專利名稱：帶有自旋閥磁阻元件的橋電路磁場傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場傳感器，特別是關(guān)于在橋電路中使用磁阻(MR)傳感器元件的磁場傳感器。
磁場傳感器有廣泛的商業(yè)用途，其應(yīng)用諸如線性或環(huán)形編碼器，接近度檢測器，以及地球場磁力儀等。一種通用的磁場傳感器是以霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)，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(dǎo)體或鐵磁材料中的磁阻(MP)效應(yīng)為基礎(chǔ)，用于感知與霍爾效應(yīng)傳感器相比較小的磁場和在較遠(yuǎn)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通量強(qiáng)度和方向的函數(shù)。
傳統(tǒng)的MR傳感器的運(yùn)作是基于各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)，其中敏感元件電阻的一個分量隨敏感元件中磁化強(qiáng)度和通過敏感元件的傳感電流方向之間夾角余弦的平方而變化。被傳感的外部磁場造成敏感元件中磁化強(qiáng)度方向的變化，這種變化反過來造成敏感元件中電阻的變化和被感知電流或電壓的相應(yīng)變化。
由AMR材料制成的電橋電路用作感知大約50Oe以下的磁場。在惠斯登橋電路中使用AMR元件的磁場傳感器一例在授予Honeywell的美國專利No.5，247，278中進(jìn)行了描述。在電氣和電子工程師學(xué)會磁學(xué)會刊(IEEE Transactions on Magnetics)卷MAG-6，1976年11月，813-815頁上描述了AMR惠斯登橋電路的另一個例子，該例中的橋電路和一個電流母線(current strap)一起使用，起到電流傳感器的作用。
在多種磁性多層結(jié)構(gòu)中已觀測到另一種更顯著的磁阻，叫作巨大磁阻(GMR)。GMR的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是它至少有兩個鐵磁金屬層被一個非鐵磁金屬層分隔開。這種GMR效應(yīng)已在多種顯示出鐵磁層的強(qiáng)抗鐵磁耦合的多種系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，例如Fe/Cr、Co/Cu、或Co/Ru，而且還在實(shí)際上不耦合的多層結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，在這種多層結(jié)構(gòu)中兩個鐵磁層之一里的磁化強(qiáng)度方向是固定的，或者說是被定住的。在所有GMR結(jié)構(gòu)中的物理根源都是相同的;所施加的外磁場使相鄰鐵磁層的相對取向發(fā)生了變化。這種變化又引起依賴于自旋的導(dǎo)電電子散射的變化，從而使結(jié)構(gòu)的電阻發(fā)生變化。這樣，結(jié)構(gòu)電阻隨著鐵磁層磁化強(qiáng)度相對排列的變化而變化。GMR的一個特別有用的應(yīng)用是一種夾層結(jié)構(gòu)，其組成是兩個不耦合鐵磁層被一個非磁性金屬分離層隔開，其中一個鐵磁層的磁化強(qiáng)度是被定住的。將要被定住的鐵磁層放置在一個鐵-錳(Fe-Mn)層上以互換耦合這兩層，從而是實(shí)現(xiàn)固定磁化強(qiáng)度。這樣造成一個自旋閥(SV)傳感器，其中只有未定住的或自由的鐵磁層在存在外加磁場時(shí)是自由轉(zhuǎn)動的。IBM的美國專利第5，206，590號披露了一種基本SV傳感器。