專利名稱：薄膜磁傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及薄膜磁傳感器及其制造方法，更具體而言，本發(fā)明涉及這樣的薄膜磁 傳感器及其制造方法，所述薄膜磁傳感器適用于檢測汽車車軸、旋轉編碼器、工業(yè)用齒 輪等的旋轉信息；檢測液壓缸/氣壓缸的行程位置(Stroke position)、機床滑軌等的位 置-速度信息；檢測工業(yè)用焊接機器人的電弧電流等的電流信息、地磁方位羅盤等。
背景技術：
磁傳感器是一種電子器件，其用于通過磁場將諸如電磁力(例如，電流、電壓、電 力、磁場或磁通量)、力學量(例如，位置、速度、加速度、位移、距離、張力、壓力、扭矩、溫度 或濕度)或生物化學量等檢測量轉化為電壓。根據(jù)檢測磁場方法的不同，磁傳感器分為霍 爾傳感器、各向異性磁阻傳感器(本文也可以稱為AMR傳感器)、巨磁阻傳感器(本文也可 稱為GMR傳感器)等。在這些傳感器中，GMR傳感器具有如下優(yōu)點(1)與AMR傳感器相比，GMR傳感器的電阻率的變化率(S卩，MR比值=Δ p/ Ρ0(Δ P = Ph-Pci，其中Ph為外部磁場為H時的電阻率，P0為外部磁場為0時的電阻 率))的最大值極大。(2)與霍爾傳感器相比，GMR傳感器的電阻率值的溫度變化較??；以及(3)GMR傳感器適于微型化，這是因為具有巨磁阻效應(下文中也可稱為GMR效 應)的材料作為薄膜材料。因此，預期可將GMR傳感器用作電腦、電力設備、汽車、家電設備、 便攜式設備等中使用的高靈敏度微型磁傳感器。已知表現(xiàn)出GMR效應的材料包括由具有鐵磁層(例如，坡莫合金層)和非磁性 層(例如，Cu層、Ag層或Au層)的多層膜構成的人工金屬晶格，或者由具有四層結構(所 謂的“自旋閥”)的多層膜構成的人工金屬晶格，所述四層結構包括反鐵磁層、鐵磁層(固定 層)、非磁性層和鐵磁層(自由層)；金屬-金屬類納米顆粒材料，這種材料包含由鐵磁金屬 (例如，坡莫合金)構成的納米尺寸微粒以及由非磁性金屬(例如，Cu、Ag或Au)構成的晶 界相；隧道結薄膜，其通過自旋相關隧道效應而形成MR效應(磁阻效應)；以及金屬-絕緣 體類納米顆粒材料，其包含由鐵磁性金屬合金構成的納米尺寸微粒以及由非磁性絕緣材料 構成的晶界相。在這些材料中，以自旋閥為代表的多層膜通常具有這樣的特點，即它們在低磁場 中具有高靈敏度。然而，多層膜的穩(wěn)定性較差且產(chǎn)率較低，并且由于需要以較高的精度將由 多種材料構成的薄膜層壓在一起，因此對制造成本的控制受到限制。所以，這種類型的多層 膜僅被用于具有高附加值的器件(例如，用于硬盤的磁頭)，并且認為難以將這種多層膜用 于需要與單價較低的AMR傳感器或霍爾傳感器進行價格競爭的磁傳感器。另外，由于多層 膜的各層之間容易發(fā)生擴散，并且GMR效應易于消失，因此這種多層膜存在耐熱性差的嚴 重缺陷。另一方面，納米顆粒材料通常易于制造，并且具有良好的再現(xiàn)性。因此，在將納米顆粒材料應用于磁傳感器時，可降低磁傳感器的成本。特別是，金屬-絕緣體類納米顆粒材 料具有如下優(yōu)點(1)在室溫下，當金屬-絕緣體類納米顆粒材料的組成經(jīng)過優(yōu)化時，其顯示出超過 10%的高MR比值；(2)金屬-絕緣體類納米顆粒材料具有突出的高電阻率P，因此可同時實現(xiàn)磁傳 感器的微型化和低耗電量；以及(3)與含有耐熱性較差的反鐵磁薄膜的自旋閥薄膜不同，金屬-絕緣體類納米顆 粒材料即使在高溫環(huán)境中也可使用。然而，金屬-絕緣體類納米顆粒材料存在這樣的問題， 即其磁場靈敏度在低磁場中極低。因此，在這種情況中，在巨磁阻薄膜(下文中也可稱為 GMR薄膜)的兩端設置由軟磁性材料構成的磁軛，以增加GMR薄膜的磁場靈敏度。迄今為止，有各種提案已經(jīng)提出了其中在GMR薄膜的兩端設置由軟磁性材料構成 的磁軛的薄膜磁傳感器、及其制造方法。例如，專利文獻JP-A-2004-363157披露了一種制造薄膜磁傳感器的方法，該方法 包括(1)在基底的表面上形成凸起；( 在凸起的兩端形成薄膜磁軛；以及C3)在凸起的 前端面以及與之相鄰的薄膜磁軛的表面上形成GMR膜。該文獻中記載了如下內(nèi)容借助于 該方法，(a)可在間隙的整個長度方向上形成厚度均勻的GMR膜；以及(b)薄膜磁傳感器的 電特性和磁特性得以穩(wěn)定。另外，專利文獻JP-A-2006-351563披露了一種薄膜磁傳感器，其中在GMR膜和基 底之間形成有阻隔層。該文獻記載了如下內(nèi)容當在GMR膜和基底之間設置阻隔層時，退火后，因退火而 導致的GMR膜的電阻R的變化率以及磁阻的變化率的改變與僅設置有GMR膜時的情況大致相當。此外，專利文獻JP-A-2003-78187披露了這樣的薄膜磁傳感器，其中在GMR膜的兩 端形成有軟磁性薄膜，并且在該軟磁性薄膜的底面還形成有硬磁性薄膜。該文獻記載了如下內(nèi)容當通過利用硬磁性薄膜從而將偏磁場施加于軟磁性薄膜 上時，可同時檢測出外部磁場的大小和極性。

