專利名稱：一種薄膜磁阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種薄膜磁阻傳感器，具體地說是一種用于磁場 中電流、位置、移動角度，角速度等量檢測的傳感器。
背景技術(shù)：
薄膜磁阻傳感器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(計(jì)算機(jī)硬盤，MRAM)、電流測量、位置測量、 物體的移動速度、角度及角速度等測量領(lǐng)域。
薄膜磁阻傳感器有多層膜結(jié)構(gòu)及自旋閥結(jié)構(gòu)。所述薄膜磁阻傳感器的多層膜結(jié)構(gòu) 包括磁性層和非磁性層，它們交替的沉積在襯底上。所述薄膜磁阻傳感器的自旋閥結(jié)構(gòu)包 括非磁性釘扎層(其材料包括MnIr或MnPt)，磁性被釘扎層(其材料包括CoFeB或CoFe，或 是SAF結(jié)構(gòu)CoFe/Ru/CoFe等)，非磁性隔離層(其材料包括Cu、A10、MgO, HfO, ZrO或TaO 等)，磁性自由層(其材料包括CoFeB或CoFe，或是SAF結(jié)構(gòu)CoFe/Ru/CoFe等)。薄膜磁阻傳感器在對磁場中的模擬量進(jìn)行檢測時(shí)，由于磁性材料本身有磁滯現(xiàn) 象，測量時(shí)有回程差，影響到薄膜磁阻傳感器測量的精度和線性度。為了避免這種現(xiàn)象，通 常采用如下方法進(jìn)行調(diào)整1，利用磁性材料的形狀各項(xiàng)異性提供一個(gè)垂直于外界待測磁場 偏置磁場；2，在薄膜磁阻傳感器元件的周圍，沉積一層永磁薄膜，通過永磁薄膜提供一個(gè)垂 直于外界待測磁場偏置磁場(計(jì)算機(jī)硬盤采用此方案)；3，在薄膜磁阻傳感器元件的周圍， 沉積一根電流線，通過電流提供一個(gè)偏置磁場。采用第1種方法的特點(diǎn)是工藝簡單，但是形狀各項(xiàng)異性提供的偏置磁場有限，并 且限制了芯片的設(shè)計(jì)。采用第2種方法的特點(diǎn)是偏置磁場的大小可由調(diào)解永磁薄膜的成 分及厚度而改變，但是在實(shí)際應(yīng)用中要避免大的外磁場的干擾，如果有大磁場的干擾，會改 變偏置磁場的方向，從而影響傳感器的性能。采用第3種方法的特點(diǎn)是偏置磁場的大小可 由改變電流的大小來調(diào)解，但是傳感器的功耗會很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種薄膜磁阻傳感器，其磁滯 小、測量精度和線性度高、線性范圍可調(diào)、制作工藝簡單、響應(yīng)頻率高、制造成本低及抗干擾 能力強(qiáng)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述薄膜磁阻傳感器，包括種子層；參考層，位于種 子層上，產(chǎn)生第一交換耦合場；非磁性隔離層，位于參考層上，將參考層與自由層相隔離； 自由層，位于非磁性隔離層上，感應(yīng)外磁場變化，并產(chǎn)生第二交換耦合場，所述第二交換耦 合場與第一交換耦合場互相垂直。所述自由層上設(shè)置保護(hù)層。所述參考層包括第一非磁性釘扎層與第一磁性被釘 扎層；所述第一非磁性釘扎層位于種子層上，第一磁性被釘扎層位于第一非磁性釘扎層上； 所述第一非磁性釘扎層與第一磁性被釘扎層間產(chǎn)生第一交換耦合場。所述自由層包括第二 磁性被釘扎層與第二非磁性釘扎層；所述第二磁性被釘扎層位于非磁性隔離層上，第二非磁性釘扎層位于第二磁性被釘扎層上；所述第二磁性被釘扎層與第二非磁性釘扎層間產(chǎn)生 第二交換耦合場。所述非磁性隔離層的材料包括Cu、A10、MgO, HFO、ZrO或TaO。所述第一非磁性釘 扎層與第二非磁性釘扎層的材料包括MnIr或MnPt。所述保護(hù)層的材料包括Ta、Pt或Ti。 