IBM的美國專利第5，159，513號披露的一種SV傳感器中至少幾個鐵磁層之一是鈷或鈷合金，而且其中通過被定住鐵磁層與一抗鐵磁層的互換耦合使在零外加磁場情況下這兩個鐵磁層的磁化強(qiáng)度保持彼此基本上互相垂直。IBM的美國專利No.5，341，261描述的一種SV傳感器在其與金屬隔離層相鄰處有一鈷薄膜用以增大磁阻。有最線性響應(yīng)和最寬動態(tài)范圍的SV傳感器是這樣一種傳感器，其中被定住鐵磁層的磁化強(qiáng)度平行于信號場，而自由鐵磁層的磁化強(qiáng)度垂直于信號場。Heim等人在“自旋閥傳感器的設(shè)計(jì)與操作”(IEEE Transaetions on Magnetics，卷30，第2期，1994年3月，316-321頁)一文中描述了SV傳感器的設(shè)計(jì)與操作。
Daughton等在“應(yīng)用于低強(qiáng)度場的GMR材料”(IEEE Transaetions on Magnetics，卷29，第6期，1993年11月，2705-2710頁)中已建議在橋電路中使用GMR元件制作磁場傳感器。該參考文獻(xiàn)提出使用“被定住的”GMR結(jié)構(gòu)(即SV元件)的橋電路是可能的，但他聲明這種裝置還沒有被展示出來。
所需要的是這樣一種橋電路磁場傳感器，它利用了SV傳感器的優(yōu)于傳統(tǒng)AMR傳感器的改進(jìn)了的性能。
本發(fā)明是一個磁場傳感器，它利用了四個單個自旋閥(SV)元件電連接于一個橋電路中。SV元件用平板印刷術(shù)形成于同一片基上，使它們的自由層磁化強(qiáng)度軸彼此平行。在該片基上形成一個導(dǎo)電固定層，但它與各SV元件絕緣。在制造磁場傳感器過程中，當(dāng)固定導(dǎo)體中通過電流和同時(shí)對傳感器適當(dāng)加熱和冷卻，從而使SV元件中被定住層磁化強(qiáng)度方向固定成這樣的結(jié)果在兩個SV元件中的被固定層的磁化強(qiáng)度方向反平行于另兩個SV元件中的被固定層的磁化強(qiáng)度方向。橋電路輸出電壓響應(yīng)傳感器平面中的外加磁場。制造傳感器過程中通過適當(dāng)?shù)毓潭ū欢ㄗ哟呕瘡?qiáng)度方向，使橋電路的輸出電壓成為或者是磁場強(qiáng)度的度量或者是磁場梯度的度量。該傳感器提供磁場或磁場梯度的大小與符號兩者的度量。固定導(dǎo)體，或者在片基上形成的一個單獨(dú)的電流母線，能用于通過傳感器傳送一個未知電流，在這種情況下橋電路的輸出電壓是這一未知電流的度量。
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)參考下文中結(jié)合附圖所做的詳細(xì)描述。


圖1是橋電路磁場傳感器的示意圖，表明構(gòu)成SV元件的各層中的磁化取向。
圖2給出單個SV元件的電阻響應(yīng)，作為施加的或外部的被感知磁場的函數(shù)。
圖3給出橋電路磁場傳感器的被測電壓響應(yīng)，作為被感知磁場的函數(shù)。
圖4是在片基上形成的橋電路磁場傳感器組成層的平面圖。
圖5是橋電路磁場傳感器的放大圖，顯示出片基上形成的各層。
圖6是穿過圖4中X-X截面選取的橋電路磁場傳感器截面圖。
圖7A-7D給出制作構(gòu)成橋電路磁場傳感器所用典型SV元件的各層在制作過程各個階段的狀況。
首先參考圖1，圖中顯示出SV橋電路磁場傳感器的示意圖，其中四個單獨(dú)的SV元件A、B、C和D排列在一個惠斯登橋電路中。為了展示出構(gòu)成每個SV元件A-D的各單個層，在圖中的SV元件以透視圖來表現(xiàn)。在實(shí)際上，它們是形成于圖中平面上的。每個SV元件有長度L和寬度W。SV元件在平面上的排列是使它們的長度，彼此平行。被感知的磁場用箭頭H表示，它處于該圖所在平面并與SV元件的長度L垂直。
