TWI479171B - 磁場感測裝置及方法 - Google Patents

Description

磁場感測裝置及方法

本發明係關於一種磁場感測裝置及方法，特別是關於一種磁穿隧接面感測器及利用磁穿隧接面感測磁場的方法。

先前提出的利用磁穿隧接面的磁場感測器，分為測量水平方向與垂直方向外部磁場的兩種結構，分別如第一圖(a)、(b)所示。第一圖(a)、(b)中的磁場感測器均包含一參考層(亦稱固定層(pinned layer))110、一間隔層(spacer)120、一感測層(sensing layer，亦稱自由層(free layer))130，且在無外部磁場時參考層110與感測層130之磁化方向均為互相垂直。以M 表示感測層130的磁化向量。為了測量水平方向(xz-平面)的外部磁場H _ext ，第一圖(a)中的磁場感測器之參考層110的磁化向量M _p 的方向在水平方向(圖中的x軸方向)，感測層130之易磁化軸(easy axis)140在y(垂直座標軸)方向。外部磁場H _ext 在平行(P)與反平行(AP)組態之間將M 推離易磁化軸140，產生穿隧磁阻(TMR)輸出訊號，經由M _p 的幫助讀出。為了測量垂直方向的外部磁場H _ext ，第一圖(b)中的磁場感測器之參考層110的磁化向量M _p 的方向為y方向，感測層130之易磁化軸150在x方向。垂直方向的外部磁場H _ext 同樣在平行(P)與反平行(AP)組態之間將M 推離易磁化軸150，產生TMR輸出訊號，經由M _p 的幫助讀出。由於測量同一磁場的水平分量與垂直分量需要兩種不同的結構，使用起來很不方便。

本發明的目的在於提供一種磁場感測裝置及方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場，使用上就方便多了。

本案之一構想在於提供一種磁場感測器，該感測器包含一固定層，具有一第一磁化方向；一分析層，具有一第二磁化方向，其中該第 一及該第二磁化方向兩者間呈一角度；以及一磁性感測層，在該分析層與該固定層之間。

根據上述構想，該磁場感測器更包括一第一間隔層與一第二間隔層，其中該第一間隔層在該固定層與該磁性感測層之間，該第二間隔層在該磁性感測層與該分析層之間，其中該磁性感測層具有一易磁化軸。對該磁場感測器施加自旋極化電流，其電流密度為j ，當j 為0時，該易磁化軸在一垂直方向，該垂直方向與該第一磁化方向及該第二磁化方向所決定的平面垂直，當j 不為0時，該易磁化軸受到自旋極化電流(spin-polarized current)的自旋矩轉移(spin-torque transfer)效應而偏離垂直方向，並且隨著j 的改變，在該第二磁化方向與該垂直方向所決定的平面上改變該易磁化軸與該垂直方向之間的角度。當j 為0時，可以測量水平方向的磁場；當j 不為0，該易磁化軸偏離該垂直方向時可以測量垂直方向的磁場。根據上述構想，其中該固定層、該磁性感測層、該分析層為金屬的磁性層。

根據上述構想，其中該第一間隔層、該第二間隔層為非磁性層，其為金屬或氧化材料。

根據上述構想，其中該固定層與該分析層中的磁化方向為相鄰之釘扎層所固定。

根據上述構想，其中該釘扎層為反鐵磁層。

本案之另一構想在於提供一種磁場感測器，該感測器包含：一固定層，具有一第一磁化方向；一分析層，具有一第二磁化方向；以及一感測層，設在該分析層與該固定層之間，並具一易磁化軸，其中該第二磁化方向與該易磁化軸兩者間呈一角度。

本案之另一構想在於提供一種磁場感測裝置，該感測裝置包含：一磁場感測器，用以測量一水平平面上之磁場大小及方向以及一垂直方向之磁場大小；以及一電流大小改變裝置，裝置連接於該磁場感測器，俾該電流大小改變裝置於一第一工作狀態時，許該磁場感測器於該水平平面上測量，而於一第二工作狀態時，許該磁場感測器於該垂直方向上測量。

