KR20030088355A - 자기장 검출 센서 - Google Patents

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KR20030088355A
KR20030088355A KR10-2003-0030080A KR20030030080A KR20030088355A KR 20030088355 A KR20030088355 A KR 20030088355A KR 20030030080 A KR20030030080 A KR 20030030080A KR 20030088355 A KR20030088355 A KR 20030088355A
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magnetic
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magnetic field
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KR10-2003-0030080A
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샤르마매니쉬
페르너프레데릭
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휴렛-팩커드 디벨롭먼트 컴퍼니, 엘 피
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Abstract

본 발명은 자기장 검출 센서(magnetic field detection sensor)를 포함한다. 자기장 검출 센서는 제 1 감지층(sense layer)(220)과 제 1 기준층(reference layer)(210)을 포함하는 제 1 자기 센서(magnetic sensor)(200)를 포함한다. 제 2 자기 센서(202)는 제 2 감지층(222)과 제 2 기준층(212)을 포함한다. 자기장 검출 센서에 의해서 검출된 외부 자기장에 의해서 제 1 기준층(210)에 대한 제 1 감지층(220)의 상대 자기 배향과 제 2 기준층(212)에 대한 제 2 감지층(222)의 상대 자기 배향이 반대가 되도록 하기 위해서, 제 1 자기 센서(200)는 제 2 자기 센서(202)에 대해 물리적으로 배향된다. 차동 증폭기(differential amplifier)는 제 1 접합 센서(junction sensor) 및 제 2 접합 센서의 상대 자기 배향을 감지할 수 있다.

Description

자기장 검출 센서{A MAGNETIC FIELD DETECTION SENSOR}
본 발명은 일반적으로 자기장의 감지에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 적어도 2개의 자기 센서로 자기장을 감지하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
자기장 검출 기법은 자기 디스크 또는 테이프 등의 자기 매체(magnetic medium)의 표면에 저장된 정보를 감지하는 데 사용될 수 있다. 자기 센서는 자기 매체에 물리적으로 근접하게 위치되어 자기적으로 저장된 정보의 검출을 허용해야 한다.
자기장의 존재를 검출하는 데 사용될 수 있는 장치는 자기 터널 접합센서(magnetic tunnel junction sensor)이다. 도 1은 자기 터널 접합 센서(100)의 실시예를 도시한다. 자기 터널 접합 센서(100)는 핀형층(pinned layer)(110), 감지층(sense layer)(120) 및 절연층(insulating layer)(130)을 포함한다.
핀형층(110)은 고정되어 있으며, 관심 범위 내로 인가된 자기장의 존재 하에서는 회전하지 않는 자화 배향(magnetization orientation)을 갖는다. 감지층(120)은 2 방향 중의 어느 쪽으로도 향할 수 있는 자화를 가진다. 감지층(120)의 제 1 자화 배향은 핀형층(110)의 고정된 자화와 동일한 방향이다. 감지층(120)의 제 2 자화 배향은 핀형층(110)의 고정 자화와 반대 방향이다.
감지층(120)의 자기 배향은 일반적으로, 감지층(120) 부근에 있는 감지층(120)에서 가장 외부에 있는 자기장의 방향에 대응되는 방향으로 정렬된다. 외부 자기장은 충분한 자기의 세기(magnetic strength)를 가지고 있어서, 자기장을 검출하기 위해서 감지층(120)의 배향을 바꿀 수 있어야 한다.
자기 터널 접합 센서(100) 양단의 저항은, 핀형층(110)의 자기 배향에 대한 감지층(120)의 자기 배향에 따라 크기가 변화될 것이다. 전형적으로, 감지층(120)이 핀형층(110)과 반대 방향인 자기 배향을 가진다면, 자기 터널 접합 센서(100) 양단의 저항은 클 것이다. 감지층(120)이 핀형층(110)과 동일한 방향의 자기 배향을 가진다면, 자기 터널 접합 센서(100) 양단의 저항은 작을 것이다. 그 결과, 자기장의 방향으로 핀형층(110)에 대한 감지층(120)의 자기 배향 및 그에 따른 자기 센서(100) 양단의 저항을 판정하기 때문에, 자기 터널 접합 센서(100) 양단의 저항은 자기장의 방향을 감지하는 데 사용될 수 있다.