所述第一磁性被釘扎層與第二磁性被釘扎層的材料包括CoFeB、CoFe, NiFe或CoFe、Ru與 CoFe形成的復(fù)合層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)通過在種子層上設(shè)置參考層與自由層，通過自由層感應(yīng)外磁場的變化；所述參考層與自由層產(chǎn)生的第一交換耦合場與第二交換耦合場相垂直，降低了磁滯， 提高了磁阻傳感器的測量精度和線性度工藝。所述第一交換耦合場與第二交換耦合場通過 加工厚度及回火工藝的不同，在遇到大磁場干擾時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)施工藝簡單，不會影 響磁阻傳感器的性能，且不會增大傳感器的功耗。通過調(diào)節(jié)參考層與自由層的厚度，能夠有 效調(diào)整傳感器的測量線性范圍，相應(yīng)頻率高，制造成本低。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的工作原理示意圖。圖3為本發(fā)明在半橋使用狀態(tài)連接原理圖。圖4為圖3的工作原理示意圖。圖5為本發(fā)明在全橋使用狀態(tài)連接原理圖。圖6為圖5的工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示本發(fā)明包括種子層1、第一非磁性釘扎層2、第一磁性被釘扎層3、非 磁性隔離層4、第二磁性被釘扎層5、第二非磁性釘扎層6及保護(hù)層7。如圖1所示，所述種子層1上設(shè)有第一非磁性釘扎層2，所述第一非磁性釘扎層2 上設(shè)有第一磁性被釘扎層3 ；所述第一磁性被釘扎層3與第一非磁性釘扎層2形成參考層， 且產(chǎn)生第一交換耦合場；所述參考層產(chǎn)生第一交換耦合場的參考層磁矩方向如8所示。第 一磁性被釘扎層3上設(shè)有非磁性隔離4，所述非磁性隔離4的材料可以為Cu、A10、Mg0、HF0、 ZrO或TaO。非磁性隔離層4將參考層與自由層相隔離；所述自由層包括第二磁性被釘扎層 5與第二非磁性釘扎層6。所述第二磁性被釘扎層5位于非磁性隔離層4上，第二磁性被釘 扎層5上設(shè)有第二非磁性釘扎層6。所述第二磁性被釘扎層5與第二非磁性釘扎層6形成 自由層，且產(chǎn)生第二交換耦合場，且第二交換耦合場的自由層磁矩方向如9所示。所述第二 非磁性釘扎層6上設(shè)有保護(hù)層7，所述保護(hù)層7的材料可以為Ta、Pt或Ti。所述第一非磁性釘扎層2與第二非磁性釘扎層6的Blocking溫度不同，第一非磁 性釘扎層2的Blocking溫度通常要高于第二非磁性釘扎層6的Blocking溫度；所述第一 非磁性釘扎層2與第二非磁性釘扎層6的Blocking溫度由第一非磁性釘扎層2與第二非 磁性釘扎層6的材料和厚度來控制。所述第一非磁性釘扎層2與第二非磁性釘扎層6的材 料可以為MnIr或MnPt。
薄膜磁阻傳感器的薄膜鍍完后，開始對薄膜進(jìn)行回火。在較高的溫度下和磁場強(qiáng) 度大的外磁場作用下，第一非磁性釘扎層2與第一磁性被釘扎層3間產(chǎn)生的第一交換耦合 場的方向與外磁場的方向相同。所述第一非磁性釘扎層2與第一磁性被釘扎層3產(chǎn)生的第 一交換耦合場的場強(qiáng)達(dá)幾千高斯。在較低的溫度下和磁場強(qiáng)度大的外磁場共同作用下，第 二磁性被釘扎層5與第二非磁性釘扎層6間產(chǎn)生的第二交換耦合場的方向與第一交換耦合 場的方向垂直，所述第二交換耦合場的場強(qiáng)在上百高斯內(nèi)。所述第二交換耦合場能夠感應(yīng) 外部磁場的變化，從而完成檢測外部磁場相對應(yīng)的檢測量。所述第一磁性被釘扎層3與第 二磁性被釘扎層5的材料可以為CoFeB、CoFe, NiFe或CoFe、Ru與CoFe形成的復(fù)合層。如圖2所示，為本發(fā)明的工作原理示意圖。薄膜磁阻傳感器的磁阻隨著自由層相 對應(yīng)的自由層磁矩方向9與參考層相對應(yīng)的參考層磁矩方向8的夾角的變化而變化。當(dāng)自 由層相對應(yīng)的自由層磁矩方向9隨著外加磁場10的大小和方向的改變而變化時(shí)，薄膜磁阻 傳感器的磁阻也隨之變化。