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제2 스택부(1230)의 제1 표면은 피닝층(720)상에 배치되고, 피닝층(720)은 제1 스택부(910) 및 제2 스택부(930) 사이에 배치된다. 캡층(704)은 제2 스택부(1230)의 제2 표면상에 배치된다.
제1 스택부(910)(즉, MR 소자(900)의 제1 스택부와 동일한 제1 스택부)는 제1 복수층(여기서, 6개 층)을 포함한다. 부가적으로, 제2 스택부(1230)는 제2 복수층(여기서, 9개 층), 즉, 제1 복수층과 상이한 개수의 층을 포함한다.
제2 스택부(1230)의 제2 복수층은 고정층 구조(731), 스페이서층(732) 및 자유층 구조(733)를 포함한다. 제2 복수층은 또한 스페이서층(1234), 고정층(735) 및 피닝층(736)을 포함한다. 고정층 구조(731)는 제1 고정층(731a), 제2 고정층(731c) 및 스페이서층(731b)을 포함한다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 제1 자유층(733a) 및 제2 자유층(733b)을 포함한다.
고정층 구조(731)는 피닝층(720)상에 배치되고, 스페이서층(732)은 고정층 구조(731)상에 배치된다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 스페이서층(732)상에 배치되고, 스페이서층(1234)은 자유층 구조(733)상에 배치된다. 더불어, 고정층(735)은 스페이서층(1234)상에 배치되고, 피닝층(736)은 고정층(735)상에 배치된다. 도 7에 도시된 MR 소자(700)의 스페이서층(734)과 유사하지만 스페이서층(734)의 두께와 상이한 두께를 가지는 스페이서층(1234)은 하나 이상의 비자성 재료(예를 들어, Ru)를 포함하는 비자성 스페이서층일 수 있다.
MR 소자(1200)내의 제1 스택부(910)는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, MR 소자(1200)내의 제2 스택부(1230)는 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖고, 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. 화살표(1199)로 표시된 바와 같이, MR 소자(1200)는, MR 소자(1200)가 배치된 기판 표면(예를 들어, 기판(701)의 제1 표면)에 평행한 자기장(예를 들어, 인가된 자기장)에 최대 응답 축을 갖는다.
제1 스택부(910)는, 제1 스택부(910)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다. 부가적으로, 제2 스택부(1230)는, 제2 스택부(1230)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다.
도시된 실시 양태에서, 제2 스택부(1230)내의 스페이서층(1234)의 두께는, 예를 들어, 제2 스택부(1230)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다. 예를 들어, 스페이서층(1234)은 제2 스택부(1230)가 반강자성 부분 바이어스를 갖도록 선택된 두께(여기서, 약 4nm)를 가질 수 있고, 결과적으로, 제2 스택부(1230)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
도 8의 같은 소자가 같은 참조 명칭을 갖는 것으로 도시된 도 13을 참고하면, 제5 예시적인 MR 소자(1300)는 제1 스택부(810), 제2 스택부(1330) 및 제3 스택부(1350), 즉, 전술한 도면에서 논의된 MR 소자상에 부가적인 스택부를 포함한다. 제1 스택부(810)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제1 스택부(810)의 제1 표면은 시드층(702)상에 배치되고, 시트 층(702)은 제1 스택부(810) 및 MR 소자(1300)가 증착되는 기판(701) 사이에 배치된다. 부가적으로, 제2 스택부(1330)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제2 스택부(1330)의 제2 표면은 피닝층(720)상에 배치되고, 피닝층(720)은 제1 스택부(810) 및 제2 스택부(1330) 사이에 배치된다. 더불어, 제3 스택부(1350)는 제1 및 제2 대향 표면을 갖고, 제3 스택부의 제1 표면은 피닝층(1340)상에 배치되고, 피닝층(1340)은 제2 스택부(1330) 및 제3 스택부(1350) 사이에 배치된다. 캡층(704)은 제3 스택부(1350)의 제2 표면상에 배치된다.
제1 스택부(810)(즉, 도 8의 MR 소자(800)의 제1 스택부와 동일한 스택부)는 제1 복수층(여기서, 9개 층)을 포함한다. 부가적으로, 제2 스택부(1330)는 제2 복수층(여기서, 8개 층), 즉, 제1 복수층과 상이한 개수의 층을 포함한다. 더불어, 제3 스택부(1350)는 제3 복수층(여기서, 9개 층), 즉, 제1 복수층과 동일한 개수의 층 및 제2 복수층과 상이한 개수의 층을 포함한다.
제2 스택부(1330)의 제2 복수층은 고정층 구조(731), 스페이서층(732) 및 자유층 구조(733)를 포함한다. 제2 복수층은 또한 스페이서층(834) 및 고정층(735)을 포함한다. 고정층 구조(731)는 제1 고정층(731a), 제2 고정층(731c) 및 스페이서층(731b)을 포함한다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 제1 자유층(733a) 및 제2 자유층(733b)을 포함한다.
고정층 구조(731)는 피닝층(720)상에 배치되고, 스페이서층(732)은 고정층 구조(731)상에 배치된다. 부가적으로, 자유층 구조(733)는 스페이서층(732)상에 배치되고, 스페이서층(834)은 자유층 구조(733)상에 배치된다. 더불어, 고정층(735)은 스페이서층(834)상에 배치된다.