傳感器10有第一組終端引出線20和22，分別位于第一和第二SV元件A-B之間以及第三和第四SV元件C-D之間，用作傳感器的輸入端引線。在輸入端20和22之間加以恒定電壓(圖中未畫出)。傳感器10有第二組終端引出線24和26，分別位于SV元件A-C和B-D之間，用作傳感器的輸出端。被感知的外部磁場H引起每個SV元件中電阻的變化。
參考圖1中的SV元件B能理解傳感器10的操作，圖1中顯示了構(gòu)成SV傳感器的各個單層。SV元件B的構(gòu)成是一個鐵磁自由層36，一個非鐵磁隔離層37，一個被定住鐵磁層39，以及一個抗鐵磁層41用于定住相鄰的被定住層39。操作傳感器10的關(guān)鍵是每個SV元件A-D中相對自由和被定住層的取向。如圖1所示，在沒有外加磁場的情況下，對于4個SV元件所有自由層而方，各磁化強(qiáng)度軸的最佳方向是沿著SV元件的長度L。在典型SV元件B中，對于自由層36這個方向用箭頭32表示。這樣，在SV元件A-D中自由層磁化強(qiáng)度方向是排列成彼此平行的。然而，每個被定住層的磁化強(qiáng)度軸(在典型SV元件B中對被定住層39用箭頭38表示)的取向垂直于通過其SV元件的電流的方向，而與其SV元件的寬度W平行。然而，在SV元件B和C中被定住層的磁化強(qiáng)度方向與SV元件A和D中被定住層的磁化強(qiáng)度方向相反。再參考典型SV元件B，被定住層39的磁化強(qiáng)度軸38與自由層36的最佳磁化強(qiáng)度軸32之間的垂直角在沒有磁場的情況下提供了SV元件的最線性響應(yīng)。常用的估計(jì)SV元件信號能力的性能指標(biāo)是固有磁阻△R/R.用電阻變化(對于平行和垂直于傳感器磁化強(qiáng)度的電流)除以平均電阻來計(jì)算。
因?yàn)镾V元件A-D是在一共用基片上同時(shí)形成的，而且有同時(shí)確定的平板印刷尺寸，所以傳感器10的橋電路是平衡的。于是終端引出線24和26之間的差分輸出電壓近似于零。當(dāng)傳感器10暴露于一均勻磁場H時(shí)，其自由層轉(zhuǎn)動一個角度d而被定住層不受影響，造成每個SV元件A-D中電阻的改變。如圖1所示，H是一個外加磁場，它完全處在基片平面內(nèi)，其方向垂直于SV元件的長度L。然而，如果外加磁場不在片基平面內(nèi)和/或不完全垂直于SV元件的長度L，那么傳感器10將提供外加磁場的處于片基平面內(nèi)和方向垂直于SV元件長度L的分量的振幅(大小和符號)的度量。
單個SV元件的電阻響應(yīng)示于圖2。對于輸出終端引出線24和26之間出現(xiàn)的電壓，元件A和D(它們各自的電阻為RA和RD)的響應(yīng)必須與元件B和C的響應(yīng)大小相等而符號相反。如在前面引述的Heim的參考文獻(xiàn)所討論的那樣，這個關(guān)系是RA＝RD＝Ro+△R/2×H/Hk(eff)(1)這里Ro是沒有外加磁場時(shí)SV元件的電阻，Hk(eff)是SV元件的有效各向異性場，△R是SV元件電阻的最大變化。對于其被定住層垂直于元件長度L而且沿著正外加場H方向的SV元件(如元件B和C)，這個等式是有效的。對于均勻外加磁場H，SV元件A和D有相等的電阻，因?yàn)樗鼈冇型耆嗤膸缀涡螤?。SV元件B和C的被定住層與SV元件A和D的被定住層成反平行排列，所以它們對外加磁場H的響應(yīng)有相反的符號但相等的幅度RB＝RC＝Ro-△R/2×H/Hk(eff)(2)橋電路的響應(yīng)Vout由下式給出Vout＝Vin×( (RC)/(RA+RC) )-Vin×( (RD)/(RB+RD) )(3)
這里Vin是加到輸入端引線20和22之間的供給電壓。用上面給出RA、RB、RC和RD值代入該式，得到輸出電壓Vout＝-Vin×(△R/2Ro)×H/Hk(eff)(4)如等式(4)所示，傳感器的電壓響應(yīng)是完全在片基平面內(nèi)且垂直于SV元件長度的外加磁場振幅(大小和符號)的度量。如果外加磁場有不在片基平面內(nèi)和不垂直于SV元件長度的分量，那么等式(4)是處于片基平面內(nèi)且垂直于SV元件長度的外加磁場分量的近似表示。
