專利名稱：磁隧道結(jié)中偏流/偏壓引起的升溫的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量磁頭性能的方法，尤其涉及一種測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的升溫的方法。
背景技術(shù)：
包含多個旋轉(zhuǎn)磁盤的硬盤驅(qū)動器被普遍用來將數(shù)據(jù)存儲在其磁盤表面的磁性媒介上，而包含讀傳感器的可移動磁頭用作從磁盤表面的磁軌上讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前，磁阻(magnetoresistiveJR)讀傳感器，一般稱為MR傳感器，因其相較薄膜誘導(dǎo)型磁頭具有能夠以更大磁軌和線性密度從磁盤表面上讀取數(shù)據(jù)的能力，而成為主流的讀傳感器。MR傳感器通過其MR感應(yīng)層(也稱為“MR元件”)的電阻變化來感應(yīng)磁通量的強度和方向以到達偵測磁場的目的。目前，不同類型的MR傳感器已接二連三被磁盤驅(qū)動器開發(fā)商有效投入使用。其中一種傳統(tǒng)的MR傳感器為各向異性磁阻(anisotropic magnetoresistive, AMR)，其會使磁化方向與流經(jīng)MR元件的感應(yīng)偏流方向之間的夾角發(fā)生改變，繼而使MR元件的電阻和感應(yīng)偏流或偏壓發(fā)生相應(yīng)的變化。另一種典型類型為巨磁電阻(giant magnetoresistive,GMR) 傳感器，其表現(xiàn)為GMR效應(yīng)。GMR效應(yīng)是一種磁阻比率(magnetoresistive ratio,MRR)在外部磁場下發(fā)生變化的現(xiàn)象。GMR傳感器由兩鐵磁層和層壓于該兩鐵磁層之間的非鐵磁層組成。該非鐵磁層的電阻會隨兩鐵磁層的磁矩、載流電子及自旋相關(guān)散射而變化。再一種 MR傳感器類型為隧道磁電阻(tunnel magnetoresistive, TMR)傳感器，其包括產(chǎn)生隧道磁阻效應(yīng)的磁隧道結(jié)(magnetic tunnel junction，MTJ)。由于其磁阻比率的變化比GMR顯著得多，故此TMR傳感器能夠取代AMR和GMR而成為當(dāng)前的主流技術(shù)。然而，高溫度噪聲(high temperature noise, HTN)問題一直存在于上述MR傳感器中而嚴重影響其工作性能。眾所周知，為了保證MR傳感器的性能，較高的偏流/偏壓是必須的，然而施加較高的偏流/偏壓將會帶來較高的溫度上升，進而產(chǎn)生高溫度噪聲。因此， 根據(jù)溫度與偏流/偏壓的關(guān)系來尋求其兩者之間的平衡是必須的。為了解決上述難題，對于GMR傳感器而言，一種測量由偏流/偏壓引起的溫度上升的方法已經(jīng)被實現(xiàn)了，由于整個GMR傳感器是由金屬制成的，其升溫可以通過導(dǎo)體方法進行估算。而TMR傳感器并不屬于導(dǎo)體，針對GMR傳感器的方法不可用在TMR傳感器上而對其磁隧道結(jié)的溫度上升進行測量。因此，急需提供一種測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的升溫的方法以克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種測量方法，用于測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升，從而可確定在較高操作溫度下何種隧道磁電阻傳感器(TMR傳感器)的設(shè)計具有更為穩(wěn)定及可靠的性能。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種用于測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升的方法，該測量方法包括以下步驟(a)施加一外部時變磁場到所述磁隧道結(jié)；(b) 在不同的溫度值下測量不同的第一外觸發(fā)磁場值；(c)根據(jù)所述溫度值和所述第一外觸發(fā)磁場值計算溫度與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(d)在不同的偏流/偏壓值下測量不同的第二外觸發(fā)磁場值；(e)根據(jù)所述偏流/偏壓值和所述第二外觸發(fā)磁場值計算偏流/偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(f)根據(jù)步驟(c)和(e)的結(jié)果計算溫度與偏流/偏壓之間的關(guān)系。較佳地，所述步驟(b)包括以下步驟(bl)測量所述磁隧道結(jié)在不同的溫度值下的不同磁阻比率響應(yīng)以形成不同的第一曲線；(b2)從每一所述第一曲線上測量第一外觸發(fā)磁場值。