제3 스택부(1350)의 제3 복수층은 고정층(1351), 스페이서층(1352) 및 자유층 구조(1353)를 포함한다. 제3 복수층은 또한 스페이서층(1354), 고정층 구조(1355) 및 피닝층(1356)을 포함한다. 일부 실시 양태에서 제1 스택부(810)내의 자유층 구조(714)와 동일한 또는 유사한 자유층 구조(1353)는 제1 자유층(1353a) 및 제2 자유층(1353b)을 포함한다. 부가적으로, 일부 실시 양태에서 제1 스택부(810)내의 고정층 구조(716)와 동일한 또는 유사한 고정층 구조(1355)는 제1 고정층(1355a), 제2 고정층(1355c) 및 스페이서층(1355b)을 포함한다.
실시 양태에서, 고정층(1351)은 강자성 고정층일 수 있고, 스페이서층(1352)은 비자성 스페이서층일 수 있고, 자유층 구조(1353)는 바이어스 되지 않은 자유층일 수 있다. 부가적으로, 실시 양태에서, 스페이서층(1354)은 비자성 스페이서층일 수 있고, 고정층 구조(1355)는 SAF 고정층 구조 또는 층을 포함할 수 있고, 피닝층(1356)은 반강자서 피닝층(1356)일 수 있다. 자유층 구조(1353)의 제1 자유층(1353a)은 강자성 자유층일 수 있고, 자유층 구조(1353)의 제2 자유층(1353b)은 강자성 자유층일 수 있다. 부가적으로, 고정층 구조(1355)의 제1 고정층(1355a)은 강자성 고정층일 수 있고, 고정층 구조(1355)의 제2 고정층(1355c)은 강자성 고정층일 수 있고, 고정층 구조(1355)의 스페이서층(1355b)은 비자성 스페이서층일 수 있다.
제1 스택부(810)는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는다. 부가적으로, 제2 스택부(1330)는 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응한다. 제3 스택부(1350)는 제1 실질적 선형 응답 및 제2 실질적 선형 응답 모두와 상이한 제3 실질적 선형 응답을 갖는다. 제3 실질적 선형 응답은 제1 자기장 강도 범위와 제2 자기장 강도 범위 사이 또는 중첩되는 범위에서 인가된 자기장에 대응한다. 일 실시 양태에서, 제1 실질적 선형 응답은 약 100 Oe에서 제1 바이어스 진폭을 갖고, 제2 실질적 선형 응답은 약 10 Oe에서 제2 바이어스 진폭을 갖고, 제3 실질적 선형 응답은 약 50 Oe에서 제3 바이어스 진폭(즉, 제1 및 제2 바이어스 진폭 사이에서)을 갖는다. 실시 양태에서, 각각의 바이어스 진폭은, MR 소자의 제1 스택부가 자기장 강도의 변화에 가장 잘 응답하거나 민감한 자기장 강도에 대응한다.
전술한 도면에서 논의한 MR 소자와 유사하게, MR 소자(1300)내의 각각의 스택부(810, 1330, 1350)는, 스택부(810, 1330, 1350)가 인가된 자기장에 각각의 실질적 선형 응답(예를 들어, 도 6의 도표(600)에서 도시된 영역(601a, 601b, 601c)에서 나타나는 것과 유사한, 제1, 제2, 제3 등의 실질적 선형 응답)을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다.
도시된 실시 양태에서, 제1 스택부(810)내에서 스페이서층(813)의 두께는, 예를 들어, 제1 스택부(810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응한다. 예를 들어, 스페이서층(813)은 제1 스택부(810)가 소정의 제1 바이어스(예를 들어, 약 200 Oe의 "강한" 바이어스)를 갖도록 선택된 두께(여기서, 약 1.3nm)를 가질 수 있고, 결과적으로, 제1 스택부(810)가 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
부가적으로, 도시된 실시 양태에서, 제2 스택부(1330)내의 스페이서층의 두께(T2)는 제2 스택부(1330)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응할 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(834)은 제2 스택부(1330)가 소정의 제2 바이어스(예를 들어, 약 10 Oe 미만의 "매우 약한" 바이어스)를 갖도록 특정한 값(예를 들어, 약 1.7nm)으로 선택된 두께(T2)를 가질 수 있고, 결과적으로, 제2 스택부(1330)가 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
더불어, 도시된 실시 양태에서, 제3 스택부(1350)내의 스페이서층(1352)의 두께는 제3 스택부(1350)가 제3 실질적 선형 응답을 갖도록 선택된 적어도 하나의 특성에 대응할 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(1352)은 제3 스택부(1350)가 소정의 제3 바이어스(예를 들어, 약 70 Oe의 "중간" 바이어스)를 갖도록 선택된 두께(여기서, 약 2.6nm)를 가질 수 있고, 결과적으로, 제3 스택부(1350)가 제3 실질적 선형 응답을 갖도록 할 수 있다.
제1, 제2 및 제3 스택부(810, 1330, 1350)의 다른 특성(예를 들어, 재료, 층 두께 등)은, 제1, 제2 및 제3 스택부(810, 1330, 1350)가 각각 제1, 제2 및 제3 실질적 선형 응답을 갖도록 부가적으로 또는 대안적으로 선택될 수 있다.