Hk(off)與橋電路磁場傳感器對外加磁場H的靈敏度有關(guān)，并且包括在2至5奧斯特范圍內(nèi)的固有晶體各向異性以及形狀各向異性，對于長度為L的較長元件，形狀各向異性近似地由下式給出Hk(shapc)＝4πM3(t/W)(5)這里W是SV元件的寬度，t是自由層的厚度。Hk(off)是為克服由于結(jié)晶和形狀各向異性產(chǎn)生的能量所需附加的磁場，因而使自由層垂直于指向它的容易軸(easy axis)。對于50A(埃)厚度的Ni-Fe自由層，Hk(shqpe)對于10微米寬的SV元件是5奧斯特，對于3.3微米寬的SV元件是15奧斯特。
使用△R/R為6%、片電阻為15歐姆、寬度W為3.3微米和和長度L為500微米的SV元件，當(dāng)外加磁場H從＝Hk(off)變到+Hk(off)時(shí)，磁場傳感器的電阻將變化136歐姆。對于供電電壓Vin為5V的情況，這將造成場傳感器輸出Vout從-150mV變化到+150mV。這顯示在圖3的測量得到的磁場傳感器響應(yīng)中。對于20奧斯特的Hk(off)和5V的Vin，這相應(yīng)于其響應(yīng)為每奧斯特7.5mV。相比之下，對于當(dāng)前商用AMR傳感器而言，這個值是1.5mV每奧斯特。
在所顯示和描述的最佳實(shí)施例中，輸入電源是一個恒定電壓源，如果輸入電源是一個恒定電流源，該傳感器也能工作。
圖4和圖5給出SV橋式磁場傳感器10的最佳實(shí)施例。圖4顯示出在硅(Si)片基50上成型的構(gòu)成橋電路的各具體分層;圖5是這些層的放大透視圖，以便更好地展示出它們的片基50上的取向。
參考圖5，首先是一個緩沖層51沉積在Si片基50上。然后，SV元件A-D的各層按下述方式形成于緩沖層51之上。在此之后，綴片形式的電導(dǎo)體52、54、56、58成型于各SV元件A-D的末端以便電連接這四個單獨(dú)的SV元件。電導(dǎo)體綴片52和56分別互連SV元件A-B和C-D，并包括傳感器10的輸入端引腳20和22。電導(dǎo)體綴片54和58分別互連SV元件A-C和B-D，并包括傳感器10的輸出端引腳24和26。然后在電導(dǎo)體綴片52、54、56和58以及SV元件上面形成絕緣層60。接著，在絕緣層60上面成型一個電導(dǎo)體SV元件固定層70。該固定層覆蓋于所有SV元件A-D之上，但由于絕緣層60的存在并不與它們電連接。SV元件固定層并不一定在完成后的傳感器10操作過程中起作用，在制造傳感器10時(shí)要用它按下述方式永久性地定住每個SV元件被定住層。
下面將參考圖6描述傳感器10的制作過程，圖6是通過圖4中X-X截面所作的截面圖。傳感器10是利用傳統(tǒng)的薄膜沉積、平板印刷和蝕刻處理制作出來的。一個單晶半導(dǎo)體品位的硅(Si)薄片用作為片基50。然后在Si片基50上用濺鍍法沉積一個厚約1000-2000 的氧化鋁(Al2O3)緩沖層51。緩沖層51的目的是對Si片基51提供電絕緣。然后在緩沖層51上形成單個SV元件A-D，圖6中顯示了SV元件A和B。
現(xiàn)在參考圖7A-7B來描述典型的SV元件B的制作。在緩沖層51上先沉積一個50 厚的鉭(Ta)底層55。如圖7A所示，第一鐵磁層36沉積于緩沖層51之上。層36是SV元件中的自由鐵磁層，最好由Ni-Fe(鎳-鐵)構(gòu)成，其組分范圍是Ni80Fe20至Ni85Fe15，其厚度為10-100 。然后在鐵磁層36上依次沉積一個薄的非鐵磁金屬隔離層37，一個鐵磁材料第二薄層39，一個有相對較高電阻并直接與鐵磁層39接觸的互換偏倚材料薄層41，以及一個鉭(Ta)蓋層44。第二鐵磁層39將成為被定住層，它也是由Ni-Fe構(gòu)成的，厚度為10-100 。非磁性隔離層37最好是銅(Cu)的，形成厚度為20-40 。互換偏倚層41最好是由適當(dāng)?shù)目硅F磁材料制成，如鐵-錳(Fe-Mn)或鎳-錳(Ni-Mn)層，形成厚度為100-400 。