較佳地，所述步驟(C)包括以下步驟(Cl)根據(jù)不同的溫度值計算出復(fù)數(shù)個Δ溫度值；(^)根據(jù)不同的第一外觸發(fā)磁場值計算出復(fù)數(shù)個△第一外觸發(fā)磁場值；(c!3)計算 Δ溫度值與Δ第一外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第一方程。較佳地，所述步驟(d)包括以下步驟(dl)測量所述磁隧道結(jié)在不同的偏流/偏壓值下的不同磁阻比率響應(yīng)以形成不同的第二曲線；(d2)從每一所述第二曲線上測量第二外觸發(fā)磁場值。較佳地，所述步驟(e)包括以下步驟(el)根據(jù)不同的偏流/偏壓值計算出復(fù)數(shù)個Δ偏流/偏壓值；(U)根據(jù)不同的第二外觸發(fā)磁場值計算出復(fù)數(shù)個△第二外觸發(fā)磁場值；(e!3)計算△偏流/偏壓值與△第二外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第二方程。較佳地，所述步驟(b)是在最小偏壓下進行的，所述最小偏壓的值為40mV。較佳地，所述步驟(d)是在室溫下進行的。較佳地，所述不同溫度值是由一封閉回路環(huán)境腔提供。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明測量方法用于測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升，從而可確定在較高操作溫度下何種隧道磁電阻傳感器的設(shè)計具有更為穩(wěn)定及可靠的性能。通過以下的描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達目的及效果將變得更加清晰，這些附圖用于解釋本發(fā)明的實施例。


圖1為傳統(tǒng)隧道磁電阻傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1所示隧道磁電阻傳感器中的磁隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3展示了圖2所示磁隧道結(jié)中各層的磁化方向。圖4展示了圖2所示磁隧道結(jié)中的主要耦合現(xiàn)象。圖5為通過測量TMR傳感器在高外部時變磁場下的MRR響應(yīng)而形成的HFQST曲線圖。圖6為一流程圖，其展示了根據(jù)本發(fā)明的一實施例來測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升的方法。圖7為另一流程圖，其展示了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例來測量磁隧道結(jié)中由偏流 /偏壓引起的溫度上升的方法。圖至圖8g為不同溫度下所形成的不同HFQST曲線。
圖9為展示溫度與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系的圖表。圖IOa至圖IOe為不同偏壓值下所形成的不同HFQST曲線。圖11為展示偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系的圖表。圖12為展示溫度與偏壓之間的關(guān)系的圖表。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的各個實施例，其中，各個附圖中相同的標(biāo)記表示相同的元件。如上所述，本發(fā)明提供了用于測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升的方法，該測量方法包括以下步驟(a)施加一外部時變磁場到所述磁隧道結(jié)；(b)在不同的溫度值下測量不同的第一外觸發(fā)磁場值；(c)根據(jù)所述溫度值和所述第一外觸發(fā)磁場值計算溫度與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(d)在不同的偏流/偏壓值下測量不同的第二外觸發(fā)磁場值；(e)根據(jù)所述偏流/偏壓值和所述第二外觸發(fā)磁場值計算偏流/偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(f)根據(jù)步驟(c)和(e)的結(jié)果計算所述溫度與所述偏流/偏壓之間的關(guān)系。 通過上述方法，可以獲得溫度與偏流/偏壓之間的關(guān)系，從而可確定在較高操作溫度下何種隧道磁電阻傳感器的設(shè)計具有更為穩(wěn)定及可靠的性能。圖1展示了傳統(tǒng)TMR傳感器，而圖2展示了所述TMR傳感器的磁隧道結(jié)。如圖1 和圖2所示，所述TMR傳感器100包括磁隧道結(jié)(MTJ) 110，該磁隧道結(jié)110為隧道磁阻效應(yīng)(TMR效應(yīng)，指的是由外部時變磁場引起的電阻變化)發(fā)生的地方。