2개 또는 3개의 소위 "스택부"를 포함하는 MR 소자가 도 7, 8, 9, 12 및 13에 도시된 데 반하여, 본 발명과 관련된 MR 소자는 일부 실시 양태에서 3개를 초과하는 스택부를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 부가적으로, 도 7, 8, 9, 12 및 13에 도시된 MR 소자는, 본 발명에 따른 MR 소자의 많은 잠재적 구성 중 단지 5개에 불과하다는 것으로 이해된다. 일 실시예로서, MR 소자(1300)의 적어도 하나의 스택부(예를 들어, 1350)는 도시된 것 보다 더 많은 개수의 층이나 더 적은 개수의 층을 포함할 수 있다.
부가적으로, 본 발명에 따른 MR 소자내의 특정한 재료 및 층의 두께가 도 7, 8, 9, 12 및 13에 도시된 데 반하여, 일부 층의 재료 및 두께는, 예를 들어, MR 소자의 제1, 제2, 제3 등 스택부의 제1, 제2, 제3 등 실질적 선형 응답을 제공하기 위해 도시된 것과 상이할 수 있다는 것으로 이해된다.
더불어, 본 발명에 따른 MR 소자내에서 층의 특정한 순서가 도 7, 8, 9, 12 및 13에 도시된 데 반하여, 예를 들어, MR 소자의 제1, 제2, 제3 등 스택부의 제1, 제2, 제3 등 실질적 선형 응답을 제공하기 위해, 도시된 두 개 이상의 층 사이에 끼워진 다른 층, 예를 들어, 다른 스페이서층이 있을 수 있다는 것으로 이해된다. 또한, 도 7, 8, 9, 12 및 13에 도시된 층의 위 또는 아래에 다른 층이 있을 수 있다. 또한, MR 소자는 다양한 크기 및 모양으로 형성될 수 있다는 것으로 이해된다. 예를 들어, MR 소자는, 예를 들어, MR 소자의 다양한 층이 증착, 패턴화 및 어닐되는 제조 공정을 통해 도 15에 도시된 바와 같이 요크(yoke) 모양으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 MR 소자는 다양한 장치, 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같은 저항 분할 장치, 또는 도 14A에 도시된 바와 같은 브리지 장치에 커플링될 수 있고, 상기 장치들은 이하에서 서술될 것이다. 더불어, 본 발명에 따른 MR 소자는, 전류에 응답하는 전류 센서, 예를 들어, 철 기어 톱니 등의 강자성 물체의 근접성에 응답하는 근접 검출기, 및 자기장 센서 외부의 자기장에 응답하는 자기장 센서를 포함하지만 이에 국한되지는 않는 다양한 응용에 사용될 수 있다. 일 예시적인 자기장 센서가 도 15에 도시되고, 상기 센서 또한 이하에서 서술될 것이다.
도 14를 참고하면, 저항 분할기(1400)는 저항(1402) 및 MR 소자(1404)를 포함하고, 상기 MR 소자는 재료 스택으로 제작된 전술한 도면과 연결하여 서술된 MR 소자들(예를 들어, 도 8에 도시된 800)과 동일하거나 유사할 수 있다. 저항 분할기(1400)는 전압원(1401) 및 저항(1402)에 커플링되고, MR 소자(1404)는 전압원(1401)에 의해 구동될 수 있다.
출력 전압(VOUT)은 저항(1402) 및 인가된 자기장(예를 들어, 도 15에 도시된 링 자석(1510)과 같은 물체의 움직임에 응답하여 발생될 수 있는 자기장으로, 이하에서 논의될 것이다)에 응답하는 MR 소자(1404) 사이에 형성된 노드(1400a)에서 발생될 수 있다. 특히, 인가된 자기장의 변화하는 MR 소자의 저항의 변화를 야기할 수 있다. MR 소자(1404)의 저항의 변화로 인하여, 노드(1400a)에서 출력 전압 또한 변할 수 있다. 출력 전압은 인가된 자기장을 가리키는 크기를 가질 수 있다. 실시 양태에서, 저항(1402)은 실질적으로 고정된 저항일 수 있다. 부가적으로, 실시 양태에서, 저항(1402)은 MR 소자(즉, 제2 MR 소자)일 수 있다.
도 14A를 참고하면, 브리지 장치(1450)(예를 들어, 휘트스톤 브리지 회로)는 MR 소자(1452, 1454, 1456, 1458)를 포함하고, 상기 하나 이상의 MR 소자는 전술한 도면과 연결하여 서술된 MR 소자(예를 들어, 도 8에 도시된 800)와 동일하거나 유사할 수 있다. 브리지(1450)는 전압원(1451)에 커플링되고, 각각의 자기 저항 소자(1452, 1454, 1456, 1458)는 구동 전압(1451)에 의해 구동될 수 있다.