發(fā)明內(nèi)容
對于其中在GMR膜的兩端設置有薄膜磁軛的磁傳感器，為了使GMR膜與薄膜磁軛 之間獲得良好的電接觸和磁接觸，優(yōu)選首先形成GMR膜，隨后形成薄膜磁軛。此外，對于這 種磁傳感器而言，傳感器的靈敏度主要由薄膜磁軛的形狀和磁特性決定。用于薄膜磁軛的 軟磁性材料大致分為無定形材料和結晶材料或微結晶材料。在這些材料中，無定形材料的特征在于僅通過在室溫下形成膜即可獲得所需性 能，而無需進行用以改善軟磁特性的熱處理。然而，在安裝磁傳感器時，多數(shù)情況下，在回流 焊接等的過程中，傳感器會暴露在高溫(通常為約250°C )下。另外，根據(jù)磁傳感器用途的 不同，有時會在約100°C下長時間地使用該磁傳感器。因此，利用無定形材料的磁傳感器存 在這樣的問題生產(chǎn)或使用過程中由于加熱而使無定形材料發(fā)生結晶化，由此使磁滯增加。另一方面，當將結晶材料或微結晶材料用作薄膜磁軛的材料時，可解決這一問題。 然而，為了獲得良好的軟磁特性(例如高磁導率和低矯頑磁力)，結晶或微結晶軟磁性膜通常需要在高溫下進行熱處理。因此，當依次形成GMR膜和薄膜磁軛時，用以改善薄膜磁軛的 軟磁特性的熱處理會使GMR膜發(fā)生破裂，從而導致不能獲得正常傳感器的問題。例如，當 GMR膜由納米顆粒材料構成時，由于高溫熱處理使得電阻率P大幅增加，并且MR比值顯著 降低。本發(fā)明要解決的問題是提供這樣一種薄膜磁傳感器及其制造方法，其中所述薄膜 磁傳感器在GMR膜和薄膜磁軛之間具有良好的電接觸和磁接觸。此外，本發(fā)明要解決的另一問題是提供這樣一種薄膜磁傳感器及其制造方法，其 中即使這種薄膜磁傳感器在生產(chǎn)或使用過程中暴露在高溫下，其磁滯的增加幅度也較小。此外，本發(fā)明要解決的又一問題是提供這樣一種薄膜磁傳感器及其制造方法，其 中即使是GMR膜由納米顆粒材料構成，這種薄膜磁傳感器的靈敏度降低幅度也較小，并且 磁滯的增加幅度也較小。即，本發(fā)明提供如下內(nèi)容。1. 一種薄膜磁傳感器，包括具有巨磁阻效應的巨磁阻膜，以及薄膜磁軛，每一個所述薄膜磁軛均包含軟磁性材料，并且與所述巨磁阻膜的兩端 電連接，其中每一個所述薄膜磁軛均包括外磁軛和內(nèi)磁軛，所述外磁軛包含第一軟磁性材 料，并且設置在相對于所述巨磁阻膜的外側；所述內(nèi)磁軛包含第二軟磁性材料，并且設置在 所述巨磁阻膜和所述外磁軛之間；其中所述第一軟磁性材料包含結晶性軟磁性材料或微結晶性軟磁性材料；其中所述薄膜磁傳感器是通過如下方式獲得的(1)依次形成各個所述外磁軛、 所述巨磁阻膜和各個所述內(nèi)磁軛，以及( 在形成所述巨磁阻膜之前，進行熱處理以改善 各個所述外磁軛的軟磁特性；并且其中各個所述內(nèi)磁軛的長度L2均滿足下式(a)和式(b)L2Zt1 ^ 1(a)L2 X 100/ (LJL2) ( 50 (b)其中，、為各個所述外磁軛的厚度，L1為各個所述外磁軛的長度。2.根據(jù)項1所述的薄膜磁傳感器，其中各個所述內(nèi)磁軛的長度L2滿足下式(b’)L2 X 100/ (LJL2)彡 20 (b，)。3.根據(jù)項1或2所述的薄膜磁傳感器，其中所述第一軟磁性材料包含選自由如下 材料所構成的組中的至少一種(A) 40 % -90 % Ni-Fe 合 Fe74Si9Al17, Fe12Ni82Nb6, Fe^.eSi^.A.sNb^CUo.^ Fe83Hf6C11^Fe85Zr10B5 合金、Fe93Si3N4 合金和!^e71B11Nw 合金；(B) 40 % -90 % Ni-Fe 合金 /SW2 多層膜；(Oi^uNd^O^納米顆粒合金、Co7ciAliciO2tl納米顆粒合金和Co65I^5AIiciO2q納米顆 粒合金；以及(D) C0Je35MAciF2ci 納米顆粒合金。4.根據(jù)項1至3中任意一項所述的薄膜磁傳感器，其中所述第二軟磁性材料包含 無定形軟磁性材料。