所述磁隧道結(jié)110包括自由層111、阻擋層112、扎層113及牽制層114，上述各層均夾設(shè)于兩襯底120及兩硬磁鐵130之間。具體地，所述扎層113包括有內(nèi)扎層113a、外扎層113c及夾設(shè)于所述內(nèi)扎層 113a及外扎層113c之間的釕層11北。所述牽制層114是由反磁鐵材料制成的，因此，其通常被稱為反磁鐵層(AFM層)114。參照圖3和圖4，通常，所述自由層的磁化作用受控于所述硬磁鐵130 ；所述內(nèi)扎層 113a受控于所述外扎層113c ；而所述外扎層113c則受控于所述反磁鐵層114。因此，在磁隧道結(jié)中，其會產(chǎn)生兩個主要的耦合。其一為交換耦合，該交換耦合為反磁鐵層114與外扎層113c之間的耦合；其二為合成耦合，該合成耦合為內(nèi)扎層113a與外扎層113c之間的耦合。當(dāng)所述TMR傳感器置于一外部時變磁場內(nèi)時，TMR效應(yīng)發(fā)生且TMR傳感器的磁阻比率(MRR)響應(yīng)可通過圖5所示的高磁場準(zhǔn)靜態(tài)測試(high field quasi-static test, HFQST)曲線而被測量。參照圖5，所述磁隧道結(jié)110的磁阻比率隨著所述自由層111與所述內(nèi)扎層113a之間的磁化角度的變化而改變。當(dāng)所述自由層111與所述內(nèi)扎層113a之間的磁化角度為0度時(平行狀態(tài))，可獲得較低的MRR ；而當(dāng)所述自由層111與所述內(nèi)扎層 113a之間的磁化角度為180度時(反平行狀態(tài))，可獲得較高的MRR。當(dāng)外部時變磁場較強而足以破壞所述反磁鐵層114與所述外扎層113c之間的交換耦合時，所述外部時變磁場將會迫使所述外扎層113c跟隨其磁化方向。然而，此時內(nèi)扎層113a與外扎層113c之間的合成耦合仍然存在，所述內(nèi)扎層113a的磁化方向也會產(chǎn)生微小的變動，從而產(chǎn)生了被稱為外觸發(fā)的特殊效應(yīng)，如圖5的點A所示。為了更好地描述上述現(xiàn)象的特性，引入外觸發(fā)磁場， 其值等于外觸發(fā)發(fā)生時的外部時變磁場的場強。所述外觸發(fā)磁場主要依賴于交換耦合，而交換耦合只對溫度具有高度敏感，與MRR無關(guān)，因此，外觸發(fā)場強可作為測量溫度上升的好參數(shù)?；谏鲜黾夹g(shù)，本發(fā)明的方法利用外觸發(fā)磁場來測量由偏流/偏壓引起的溫度上升。參照圖6，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于測量磁隧道結(jié)中由偏壓引起的溫度上升的方法包括如下步驟施加一外部時變磁場到所述磁隧道結(jié)(步驟S101)；在不同的溫度值下測量不同的第一外觸發(fā)磁場值(步驟；根據(jù)所述溫度值和所述第一外觸發(fā)磁場值計算溫度與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系(步驟Sl(XB)；在不同的偏壓值下測量不同的第二外觸發(fā)磁場值(步驟S104)；根據(jù)所述偏壓值和所述第二外觸發(fā)磁場值計算偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系(步驟S105)；根據(jù)步驟S103和S105的結(jié)果計算溫度與偏壓之間的關(guān)系(步驟S106)。在本發(fā)明的另一實施例中，所述步驟S104和S105比所述步驟S102和S103先執(zhí)行。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明一個較佳實施例，用于測量磁隧道結(jié)中由偏壓引起的溫度上升的方法包括如下步驟首先，施加一外部時變磁場到所述磁隧道結(jié)(步驟S201)。較佳地，實現(xiàn)該步驟是通過將所述磁隧道結(jié)置于由一電磁體產(chǎn)生的外部時變磁場中。接著，在不同的溫度值下測量所述磁隧道結(jié)的不同磁阻比率響應(yīng)以形成不同的第一曲線(步驟S202)。較佳地，該步驟是在最小偏壓下進行的，所述最小偏壓的值為40mV，所述不同的溫度值(本實施例中，設(shè)置了七個不同的溫度值，例如25°C、45°C及60°C等)由一封閉回路環(huán)境腔提供。參照圖8a至圖8g，在執(zhí)行所述步驟S202之后，可獲得七條第一曲線 (均為HFQST曲線)，其分別展示所述磁隧道結(jié)在七個不同溫度值下的不同磁阻比率響應(yīng)。 接著，可以執(zhí)行下一個步驟從每一所述第一曲線上測量第一外觸發(fā)磁場值(步驟S203)。 