제1 출력 전압(VOUT1)은 인가된 자기장에 응답하여 자기 저항 소자(1452, 1454) 사이에서 형성된 제1 전압 노드(1450a)에서 발생될 수 있다. 부가적으로, 제2 출력 전압(VOUT2)은 인가된 자기장에 응답하여 자기 저항 소자(1456, 1458) 사이에 형성된 제2 전압 노드(1450b)에서 발생될 수 있다. 특히, 인가된 자기장에 응답하여 MR 소자(1452, 1454, 1456, 1458)의 저항 변화로 인하여, 제1 전압 노드(1450a)에서 발생된 제1 출력 전압 및 제2 전압 노드(1450b)에서 발생된 제2 출력 전압 중 적어도 하나는 또한 변화될 수 있다. 제1 출력 전압(예를 들어, 제1 자기장 신호) 및 제2 출력 전압(예를 들어, 제2 자기장 신호) 사이의 전압 차는 인가된 자기장을 나타낼 수 있다. 실시 양태에서, 브리지(1450)는 적어도 하나의 실질적 고정 저항을 포함할 수 있고, 브리지(1450)내의 MR 소자(1452, 1454, 1456, 1458)의 적어도 하나는 적어도 하나의 실질적 고정 저항으로 대체될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 14의 저항 분배기(1400) 및 도 14A의 브리지 장치(1450)는 MR 소자(예를 들어, 도 14에 도시된 1404)에 의해 경험되는 인가된 자기장을 가리키는 출력 신호(예를 들어, 자기장 신호)를 제공할 수 있다. 저항 분배기(1400) 및 브리지 장치(1450)는 본 발명에 따른 MR 소자의 많은 잠재적 장치들 중 단지 2개일 뿐이라고 이해된다.
도 15를 참조하면, 복수의 MR 소자(여기서, 4개의 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508))를 포함하는 예시적인 자기장 센서(1500)가 도시된다. 전술한 도면과 연결하여 서술된 MR 소자(예를 들어, 도 8에 도시된 800)와 동일하거나 유사할 수 있는 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)는 각각 요크 모양으로 형성되고 도시된 실시 양태에서 공통 기판(1501)상에 배치된다. 실시 양태에서, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)는 도 14에 도시된 저항 분할기(1400)와 동일하거나 유사할 수 있는 저항 분할 장치에 커플링될 수 있다. 부가적으로, 실시 양태에서, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)는 도 14A에 도시된 브리지 장치(1450)와 동일하거나 유사할 수 있는 브리지 장치(예를 들어, 휘트스톤 브리지)에 커플링될 수 있다. MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)의 다른 구성은 물론 가능한 것으로 이해된다. 부가적으로, 다른 전자 구성 요소(미도시)인, 예를 들어, 증폭기, 아날로그 디지털 변환기(ADC) 및 프로세서인, 즉, 전기 회로는 기판(1501)상에 배치될 수 있고, 예를 들어, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)에 의해 생성되는 신호(즉, 자기장 신호)를 처리하기 위해 하나 이상의 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)에 커플링될 수 있다.
도시된 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)는 움직이는 자기장 물체, 예를 들어, 대안적인 N극과 S극을 갖는 링 자석(1510)에 근접하여 배치된다. 링 자석(1510)은 운동(예를 들어, 회전)하고 자기장 센서(1500)의 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)는 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)의 최대 응답 축이 링 자석(1510)에 의해 발생한 자기장(예를 들어, 인가된 자기장)에 정렬되도록 배향될 수 있다. 또한, 실시 양태에서, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)의 최대 응답 축은, 자기장 센서(1500)에 또는 내에 근접하게 배치된 자석(미도시)에 의해 발생되는 자기장(예를 들어, 국부 자기장)에 정렬될 수 있다. 이러한 역 바이어스 자석 구성으로, 링 자석(1510)의 움직임은 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)에 의해 센싱되는 자기장의 변화를 초래할 수 있다.
실시 양태에서, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)는 전압원(예를 들어, 도 14A에 도시된 1451)에 의해 구동되고, 링 자석(1510)의 움직임, 예를 들어, 제1 움직임 방향 또는 제1 움직임 방향과 상이한 제2 움직임 방향에 응답하여 하나 이상의 자기장 신호(예를 들어, 도 14A에 도시된 Vout1, Vout2)를 발생하도록 구성된다. 부가적으로, 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)상의 하나 이상의 전자 구성 요소(예를 들어, ADC)(미도시)는 자기장 신호를 수신하기 위해 커플링되고, 예를 들어, 링 자석(1500)의 위치, 근접성, 속도 및/또는 움직임 방향을 가리키는 출력 신호를 발생시키도록 구성된다. 일부 실시 양태에서, 링 자석(1510)은 목표 물체, 예를 들어, 엔진의 캠 샤프트에 커플링되고, 센싱된 링 자석(1510)의 움직임 속도는 목표 물체의 움직임 속도를 나타낸다. 자기장 센서(1500)의 출력 신호(예를 들어, 출력 전압)는 일반적으로 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)에 의해 경험되는 자기장 크기와 관련된 크기를 갖는다.
MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)가 본 발명에 따른 MR 소자(예를 들어, 도 8에 도시된 800)로 제공되는 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)는, 예를 들어 종래의 자기 저항 소자와 비교하여 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 증가된 동작 범위로 인해, 자기장 센서(1500)가 종래의 MR 소자를 포함하는 실시 양태에서 센싱 정확도를 향상할 수 있다. 특히, 종래의 자기 저항 소자와 비교하여 본 발명에 따른 자기 저항 소자의 증가된 동작 범위로 인해, 자기장 센서(1500)는 다른 선세보다 더 넓은(또는 증가된) 자기장 강도의 범위를 보다 정확하게 센싱할 수 있다. 예를 들어, 종래 MR 소자를 포화시키는 자기장 강도는, 증가된 동작 범위로 인하여 본 발명에 따른 MR 소자에 의해 감지될 수 있다. 이러한 바는 본 발명에 따른 MR 소자에게 적합한 다수의 응용분야(예를 들어, 본 발명에 따른 MR 소자를 사용하여 정확하게 검출될 수 있는 자기장 강도의 증가된 범위로 인하여)를 제공할 수 있다.
부가적으로, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)가 본 발명에 따른 MR 소자(예를 들어, 도 8에 도시된 800)로 제공되는 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)는 MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)로부터 자기장 신호를 수신하기 위해 커플링되고 자기장 센서(1500)의 출력 신호를 발생하도록 구성되는 전자 구성 요소(예를 들어, ADC)를 포함하고, 전자 구성 요소(예를 들어, 소위 "프론트 엔드(front end) 전자 부품" 또는 "신호 처리 전자 부품")의 동작 요구사항은, 예를 들어, 자기장 센서(1500)가 종래 자기 저항 소자를 포함하고 있는 실시 양태에 비하여 감소할 수 있다.
예를 들어, 공지된 바와 같이, ADC는, ADC가 분석(즉, 처리)할 수 있는 신호 진폭 범위 또는 강도에 대응하는 동적 범위를 갖는다. 아날로그 입력 신호가 동적 범위의 상부 임계치를 초과하는 진폭을 갖거나, 동적 범위의 하부 임계치 미만의 진폭을 갖는 경우, ADC는 아날로그 신호를 대응하는 디지털 신호로 정확하게 변환하지 못할 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 MR 소자는, 자기장 강도 변화에 대한 제1 감도 레벨을 초래하는 적어도 하나의 제1 실질적 선형 응답 및 자기장 강도 변화에 대한 제2 감도 레벨을 초래하는 제2 실질적 선형 응답을 갖는다. 위에서 또한 논의한 바와 같이, 본 발명에 따른 MR 소자의 적어도 제1 및 제2 스택부의 적어도 하나의 특성은, 제1 및 제2 실질적 선형 응답과 제1 및 제2 감도 레벨을 제공하기 위해 선택될 수 있다. 다시 말해서, MR 소자의 제1 및 제2 감도 레벨은 MR 소자의 제1 및 제2 스택부에서 선택되는 적어도 하나의 특성에 기초하여 선택될 수 있다.
실시 양태에서, 본 발명에 따른 MR 소자의 제1 및 제2 감도 레벨은 종래 MR 소자의 단일 감도 레벨과 비교하여 감소되도록 선택될 수 있고, 결과적으로, 본 발명에 따른 MR 소자의 출력(예를 들어, 도 14에 도시된 VOUT)은 종래 MR 소자의 출력과 비교하여 더 점진적으로 또는 작은 비율(및 감소된 상위 임계치)로 증가 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 MR 소자의 출력을 수신하기 위해 커플링된 ADC는, 종래 MR 소자의 출력을 수신하기 위해 커플링된 ADC의 범위 요건에 비하여 줄어든 동적 범위 요건를 가질 수 있다. 전술한 바의 결과로서, 자기장 센서(1500)가 본 발명에 따른 MR 소자를 포함하는 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)는, 자기장 센서(1500)가 종래 MR 소자를 포함하는 실시 양태와 비교하여 감소된 동적 범위를 갖는 ADC를 사용하는(및 비용이 덜 들 수 있는) 것이 가능하게 할 수 있다.
ADC의 동적 범위는 본 발명에 따른 MR 소자와 관련된 다양한 특성으로부터 얻을 수 있는 이익의 단지 일 예시적인 ADC의 동작 파라미터로 이해된다. 또한, ADC는, 자기장 센서(1500)에서 사용될 수 있고 본 발명의 MR 소자와 연관된 다양한 특성으로 얻을 수 있는 이익의 하나의 예시적인 전자 구성 요소인 것으로 이해된다.
또한, 실시 양태에서, 본 발명에 따른 MR 소자는, 예를 들어 종래의 MR 소자를 포함하는 자기장 센서(1500)와 비교하여 감소된 개수의 전자 구성 요소(예를 들어, 신호 처리 구성 요소)를 갖는 자기장 센서(1500)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 자기장 센서(1500)가 종래의 MR 소자를 포함하고 다수의 자기장 강도 범위(예를 들어, -10G에서 10G, -100G에서 100G 및 -300G에서 300G)를 갖는 인가된 자기장을 센싱하도록 구성된 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)는 대응하는 복수의 ADC를 요구할 수 있다. 대조적으로, 자기장 센서(1500)가 본 발명에 따른 MR 소자를 포함하고 복수의 자기장 강도 범위를 센싱하도록 구성된 실시 양태에서, 자기장 센서(1500)는 복수의 자기장 강도 범위의 개수보다 작은 또는 감소된 개수의 ADC를 포함할 수 있다. 일 실시 양태에서, 전술한 바는 종래의 MR 소자에 비하여 증가된 동작 범위를 갖는 본 발명에 따른 MR 소자에 기인한다. 특히, 본 발명에 따른 MR 소자를 사용하면, 신호(예를 들어, 자기장 신호)가 커지거나, 신호가 감소(또는 심지어 일부 실시 양태에서 묵음될 수 있음)될 수 있지만, 신호 처리에 여전히 사용될 수 있다(예를 들어, MR 소자가 포화 상태로 강제되지 않기 때문에).