도 1의 자기 센서(100)의 감응도(sensitivity)는 제한된다. 자기 센서의 저항 상태는, 감지된 저항과 사전 결정된 저항 임계 값(resistive threshold value)을 비교하고, 그 비교 결과에 기반하여 자기 센서 상태 판정을 실행하는 것에 의해 판정된다. 즉, 감지된 저항이 사전 결정된 임계값보다 작다면, 자기 센서의 상태는 제 1 상태이다. 감지된 저항이 사전 결정된 임계값보다 크다면, 자기 센서의 상태는 제 2 상태이다.
그러므로, 향상된 감응도를 제공하고 비휘발성이며 저전력을 소모하는 자기장 감지용 장비 및 방법을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명은, 향상된 감응도를 제공하고 비휘발성이며 저전력을 소모하는 자기장 감지를 위한 장치 및 시스템을 포함한다.
본 발명의 제 1 실시예는 자기장 검출 센서를 포함한다. 자기장 검출 센서는 제 1 감지층과 제 1 기준층을 포함하는 제 1 자기 센서를 포함한다. 자기장 검출 센서는 제 2 감지층 및 제 2 기준층을 포함하는 제 2 자기 센서를 포함한다. 자기장 검출 센서에 의해서 검출된 외부 자기장에 의해서 제 1 기준층에 대한 제 1 감지층의 상대 자기 배향이 제 2 기준층에 대한 제 2 감지층의 상대 자기 배향과 반대가 되도록, 제 1 자기 센서는 제 2 자기 센서에 대해 물리적으로 배향된다.
본 발명의 다른 측면 및 이점은, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 원리를 예시의 방법으로 설명하는 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 자기 터널 접합 센서(magnetic tunnel junction sensor)를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서 및 차동 증폭기(differential amplifier)를 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서 및 차동 증폭기를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 자기 센서의 어레이를 도시하는 도면,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 자기 센서를 포함하는 판독 헤드(read head)를 포함하는 디스크 드라이브(disk drive)를 도시하는 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
200, 202 : 자기 센서 210, 212 : 기준층
220, 222 : 감지층722, 724, 732, 734 : 강자성층
230, 232 : 절연 터널 장벽
설명을 목적으로 하는 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명은 향상된 감응도를 제공하고 비휘발성이며 저전력을 소모하는 자기장 감지를 위한 장치 및 시스템을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예를 도시한다. 이 실시예는, 서로 물리적으로 인접하게 위치된 2개의 자기 터널 접합 센서(200, 202)를 포함한다. 제 1 터널 접합 센서(200)의 제 1 기준(핀형)층(210)은, 제 2 터널 접합 센서(202)의 제 2 기준(핀형)층(212)의 미리 설정된 자화 배향과는 반대가 되도록 미리 설정된 자기 배향을 포함한다.
제 1 터널 접합 센서(200)는 제 1 감지층(220)과 제 1 절연 터널 장벽(insulating tunnel barrier)(230)(제 1 기준층(210)과 제 1 감지층(220)을 분리시킴)을 더 포함한다. 제 2 접합 센서(202)는 제 2 감지층(222)과 제 2 절연 터널 장벽(232)(제 2 기준층(212)과 제 2 감지층(222)을 분리함)을 더 포함한다.
기준층(210, 212)과 감지층(220, 222)은 강자성 재료(ferromagnetic material)로 이루어질 수 있다.
자기 터널 접합 센서의 감지층과 기준층의 자화가 동일한 방향이라면, 자기 터널 접합 센서의 배향은 "평행(parallel)"하다고 할 수 있다. 자기 터널 접합 센서의 감지층과 기준층의 자화가 반대 방향이라면, 자기 터널 접합 센서의 배향은 "반평행(anti-parallel)"하다고 할 수 있다. 이러한 2개의 배향인 평행 및 반평행은 낮은 저항 또는 높은 저항의 자기 센서 상태에 대응될 수 있다.