5. 一種制造薄膜磁傳感器的方法，該薄膜磁傳感器包括具有巨磁阻效應的巨磁阻 膜以及薄膜磁軛，每一個所述薄膜磁軛均包含軟磁性材料，并且與所述巨磁阻膜的兩端電 連接，該方法包括(1)在基底的表面上形成均包含第一軟磁性材料的一對外磁軛，使得各個內(nèi)磁軛 的長度L2均滿足下式(a)和式(b)的關系L2Zt1 ^ 1(a)L2 X 100/ (LJL2) ( 50 (b)其中，、為各個所述外磁軛的厚度，L1為各個所述外磁軛的長度，并且所述第一軟磁性材料包含結晶性或微結晶性軟磁性材料；(2)加熱所述外磁軛，以改善所述外磁軛的軟磁特性；(3)在所述的一對外磁軛之間形成巨磁阻膜；以及(4)在各個所述外磁軛和所述巨磁阻膜之間形成均包含第二軟磁性材料的所述內(nèi)磁軛。6.根據(jù)項5所述的制造薄膜磁傳感器的方法，其中各個所述內(nèi)磁軛的長度L2還滿 足下式(b，)L2 X 100/ (LJL2)彡 20 (b，)。當將各薄膜磁軛沿著磁敏感方向分為外磁軛和內(nèi)磁軛這兩部分，并且依次形成外 磁軛、GMR膜和內(nèi)磁軛時，可在GMR膜和各薄膜磁軛之間獲得良好的電接觸和磁接觸。此外，當將結晶性或微結晶性軟磁性材料(第一軟磁性材料)用作外磁軛材料，并 且在外磁軛形成后、GMR膜形成前對外磁軛進行熱處理時，薄膜磁軛的軟磁特性能夠得以增 強，而不會使GMR膜破裂。另外，即使在生產(chǎn)或使用過程中將磁傳感器暴露于高溫下，也不 會發(fā)生磁滯的增加。附圖簡要說明

圖1為示出根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的薄膜磁傳感器的平面圖。圖2為示出根據(jù)本發(fā)明的薄膜磁傳感器的制造方法的流程圖。圖3為示出薄膜磁傳感器的常規(guī)制造方法的流程圖。圖4A和4B為示出了具有由無定形材料構成的薄膜磁軛的常規(guī)薄膜磁傳感器在高 溫加熱之前(圖4A)和在加熱之后(圖4B)的MR特性的一個例子的圖。圖5為示出磁滯量AHmax的定義的示意圖。參考標號說明10 薄膜磁傳感器12:GMR 膜14a、14b:薄膜磁軛16a、16b:外磁軛18a、18b:內(nèi)磁軛本發(fā)明的最佳實施方式下面將對本發(fā)明的一個實施方案進行說明。1.薄膜磁傳感器圖1中示出了根據(jù)本發(fā)明的薄膜磁傳感器的平面圖。參見圖1，薄膜磁傳感器10包括具有巨磁阻效應的GMR膜12、以及薄膜磁軛14a和14b，所述薄膜磁軛14a和14b由軟 磁性材料構成并且與GMR膜12的兩端電連接。在這一方面，盡管沒有特別的限定，但是本 發(fā)明薄膜磁傳感器的厚度通常為100 μ m以下，優(yōu)選為10 μ m以下，更優(yōu)選為2 μ m以下。1.1GMR 膜1. 1. 1 材料GMR膜12用于隨著電阻R的變化來感應外磁場的變化，結果，隨著電壓的變化來檢 測外磁場的變化；GMR膜12由具有巨磁阻(GMR)效應的材料構成。為了以高靈敏度檢測出 外磁場的變化，GMR膜的MR比值的絕對值優(yōu)選較大。具體而言，GMR膜12的MR比值的絕對 值優(yōu)選為5%以上，更優(yōu)選為10%以上。此外，GMR膜12直接與薄膜磁軛14a和14b電連接，因此將其電阻率P高于薄膜 磁軛Ha和14b的電阻率的GMR膜用作GMR膜12。一般而言，當GMR膜12的電阻率P過低 時，由于會在薄膜磁軛Ha和14b之間發(fā)生短路，因此是不利的。另一方面，當GMR膜12的電 阻率P過高時，則噪音增加，并且難以隨著電壓的改變而檢測出外磁場的改變。具體而言， GMR膜12的電阻率P優(yōu)選為IO3 μ Ω cm至IO12 μ Ω cm,更優(yōu)選為IO4 μ Ω cm至IO11 μ Ω cm。盡管滿足這些條件的材料包括多種材料，但是在這些材料中，上述金屬-絕緣體 類納米顆粒材料尤其是適合的。金屬-絕緣體類納米顆粒材料不僅具有高的MR比值以及 高的電阻率P，并且其MR比值不會隨微小的組成改變而產(chǎn)生大的波動。因此，金屬-絕緣 體類納米顆粒材料的優(yōu)點在于可以以良好的再現(xiàn)性和低成本制造出具有穩(wěn)定的磁特性的 薄膜。具體而言，用于GMR膜12的金屬-絕緣體類納米顆粒材料包括(1)氧化物類納米顆粒合金，如Co-Y2O3類納米顆粒合金、Co-Al2O3類納米顆粒合 金、Co-Sm2O3類納米顆粒合金、Co-Dy2O3類納米顆粒合金和!^eCo-Y2O3類納米顆粒合金；以及(2)氟化物類納米顆粒合金，如!^e-MgF2, FeCo-MgF2, Fe-CaF2 和!^eCo-AlF3tj1.1. 