자기장 센서(1500)는 도시된 실시 양태에서 링 자석(1510)의 회전 움직임에 움직임 검출기로서 도시되고 서술되었지만, 다른 자기장 센서, 예를 들어, 전류 센서는 본 발명에 따른 하나 이상의 MR 소자를 포함할 수 있는 것으로 이해된다.
부가적으로, MR 소자(1502, 1504, 1506, 1508)는 요크 모양으로 형성될 수 있는 것으로 도시되고 서술되었지만, 일부 실시 양태에서 MR 소자는 대신에 직선 바 모양 또는 복수의 다른 모양으로 형성될 수 있는 것으로 이해된다. 실시 예에서, GMR 소자를 위해, GMR 소자의 스택부(예를 들어, 제1 및 제2 스택부)는 요크 형태로 형성될 수 있다. 대조적으로, TMR 소자를 위해, 일부 실시 양태에서, TMR 소자의 선택된 부분(예를 들어, 스택부의 자유층)은 요크 형태를 가질 수 있고, TMR 소자의 나머지 부분은 다른 모양(예를 들어, 직선 바)을 가질 수 있다. 일부 실시 양태에서, 요크의 하나 이상의 치수(예를 들어, 길이, 폭 및 높이) 또는 다른 모양의 MR 소자는 MR 소자내의 층의 개수 및/또는 층의 두께에 기초할 수 있다.
전술하고 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명의 실시 양태는 시스템, 방법, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 양태는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 다양한 수단으로 구성될 수 있다.
본 발명의 대상이되는 다양한 개념, 구조 및 기술적 사상을 설명하는 바람직한 실시 양태를 서술하였으므로, 이러한 개념, 구조 및 기술적 사상을 포함하는 다른 실시 양태가 사용될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명한 것이다. 부가적으로, 본 명세서에서 서술된 상이한 실시 양태의 소자들은 위에서 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시 양태를 형성하기 위해 결합될 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 범위는 서술된 실시 양태에 국환되지 않으며, 첨부된 청구항의 사상 및 범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (51)

  1. 기판 상에 증착된 자기 저항 소자로서,
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제1 복수층을 포함하는 제1 스택부로서, 상기 제1 스택부는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는, 제1 스택부;
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제2 복수층을 포함하는 제2 스택부로서, 상기 제2 스택부의 상기 제1 표면은 상기 제1 스택부의 상기 제2 표면상에 배치되고, 상기 제2 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖고, 상기 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는, 제2 스택부; 및
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제3 복수층을 포함하는 제3 스택부로서, 상기 제1 스택부의 제1 표면은 상기 제3 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 상기 제3 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답 및 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제3 실질적 선형 응답을 갖는, 제3 스택부;를 포함하고,
    상기 제1 스택부는 제1 고정층(pinned layer) 구조; 상기 제1 고정층 구조상에 배치된 제1 스페이서층(spacer layer); 및 상기 제1 스페이서층상에 배치된 제1 자유층 구조를 포함하고,
    상기 제1 스페이서층은 제1 두께를 갖는 제1 재료로 구성되고, 상기 제1 재료 및 상기 제1 두께는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자기장 강도 범위는 음의 자기장을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 자기장 강도 범위는 양의 자기장을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자기장 강도 범위가 상기 제2 자기장 강도 범위의 하나 이상의 부분과 중첩되는,
    자기 저항 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 갖고, 상기 제1 스택부의 층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 갖고, 상기 제2 스택부의 층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스택부내의 상기 제1 복수층의 순서는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되고, 상기 제2 스택부내의 상기 제2 복수층의 순서는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수층은 동일한 개수의 층을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수층은 상이한 개수의 층을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스택부는 제2 고정층 구조; 제2 스페이서층; 및 제2 자유층 구조를 포함하고, 상기 제2 스페이서층은 제2 두께를 갖는 제2 재료로 구성되며, 상기 제2 재료 및 상기 제2 두께는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스페이서층은 루테늄(Ruthenium)(Ru)으로 구성되는,
    자기 저항 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 스페이서층의 상기 선택된 제2 두께는 1.6 나노미터(nm)에서 1.8nm 사이, 2.2nm에서 2.4nm 사이, 2.9nm에서 3.1nm 사이, 또는 3.5nm에서 3.7nm 사이의 범위에 있는,
    자기 저항 소자.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스페이서층의 상기 선택된 제1 두께는 1.3nm이고, 상기 제2 스페이서층의 상기 선택된 제2 두께는 1.7nm인,
    자기 저항 소자.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고정층 구조는 각각 하나의 고정층을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고정층 구조 각각은 각각의 합성 반강자성(SAF) 구조를 포함하는,
    자기 저항 소자.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 자기 저항 소자는 거대 자기 저항(GMR) 소자, 자기 터널 접합(MTJ) 소자 및 터널링 자기 저항(TMR) 소자 중 하나인,
    자기 저항 소자.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 자기 저항 소자는 자기장 센서내에서 제공되는,
    자기 저항 소자.
