專利名稱：自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器件，尤其涉及一種帶有自旋閥磁阻元件和比較器的數(shù)字式磁場傳感器件。
背景技術(shù)：
磁場傳感器有廣泛的商業(yè)用途，如計算機磁頭，磁性編碼器，位置傳感器，無刷直流電機，VCD，DVD，電流計，指南針等等，目前使用最廣泛的磁場傳感器是霍爾磁場傳感器，即以霍爾效應為基礎(chǔ)的，用于感知100至1000奧斯特(Oe)范圍的磁場，另一種通用的磁場傳感器是以半導體或鐵磁材料中的磁阻(MR)效應為基礎(chǔ)，用于感知與霍爾效應傳感器相比較小的磁場和在較遠距離上的磁場。MR磁場傳感器通過磁性材料制成的敏感元件中電阻的變化來檢測磁場信號，作為敏感元件所感知的磁場強度和方向的函數(shù)。
傳統(tǒng)的MR磁場傳感器是基于各向異性磁阻效應(AMR)，被傳感的外部磁場造成敏感元件電阻的變化，導致相應的電流或電壓的變化。由AMR制成的電橋電路用作感知大約50Oe以下的磁場。在磁性多層膜中已觀測到另一種更顯著的磁阻，巨磁電阻(GMR)。其特點是至少有兩個鐵磁金屬層被一個非鐵磁金屬層分開。GMR多層膜有多種結(jié)構(gòu)，其物理根源都是起源于電子的自旋相關(guān)散射。GMR的一個特別有用的結(jié)構(gòu)就是所謂的自旋閥(spin valve)，其結(jié)構(gòu)特點是兩個不耦合或耦合很小的鐵磁層被一個非磁性金屬層分開，其中一個鐵磁層被另一個反鐵磁層釘扎住，叫釘扎層，另一個鐵磁層可以隨外磁場自由轉(zhuǎn)動，叫自由層。當自由層的磁化強度方向在外磁場的作用下與釘扎層的磁化強度方向由平行到反平行時，電阻的大小就由小到大變化。通過測量自旋閥多層膜的電阻變化就可以知道外磁場的大小。這樣就造成一個自旋閥磁性傳感器。IBM的美國專利第5206590號顯示了一種基本的自旋閥磁性傳感器。IBM的美國專利第5159513號顯示的一種傳感器中至少幾個鐵磁層之一是鈷或鈷合金，而且自由層和釘扎層在零外加磁場時相互垂直。這是由最線型響應和最寬動態(tài)范圍的自旋閥磁性傳感器，其中釘扎層的磁化強度平行于信號場。IBM的美國專利5341261提出了一種自旋閥磁性傳感器，其與非磁性層相鄰處有一鈷薄層以增大磁電阻。Heim等人在“自旋閥磁性傳感器的設(shè)計與制造”(IEEE Transactions on Magnetics 30 316-321 1994)一文。Daughton等在“應用于低場的GMR材料”(IEEE Transactions onMagnetics，29 2705-2710)中建議在橋電路中使用GMR元件制作磁性傳感器，這個設(shè)計方案的專利最終被IBM公司獲得。它利用了自旋閥傳感器的優(yōu)于AMR傳感器而改進了磁性傳感器的性能。很快美國有了第一家專門生產(chǎn)GMR磁性傳感器的公司NVE公司，他們所生產(chǎn)的GMR磁性傳感器就是這種GMR元件的橋電路設(shè)計。采用GMR元件制作的傳感器比AMR元件傳感器靈敏度提高了5倍。盡管如此，現(xiàn)在的GMR磁性傳感器仍然存在靈敏度偏低以及通常傳感器的線性度等問題，而且他們都是模擬式的，所以容易受外界環(huán)境因素的干擾以及電源穩(wěn)定性的影響。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器，不存在通常傳感器的線性度的問題且靈敏度比現(xiàn)有的GMR磁性傳感器靈敏度高。
此外，本發(fā)明進一步的目的在于提供一種自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器的制備方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器，包括片基；以及所述片基上所形成的若干個具有一定厚度的自由層和釘扎層的自旋閥元件，每個所述自旋閥元件的自由層和釘扎層厚度之和相等且零場時電阻相等；參考電阻，其電阻不隨磁場變化；電路部分，包括一個雙態(tài)或三態(tài)電壓或電阻比較器和一個掃描電源電路，掃描電源電路與自旋閥和參考電阻相連，依次向每個自旋閥元件發(fā)出脈沖電流，比較器與每個自旋閥元件及參考電阻相連，分別比較參考電阻與每個自旋閥之間的電阻大小并輸出信號。