2形狀和尺寸對GMR膜12的形狀和尺寸沒有特別限定，可根據(jù)是否能獲得所需磁場靈敏度來確 定。一般而言，電阻值與電阻元件的長度成正比，并且與電阻元件的橫截面積成反比。因此， 可通過增加GRM膜12的長度Le、減小其厚度(圖1中與紙面垂直方向上的長度)、或者縮 短其側向寬度W，從而提高GMR膜12的電阻R。通過提高電阻R，可降低設備的耗電量。然 而，當GMR膜12的電阻R過高時，對于某些情況中的放大器，可能會出現(xiàn)阻抗故障。1. 2薄膜磁軛1. 2. 1 構造薄膜磁軛14a和14b通過間隙而彼此相對，并且GMR膜12在間隙中或者在間隙附 近處與薄膜磁軛電連接。本文所使用的術語“在間隙附近處”表示受到薄膜磁軛14a和14b的前端所產(chǎn)生 的磁場放大效應影響的區(qū)域。薄膜磁軛Ha和14b之間所形成的磁場在間隙內(nèi)是最大的， 因此最優(yōu)選在間隙內(nèi)形成GMR膜12。然而，這意味著當作用于GMR膜12上的磁場實際上足 夠大時，GMR膜也可完全或部分地超出該間隙(例如，GMR膜可位于薄膜磁軛1 和14b的 上表面?zhèn)然蛳卤砻鎮(zhèn)?。在圖1所示的例子中，薄膜磁軛1 包括設置在相對于GMR膜12的外部(位于外側)的外磁軛16a、以及設置在GMR膜12與外磁軛16a之間的內(nèi)磁軛18a，其中外磁軛16a 包含第一軟磁性材料，內(nèi)磁軛18a包含第二軟磁性材料。此外，薄膜磁軛14b包括設置在相 對于GMR膜12的外部(位于外側)的外磁軛16b、以及設置在GMR膜12與外磁軛16b之間 的內(nèi)磁軛18b，其中外磁軛16b包含第一軟磁性材料，內(nèi)磁軛18b包含第二軟磁性材料。也 就是說，薄膜磁軛Ha和14b各自在磁敏感方向上被分為兩部分。在這一點上，本發(fā)明的薄 膜磁傳感器與常規(guī)的磁傳感器是不同的。順帶提及，術語“磁敏感方向”是指當GMR膜12的磁場靈敏度最大化時，外磁場的 施加方向。1. 2. 2.材料薄膜磁軛14a和14b用以改善GMR膜12的磁場靈敏度，并且包含軟磁性材料。為 了針對弱磁場獲得高磁場靈敏度，優(yōu)選的是將具有高磁導率μ和/或高飽和磁化強度Ms 的材料用于薄膜磁軛Ha和14b。具體而言，該材料的磁導率μ優(yōu)選為100以上，更優(yōu)選為 1,000以上。此外，飽和磁化強度Ms優(yōu)選為5 (k高斯)以上、更優(yōu)選為10 (k高斯)以上。在本發(fā)明中，薄膜磁軛1 和14b各自在磁敏感方向上被分為兩部分，因此除了上 述條件外，用于薄膜磁軛Ha和14b的材料還需滿足如下條件。1.2. 2. 1.用于外磁軛的材料構成外磁軛16a和16b的第一軟磁性材料包括結晶性軟磁性材料或微結晶性軟磁 性材料。當使用結晶性軟磁性材料或微結晶性軟磁性材料時，通常不會在薄膜形成后立即 獲得良好的軟磁特性(例如，磁導率低，并且矯頑磁力高)。為了改善軟磁特性，需要在膜形 成之后進行熱處理。另一方面，當在某一臨界溫度或更高溫度下對GMR膜12進行加熱時， GMR膜12的MR特性會發(fā)生劣化。用以改善結晶性或微結晶性軟磁性材料的熱處理溫度通 常高于GMR膜12的特性開始發(fā)生劣化時的臨界溫度。因此，如下文將說明的那樣，通過以下方式獲得本發(fā)明的薄膜磁傳感器10 :(1)依 次形成外磁軛16a和16b、GMR膜12以及內(nèi)磁軛18a和18b，以及⑵在形成GMR膜12之 前，進行熱處理以改善外磁軛16a和16b的軟磁特性。第一軟磁性材料的具體優(yōu)選例子包括(A) 40 % -90 % Ni-Fe 合金，F(xiàn)e74Si9Al17、！^e12Ni82Nb6、！^e75.J5Sia2Bi^5Nb1.9Cua8、 Fe83Hf6C11^Fe85Zr10B5 合金、Fe93Si3N4 合金和 Fe7IB11N18 合金；(B) 40 % -90 % Ni-Fe 合金 /SW2 多層膜；(C) Fe71.3Nd9.6019. ！納米顆粒合金、Co70Al10O20 納米顆粒合金和 Co65I^5AIiciO2q 納米顆 粒合金；以及(D) C035I^35MaciF2q 納米顆粒合金。外磁軛16a和16b可包含這些材料中的任意一種或兩種以上。1.2.2.2.用于內(nèi)磁軛的材料對構成內(nèi)磁軛18a和18b的第二軟磁性材料沒有特別限制，并且可為結晶性軟磁 性材料或微結晶性軟磁性材料、或者無定形軟磁性材料。第二軟磁性材料的優(yōu)選具體例子包括(A) 40 % -90 % Ni-Fe 合金，F(xiàn)e74Si9Al17、！^e12Ni82Nlv !^m6Si13.2B8.5NbL9Cu0.8、 Fe83Hf6C11^Fe85Zr10B5 合金、Fe93Si3N4 合金和!^e71B11Nw 合金；
