KR960018612A - 자계 센서, 브리지 회로 자계 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자계 센서(a magnetic field sensor)는 브리지 회로(a bddge circuit)내에 전기적으로 접속된 네개의 개별적인 자계저항 스핀 밸브 소자(magnetoresistive spin valve elements)를 이용한다. 스핀 밸브 소자는, 석판인쇄술에 의해 동일한 기판 상에 형성되며 서로간에 평행한 자화 축(magnetzation axes)을 갖는 자유 층(free layers)을 갖는다. 전기적으로 도전성인 고정 층(an electrically conductive fixinglayer)은, 기판 상에 형성되나 스핀 밸브 소자로부터 절연된다. 자계 센서를 제조하는 동안 고정 도체를 통과하는 전류를 인가하므로써, 두개의 고정된 층의 자화 방향이 다른 두개의 고정층의 자성 방향과 역평행하도록(antiparal1el)고정된다. 브리지 회로 출력 전압(brfidge circuit output voltage)은 센서의 평면내에 존재하는 외부 자계에 응답한다. 센서를 제조하는 동안, 고정된 층의 자화 방향을 적절히 고정하고, 입력 및 출력 리드(input and output leads)를 적절히 접속하면, 브리지 회로 출력 전압은, 자계 또는 자계 기울기(field gradient)의 척도이다. 고정 도체(fbdng conductor), 또는 기판 상에 형성된 개별적인 전류 스트랩(a separate current strap)은, 센서를 통하는 미지의 전류를 전송하는데 이용될 수 있고, 이 경우에 브리지 회로 출력 전압은 미지의 전류의 척도이다.

Description

자판 센서, 브리지 회로 자계 센서 및 그 제조 방법

본 내용은 요부공개 건이므로 전문내용을 수록하지 않았음

제1도는 SV소자(SV elements)를 구성하는 여러 층의 자화 방향을 예시하는 브리지 회로 자계 센서의 개략도.

제2도는 인가되는 또는 감지되는 외부 자계의 함수로서 나타낸 단일의 SV 소자의 저항 응답의 그래프.

제3도는 감지되는 함수로서 나타낸 브리지 회로 자계 센서의 측정된 전압 응답의 그래프.

Claims (25)