如圖8a所示，當(dāng)溫度值為25°C時，外觸發(fā)磁場發(fā)生在點Al上，從該曲線可得出所述外觸發(fā)磁場的第一值。類似地，參照圖8b至圖8g，外觸發(fā)磁場的其他第一值可以同樣的方式算出。 在該實施例中，由于提供了七個溫度值，相應(yīng)地可以獲取七個第一外觸發(fā)磁場值。基于上述數(shù)據(jù)，可以執(zhí)行以下三個步驟根據(jù)不同的溫度值計算出復(fù)數(shù)個Δ溫度值(步驟S204)；根據(jù)不同的第一外觸發(fā)磁場值計算出復(fù)數(shù)個△第一外觸發(fā)磁場值(步驟 S205)；計算Δ溫度值與Δ第一外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第一方程(步驟S206)。 具體地，參照圖8a和圖汕，當(dāng)溫度值從25°C上升到45°C時，可獲得的Δ溫度值為20°C，此時，對應(yīng)的Δ第一外觸發(fā)磁場值約為2310e，從而，可獲得關(guān)于Δ溫度值與Δ第一外觸發(fā)磁場值的第一組數(shù)據(jù)Δ-1 (20°C，23IOe)。類似地，參照圖8a和圖8c，當(dāng)溫度值變?yōu)?0°C時， 可獲得的另一個Δ溫度值為35°C，而對應(yīng)的另一個Δ第一外觸發(fā)磁場值約為2220e°C，從而，可獲得另一組數(shù)據(jù)A-2(35°C，2220e)。按照這種方式，可以獲取關(guān)于Δ溫度值與Δ第一外觸發(fā)磁場值的另外四組數(shù)據(jù)，其分別為Δ-3、Δ-4、Δ-5及Δ-6。如圖9所示，根據(jù)已獲得的上述六組數(shù)據(jù)可以得出△溫度值與△第一外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第一方程Δ T = 0. 1028 Δ B (其中，參數(shù)Δ B為外觸發(fā)磁場的變化，而參數(shù)Δ T為溫度的變化)。類似地，偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系能以同樣的方式獲取，具體地，其包括以下步驟在不同的偏壓值下測量所述磁隧道結(jié)的不同磁阻比率響應(yīng)以形成不同的第二曲線 (步驟S207)。較佳地，該步驟是在室溫的條件下進行的。本實施例中，設(shè)置了五個不同的偏壓值，例如40mV、80mV和140mV等。參照圖IOa至圖10e，在執(zhí)行所述步驟S207之后，可獲得五條第二曲線(均為HFQST曲線)，其分別展示所述磁隧道結(jié)在五個不同偏壓值下的不同磁阻比率響應(yīng)。接著，可以執(zhí)行下一個步驟從每一所述第二曲線上測量第二外觸發(fā)磁場值(步驟S208)。如圖IOa所示，當(dāng)偏壓值為40mV時，外觸發(fā)磁場發(fā)生在點A2上，從該曲線可得出所述外觸發(fā)磁場的第二值。類似地，參照圖IOb至圖10e，外觸發(fā)磁場的其他第二值可以同樣的方式算出。在該實施例中，由于提供了五個偏壓值，相應(yīng)地可以獲取五個第二外觸發(fā)磁場值?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，可以執(zhí)行以下三個步驟根據(jù)不同的偏壓值計算出復(fù)數(shù)個△偏壓值(步驟S209)；根據(jù)不同的第二外觸發(fā)磁場值計算出復(fù)數(shù)個△第二外觸發(fā)磁場值(步驟 S210)；計算Δ偏壓值與Δ第二外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第二方程(步驟S211)。 具體地，以與步驟S204、S205及S206同樣的方式，可以獲取關(guān)于Δ偏壓值與Δ第二外觸發(fā)磁場值的四組數(shù)據(jù)，其分別為Δ-1Α、Δ-2Α、Δ-3Α及Δ-4Α。如圖11所示，根據(jù)已獲得的上述四組數(shù)據(jù)可以得出△偏壓值與△第二外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第二方程 ΔΒ = 0.0095 AU2+0. 4802 AU(其中，參數(shù)ΔB為外觸發(fā)磁場的變化，而參數(shù)AU為偏壓的變化)。最后，根據(jù)所述第一方程及所述第二方程得出溫度及偏壓之間的關(guān)系(步驟 S212)。執(zhí)行該步驟的結(jié)果是可獲得第三方程ΔΤ = 0.0008 ΔU 2+0. 0615 ΔU(其中，參數(shù) ΔΤ為溫度的變化，而參數(shù)AU為偏壓的變化)。從該第三方程可直接得出偏壓引起的溫度變化。需要注意的是，步驟S202到步驟S211的先后執(zhí)行順序并不限于上述實施例所揭露的情況，而是可根據(jù)具體實際需要進行調(diào)整。可理解地，根據(jù)上述實施例，一種測量偏流引起的溫度上升的方法可通過將偏壓替換為偏流而實現(xiàn)。以上結(jié)合最佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但本發(fā)明并不局限于以上揭示的實施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本發(fā)明的本質(zhì)進行的修改、等效組合。