  21. 자기장 센서에 있어서,
    인가된 자기장에 제1, 제2 및 제3 실질적 선형 응답을 발생시키도록 구성된 자기 저항 소자를 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 실질적 선형 응답은 제로 에르스텟의 인가된 자기장 강도에서 자기 저항 소자의 기대 응답에 대해 제로 오프셋을 갖고,
    상기 자기 저항 소자는:
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고, 제1 복수층을 포함하는 제1 스택부로서, 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖는, 제1 스택부;
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고, 제2 복수층을 포함하는 제2 스택부로서, 상기 제2 스택부의 상기 제1 표면은 상기 제1 스택부의 상기 제2 표면상에 배치되고, 상기 제2 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답과 상이한 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖는, 제2 스택부; 및
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고, 제3 복수층을 포함하는 제3 스택부로서, 상기 제3 스택부의 제1 표면은 상기 제2 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 상기 제3 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답 및 상기 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제3 실질적 선형 응답을 갖는, 제3 스택부;
    제1 도전층으로서, 상기 제1 도전층은 상기 제2 스택부의 제1 표면과 직접 접촉하고, 상기 제1 스택부의 제2 표면과 직접 접촉하는, 제1 도전층; 및
    제2 도전층으로서, 상기 제2 도전층은 상기 제3 스택부의 제1 표면과 직접 접촉하고, 상기 제2 스택부의 제2 표면과 직접 접촉하는, 제2 도전층;을 포함하고,
    상기 제1 도전층은 피닝층이고, 그리고
    상기 제2 도전층은 피닝층인,
    자기장 센서.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 기판 상에 증착된 자기 저항 소자로서,
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제1 복수층을 포함하는 제1 스택부로서, 상기 제1 스택부는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖는, 제1 스택부;
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제2 복수층을 포함하는 제2 스택부로서, 상기 제2 스택부의 제1 표면은 상기 제1 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 상기 제2 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖고, 상기 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 상기 인가된 자기장에 대응하는, 제2 스택부;
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제3 복수층을 포함하는 제3 스택부로서, 상기 제3 스택부의 제1 표면은 상기 제2 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 상기 제3 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답 및 상기 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제3 실질적 선형 응답을 갖는, 제3 스택부;
    제1 도전층으로서, 상기 제1 도전층은 상기 제2 스택부의 제1 표면과 직접 접촉하고, 상기 제1 스택부의 제2 표면과 직접 접촉하는, 제1 도전층; 및
    제2 도전층으로서, 상기 제2 도전층은 상기 제3 스택부의 제1 표면과 직접 접촉하고, 상기 제2 스택부의 제2 표면과 직접 접촉하는, 제2 도전층;을 포함하고,
    상기 제1 도전층은 피닝층이고, 그리고
    상기 제2 도전층은 피닝층인,
    자기 저항 소자.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 도전층은 백금 망간(PtMn)을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실질적 선형 응답은 상기 제1 도전층으로부터 적어도 부분적으로 제공되는,
    자기 저항 소자.
  29. 제21항에 있어서,
    상기 제1 도전층은 백금 망간(PtMn)을 포함하는,
    자기장 센서.
  30. 제21항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 실질적 선형 응답은 상기 제1 도전층으로부터 적어도 부분적으로 제공되는,
    자기장 센서.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스택부의 제1 실질적 선형 응답은 상기 자기 저항 소자가 상기 인가된 자기장이 상기 제1 자기장 강도 범위 내에 있는 것에 응답하여 자기장 강도에서의 변화에 대한 제1 감도 레벨을 갖도록 하고,
    상기 제2 스택부의 제2 실질적 선형 응답은 상기 자기 저항 소자가 상기 인가된 자기장이 상기 제2 자기장 강도 범위 내에 있는 것에 응답하여 상기 자기장 강도에서의 변화에 대한 제2 감도 레벨을 갖도록 하고, 상기 제2 감도 레벨은 상기 제1 감도 레벨과 비교하여 상이하고,
    상기 제3 스택부의 제3 실질적 선형 응답은 상기 자기 저항 소자가 상기 인가된 자기장이 제3 자기장 강도 범위 내에 있는 것에 응답하여 상기 자기장 강도에서의 변화에 대한 제3 감도 레벨을 갖도록 하고, 상기 제3 감도 레벨은 상기 제1 및 제2 감도 레벨과 비교하여 상이한,
    자기 저항 소자.