절연 터널 장벽(230, 232)은 기준층(210, 212)과 감지층(220, 222) 사이에 양자 기계적 터널링(quantum mechanical tunneling)이 발생될 수 있게 한다. 이 터널링은 전자 스핀 의존성(electron spin dependent)으로서 자기 터널 접합 센서(200, 202)의 저항이 기준층(210, 212) 및 감지층(220, 222)의 자화 방향에 대한 상대 배향의 함수가 되게 한다. 자기장의 존재는 기준층(210, 212) 및 감지층(220, 222)의 자화 배향을 설정하는 것에 의해 검출될 수 있다.
각 자기 터널 접합 센서(200, 202)의 저항은, 자기 터널 접합 센서(200, 202)의 자화 배향이 평행하면 제 1 값(R)이 되고, 자화 배향이 반평행하다면, 제 2 값(R+ΔR)이 된다. 그러나 본 발명은 두 층의 자화 배향이나 두 층에만 제한되지 않는다.
절연 터널 장벽(230, 232)은 알루미늄 산화물, 실리콘 이산화물, 탄탈륨 산화물, 실리콘 질화물, 알루미늄 질화물 또는 마그네슘 산화물로 이뤄질 수 있다. 그러나 여타 유전 재료 및 소정의 반도체 재료도 절연 터널 장벽(230, 232)용으로 사용될 수 있다. 절연 터널 장벽(230, 232)의 두께는 약 0.5㎚에서 약 3㎚의 범위일 수 있다. 그러나 본 발명은 이 범위에 제한되지 않는다.
감지층(220, 222)은 강자성 재료로 이루어질 수 있다. 아래에서 설명될 기준층(210, 212)은, 인공 반강자성체(artificial antiferromagnet)로도 지칭되는 합성 페리 자성체(synthetic ferrimagnet : SF)로 구현될 수 있다.
제 1 터널 접합 센서(200)의 제 1 감지층(220)은 일반적으로, 외부에서 인가된 자기장의 방향과 일치하는 방향으로 정렬될 것이다. 제 2 터널 접합 센서(202)의 제 2 감지층(222)은 일반적으로, 외부에서 인가된 자기장의 방향과 일치하는 방향으로 정렬될 것이다. 제 1 터널 접합 센서(200)와 제 2 터널 접합 센서(202)의 배치 및 물리적 배향으로 인해서, 제 1 감지층(220) 및 제 2 감지층(222)은 일반적으로, 외부 자기장에 노출된 후에 동일한 방향이 되는 자기 배향을 포함할 것이다.
앞서 언급된 바와 같이, 자기 터널 접합 센서(200, 202) 양단의 저항은 기준(핀형)층(210, 212)의 자화 배향에 대한 감지층(220, 222)의 자화 배향에 직접적으로 의존한다. 또한, 앞서 설명되었듯이, 제 1 기준층(210)의 자기 배향은 제 2 기준층(2120의 자화 배향과는 반대 방향이다. 그러므로, 제 1 자기 터널 접합 센서(200) 및 제 2 자기 터널 접합 센서(202)가 외부 자기장에 노출 된 후에는, 제 1 자기 터널 접합 센서(200) 양단의 저항과 제 2 자기 터널 접합 센서(202) 양단의 저항이 일반적으로 매우 상이할 것이다. 즉, 자기 터널 접합 센서 중의 하나는 높은 저항(R+ΔR)을 가질 것이고, 다른 하나의 자기 터널 접합 센서는 낮은 저항(R)을 가질 것이다.
자기장 검출 센서(200, 202)에 의해 검출된 외부 자기장에 의해서 제 1 기준층(210)에 대한 제 1 감지층(220)의 상대 자기 배향이 제 2 기준층(212)에 대한 제 2 감지층(222)의 상대 자기 배향과 서로 반대가 되도록, 제 1 자기 터널 접합 센서(200)는 제 2 자기 터널 접합 센서(202)에 대해 물리적으로 배향된다.