1. 기관(substrate)과; 상기 기판상에 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브소자(first, second. third and fourth spin valve etements)로서, 상기 스핀 밸브 소자의 각각은 (a) 자계(an applied magnetic fiele)가 없는 인가되지 않는 경우 바람직한 자화 축을 갖는 자유 강자성 층(a free ferromagnetic layer)과, (b) 상기 자유 강자성 층에 인접한 비자성 스페이서 층(nonmagnetic spacer layer)과,(c) 상기 스페이서 층에 인접한 고정된 강자성 층(pinned ferromagnetic layer)을 포함하되, 상기 자유 강자성 층의 바람직한 자화 축에 대해 소정의 각을 이루며 고정된(pinned)자화 축을 구비하며, 상기 네개의 자유 층의 바람직한 자화 축은 서로간에 실질적으로 평행하고, 상기 네개의 고정된 층의 자화 축은 서로간에 실질적으로 평행하거나 또는 역평행한(antiparallel) 상기 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브소자와; 상기 기판상에 형성되어 상기 네개의 스핀 밸브소자를 상호 접속(interconnecting)하는 전기적 도체(electrical condu ctor)를 포함하는 자계 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기적 도체는 인접한 스핀 밸브 소자 사이에 위치된 터미널 리드(terminal leads)를 포함하는 자계 센서.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제4스핀 밸브 소자는 서로 평행하게 배열된(aligned) 그들의 고정된 층의 자화 축(pinned layer magnetization axes)을 갖고, 상기 제2 및 제3스핀 밸브 소자는 서로 평행하되 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자의 자화 축에 역평행하게 배열된 그들의 고정된 층의 자화 축을 가지며, 상기 제1 및 제2스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드 및 상기 제3 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드에 접속된 파워소스(power source)를 더 포함하며, 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드 및 상기 제2 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는 센서에 대해 출력 터미널 리드를 형성하여 감지되어야 할 자계의 크기의 척도(measure of the magnitude)를 제공하는 자계 센서.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2스핀 밸브 소자는 서로 평행하게 배열이 된 그를의 고정된 층의 자화 축을 갖고, 상기 제2 및 제4스핀 밸브 소자는 서로 평행하되 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자의 자화 축에 역평행하게 배열된 그들의 고정된 축의 자화 축을 가지며, 상기 제1 및 제2스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드 및 상기 제3 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드에 접속된 퍼워소스를 더 포함하며, 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드 및 상기 제2 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는, 센서에 대해 출력 터미널 리드를 형성하여 감지되어야 할 자계의 크기의 척도를 제공하는 자계 센서.
5. 제1항에 있어서, 상기 전기적 도체는 인접한 스핀 밸브 소자 사이에 위치된 터미널 리드를 포함하고, 상기 제1 및 제2스핀 밸브 소자 사이 및 상기 제3 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는 제1리드 세트(a first set of ieads)를 형성하며, 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자 사이 및 상기 제2 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는 제2리드 세트(a second set of leads)를 형성하며, 상기 제1또는 제2리드 세트를 가로질러 상기 센서에 접속된 입력 파워 소스(an input power source)를 더 포함하므로써, 그에 의해 상기 입력 파워 소스에 접속되지 않은 상기 리드 세트를 가로질러 측정된 출력 전압(an output voltage)은 감지되어야 할 자계의 척도를 제공하는 자계 센서.
6. 제5항에 있어서, 상기 입력 파워 소스에 접속되지 않은 상기 리드 세트를 가로질러 측정된 상기 출력전압은 상기 기판의 평면에 존재하는 자계 성분의 크기와 부호의 척도를 제공하는 자계 센서.
7. 제5항에 있어서, 상기 입력 파워 소스에 접속되지 않은 상기 리드 세트를 가로질러 측정된 상기 출력전압은 상기 기판의 평면에 존재하는 자계 성분의 기울기의 크기와 부호의 척도를 제공하는 자계 센서.