權(quán)利要求
1.一種測量方法，用于測量磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟(a)施加一外部時變磁場到所述磁隧道結(jié)；(b)在不同的溫度值下測量不同的第一外觸發(fā)磁場值；(c)根據(jù)所述溫度值和所述第一外觸發(fā)磁場值計算溫度與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(d)在不同的偏流/偏壓值下測量不同的第二外觸發(fā)磁場值；(e)根據(jù)所述偏流/偏壓值和所述第二外觸發(fā)磁場值計算偏流/偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(f)根據(jù)步驟(c)和(e)的結(jié)果計算溫度與偏流/偏壓之間的關(guān)系。
2.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述步驟(b)包括以下步驟(bl)測量所述磁隧道結(jié)在不同的溫度值下的不同磁阻比率響應(yīng)以形成不同的第一曲線.一入 ，(b2)從每一所述第一曲線上測量第一外觸發(fā)磁場值。
3.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述步驟(c)包括以下步驟 (Cl)根據(jù)不同的溫度值計算出復(fù)數(shù)個Δ溫度值；(c2)根據(jù)不同的第一外觸發(fā)磁場值計算出復(fù)數(shù)個△第一外觸發(fā)磁場值； (c3)計算Δ溫度值與Δ第一外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第一方程。
4.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述步驟(d)包括以下步驟(dl)測量所述磁隧道結(jié)在不同的偏流/偏壓值下的不同磁阻比率響應(yīng)以形成不同的第二曲線；(d2)從每一所述第二曲線上測量第二外觸發(fā)磁場值。
5.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述步驟(e)包括以下步驟 (el)根據(jù)不同的偏流/偏壓值計算出復(fù)數(shù)個△偏流/偏壓值；(e2)根據(jù)不同的第二外觸發(fā)磁場值計算出復(fù)數(shù)個△第二外觸發(fā)磁場值； (e3)計算△偏流/偏壓值與△第二外觸發(fā)磁場值之間的關(guān)系而形成第二方程。
6.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述步驟(b)是在最小偏壓下進行的， 所述最小偏壓的值為40mV。
7.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述步驟(d)是在室溫下進行的。
8.如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述不同溫度值是由一封閉回路環(huán)境腔提供。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁隧道結(jié)中由偏流/偏壓引起的溫度上升的測量方法，其包括以下步驟(a)施加一外部時變磁場到所述磁隧道結(jié)；(b)在不同的溫度值下測量不同的第一外觸發(fā)磁場值；(c)根據(jù)所述溫度值和所述第一外觸發(fā)磁場值計算溫度與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(d)在不同的偏流/偏壓值下測量不同的第二外觸發(fā)磁場值；(e)根據(jù)所述偏流/偏壓值和所述第二外觸發(fā)磁場值計算偏流/偏壓與外觸發(fā)磁場之間的關(guān)系；(f)根據(jù)步驟(c)和(e)的結(jié)果計算所述溫度與所述偏流/偏壓之間的關(guān)系。采用本發(fā)明的測量方法，可以獲得溫度與偏流/偏壓之間的關(guān)系，從而可確定何種隧道磁電阻傳感器的設(shè)計在較高操作溫度下具有更為穩(wěn)定及可靠的性能。
文檔編號G01K7/36GK102564637SQ20101058866
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者丁菊仁, 倪榮光, 李文杰, 梁卓榮, 梁釗明 申請人:新科實業(yè)有限公司