차동 증폭기(differential amplifier)는 제 1 자기 터널 접합 센서(200) 및 제 2 자기 터널 접합 센서(202)의 상대 자기 배향을 감지하는 데 사용될 수 있다. 즉, 차동 증폭기는 제 1 자기 터널 접합 센서(200)와 제 2 자기 터널 접합센서(202) 사이에서 저항의 차이를 감지한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도 3에서, 각 자기 터널 접합 센서는 셀(셀1 및 셀2)로 표시한다. 셀은 병렬(side by side) 구성으로 물리적으로 배향될 수 있다. 다음에 설명될, 본 발명의 몇몇 실시예는 이러한 병렬 구성에 따라 구성될 수 있다. 참조 번호(A, B, C)는 외부 전자 회로와의 접촉점(points of contact)을 표시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 여기에서도, 각 자기 터널 접합 센서는 셀로 표시된다. 셀(셀1 및 셀2)은 직렬(end to end) 구성으로 물리적으로 배향될 수 있다. 다음에 설명될, 본 발명의 몇몇 실시예는 이러한 직렬 구성에 따라서 구성될 수 있다. 참조 번호(A, B, C)는 외부 전자 회로와의 접촉점을 표시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서(셀1 및 셀2) 및 차동 증폭기(510)를 도시한다. 차동 증폭기(510)는 제 1 자기 센서(셀1) 및 제 2 자기 센서(셀2)의 상대 자기 배향을 감지한다. 앞서 설명된 바와 같이, 자기 센서(셀1 및 셀2)의 자기 배향으로 자기 센서 양단의 저항을 판정한다.
제 1 전류 소스(520)는 제 1 자기 센서(셀1)를 통해서 전류가 전도되게 하여, 제 1 자기 센서(셀1)의 자기 상태에 의존하는 제 1 전위(V1)를 발생시킨다. 제 2 전류 소스(530)는 제 2 자기 센서(셀2)를 통해서 전류가 전도되게 하여, 제 2 자기 센서(셀 2)의 저항 상태에 의존하는 제 2 전위(V2)를 발생시킨다. 제 1 및 제 2 전류 소스(520, 530)는 실질적으로 동일한 크기이다.
제 1 전위(V1) 및 제 2 전위(V2)의 크기는 제 1 자기 센서(셀1) 및 제 2 자기 센서(셀2)의 저항에 의존하다. 차동 증폭기(510)는, 진폭 A(V2-V1)를 가지는 출력을 생성하는 것에 의해서 제 1 자기 센서(셀1) 및 제 2 자기 센서(셀2) 사이에서의 저항 차이의 상대적 크기를 검출하는데, 여기에서 A는 차동 증폭기(510)의 이득(gain)이다.
그러므로, 외부 자기장의 존재 및 자기장의 방향은 차동 증폭기(510)의 출력에 의해 판정될 수 있다. 외부 자기장의 검출로 자기 센서(셀1, 셀2)의 감지층의 자화는 외부 자기장에 따라 정렬될 것이다. 자기 센서(셀1, 셀2)의 기준층이 서로 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가진다는 사실에 기인하여, 제 1 자기 센서(셀1)의 저항은 외부 자기장의 방향에 따라 제 2 자기 센서(셀2)의 저항보다 더 클 수도 있고 더 작을 수도 있다. 그러므로, 차동 증폭기의 출력은 외부 자기장의 존재 및 방향에 대한 표시를 제공할 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서(셀1, 셀2) 및 차동 증폭기(610)를 도시한다. 차동 증폭기(610)는 제 1 자기 센서(셀1) 및 제 2 자기 센서(셀2)의 상대 자기 배향을 감지한다. 차동 증폭기(610)는 제 1 자기 센서 또는 제 2 자기 센서 중에서 어느 것이 더 큰 저항을 가졌는지를 검출하는, 교차 결합(cross-coupled)된 서로 다른 한 쌍의 트랜지스터(T1, T2)를 포함한다.
자기 센서의 상태는 접촉점(C)에 양의 전위를 인가하는 것에 의해 검출될 수 있다(예를 들면, 클록(SCLOCK)을 통해서). 그 다음, 이 상태는 선택 라인(selectline)(SELECT)을 통해서 VSENSE에서 감지된다.
제 1 자기 센서(셀 1)가 제 2 자기 센서(셀 2)에 비해서 더 큰 저항을 가진다면, 접촉점(A)에서의 전위는 접촉점(B)에서의 전위보다도 더 낮을 것이다. 그러므로, 트랜지스터(T1)는 트랜지스터(T2)보다도 더 턴 온될 것이다. 저항(R1), 트랜지스터(T1) 및 제 1 자기 센서(셀1)를 통해서 흐르는 전류는 저항(R2), 트랜지스터(T2) 및 제 2 자기 센서(셀2)를 통해서 흐르는 전류보다 더 클 것이다. 그러므로, 트랜지스터(T2)는 완전히 턴 오프되도록 강요될 것이며, 트랜지스터(T1)는 포화(saturate)될 것이다. VSENSE에서의 결과는 낮은 전위가 될 것이다.