(B) 40 % -90 % Ni-Fe 合金 /SW2 多層膜；(Oi^uNd^O^納米顆粒合金、Co7ciAliciO2tl納米顆粒合金和Co65I^5AIiciO2q納米顆 粒合金；(D) C0Je35MAciF2ci納米顆粒合金；以及(E) (Co94Fe6) 70Si15B15 無定形合金和 Co88Nb6Zr6 無定形合金。內(nèi)磁軛l&i和18b可包含這些材料中的任意一種或兩種以上。在這些材料中，諸如(Co9/e6) 70Si15B15或Co88Nb6Zr6之類的無定形軟磁性材料適合 作為構成內(nèi)磁軛18a和18b的材料，這是因為僅通過在室溫下形成膜即可獲得高的特性。1.2. 3.形狀和尺寸各個內(nèi)磁軛18a和18b的長度L2需要滿足下式(a)和式(b)L2Zt1 ^ 1 (a)L2 X 100/(LJL2)彡 50 (b)其中，、為各個外磁軛16a和16b的厚度，L1為各個外磁軛16a和16b的長度。在這一方面，、表示各個外磁軛在與圖1中紙面垂直方向上的長度。此外，當薄膜磁軛14a和14b并非兩面對稱時，則內(nèi)磁軛18a的長度L2、外磁軛16a 的厚度、以及外磁軛16a的長度L1滿足上式(a)和(b)，并且內(nèi)磁軛18b的長度L2、外磁 軛16b的厚度、以及外磁軛16b的長度L1滿足上式(a)和(b)即可。當L2過短時，則難以在各個外磁軛16a和16b與GMR膜12之間形成良好的內(nèi)磁軛 18a和18b。因此，L2A1的比值需要大于或等于1。L2A1的比值優(yōu)選大于或等于3，更優(yōu)選 為大于或等于5。另一方面，當L2過長時，則整個薄膜磁軛Ha和14b的特性受內(nèi)磁軛18a和18b的 特性控制的傾向增強。因此，存在這樣的問題整個薄膜磁軛Ha和14b的軟磁特性降低， 或者在生產(chǎn)或使用過程中磁滯會增加。因此，各個內(nèi)磁軛18a和18b的長度與各個薄膜磁 軛14a和14b的總長度的比值(L2XKKV(L^L2))需要小于或等于50%。各個內(nèi)磁軛18a 和18b的長度的比值更優(yōu)選為小于或等于40%，進一步更優(yōu)選為小于或等于30%。具體而言，優(yōu)選的是，各個內(nèi)磁軛18a和18b的長度L2滿足下式(b’)L2X 100/ (LJL2)彡 20 (b，)當長度L2滿足式(b’)時，整個薄膜磁軛14a和14b的特性基本上受外磁軛16a 和16b的控制。因此，當使用上述材料作為第一軟磁性材料，并對外磁軛16a和16b進行適 當?shù)臒崽幚頃r，整個薄膜磁軛Ha和14b的軟磁特性會得到改善，而不會取決于內(nèi)磁軛18a 和18b的材料。此外，在生產(chǎn)或使用過程中也不會發(fā)生磁滯的增加。在這方面，當薄膜磁軛1 和14b并非兩面對稱時，則內(nèi)磁軛18a的長度L2以及 外磁軛16a的長度L1滿足上式(b’)，并且內(nèi)磁軛18b的長度L2以及外磁軛16b的長度L1 滿足上式(b’ )即可。對各個薄膜磁軛1 和14b的寬度W沒有特別限制，可根據(jù)其目的來選取最佳值。 此外，在圖1所示的例子中，所繪制的薄膜磁軛Ha和14b為具有恒定寬度的矩形。然而， 這僅作示意用，不應解釋為其形狀僅限于此。例如，從各個薄膜磁軛14a和14b的兩端至GMR膜12，各個薄膜磁軛14a和14b的 寬度W可連續(xù)地減小或逐級地減小。當各個薄膜磁軛Ha和14b的寬度W連續(xù)地減小或逐級地減小時，可將更多的磁通量收集至GMR膜12。因此，具有磁場靈敏度得以改善的優(yōu)點。對各個薄膜磁軛14a和14b的厚度(即，各個外磁軛16a和16b的厚度、以及各 個內(nèi)磁軛18a和18b的厚度t2)也沒有特別限定，并且可根據(jù)目的來選取最佳值。此外，薄膜磁軛1 和14b的形狀優(yōu)選為兩面對稱的，但是也可以為非兩面對稱 的，只要滿足上述條件即可。2.薄膜磁傳感器的制造方法圖2示出了本發(fā)明薄膜磁傳感器的制造方法的流程圖。參見圖2，薄膜磁傳感器的 制造方法包括外磁軛形成步驟、熱處理步驟、GMR膜形成步驟、以及內(nèi)磁軛形成步驟。