進一步地，所述自旋閥元件的釘扎層厚度依次變大或變小，而其自由層厚度依次變小或變大。
進一步地，所述自旋閥元件為磁阻元件或隧道結(jié)磁阻元件。
本發(fā)明提供一種自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器的制備方法，包括如下步驟1)先在片基上利用磁控濺射制備自旋閥材料，在沉積自由層和釘扎層楔形時，將片基旋轉(zhuǎn)180度，得到不同方向的楔形的自旋閥自由層和釘扎層；2)利用光刻板光刻成等間距的自旋閥元件；3)最后沉積參考電阻。
本發(fā)明的有益效果是其靈敏度比現(xiàn)有的GMR磁性傳感器靈敏度提高20-40倍，并且不存在通常傳感器的線性度的問題；同時由于是數(shù)字式的，所以有著很強的抗干擾能力。


圖1是鐵磁/反鐵磁交換偏置中楔形樣品示意圖和磁滯回線；圖2是交換偏置中的鐵磁層的偏置場和矯頑力與鐵磁層厚度的關(guān)系；圖3a是自由層和釘扎層是楔形的自旋閥樣品示意圖；圖3b是自旋閥樣品光刻后形成的n個自旋閥元件的；圖3c是參考電阻的示意圖；圖4是自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的磁性傳感器主要利用自旋閥磁電阻材料，同時還利用了自旋閥中鐵磁/反鐵磁交換偏置的一些特性。交換偏置在自旋閥中占據(jù)極重要的地位，它是鐵磁層和反鐵磁層在界面處相互耦合造成的。即當鐵磁/反鐵磁雙層膜在從高于反鐵磁層的Neel點的溫度在一個外加磁場中冷卻下來時，這時鐵磁層(即自旋閥中的釘扎層)的磁滯回線的中心將偏離原點，偏離原點的大小叫做交換偏置場，與此現(xiàn)象同時伴隨著鐵磁層矯頑力的增大，在一定厚度范圍內(nèi)，釘扎層的矯頑力和交換偏置場大小都隨著釘扎層的厚度的倒數(shù)呈線性關(guān)系，數(shù)學表示式為HC∞1tFM,HC∞1tFM,]]>其中Hc是矯頑力，HE是交換偏置場，tFM是釘扎層的鐵磁層厚度。這個關(guān)系對相當多的鐵磁材料和反鐵磁材料是成立的，(例如文獻PhysicsReview B(58)R14717 1998，J.Appl.Phys.Vol 62，2929，1987，以及交換偏置的綜述文章J.Magn.Magn.Mater 192(1999)203-232)它的物理起源是由于交換偏置是一種界面效應。
在對交換偏置中研究矯頑力和交換偏置場與鐵磁層厚度的關(guān)系中一種被廣泛使用的方法是所謂的楔形樣品(wedge)，如圖1所示。用這種形狀的好處是可以在保持其他條件完全相同的情況下來研究厚度對材料性能的影響。在測量時只要沿楔形方向切，就能獲得厚度不同的樣品，如圖1所示，圖2所示的是Py/FeMn雙層膜中矯頑力Hc和交換偏置場HE隨厚度變化的關(guān)系。
本發(fā)明中所采用的自旋閥結(jié)構(gòu)如圖3a、b所示，即釘扎層和自由層采用楔形，上面加一層掩模或用光刻的方法沿楔形方向刻下若干個自旋閥元件，每兩個元件的距離相等，且每個元件長度和寬度相等，每個元件都是一個自旋閥，只不過它們的釘扎層和自由層的厚度不相同，但總的厚度之和相等。其厚度的大小沿楔形方向呈等差數(shù)列變化。這樣每個自旋閥元件就由于釘扎層的不同厚度而具有不同的矯頑力和交換偏置場的大小。釘扎層較厚的自旋閥有較小的矯頑力和交換偏置場，釘扎層較薄的自旋閥有較大的矯頑力和交換偏置場。矯頑力和交換偏置場之和為該釘扎層翻轉(zhuǎn)的臨界場，用Hn表示(n＝1，2，3...分別對應不同自旋閥元件)。而它們的磁電阻值對鐵磁層的厚度在一定范圍內(nèi)是不敏感的。設(shè)此時的零場電阻為R＝R0。每個自旋閥元件在初始或零場時的電阻值相等(與參考電阻值相等)。此時再作大小完全相同的第n+1條線(即參考電阻)，也是相同材料的磁性多層膜，其電阻為R0，與前面n條線所不同的是，第n+1條線中間的兩層磁性層是相連的，如圖3c所示，因此不具有巨磁電阻效應，電阻不隨外磁場變化。