제 2 자기 센서(셀2)가 제 1 자기 센서(셀1)보다 더 큰 저항을 가진다면, 접촉점(B)에서의 전위는 접촉점(A)에서의 전위보다 더 낮을 것이다. 그러므로, 트랜지스터(T2)는 트랜지스터(T1)보다 더 턴 온될 것이다. 저항(R2), 트랜지스터(T2) 및 제 2 자기 센서(셀 2)를 통해서 흐르는 전류는 저항(R1), 트랜지스터(T1) 및 제 1 자기 센서(셀 1)를 통해서 흐르는 전류보다 더 클 것이다. 그러므로, 트랜지스터(T1)는 완전히 턴 오프되도록 강요될 것이며, 트랜지스터(T2)는 포화될 것이다. VSENSE에서의 결과는 높은 전위가 될 것이다.
외부 자기장의 존재 및 이 자기장의 방향은 차동 증폭기(610)에서의 출력에 의해 판정될 수 있다. 외부 자기장의 검출에 의해서 자기 센서(셀1, 셀2)의 감지층의 자화는 외부 자기장에 따라 정렬될 것이다. 자기 센서(셀1, 셀2)의 기준층이 반대 방향으로 고정된 자화 방향을 가진다는 사실에 기인하여, 제 1 자기 센서(셀1)의 저항은, 외부 자기장의 방향에 따라 제 2 자기 센서(셀2)의 저항보다더 크거나 작게 될 것이다. 그러므로, 차동 증폭기의 출력은 외부 자기장의 방향에 대한 표시를 제공한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서(700, 702)를 도시한다. 이 실시예에서의 각 자기 터널 접합 센서(700, 702)는 기준(핀형)층(710, 712)을 포함한다. 기준층(710, 712)의 고정된 자기 배향은 동일한 방향이다. 동일한 방향으로 고정된 자기 배향을 가지는 기준층(710, 712)을 제조하기가 더 쉬울 수 있기 때문에, 이러한 자기 배향은 바람직할 수 있다.
또한 자기 터널 접합 센서(700, 702)는 절연 터널 장벽(744, 754)을 포함한다.
이 실시예의 각 자기 터널 접합 센서(700, 702)는 합성 강자성 구조 감지층(synthetic ferromagnetic structure sense layers)을 포함한다. 즉, 제 1 자기 터널 접합 센서(700)는, 제 1 강자성층(722) 및 제 2 강자성층(724)을 포함하는 제 1 강자성 구조 감지층을 포함한다. 제 1 강자성층(722) 및 제 2 강자성층(724)은 비자성 스페이서층(non-magnetic spacer layer)(726)에 의해 분리된다. 제 2 자기 터널 접합 센서(702)는 제 1 강자성층(732) 및 제 2 강자성층(734)을 포함하는 제 2 강자성 구조 감지층을 포함한다. 제 1 강자성층(732) 및 제 2 강자성층(734)은 비자성 스페이서층(736)에 의해서 분리된다.
강자성층(722, 724, 732, 734)는 CoFe, NiFe 또는 Co 등의 재료로 이루어질 수 있다. 스페이서층(726, 736)은 Ru, Re, Rh, Cu 등의 자기적 비도전성재료(magnetically non-conductive materials)로 형성될 수 있다.
제 1 자기 센서(700)의 제 1 강자성층(722)과 제 2 강자성층(724) 사이에는 강한 층간 교환 결합(interlayer exchange coupling)이 발생된다. 또한, 제 2 자기 센서(702)의 제 1 강자성층(732)과 제 2 강자성층(734) 사이에는 강한 층간 교환 결합이 발생된다. 이러한 결합의 크기 및 그 기호(즉, 이 결합이 양성(positive)인지 음성(negative)인지 여부)는 스페이서층(726, 736)의 두께와 그 재료 및 강자성층(722, 724, 732, 734)의 두께와 재료의 함수이다. 제 1 강자성층의 자화 방향이 제 2 강자성층의 자화 방향과 반평행하면, 그 결합은 음성이다. 제 1 강자성층의 자화 방향이 제 2 강자성층의 자화 방향과 평행하면, 그 결합은 양성이다.