8. 제1항에 있어서, 센서를 제조하는 동안 상기 스핀 밸브 소자의 상기 고정된 층의 상기 자화 측을 배향(orient)하기 위해, 고정 전류(fixong current)가 흐를 수 있도록 상기 기판 상에 형성되어, 상기 스핀 밸브 소자와 배열된 제2전기적 도체(second electrical conductor)와, 상기 스핀 밸브 소자와 상기 제2전기적 도체 사이의 절연 층(insulating layer)을 더 포함하는 자계 센서.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2전기적 도체는, 상기 센서의 제조 후, 측정되어야 할 전류의 수신을 위해 기판상에 형성된 전류 스트랩(current strap)으로서, 상기 자계 센서는 상기 전류 스트랩을 통과하는 상기 전류와 연관된 자계를 감지함으로써 상기 전류 스트랩을 통과하는 전류를 측정하는 자계 센서.
10. 제1항에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자의 각각은 상기 고정된 층의 자화 방향을 소정의 방향으로 고정(pinnig)하기 위해 상기 고정된 반강자성 층에 인접하여 접촉하는, 반강자성 재료로된 교환 바이어스 층(exchange bias layer)을 더 포함하는 자계 센서.
11. 제10항에 있어서, 상기 교환 바이어스 층은 철-망간(iron-manganese) 또는 니켈-망간(nickel-manganese)을 포함하는 자계 센서.
12. 제1항에 있어서, 측정되어야 할 전류의 수신을 위해 상기 기관 상에 형성된 전류 스트랩을 더 포함하며, 상기 자계 센서는 상기 전류 스트랩을 통과하는 전류와 연관된 자계를 감지함으로써, 상기 전류 스트랩을 통과하는 전류를 측정하는 자계 센서.
13. 외부 자계에 응답하여 출력 전압을 발생하는 브리지 회로 자계 센서(bridge circuit magnetic field sensor)에 있어서, 기판과; 상기 기판 상에 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브 소자로서, 상기 스핀 밸브소자의 각각은 (a) 자계가 인가되지 않는 경우 바람직한 자화 축을 갖는 자유 강자성 층과, (b) 상기 자유 강자성 층에 인접한 비자성 스페이서 층과, (c) 상기 스페이서 층에 인접한 고정된 강자성 층을 포함하되, 상기 자유 강자성 층의 바람직한 자화 축에 대해 소정의 각을 이루어 고정된 자화 축을 구비하며, 상기 네개의 자유층의 바람직한 자화 축은 서로간에 실질적으로 평행하고, 상기 네개의 고정된 층중 두개의 층의 자화의 방향은 서로간에 실질적으로 평행하고 다른 두개의 고정된 층의 자성 방향에 대해서는 역평행한 상기 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브 소자와; 상기 기판 상에 형성되어 상기 네개의 스핀 밸브 소자를 상호 접속하는 제1전기적 도체(an first electrical conductor)로서, 상기 제1도체는 인접한 스핀 밸브 소자 사이에 위치된 터미널 리드를 포함하되, 상기 제1 및 제2스핀 밸브 소자 사이 및 상기 제3 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는 제1리드 세트를 형성하고, 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자 사이 및 상기 제2 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는 제2리드 세트를 형성하는 상기 제1전기적 도체와; 상기 센서를 제조하는 동안, 도체가 상기 스핀 밸브 소자의 상기 고정된 층의 상기 자화 방향을 배향하기 위해 고정 전류가 흐를수 있도록 상기 기판 상에 형성되어 상기 스핀 밸브 소자와 배열된 제2전기적 도제와; 상기 스핀 밸브 소자와 상기 제2전기적 도체 사이의 절연층을 포함하는 브러지 회로 자계 센서.
14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제4스핀 밸브 소자는, 서로에게 평행하게 배열된 그들의 고정된 층의 자화 방향을 갖고, 상기 제1리드 세트틀 가로질러 접속된 파워 소스를 더 포함하되, 터미널 리드의 상기 제2리드 세트 양단의 출력 전압은 상기 기판의 평면에 실질적으로 존재하는 외부 자계 성분의 크기의 척도가 되는 브리지 회로 자계 센서.
15. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자는 서로에게 평행하게 배열된 그를의 고정된 층의 자화방향을 갖고, 상기 제1리드 세트를 가로질러 접속된 파워 소스를 더 포함하므로써, 상기 제2리드 세트 양단의 출력 전압은, 상기 스핀 밸브 소자의 길이 방향에 통상적으로 수직하는 방향으로 상기 기판의 평면내에 실질적으로 존재하는 외부 자계 성분의 기울기의 척도가 되는 브리지 회로 자계 센서.
16. 제13항에 있어서, 상기 제2전기적 도체의 폭은, 상기 스핀 밸브 소자의 양측상에서 상기 스핀 밸브 소자와 상기 제2전기적 도체 사이에 위치된 상기 절연 층 두께의 대략 3배 보다 더 큰 거리에 의해 상기 스핀 밸브 소자의 폭에 오버랩(overlaps)하는 브리지 회로 자계 센서.
17. 제13항에 있어서, 상기 제2전기적 도체는, 상기 센서의 제조 후, 감지되어야 할 전류의 수신을 위해 상기 기판 상에 형성된 전류 스트랩이고, 상기 자계 센서는 상기 전류 스트랩을 통과하는 전류와 연관된 자계를 감지함으로써 상기 전류 스트랩을 통과하는 전류를 측정하는 브리지 회로 자계 센서.
18. 제13항에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자의 각각은, 상기 고정된 층의 자화 방향 소정의 방향으로 고정하기 위하여 상기 고정된 강자성 층에 인접하여 접촉하는, 반강사성 재료로 된 교환 바이어스 층을 더 포함하는 브리지 회로 자계 센서.
19. 제18항에 있어서, 상기 교환 바이어스 층은 철-망간 또는 니켈-망간을 포함하는 브리지 회로 자계 센서.