當(dāng)外加磁場10的方向與參考層相對應(yīng)的參考層磁矩方向8平 行時(shí)，即外加磁場10的方向與參考層磁矩方向8間的夾角為O度；同時(shí)外加磁場10的強(qiáng)度 大于Hl時(shí)，自由層相對應(yīng)的自由層磁矩方向9與外加磁場10的方向平行，進(jìn)而自由層相對 應(yīng)的自由層磁矩方向9與參考層相對應(yīng)的參考層磁矩方向8平行，如11表示的方向所示， 這時(shí)薄膜磁阻傳感器元件的磁阻最小。當(dāng)外加磁場10的方向與參考層相對應(yīng)的參考層磁 矩方向8反平行，即外加磁場10的方向與參考層磁矩方向8間的夾角為180度；同時(shí)外加 磁場10的強(qiáng)度大于H2時(shí)，自由層相對應(yīng)的自由層磁矩方向9與外加磁場10的方向平行， 進(jìn)而自由層相對應(yīng)的自由層磁矩方向9與參考層相對應(yīng)的參考層磁矩方向8反平行，如12 表示的方向所示，這時(shí)薄膜磁阻傳感器元件的磁阻最大。Hl與H2之間的磁場范圍就是薄膜 磁阻傳感器的測量范圍，當(dāng)磁場范圍在Hl與H2之間時(shí)，薄膜磁阻傳感器具有較好的測量精 度和線性度。所述磁場強(qiáng)度HI、H2可以通過對第一非 磁性釘扎層2、第一磁性被釘扎層3、 第二磁性被釘扎層5及第二非磁性釘扎層6的厚度和回火工藝來控制實(shí)現(xiàn)，工藝操作方便 簡單。圖3和圖4為本發(fā)明工作在半橋使用狀態(tài)下的連接原理圖和工作原理示意圖。如 圖3所示，所述第一薄膜磁阻傳感器214與第二薄膜磁阻傳感器215構(gòu)成了半橋使用狀態(tài) 的檢測元件。其中，第一薄膜磁阻元件214相對應(yīng)的參考層磁矩方向8與第二薄膜磁阻元件 215相對應(yīng)的參考層磁矩方向8方向反平行。第一薄膜磁阻傳感器214相對應(yīng)的自由層磁 矩方向9與第二薄膜磁阻傳感器215相對應(yīng)的自由層磁矩方向9相互平行。第一電極211 與第二電極212是薄膜磁阻電橋半橋的電壓輸入端，第三電極213是薄膜磁阻電橋半橋的 電壓輸出端。如圖4所示，為薄膜磁阻傳感器組成半橋電橋的工作原理圖。薄膜磁阻傳感器電 橋半橋的輸出電壓V隨著外加磁場10的方向和大小的改變而發(fā)生變化。當(dāng)外加磁場10的 方向?yàn)樨?fù)(-)且磁場強(qiáng)度大于Hl時(shí)，從第三電極213檢測薄膜磁阻傳感器半橋電橋的輸出 電壓最低。當(dāng)外加磁場10的方向?yàn)檎?+)且磁場強(qiáng)度大于H2時(shí)，從第三電極213檢測薄 膜磁阻半橋電橋的輸出電壓最高。Hl與H2之間的磁場范圍即為所述薄膜磁阻傳感器半橋 電橋的測量范圍。圖5和圖6為本發(fā)明工作在全橋使用狀態(tài)下的連接原理圖和工作原理示意圖。如 圖5所示，所述第三薄膜磁阻傳感器311，第四薄膜磁阻傳感器312，第五薄膜磁阻傳感器313與第六薄膜磁阻傳感器314間構(gòu)成了全橋使用狀態(tài)的檢測元件。其中，所述第三薄膜磁 阻傳感器311與第六薄膜磁阻傳感器314相對應(yīng)的參考層磁矩方向8與第四薄膜磁阻傳感 器312，第五薄膜磁阻傳感器313相對應(yīng)的參考層磁矩方向8方向反平行；所述第三薄膜磁 阻傳感器311，第四薄膜磁阻傳感器312，第五薄膜磁阻傳感器313與第六薄膜磁阻傳感器 314相對應(yīng)的自由層磁矩方向9相互平行。第四電極315，第五電極316是薄膜磁阻傳感器 全橋電橋的電壓輸入端，第六電極317，第七電極318是薄膜磁阻傳感器全橋電橋的電壓輸 出端。 如圖6所示，為薄膜磁阻傳感器組成電橋全橋的工作原理。所述薄膜磁阻傳感器 全橋電橋的輸出電壓為V = Vout (+)-Vout (-) = 317-318 ；隨著外加磁場10的方向和大小 的改變而發(fā)生變化。當(dāng)外加磁場10的方向?yàn)樨?fù)(_)且磁場強(qiáng)度大于Hl時(shí)，薄膜磁阻傳感 器全橋電橋的輸出電壓最低。當(dāng)外加磁場10的方向?yàn)檎?