제 1 강자성층(722, 732)의 보자력(cercivity)은 제 2 강자성층(724, 734)의 보자력과는 약간 상이할 수 있다. 예를 들면, 제 1 강자성층(722, 732)의 보자력은 대략 10 Oe일 수 있고, 제 2 강자성층(724, 734)의 보자력은 대략 52 Oe일 수 있다. 일반적으로, 기준층(710, 712)의 보자력은 강자성층(722, 724, 732, 734) 보다 더 높다.
제 1 강자성층(722, 732)의 자화는 제 2 강자성층(724, 734)과는 반대 방향으로 배향되기 때문에, 그들의 모멘트(moments)는 서로를 상쇄하는 경향이 있다.
스페이서층(726, 736)의 두께는 약 0.2㎚에서 2㎚ 사이이다.
각 강자성층(722, 724, 732, 734)은 자기 강도(magnetic intensity)를 가지는 자화 벡터(magnetization vector)를 포함한다. 일반적으로, 각 강자성층(722,724, 732, 734)의 자기 강도는 강자성층(722, 724, 732, 734)의 두께에 의존한다.
제 1 자기 터널 접합 센서(700)의 제 1 강자성층(722) 내에 도시된 벡터는 제 1 자기 터널 접합 센서(700)의 제 2 강자성층(724) 내에 도시된 벡터보다 길다. 벡터의 길이는 제 1 강자성층(722)의 자화 강도와 제 2 강자성층(724)의 자화 강도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 제 1 강자성층(722)의 자화 강도를 나타내는 벡터가 제 2 강자성층(724)의 자화 강도를 나타내는 벡터보다 더 크다.
일반적으로, 자화 크기는 강자성층의 두께에 의존한다. 두께(t1)는 제 1 자기 터널 접합 센서(700)의 제 1 강자성층(722)의 두께를 나타낸다. 두께 (t2)는 제 1 자기 터널 접합 센서(700)의 제 2 강자성층(724)의 두께를 나타낸다. 도 7의 실시예에서, 제 1 강자성층(722)의 두께(t1)는 제 2 강자성층(724)의 두께보다 더 크다. 그러므로, 제 1 강자성층(722)의 자화는 제 2 강자성층(724)의 자화보다 더 크다. 외부 자기장에 노출되면, 제 1 강자성층(722)의 자화는 외부 자기장을 따라 정렬될 것이다.
두께(t3)는 제 2 자기 터널 접합 센서(702)의 제 1 강자성층(732)의 두께를 나타낸다. 두께(t4)는 제 2 자기 터널 접합 센서(702)의 제 2 강자성층(734)의 두께를 나타낸다. 도 7의 실시예에서, 제 1 강자성층(732)의 두께(t3)는 제 2 강자성층(734)의 두께보다 더 작다. 그러므로, 제 1 강자성층(732)의 자화는 제 2 강자성층(734)의 자화보다 더 작다. 외부 자기장에 노출되면, 제 2 강자성층(734)의 자화는 외부 자기장을 따라 정렬될 것이다.
제 1 강자성층(722, 732), 제 2 강자성층(724, 734), 스페이서층(726, 736)의 가능한 두께 및 재료 종류의 예시는 다음과 같다.
절연 터널 장벽(744, 754)은 기준층(710, 712)과 제 1 강자성층(722, 732) 사이에 양자 기계적 터널링이 발생될 수 있게 한다. 이 터널링은 전자 스핀 의존성으로서, 자기 터널 접합 센서(700, 702)의 저항이 기준층(710, 712) 및 제 1 강자성층(722, 732)의 자화 방향의 상대 배향에 대한 함수가 되게 한다.