  32. 제21항에 있어서,
    상기 제1 스택부의 제1 실질적 선형 응답은 상기 자기 저항 소자가 상기 인가된 자기장이 제1 자기장 강도 범위 내에 있는 것에 응답하여 자기장 강도에서의 변화에 대한 제1 감도 레벨을 갖도록 하고,
    상기 제2 스택부의 제2 실질적 선형 응답은 상기 자기 저항 소자가 상기 인가된 자기장이 제2 자기장 강도 범위 내에 있는 것에 응답하여 상기 자기장 강도에서의 변화에 대한 제2 감도 레벨을 갖도록 하고, 상기 제2 감도 레벨은 상기 제1 감도 레벨과 비교하여 상이하고,
    상기 제3 스택부의 제3 실질적 선형 응답은 상기 자기 저항 소자가 상기 인가된 자기장이 제3 자기장 강도 범위 내에 있는 것에 응답하여 상기 자기장 강도에서의 변화에 대한 제3 감도 레벨을 갖도록 하고, 상기 제3 감도 레벨은 상기 제1 및 제2 감도 레벨과 비교하여 상이한,
    자기장 센서.
  33. 기판 상에 증착된 자기 저항 소자로서,
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제1 복수층을 포함하는 제1 스택부로서, 상기 제1 스택부는 제1 자기장 강도 범위에 걸쳐 인가된 자기장에 대응하는 제1 실질적 선형 응답을 갖고,
    상기 제1 스택부는:
    제1 고정층 구조;
    시드층과 직접 접촉하는 제1 자유층 구조; 및
    상기 제1 고정층 구조 및 상기 제1 자유층 구조와 접촉하는 제1 스페이서층;을 포함하는, 제1 스택부;
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제2 복수층을 포함하는 제2 스택부로서, 상기 제2 스택부의 제1 표면은 상기 제1 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 상기 제2 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답과 상이한 제2 실질적 선형 응답을 갖고, 상기 제2 실질적 선형 응답은 제2 자기장 강도 범위에 걸쳐 상기 인가된 자기장에 대응하고, 상기 제2 스택부는:
    제2 고정층 구조;
    제2 자유층 구조; 및
    상기 제2 고정층 구조 및 상기 제2 자유층 구조와 접촉하는 제2 스페이서층;을 포함하는, 제2 스택부; 및
    대향하는 제1 및 제2 표면을 갖고 제3 복수층을 포함하는 제3 스택부로서, 상기 제3 스택부의 제1 표면은 상기 제2 스택부의 제2 표면상에 배치되고, 상기 제3 스택부는 상기 제1 실질적 선형 응답 및 상기 제2 실질적 선형 응답과 상이한 제3 실질적 선형 응답을 갖고, 상기 제3 스택부는:
    제3 고정층 구조;
    캡층과 직접 접촉하는 제3 자유층 구조; 및
    상기 제3 고정층 구조 및 상기 제3 자유층 구조와 접촉하는 제3 스페이서층;을 포함하는, 제3 스택부를 포함하는,
    자기 저항 소자.
  34. 제33항에 있어서,
    제1 도전층으로서, 상기 제1 도전층은 상기 제2 스택부의 제1 표면과 직접 접촉하고, 상기 제1 스택부의 제2 표면과 직접 접촉하는, 제1 도전층; 및
    제2 도전층으로서, 상기 제2 도전층은 상기 제3 스택부의 제1 표면과 직접 접촉하고, 상기 제2 스택부의 제2 표면과 직접 접촉하는, 제2 도전층;을 더 포함하고,
    상기 제1 도전층은 피닝층이고, 그리고
    상기 제2 도전층은 피닝층인,
    자기 저항 소자.
  35. 제26항에 있어서,
    상기 제1 자기장 강도 범위는 상기 제2 자기장 강도 범위의 하나 이상의 부분과 중첩되는,
    자기 저항 소자.
  36. 제26항에 있어서,
    상기 제1 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 갖고, 상기 제1 스택부의 층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  37. 제26항에 있어서,
    상기 제2 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 갖고, 상기 제2 스택부의 층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  38. 제26항에 있어서,
    상기 제1 스택부내의 상기 제1 복수층의 순서는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되고, 상기 제2 스택부내의 상기 제2 복수층의 순서는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기 저항 소자.
  39. 제26항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수층은 동일한 개수의 층을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  40. 제26항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수층은 상이한 개수의 층을 포함하는,
    자기 저항 소자.
  41. 제32항에 있어서,
    상기 제1 자기장 강도 범위는 상기 제2 자기장 강도 범위의 하나 이상의 부분과 중첩되는,
    자기장 센서.
  42. 제21항에 있어서,
    상기 제1 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 갖고, 상기 제1 스택부의 층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기장 센서.
  43. 제21항에 있어서,
    상기 제2 스택부의 각각의 층은 각각의 두께를 갖고, 상기 제2 스택부의 층들 중 적어도 하나의 두께는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기장 센서.
  44. 제21항에 있어서,
    상기 제1 스택부내의 상기 제1 복수층의 순서는 상기 제1 스택부가 상기 제1 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되고, 상기 제2 스택부내의 상기 제2 복수층의 순서는 상기 제2 스택부가 상기 제2 실질적 선형 응답을 갖도록 선택되는,
    자기장 센서.
  45. 제21항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수층은 동일한 개수의 층을 포함하는,
    자기장 센서.
  46. 제21항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 복수층은 상이한 개수의 층을 포함하는,
    자기장 센서.
  47. 삭제
  48. 삭제
  49. 삭제
  50. 삭제
  51. 삭제
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