根據上述構想，其中該磁場感測器具有一磁性感測層、一固定層及一分析層，其中該磁性感測層設在該分析層與該固定層之間，該磁 性感測層具有一易磁化軸，該電流大小改變裝置提供一直流電流流經該磁場感測器，當該電流流經固定層後變為自旋極化電流，當該電流流經固定層後變為自旋極化電流，該電流大小改變裝置於該第一工作狀態時，該電流為零，該易磁化軸在該垂直方向，而該電流大小改變裝置於該第二工作狀態時，該電流不為零，該易磁化軸根據該電流大小，在一第一水平方向與該垂直方向所決定的平面上與該垂直方向之間呈一特定角度。

根據上述構想，該磁場感測器更包含：一分析層，具有在該第一水平方向之一第一磁化方向；以及一固定層，具有一第二磁化方向，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度。

本案之另一構想在於提供一種感測磁場的方法，包含：提供一固定層，其具有一第一磁化方向；提供一分析層，其具有一第二磁化方向，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度；以及提供一磁性感測層，在該分析層與該固定層之間。

本案之另一構想在於提供一種感測磁場的方法，包含：提供一固定層，其具有一第一磁化方向；提供一分析層，其具有一第二磁化方向；以及提供一感測層，其設在該分析層與該固定層之間，並具一易磁化軸，其中該第二磁化方向與該易磁化軸兩者間呈一角度。

本案之另一構想在於提供一種感測磁場的方法，包含：提供一種磁場感測裝置，包含：一磁場感測器，用以測量一水平平面上之磁場大小及方向以及一垂直方向之磁場大小；以及一電流大小改變裝置，裝置連接於該磁場感測器，俾該電流大小改變裝置於一第一工作狀態時，許該磁場感測器於該水平平面上測量，而於一第二工作狀態時，許該磁場感測器於該垂直方向上測量。

因此本發明提供一種磁場感測裝置及方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場，使用上十分方便。

本案得藉由下列圖式及詳細說明，俾得以令讀者更深入了解。

110‧‧‧參考層(亦稱固定層)

120‧‧‧間隔層

130‧‧‧感側層(亦稱自由層)

140、150‧‧‧感測層130之易磁化軸

200‧‧‧磁場感測器

210‧‧‧固定層

220‧‧‧第一間隔層

230‧‧‧磁性感測層

240‧‧‧第二間隔層

250‧‧‧分析層

第一圖(a)與(b)是先前提出的利用磁穿隧接面的磁場感測器，分為測量水平方向與垂直方向外部磁場的兩種結構，分別如第一圖(a)、(b)所示；第二圖係本發明的一種磁場感測器之一較佳實施例；第三圖顯示本發明的一種磁場感測器之感測層厚度為1.59nm時，其易磁化軸之角度隨著自旋極化電流密度j 所造成等效力矩強度a_j 的改變而改變的情形；第四圖為本發明的一種磁場感測器的穿隧磁阻TMR與垂直方向外部磁場關係之例；第五圖為該磁場感測器的非線性(nonlinearity)度百分比與垂直方向外部磁場H _⊥ 之大小的關係之例。

請參閱第二圖所示，其係本發明的一種磁場感測器200之一較佳實施例。該磁場感測器200包含一固定層210、一第一間隔層220、一磁性感測層230、一第二間隔層240以及一分析層250，其中該固定層210的磁化方向為z方向(一水平方向)，而該分析層250的磁化方向與該固定層210的磁化方向在水平平面上呈一角度，較佳地，該角度為90°，如第二圖中該分析層250的磁化方向為x方向。該固定層210與該分析層250的磁化方向基本上是固定的，不隨外部磁場改變。