자기장의 존재는 기준층(710, 712) 및 제 1 강자성층(722, 732)의 자화 배향을 설정하는 것에 의해서 검출될 수 있다. 예를 들면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 자기 터널 접합 센서(700, 702)를 결합시키는 것에 의해서 달성될 수 있다. 즉, 자기 터널 접합 센서(700, 702) 양단의 저항 차이는 외부 자기장의 존재를 검출하는 데 사용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서를 도시한다. 이 실시예는 제 1 자기 센서(830)와 제 2 자기 센서(820)에 의해서 공유되는 공통 감지층 구조물(810)을 포함한다. 제 1 자기 센서(820)는 제 1 절연 터널 장벽층(insulating tunnel barrier layer)(824) 및 제 1 기준층(822)을 더 포함한다. 제 2 자기 센서(830)는 제 2 절연 터널 장벽층(834) 및 제 2 기준층(832)을 더 포함한다.
제 1 기준층(822) 및 제 2 기준층(832)의 사전 설정된 자화(preset magnetization)는 동일한 방향을 향한다.
공통 감지층 구조물(810)은 제 1 강자성층(812)과 제 2 강자성층(814)을 포함하는 합성 강자성 구조 감지층을 포함한다. 이 실시예에서, 강자성층(812, 814) 중 하나의 두께는 다른 하나의 강자성층(812, 814)의 두께보다 더 커야 한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1 강자성층(812)은 제 2 강자성층(814)보다 더 두껍다. 그러므로, 제 1 강자성층(812)의 자화 강도는 제 2 강자성층(814)의 자화 강도보다 더 크다.
제 1 강자성층(812) 및 제 2 강자성층(814)은 비자성 스페이서층(860)에 의해서 분리된다.
제 1 강자성층(812)의 자화 방향은 외부에서 인가된 자기장과 동일 방향으로 정렬될 것이다. 제 2 강자성층(814)의 자화 방향은 외부에서 인가된 자기장과 반평행할 것이다.
제 1 절연 터널 장벽(824)은 제 1 기준층(822)과 제 1 강자성층(812) 사이에 양자 기계 터널링이 발생될 수 있게 할 것이다. 또한, 제 2 절연 터널 장벽(834)은 제 2 기준층(832)과 제 2 강자성층(814) 사이에 양자 기계 터널링이 발생될 수 있게 할 것이다. 이 터널링은 전자 스핀 의존성으로서, 자기 터널 접합 센서(820, 830)의 저항이 기준층(822, 832) 및 강자성층(812, 814)의 자화 방향의 상대 배향에 대한 함수가 되게 할 것이다.
자기장의 존재는 기준층(822, 832) 및 강자성층(812, 814)의 자화 배향을 설정하는 것에 의해서 검출될 수 있다. 예를 들면, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 자기 터널 접합 센서(820, 830)를 결합시키는 것에 의해서 달성될 수 있다. 즉, 자기 터널 접합 센서(820, 830) 양단의 저항 차이는 외부 자기장의 존재를 검출하는 데 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 한 쌍의 자기 터널 접합 센서를 도시한다. 이 실시예는 제 1 자기 센서(920) 및 제 2 자기 센서(930)에 의해 공유되는 공통 기준(핀형)층(910)을 포함한다.
이러한 병렬형 합성 페리 자성 구조(synthetic ferri-magnetic structure)의 구성은 도 7의 페리 자성 구조물과 유사하다. 그러나, 공통 기준층은 2개의 자기 터널 접합 센서(920, 930) 사이에 공유된다.
자기 터널 접합 센서(920, 930)는 절연 터널 장벽(944, 954)을 포함한다.
본 실시예의 각 자기 터널 접합 센서(920, 930)는 합성 강자성 구조 감지층을 포함한다. 즉, 제 1 자기 터널 접합 센서(920)는 제 1 강자성층(922)과 제 2 강자성층(924)을 포함하는 제 1 강자성 구조 감지층을 포함한다. 제 1 강자성층(922)과 제 2 강자성층(924)은 비자성 스페이서층(926)에 의해 분리되어 있다. 제 2 자기 터널 접합 센서(930)는 제 1 강자성층(932)과 제 2 강자성층(934)을 포함하는 제 2 강자성 구조 감지층을 포함한다. 제 1 강자성층(932)과 제 2 강자성층(934)은 비자성 스페이서층(936)에 의해 분리되어 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 자기 센서(1010)의 어레이를 도시한다.자기장 검출 센서(1010)의 어레이는 본 발명에 따라 패턴에 맞춰 위치된 자기장 검출 센서를 포함한다.