2.1外磁軛形成步驟外磁軛形成步驟為這樣的步驟在基底20的表面上形成均包含第一軟磁性材料 的一對外磁軛16a和16b，使得各個內(nèi)磁軛18a和18b的長度L2滿足下式(a)和式(b)的 關系(參見，圖2中的(a))L2Zt1 ^ 1(a)L2 X 100/ (LJL2) ( 50 (b)其中，、為各個外磁軛16a和16b的厚度，L1為各個外磁軛16a和16b的長度。當薄膜磁軛1 和14b兩面對稱時，形成由第一軟磁性材料構成的一對外磁軛16a 和16b，使得外磁軛16a和16b之間的距離Ly滿足式(c)的關系2t1+LG ^ Ly ^ 21^+1^ (c)其中，、為各個外磁軛16a和16b的厚度，L1為各個外磁軛16a和16b的長度，并 且Le為形成于一對外磁軛16a和16b之間的GMR膜的長度。當薄膜磁軛14a和14b兩面對稱時，則LY、L2和Lg之間滿足下式(d)的關系。式 (c)由式(a)、式(b)和式(d)得到Ly = 2L2+Lg (d)。此外，優(yōu)選的是，各個內(nèi)磁軛18a和18b的長度L2還滿足下式(b’ )L2XlOOZ(L^L2) ^ 20 (b，)當薄膜磁軛14a和14b兩面對稱時，外磁軛16a和16b之間的距離Ly優(yōu)選滿足式 (c，)。式(c，)由式(a)、式(b，)和式(d)得到。2t1+LG 彡 Ly 彡 2 (L/4) +Lg (c，)基底20的至少一個表面由非磁性絕緣材料構成即可。用于基底20的材料具體包括(a)玻璃、氧化鋁、MgO、石英和藍寶石；(b)表面上形成有SiO2膜的硅，以及表面上形成有氧化鋁膜的氧化鋁-碳化鈦；以 及(c)表面上形成有由非磁性絕緣材料構成的薄膜的非磁性金屬材料。對外磁軛16a和16b的形成方法沒有特別限定，可使用各種薄膜形成方法。第一 軟磁性材料的詳細情況如上所述，此處省略了對其的說明。2. 2.熱處理步驟(退火步驟)熱處理步驟(退火步驟)是對外磁軛16a和16b進行加熱以改善外磁軛16a和 16b的軟磁特性的步驟(參見，圖2中的(b))。
作為外磁軛16a和16b的熱處理溫度，根據(jù)第一軟磁性材料的種類來選擇最佳溫 度。熱處理溫度通常為300°C至1，200°C。例如，當GMR膜12含有納米顆粒材料時，在該溫度范圍內(nèi)加熱GMR膜12，會使電 阻率ρ增加且使MR比值降低。據(jù)認為，其原因如下納米顆粒粗糙化，從而使顆粒界面處 的絕緣膜厚度增加。另外，對于含有除納米顆粒材料之外的其它材料的GMR膜(例如，多層 膜)而言，當加熱至某一臨界溫度或更高溫度時，GMR膜的特性會由于層間原子擴散而發(fā)生 劣化。2. 3. GMR膜形成步驟GMR膜形成步驟為在一對外磁軛16a和16b之間形成GMR膜12的步驟(參見，圖 2中的(c))。對GMR膜12的形成方法沒有特別限定，可使用各種薄膜形成方法。關于GMR膜12 的詳細情況如上所述，因此這里省略了對GMR膜12的說明。2.4.內(nèi)磁軛形成步驟內(nèi)磁軛形成步驟為在一對外磁軛16a和16b中的每一個與GMR膜12之間分別形 成內(nèi)磁軛18a和18b的步驟，其中內(nèi)磁軛18a和18b均包含第二軟磁性材料。對內(nèi)磁軛18a和18b的形成方法沒有特別限定，可使用各種薄膜形成方法。在圖2所示的例子中，通過如下方式形成內(nèi)磁軛18a和18b (a)在基底20的整個 表面上形成包含第二軟磁性材料的薄膜18’ (參見，圖2中的(d))，以及(b)通過蝕刻除去 薄膜18’中的不需要部分(參見，圖2中的(e))。關于第二軟磁性材料的詳細情況如上所述，因此這里省略了對第二軟磁性材料的 說明。3.薄膜磁傳感器的工作及其制造方法在其中GMR膜的兩端設置有薄膜磁軛的磁傳感器中，其靈敏度主要由薄膜磁軛的 形狀和磁特性決定。在常規(guī)情況中，將無定形軟磁性材料用于薄膜磁軛。這是因為無定形軟 磁性材料僅需通過形成膜便可提供所需的性能，而無需進行用以改善軟磁特性的熱處理。如圖3所示，對于其中將無定形軟磁性材料用于薄膜磁軛的常規(guī)薄膜磁傳感器， 其制造方法如下(a)在基底的表面上形成GMR膜(參見，圖3中的(a)) ； (b)在基底的整 個表面上形成無定形軟磁性膜(參見，圖3中的(b))；以及通過蝕刻從而除去無定形軟磁 性膜的不需要部分，由此形成薄膜磁軛(參見，圖3中的(C))。通過該方法，GMR膜和薄膜 磁軛之間可容易地獲得良好的電接觸和磁接觸。因此，可以很好地制造薄膜磁傳感器而不 會產(chǎn)生偏差。薄膜磁傳感器的磁軛材料需要具有高的飽和磁化強度和磁導率以及低的矯頑磁 力。具體而言，矯頑磁力為重要參數(shù)，其會影響到作為傳感器特性之一的磁滯。