該磁場感測器200可使用一電流大小改變裝置，裝置連接於該磁場感測器，該電流大小改變裝置具有兩種工作狀態，於第一工作狀態時，該磁場感測器可測量水平平面上之磁場大小及方向，於第二工作狀態時，該磁場感測器可測量垂直方向之磁場。較佳地，該電流大小改變裝置提供一直流電流流經該磁場感測器，當該直流電流流經固定層後變為一自旋極化電流。該自旋極化電流密度為j ，於第一工作狀態時j 為0，該磁性感測層230之易磁化軸在y方向(垂直方向，與水平面呈90°)，可以測量水平方向的磁場H _∥ 。於第二工作狀態時j 不為0，該磁性感測層230之易磁化軸隨著j 的改變在xy-平面上轉動(改變角度)，其角度與水平面夾角不為90°時可以測量垂直方向的磁場H _⊥ 。外部磁場將該磁性感測層230的磁化向量推離易磁化軸時，該磁性感測層230的磁化向量與該分析層250的 磁化方向間的夾角θ隨著外部磁場的大小變化，使得穿隧磁阻TMR改變。

第三圖顯示該磁性感測層230之厚度為1.59nm時，其易磁化軸(easy axis)之角度隨著j 所造成等效力矩強度a_j 的改變而改變的情形。其變化相對於y軸是對稱的，且最大的易磁化軸角度與該磁性感測層230的厚度有關。在第三圖的例子裡，最大的易磁化軸角度約為120°，而易磁化軸角度改變的範圍從約90°到約120°。自旋極化電流密度j 的方向可以相反，磁場感測器的特性相同。

可靠的磁場感測器，尤其是測量地球磁場的感測器，在小磁場時需要有高靈敏度、線性響應與免於磁滯的特性。第四圖為該磁場感測器的穿隧磁阻TMR與垂直方向外部磁場關係之例，其中無磁滯現象。圖中顯示兩個不同的自旋極化電流造成的不同a_j 時該磁場感測器的穿隧磁阻隨著H _⊥ 的改變而改變的情形，其斜率代表該磁場感測器測量垂直方向外部磁場時的靈敏度。通常自旋極化電流密度較高時靈敏度較高。

第五圖為兩個不同的自旋極化電流造成的不同a_j 時該磁場感測器的非線性(nonlinearity)度百分比與垂直方向外部磁場H _⊥ 之大小的關係之例。通常認為磁場感測器的非線性度百分比在正負1%以內是可容忍的範圍。由圖中可知自旋極化電流密度較小時該磁場感測器的響應可能比較接近線性。因此必須在靈敏度與線性度間求取平衡，但本發明之構想對垂直方向外部磁場可以達成合理的磁場感測器。而當自旋極化電流為零時，該磁性感測層230之易磁化軸為垂直方向，測量水平方向的磁場時可以得到線性的TMR輸出訊號。

因此，本發明提供了一種磁場感測裝置及感測磁場的方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場。關掉自旋極化電流，可以測量水平方向的磁場，施加自旋極化電流，則可以測量垂直方向的磁場，十分便利。

較佳地，該固定層、該磁性感測層、該分析層為金屬的磁性層。該第一間隔層、該第二間隔層為非磁性層，較佳地，其為金屬或氧化材料，例如氧化鎂或氧化鋁。金屬可以允許電流傳導，但非金屬材料可使該磁場感測器的靈敏度較高，不過非金屬層必須很薄，電流才能通過。

較佳地，該固定層、該磁性感測層與該分析層的厚度不同。該磁性感測層需要讓其易磁化軸或磁化方向隨自旋極化電流或外部磁場改變方向，其厚度越厚越能做到。但不可超過其臨界厚度，否則其易磁化方向將平行於xz所構成的平面。

該固定層與該分析層之磁化方向可為相鄰之釘扎層所固定。較佳地，該釘扎層為反鐵磁層。

由上可知，本發明提供了一種磁場感測裝置及感測磁場的方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場。因此，本發明實為一新穎、進步且具產業實用性之發明，深具發展價值。本發明得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然不脫如附申請範圍所欲保護者。