首先假設(shè)自旋閥的初始狀態(tài)自由層和釘扎層反平行(制備態(tài))，當外磁場沿與自由層平行的方向并且大于Hn時，釘扎層的磁化強度方向?qū)D(zhuǎn)，引起自旋閥電阻的變化，不同自旋閥的臨界翻轉(zhuǎn)場Hn不一致，當外磁場H＞Hn時，第1條至n條自旋閥的釘扎場都會翻轉(zhuǎn)，其電阻會變化。利用一個比較器與參考電阻R0進行比較，Hn是已知的，而此時Hn的值就等于外磁場的大小，如圖4所示。
下面以Py/Cu/Py/FeMn自旋閥材料為例來估算一下這種磁性傳感器的靈敏度和分辨率并與橋式和AMR磁性傳感器進行比較。當釘扎層Py的厚度在20nm變化到40nm時，Hn(＝Hc+HE)大小的變化為45Oe左右，假設(shè)刻100條寬為3.3微米和長度為500微米的自旋閥元件，則平均分辨率大約0.5Oe，設(shè)磁電阻變化2％(室溫下最大值可達5％J.Magn.Magn.Mater 136(1994)335-359)，對于供電電壓Vin為5V的情況，相應于其相應為每奧斯特200mV(200mV/Oe)，對于當前商用AMR磁性傳感器而言，這個值是1.5mV/Oe，對于IBM的GMR磁性傳感器，這個值是7.5mV/Oe，顯然靈敏度提高了近30倍。如果利用三態(tài)比較器，每個自旋閥的兩種不同的電阻態(tài)，分辨率和靈敏度還可以再提高一倍。而且該方案設(shè)計出的傳感器不存在以上兩種傳統(tǒng)傳感器的線性度的問題。在所描述的最佳實例中，輸入電源是一個恒定電壓源，如果輸入電源是一個恒流源，該傳感器也能工作。要指出的是，該結(jié)構(gòu)不僅對于自旋閥型傳感器適用，而且對于同樣具有磁電阻效應的隧道結(jié)傳感器也適用。
權(quán)利要求
1.一種自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器，其特征在于，包括片基；所述片基上所形成的若干個具有一定厚度的自由層和釘扎層的自旋閥元件，每個所述自旋閥元件的自由層和釘扎層厚度之和相等且零場時電阻相等；參考電阻，其電阻不隨磁場變化；電路部分，包括一個雙態(tài)或三態(tài)電壓或電阻比較器和一個掃描電源電路，掃描電源電路與自旋閥和參考電阻相連，依次向每個自旋閥元件發(fā)出脈沖電流，比較器與每個自旋閥元件及參考電阻相連，分別比較參考電阻與每個自旋閥之間的電阻大小并輸出信號。
2.如權(quán)利要求1所述的自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器，其特征在于，所述自旋閥元件的釘扎層厚度依次變大或變小，而其自由層厚度依次變小或變大。
3.如權(quán)利要求1或2所述的自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器，其特征在于，所述自旋閥元件為磁阻元件或隧道結(jié)磁阻元件。
4.一種如權(quán)利要求1所述的自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟1)先在片基上利用磁控濺射制備自旋閥材料，在沉積自由層和釘扎層楔形時，將片基旋轉(zhuǎn)180度，得到不同方向的楔形的自旋閥自由層和釘扎層；2)利用光刻板光刻成等間距的自旋閥元件；3)最后沉積參考電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自旋閥型數(shù)字式磁場傳感器，包括片基；片基上所形成的若干個具有一定厚度的自由層和釘扎層的自旋閥元件，每個自旋閥元件的自由層和釘扎層厚度之和相等且零場時電阻相等；參考電阻，其電阻不隨磁場變化；電路部分，包括一個雙態(tài)或三態(tài)電壓或電阻比較器和一個掃描電源電路，掃描電源電路與自旋閥和參考電阻相連，依次向每個自旋閥元件發(fā)出脈沖電流，比較器與每個自旋閥元件及參考電阻相連，分別比較參考電阻與每個自旋閥之間的電阻大小并輸出信號。本發(fā)明靈敏度比現(xiàn)有的GMR磁性傳感器靈敏度提高20－40倍，并且不存在通常傳感器的線性度的問題；同時由于是數(shù)字式的，所以有著很強的抗干擾能力。
文檔編號G01R33/06GK1603855SQ20041009061
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10日
發(fā)明者王磊, 趙靜, 韓宇男, 韓秀峰 申請人:中國科學院物理研究所