當磁滯相對 于檢測靈敏度而言較大而不可忽略時，會產(chǎn)生這樣的功能問題外磁場的方向的改變導致 不能準確地檢測磁場強度。無定形軟磁性材料表現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁特性，并且其矯頑磁力也較低。因此，如圖4A 所示，在膜形成后(加熱之前)，磁滯立即變得較小。然而，無定形結構為亞穩(wěn)結構，而不是諸如晶體結構之類的穩(wěn)定結構，因此無定形 結構對熱不穩(wěn)定。因此，存在這樣的問題在暴露于一定程度的高溫下時會發(fā)生結晶，從而不能獲得預定的特性。特別是，由于暴露于高溫下矯頑磁力大幅增加。當實際使用磁傳感器時，在安裝磁傳感器時的回流焊接等過程中、或者在某些 情況中于約100°c的溫度下長時間使用磁傳感器時，磁傳感器會暴露在高溫(通常為約 2500C )下。在這種情況下，無定形結構會發(fā)生結晶，由此使磁滯增加。在無定形材料中這種現(xiàn)象尤其明顯。因此，預期可通過使用結晶性或微結晶材料 作為軟磁性材料來解決上述問題。然而，當通過諸如濺射之類的干式成膜法來形成結晶性或微結晶性軟磁性膜時， 在膜形成后，該軟磁性膜立即具有較差的軟磁特性(導磁率較低，并且矯頑磁力較高)。為 了獲得良好的軟磁特性，需要在成膜后在高溫下進行熱處理。此時的熱處理溫度通常高于 GMR膜特性開始發(fā)生劣化時的臨界溫度。因此，當依次形成GMR膜和薄膜磁軛時，在對傳感 器進行熱處理以改善薄膜磁軛的軟磁特性時，GMR膜會破裂，從而導致難以制造出正常的傳 感器。與此形成對比的是，當將各薄膜磁軛沿著磁敏感方向分為兩部分時，在制造工藝 開始時形成包含結晶性或微結晶性材料的外磁軛，隨后在預定溫度下進行熱處理，則可獲 得具有良好的軟磁特性的外磁軛。隨后，在依次形成GMR膜和內(nèi)磁軛時，GMR膜和各薄膜磁 軛之間便可獲得良好的電接觸和磁接觸，而不會使GMR膜斷裂。另外，當將各個內(nèi)磁軛的長 度L2設定在特定范圍內(nèi)時，則整個薄膜磁軛的磁特性受到外磁軛的控制。因此，當在生產(chǎn) 或使用過程中將內(nèi)磁軛暴露在高溫下并且這些部分的磁特性發(fā)生劣化時，對整個磁軛的性 能影響可以忽略。另外，這樣可使得即使在暴露于高溫之后，傳感器也能夠正常工作。
實施例(實施例1)1.樣品的制備根據(jù)圖2所示的步驟來制備圖1所示的薄膜磁傳感器10。將其上形成有經(jīng)熱氧化 后的硅(SiO2)的硅膜用作基底20，并將Ni8t^e2tl用于外磁軛16a和16b。此外，將!^eCo-MgF2 納米顆粒合金用于GMR膜12，并將無定形合金(Co94Fe6)7tlSi15B15用于內(nèi)磁軛18a和18b。使L1和L2分別在0至270 μ m以及10 μ m至300 μ m的范圍內(nèi)進行改變。將W設 定為20μπι或ΙΟΟμπι。此外，將外磁軛16a和1 的厚度、以及內(nèi)磁軛18a和1 的厚度 t2分別設定為1 μ m。2.測試方法對于所獲得的薄膜磁傳感器，在200°C下加熱60分鐘之前和之后，分別評價MR特 性。由所測得的MR波形確定磁滯量。如圖5所示，在相同的MR比值處，依次確定“向前”和 “向后”之間的磁場H的差值ΔΗ。將其最大值AHmax定義為磁滯量。3.結果其結果示于表1。順帶提及，各傳感器的情況一同記錄于表1中。從表1中可看出 如下內(nèi)容。(1)當！^ = 0時，即當整個薄膜磁軛由無定形材料構成時，加熱之前的磁滯量 AHmax較小。然而，由于加熱使得磁滯量AHmax大幅增加。(2)當內(nèi)磁軛的長度比值( = L2XlO(VO^L2))為50%以下時，加熱之前和加熱之后的磁滯量AHmax的差值變小。(3)當內(nèi)磁軛的長度比值為20%以下時，加熱之前和加熱之后的磁滯量AHmax的
差值約為零。(4)所觀察到的上述⑴至(3)的趨勢與磁軛的寬度W以及磁軛的總長度(L^L2) 無關。表 權利要求
1. 一種薄膜磁傳感器，包括具有巨磁阻效應的巨磁阻膜，以及薄膜磁軛，每一個所述薄膜磁軛均包含軟磁性材料并且與所述巨磁阻膜的兩端電連接，其中每一個所述薄膜磁軛均包括外磁軛和內(nèi)磁軛，所述外磁軛包含第一軟磁性材料并 且設置在相對于所述巨磁阻膜的外側；所述內(nèi)磁軛包含第二軟磁性材料并且設置在所述巨 磁阻膜與所述外磁軛之間；其中所述第一軟磁性材料包含結晶性軟磁性材料或微結晶性軟磁性材料； 其中所述薄膜磁傳感器是通過如下方式獲得的(1)依次形成各個所述外磁軛、所述 巨磁阻膜和各個所述內(nèi)磁軛，以及( 在形成所述巨磁阻膜之前進行熱處理以改善各個所 述外磁軛的軟磁特性；并且其中各個所述內(nèi)磁軛的長度L2均滿足下式(a)和式(b) Vt1 ^ 1(a)L2XlOOZ(L^L2) ( 50(b)其中，、為各個所述外磁軛的厚度，L1為各個所述外磁軛的長度。