200‧‧‧磁場感測器

210‧‧‧固定層

220‧‧‧第一間隔層

230‧‧‧磁性感測層

240‧‧‧第二間隔層

250‧‧‧分析層

Claims (13)

1. 一種磁場感測器，包含：一固定層，具有一第一磁化方向；一分析層，具有一第二磁化方向，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度；以及一磁性感測層，在該分析層與該固定層之間。
2. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器更包括一第一間隔層與一第二間隔層，其中該第一間隔層在該固定層與該磁性感測層之間，該第二間隔層在該磁性感測層與該分析層之間，其中該磁性感測層具有一易磁化軸，且一自旋極化電流流經該磁場感測器，當該自旋極化電流為零時，該易磁化軸在一垂直方向，該垂直方向與該第一磁化方向及該第二磁化方向垂直，當該自旋極化電流不為零時，該易磁化軸隨著該自旋極化電流的改變，在該第二磁化方向與該垂直方向所決定的平面上改變該易磁化軸與該垂直方向之間的角度。
3. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中該固定層、該磁性感測層、該分析層為金屬的磁性層。
4. 如申請專利範圍第2項之磁場感測器，其中該第一間隔層、該第二間隔層為非磁性層，其為金屬或氧化材料。
5. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中該固定層與該分析層的磁化方向為相鄰之釘扎層所固定。
6. 如申請專利範圍第5項之磁場感測器，其中該釘扎層為反鐵磁層。
7. 一種磁場感測器，包含：一固定層，具有一第一磁化方向；一分析層，具有一第二磁化方向；以及一感測層，設在該分析層與該固定層之間，並具一易磁化軸，其中該第二磁化方向與該易磁化軸兩者間呈一角度。
8. 一種磁場感測裝置，包含：一磁場感測器，用以測量一水平平面上之磁場大小及方向以及一垂直方向之磁場大小；以及一電流大小改變裝置，連接於該磁場感測器，俾該電流大小改變裝置於 一第一工作狀態時，許該磁場感測器於該水平平面上測量，而於一第二工作狀態時，許該磁場感測器於該垂直方向上測量。
9. 如申請專利範圍第8項之磁場感測裝置，其中該磁場感測器具有一磁性感測層、一固定層及一分析層，其中該磁性感測層設在該分析層與該固定層之間，該磁性感測層具有一易磁化軸，該電流大小改變裝置提供一直流電流流經該磁場感測器，當該直流電流流經該固定層後變為一自旋極化電流，該電流大小改變裝置於該第一工作狀態時，該自旋極化電流為零，該易磁化軸在該垂直方向，而該電流大小改變裝置於該第二工作狀態時，該自旋極化電流不為零，該易磁化軸根據該自旋極化電流，在一第一水平方向與該垂直方向所決定的平面上與該垂直方向之間呈一角度。
10. 如申請專利範圍第9項之磁場感測裝置，其中該分析層具有在該第一水平方向之一第一磁化方向，且該固定層具有一第二磁化方向，與該第一磁化方向兩者間呈一角度。
11. 一種感測磁場的方法，包含：提供具有一第一磁化方向的一固定層；提供具有一第二磁化方向的一分析層，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度；以及在該分析層與該固定層之間提供一磁性感測層。
12. 一種感測磁場的方法，包含：提供一固定層，其具有一第一磁化方向；提供一分析層，其具有一第二磁化方向；以及提供一感測層，其設在該分析層與該固定層之間，並具一易磁化軸，其中該第二磁化方向與該易磁化軸兩者間呈一角度。
13. 一種感測磁場的方法，包含：提供一磁場感測器以測量一水平平面上之磁場大小及方向以及一垂直方向之磁場大小；以及將一電流大小改變裝置連接於該磁場感測器，俾該電流大小改變裝置於一第一工作狀態時，許該磁場感測器於該水平平面上測量，而於一第二工作狀態時，許該磁場感測器於該垂直方向上測量。