자기 센서의 어레이는 여러 강도의 자기장을 검출하고 감지하기 위해 대비한다. 즉, 외부 자기장의 검출은 자기 센서가 여러 저항 상태를 가지도록 설정한다. 센서의 어레이를 제 1 자기장에 사전 노출(pre-exposing)시키는 것에 의해서, 후속적인 자기장의 강도 및 방향에 따라 센서의 상태 중 전부 혹은 일부가 후속적인 자기장에 의해서 변화될 것이다.
도 11은 자기 디스크 드라이브(magnetic disk drive)(1120)의 판독 헤드(read head)(1110)를 도시한다. 판독 헤드(1110)는 본 발명의 실시예에 따른 자기장 센서(1130)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 자기 디스크 드라이브(1120)는 디스크(1142)의 표면에 저장된 정보를 포함하는 자기 디스크(1140)를 포함한다. 자기장 검출 센서(1130)는 자기 디스크(1140)의 표면(1142)에 저장된 정보를 검출한다.
본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었으나, 본 발명은 설명되고 도시된 것과 같이 부품의 특정한 형태 또는 배열에 제한되지 않는다. 본 발명은 첨부된 청구항에 의해서만 제한된다.
본 발명은, 향상된 감응도를 제공하고 비휘발성이며 저전력을 소모하는, 자기장 감지용 장비, 시스템 및 방법을 제공한다.

Claims (10)

  1. 제 1 감지층(sense layer)(220)과 제 1 기준층(reference layer)(210)을 포함하는 제 1 자기 센서(magnetic sensor)(200)와,
    제 2 감지층(222)과 제 2 기준층(212)을 포함하는 제 2 자기 센서(202)와,
    자기장 검출 센서(magnetic field detection sensor)에 의해서 검출된 외부 자기장에 의해서, 상기 제 1 기준층(210)에 대한 상기 제 1 감지층(220)의 상대 자기 배향과 상기 기준층(212)에 대한 상기 제 2 감지층(222)의 상대 자기 배향이 반대가 되도록 하기 위해서, 상기 제 2 자기 센서(202)에 대해 물리적으로 배향되는 상기 제 1 자기 센서(200)와,
    상기 제 1 자기 센서(200)와 상기 제 2 자기 센서(202)의 상대 자기 배향을 감지하기 위한 차동 증폭기(differential amplifier)
    를 포함하는 자기장 검출 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 자기 센서(200)와 상기 제 2 자기 센서(202)는 각각 자기 터널 접합 센서(magnetic tunnel junction sensor)인 자기장 검출 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기준층(210)에 대한 상기 제 1 감지층(220)의 자기 배향으로 상기 제 1 자기 센서(200)의 저항을 판정하는 자기장 검출 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 기준층(212)에 대한 상기 제 2 감지층(222)의 자기 배향으로 상기 제 2 자기 센서(202)의 저항을 판정하는 자기장 검출 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기준층(710)과 상기 제 2 기준층(712)은 동일 방향으로 고정된 자기 배향을 가지는 자기장 검출 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 감지층은 제 1 합성 강자성 구조 감지층(synthetic ferromagnetic structure sense layer)을 포함하고, 상기 제 2 감지층은 제 2 합성 강자성 구조 감지층을 포함하는 자기장 검출 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각 합성 강자성 구조 감지층은, 비자성 스페이서 재료(non-magnetic spacer material)(726, 736)에 의해서 분리되어 있는 제 1 강자성층(ferromagnetic layer)(722, 732)과 제 2 강자성층(724, 734)을 포함하며, 각 강자성층은 상기 제 1 강자성층(722, 732)과 제 2 강자성층(724, 734)이 반강자성적으로 결합(antiferromagnetically coupled)되게 하는 두께와 재료 타입을 가지는 자기장 검출 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 강자성층의 제 1 두께는 제 2 강자성층의 제 2 두께와는 상이하며, 그에 따라, 상기 제 1 강자성층의 제 1 자화는 상기 제 2 강자승층의 제 2 자화를 부분적으로만 상쇄시키는 자기장 검출 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    각 강자성층은 연자성 재료(soft magnetic material)를 포함하는 자기장 검출 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 기준층(210)과 상기 제 2 기준층(212)은 서로 반대 방향으로 고정된 자기 배향을 가지는 자기장 검출 센서.
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