2.根據(jù)權利要求1所述的薄膜磁傳感器，其中各個所述內(nèi)磁軛的長度L2進一步滿足下 式(b，)L2XlOOZ(L^L2)彡 20(b，)。
3.根據(jù)權利要求1所述的薄膜磁傳感器，其中所述第一軟磁性材料包含選自由如下材 料所構成的組中的至少一種(A)40% -90% Ni-Fe 合金、Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6, Fe^eSi^A.sNbi.gCuo.g, Fe83Hf6C11, Fe85Zr10B5 合金、Fe93Si3N4 合金和!^e71B11Nw 合金；(B)40 % -90 % Ni-Fe 合金 /SiO2 多層膜；(Oi^^Nd^O^納米顆粒合金、Co7ciAlltlO2ci納米顆粒合金和Cof^e5AliciO2ci納米顆粒合 金；以及(D)Co35Fe35Mg10F20 納米顆粒合金。
4.根據(jù)權利要求2所述的薄膜磁傳感器，其中所述第一軟磁性材料包含選自由如下材 料所構成的組中的至少一種(A)40% -90% Ni-Fe 合金、Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6, Fe^eSi^A.sNbi.gCuo.g, Fe83Hf6C11, Fe85Zr10B5 合金、Fe93Si3N4 合金和!^e71B11Nw 合金；(B)40 % -90 % Ni-Fe 合金 /SiO2 多層膜；(Oi^^Nd^O^納米顆粒合金、Co7ciAlltlO2ci納米顆粒合金和Cof^e5AliciO2ci納米顆粒合 金；以及(D)Co35Fe35Mg10F20 納米顆粒合金。
5.根據(jù)權利要求1所述的薄膜磁傳感器，其中所述第二軟磁性材料包含無定形軟磁性 材料。
6.根據(jù)權利要求2所述的薄膜磁傳感器，其中所述第二軟磁性材料包含無定形軟磁性 材料。
7.根據(jù)權利要求3所述的薄膜磁傳感器，其中所述第二軟磁性材料包含無定形軟磁性材料。
8.根據(jù)權利要求4所述的薄膜磁傳感器，其中所述第二軟磁性材料包含無定形軟磁性 材料。
9.一種制造薄膜磁傳感器的方法，該薄膜磁傳感器包括具有巨磁阻效應的巨磁阻膜以 及薄膜磁軛，每一個所述薄膜磁軛均包含軟磁性材料并且與所述巨磁阻膜的兩端電連接， 所述方法包括(1)在基底的表面上形成均包含第一軟磁性材料的一對外磁軛，使得各個內(nèi)磁軛的長 度L2均滿足下式(a)和式(b)的關系 其中，、為各個所述外磁軛的厚度，并且L1為各個所述外磁軛的長度，并且 所述第一軟磁性材料包含結晶性軟磁性材料或微結晶性軟磁性材料；(2)加熱所述外磁軛，以改善所述外磁軛的軟磁特性；(3)在所述一對外磁軛之間形成巨磁阻膜；以及(4)在各個所述外磁軛與所述巨磁阻膜之間形成均包含第二軟磁性材料的所述內(nèi)磁軛。
10.根據(jù)權利要求9所述的制造薄膜磁傳感器的方法，其中各個所述內(nèi)磁軛的長度L2 進一步滿足下式(b’)
全文摘要
本發(fā)明提供一種薄膜磁傳感器，包括具有巨磁阻效應的巨磁阻膜以及薄膜磁軛，每一個薄膜磁軛均由軟磁性材料構成并且與巨磁阻膜的兩端電連接；其中每一個薄膜磁軛均包括外磁軛和內(nèi)磁軛，所述外磁軛由第一軟磁性材料構成并且設置在相對于巨磁阻膜的外側；所述內(nèi)磁軛由第二軟磁性材料構成并且設置在巨磁阻膜和外磁軛之間；第一軟磁性材料由結晶性軟磁性材料或微結晶性軟磁性材料構成；該薄膜磁傳感器通過如下方式獲得(1)依次形成各個外磁軛、巨磁阻膜和各個內(nèi)磁軛，以及(2)在形成巨磁阻膜之前進行熱處理以改善各個外磁軛的軟磁特性；各個內(nèi)磁軛的長度L2均滿足下式(a)和式(b)L2/t1≥1(a)；L2×100/(L1+L2)≤50(b)，其中，t1為各個外磁軛的厚度，L1為各個外磁軛的長度。
文檔編號G01R33/09GK102135605SQ20111002583
公開日2011年7月27日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權日2010年1月21日
發(fā)明者今枝香織, 小山惠史 申請人:大同特殊鋼株式會社