+)且磁場強(qiáng)度大于H2時(shí)，薄膜 磁阻傳感器全橋電橋的輸出電壓最高。Hl與H2之間的磁場范圍就是薄膜磁阻傳感器電橋 全橋的測量范圍。本發(fā)明通過在種子層1上設(shè)置參考層與自由層，通過自由層感應(yīng)外磁場的變化； 所述參考層與自由層產(chǎn)生的第一交換耦合場與第二交換耦合場相垂直，降低了磁滯，提高 了磁阻傳感器的測量精度和線性度工藝。所述第一交換耦合場與第二交換耦合場通過加工 厚度及回火工藝的不同，在遇到大磁場干擾時(shí)，抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)施工藝簡單，不會影響磁 阻傳感器的性能，且不會增大傳感器的功耗。通過調(diào)節(jié)參考層與自由層的厚度，能夠有效調(diào) 整傳感器的測量線性范圍，相應(yīng)頻率高，制造成本低。
權(quán)利要求
一種薄膜磁阻傳感器，其特征是，包括種子層；參考層，位于種子層上，產(chǎn)生第一交換耦合場；非磁性隔離層，位于參考層上，將參考層與自由層相隔離；自由層，位于非磁性隔離層上，感應(yīng)外磁場變化，并產(chǎn)生第二交換耦合場，所述第二交換耦合場與第一交換耦合場互相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述自由層上設(shè)置保護(hù)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述參考層包括第一非磁性釘 扎層與第一磁性被釘扎層；所述第一非磁性釘扎層位于種子層上，第一磁性被釘扎層位于 第一非磁性釘扎層上；所述第一非磁性釘扎層與第一磁性被釘扎層間產(chǎn)生第一交換耦合 場。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述自由層包括第二磁性被釘 扎層與第二非磁性釘扎層；所述第二磁性被釘扎層位于非磁性隔離層上，第二非磁性釘扎 層位于第二磁性被釘扎層上；所述第二磁性被釘扎層與第二非磁性釘扎層間產(chǎn)生第二交換 耦合場。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述非磁性隔離層的材料包括 Cu、A10、MgO、HFO、ZrO 或 TaO。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述第一非磁性釘扎層與 第二非磁性釘扎層的材料包括Mnlr或MnPt。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述保護(hù)層的材料包括Ta、Pt 或Ti。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的薄膜磁阻傳感器，其特征是所述第一磁性被釘扎層與 第二磁性被釘扎層的材料包括CoFeB、CoFe、NiFe或CoFe、Ru與CoFe形成的復(fù)合層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種薄膜磁阻傳感器，具體地說是一種用于磁場中電流、位置、移動角度，角速度等量檢測的傳感器。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述薄膜磁阻傳感器，包括種子層；參考層，位于種子層上，產(chǎn)生第一交換耦合場；非磁性隔離層，位于參考層上，將參考層與自由層相隔離；自由層，位于非磁性隔離層上，感應(yīng)外磁場變化，并產(chǎn)生第二交換耦合場，所述第二交換耦合場與第一交換耦合場互相垂直。本發(fā)明磁滯小、測量精度和線性度高、線性范圍可調(diào)、制作工藝簡單、響應(yīng)頻率高、制造成本低及抗干擾能力強(qiáng)。
文檔編號G01D5/14GK101871787SQ20101019332
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者王建國, 薛松生 申請人:王建國;薛松生