20. 외부 자계에 응답하여 출력 전압을 발생하는 브리지 회로 자계 센서에 있어서, 기판과 : 상기 기판 상에 통상 평행하게 배양된 그들의 길이가 전반적으로 직시각 형상으로 형성된 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브 소자로서, 상기 스핀 밸브 소자의 각각은, (a) 자계가 인가되지 않는 경우 상기 스핀 밸브 소자의 길이 방향에 통상 평행하게 배향된 바람직한 자화 축을 갖는 자유 강자성 층과, (b) 상기 자유 강자성 층에 인접한 비자성 스페이서 층과, (c) 상기 스페이서 층에 인접한 고정된 강자성 층을 포함하되, 상기 스핀 밸브 소자의 폭에 통상 평행하게 고정된 자화 축을 구비하며, 상기 제1 및 제4스핀 밸브 소자내의 상기 고정된 층의 자화 방향은 서로간에 실질적으로 평행하고, 다른 두 고정된 층의 자화 방향에 실질적으로 역평행한 상기 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브 소자와; 상기 기판 상에 형성되어 상기 네개의 스핀 밸브 소자의 상호접속하는 제1전기적 도체로서, 상기 제1도체는 인접한 스핀 밸브 소자 사이에 위치된 터미널 리드를 포함하며, 상기 제1 및 제2스핀 밸브 소자 사이 및 상기 제3 및 제4스핀 소자 밸브 사이의 터미널 리드는 상기 센서 입력 파워가 인가되기 위한 입력단(input for application of the sensor input power)을 형성하고, 상기 제1 및 제3스핀 밸브 소자 사이 및 상기 제2 및 제4스핀 밸브 소자 사이의 터미널 리드는 센서 출력 전압을 위한 출력단(output for a sensor output voltage)을 형성하는 상기 제1전기적 도체와; 상기 센서를 제조하는 동안, 상기 스핀 밸브 소자의 상기 고정된 층의 상기 자화 방향을 배향하기 위해 상기 고정 전류가 흐를 수 있도록 상기 기판 상에 형성되어 상기 스핀 밸브 소자와 배열된 제2전기적 도체와; 상기 스핀 밸브 소자와 상기 제2전기적 도체 사이의 절연층과; 상기 입력 리드에 접속된 파워 소스를 포함하므로써, 그에 의해 상기 출력 전압이 상기 기판의 평면에서 및 상기 스핀 밸브 소자의 길이 방향에 수직하는 방향에서 외부 자계 성분의 크기의 척도를 제공하는 브리지 회로 자계 센서.
21. 기관을 제공하는 단계와; 상기 기판 상에 제1, 제2, 제3 및 제4스핀 밸브 소자를 형성하는 단계로서, 상기 각 스핀 밸브 소자를 형성하는 단계는 (a) 자계가 인가되지 않는 경우 바람직한 자화 축을 갖는 자유 강자성 층을 디포지트(deposit)하는 단계와, (b) 상기 자유 강자성 층 상에 접촉하는 비자성 스페이서 층을 디포지트하는 단계와, (c) 상기 스페이서 층 상에 접촉하여 고정된 층으로서 작용하도록 상기 제2강자성 층을 디포지트하는 단계와, (d) 상기 제2강자성에 접촉하는 특성 설정 온도(charactedstic setting temperature)를 갖는, 반강자성 재료로 된 교환 바이어스 층을 디포지트하는 단계를 포함하는 상기 단계와; 상기 스핀 밸브 소자를 전기적으로 상호접속하기 위해 상기 스핀 밸브 소자의 각각에 접촉하는 제1전기적 도체를 형성하는 단계와; 상기 기판상에서 상기 스핀 밸브 소자와 일렬로 배열되어 제2전기적 도체를 형성하는 단계와; 상기 제2도체를 통과한 전류가, 상기 스핀 밸브 소자를 통과하지 못하도록 상기 스핀 밸브 소자와 상기 제2전기적 도체 사이에 절연 층을 형성하는 단계와; 상기 제2강자성 층 및 교환 바이어스 층의 각각의 자화 방향을 배향하기 위하여 연관된 자계를 발생하도록 상기 제2전기적 도체를 통해 고정 전류를 인가하는 단계와; 상기 고정 전류를 인가하는 동안, 상기 교환 바이어스 층의 온도를 상기 설정 온도 보다 높게 되도록 제어하는 단계를 포함하는 브리지 회로 자계 센서 제조 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 고정 전류를 인가하는 동안, 상기 교환 바이어스 층의 온도를 상기 설정 온도보다 낮도록 감소시키므로써, 상기 교환 바이어스 층의 각각의 자화 방향을 고정시키는 단계와; 그 후 상기 고정 전류의 인사를 제거하므로써, 상기 제2강자성 층의 각각의 상기 자화 방향은 그의 연관된 교환 바이어스 층에 의해 고정되는 단계를 더 포함하는 브리지 회로 자계 센서 제조 방법.
23. 제22항에 있어서, 상기 온도를 제어하는 단계는, 상기 교환 바이어스 층의 온도를 상기 설정 온도 보다 높게 상승시키기 위해 충분한 크기의 고정전류를 인가하는 단계를 포함하고, 상기 온도를 감소시키는 단계는, 상기 기판을 냉각시키는 단계를 포함하는 브리지 회로 자계 센서 제조 방법.
24. 제21항에 있어서, 상기 교환 바이어스 층은 Ni-Mn으로 형성되고, 상기 온도를 제어하는 단계는, 교환 바이어스의 충분한 레벨(sufficientlevel of exchange bias)을 획득하기 위해 소정의 시간 주기 동안 상기 교환 바이어스 층의 온도를 상기 설정 온도 보다 높게 유지하는 상기 단계와; 그후 상기 고정 전류를 제거하고, 상기 교환 바이어스 층의 온도를 상기 설정 온도 보다 낮게 감소시키는 단계를 더 포함하는 브리지 회로 자계 센서 제조 방법.
25. 제21항에 있어서, 상기 각 스핀 밸브 소자를 형성하는 단계는, 상기 교환 바이어스 층을 디포지트한 후, 상기 스핀 밸브 소자의 패턴(pattern)을 갖는 마스크(a mask)를 디포지트하고, 상기 마스크를 통해 이전에 디포지트된 층을 에칭(etching)해내는 단계를 더 포함하므로써, 상기 스핀 밸브 소자가 상기 기판상에 동시에 형성되는 브리지 회로 자계 센서 제조 방법.

    ※ 참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.