雖然在圖7A-7D中沒顯示出來，但如先前引證過的，261號專利所示，在每個SV元件的最佳實(shí)施例中，其自由和被定住鐵磁層36和39分別由銅隔離層37上的鈷(Co)薄膜(5-15A厚)及Ni-Fe薄膜(10-100A厚)組成。這樣可以產(chǎn)生較大的△R/R和較大輸出電壓。圖3中的數(shù)據(jù)對應(yīng)于由這種SV元件制成的磁場傳感器。
鐵磁層36被稱作“自由”鐵磁層，因?yàn)樗鼘㈨憫?yīng)外加磁場(圖1所示磁場H)而自由轉(zhuǎn)動其磁化強(qiáng)度方向32。鐵磁層39被稱作“被定住的”鐵磁層，因?yàn)樗拇呕瘡?qiáng)度方向被固定或者說定住于一個優(yōu)先取向，如箭頭38所示，在存在外加磁場時(shí)不能轉(zhuǎn)動。
然后在蓋層44上成型光敏抗蝕劑以確定單個矩形SV元件A-D的形狀，然后用傳統(tǒng)的去除技術(shù)(例如離子研磨)去掉層36、37、39、41和44的未被光敏抗蝕劑保護(hù)起來的部分，并稍微深入到底層55。如圖7B所示，這樣造成了確定得很好的邊緣，用以規(guī)定出每個SV元件的長度L和寬度W。這樣，圖7A-7B展示了構(gòu)成SV元件(例如圖6中的典型SV元件B)的方式方法。下一步是構(gòu)成導(dǎo)體綴片(如綴片54、56)以電連接各SV元件。
現(xiàn)在參考圖7B，光敏抗蝕劑45成型于SV元件之上以形成電導(dǎo)體綴片，例如綴片54、56(圖7C)。在一種制作過程中，電導(dǎo)體由順序沉積的Ta(鉭)、Au(金)和Ta層構(gòu)成，其總厚度達(dá)1000 。將綴片沉積于SV元件上然后去掉光敏抗蝕劑和金屬而留下綴片(圖7C)從而實(shí)現(xiàn)與每個SV元件的電連接。在另一種制作過程中，首先對SV元件端部進(jìn)行離子研磨以去掉(多余)材料，然后或者沉積Ni-Fe和互換材料，或者沉積硬材料(CoPtCr)，作為層57，隨后再沉積Ta/Au/Ta。然后去掉光敏抗蝕劑和金屬以形成如7D所示綴片54、56的形狀。
盡管圖7A-7B所示典型SV元件B的實(shí)施例中的自由層36的位置比被定住層39更靠近底層51，但以相反方式形成SV元件也是可能的，即以被定住層更靠近底層。在那種結(jié)構(gòu)中，用于定住被定住層39的抗鐵磁層41就要位于底層55和被定住層39之間。
再參考圖6，導(dǎo)體綴片，如54、52、56，規(guī)定了一個互連所有SV元件A-D的電通路。在形成綴片和除掉光敏抗蝕劑之后，再沉積一層中等絕緣層60(最好是氧化鋁(Al2O3))作為厚度約1500 的一片覆蓋在綴片54、52、56及SV元件上。然后再加上光敏抗蝕劑并成型，以確定在氧化鋁絕緣層60上覆蓋的SV元件固定層70。導(dǎo)電固定層70最好是金(Au)的，而且其沉積厚度約為2000 。附加的氧化鋁頂部絕緣層80(圖4和圖5中未畫出)沉積成一個保護(hù)外套罩在形成傳感器10的所有薄膜上。最后，以傳統(tǒng)方式形成從頂部絕緣層80向下到固定層70的通道以構(gòu)成固定層70的終端引出腳(引出腳72示于圖6)，再向下通過絕緣層80和60以形成導(dǎo)體綴片終端引出腳(引出腳26示于圖6)。
在這些制作步驟之后，下一步是必須定住每個被定住層，如SV元件B中的層39(見圖1)，從而使它們的磁化強(qiáng)度方向永久固定于適當(dāng)?shù)姆较驅(qū)V元件B的被定住層其方向?yàn)榧^38所示)。這樣作是必要的，以便使每個被定住層的磁化強(qiáng)度取向垂直于通過各SV元件的電流方向，并處于圖1中所示的各自方向。使用先前的SV元件制作過程不可能使四個不同的被定住層的磁化強(qiáng)度定住在不同的方向上，因?yàn)槭褂猛饧哟艌鰜砉潭〞顾写呕瘡?qiáng)度取向于同一方向，這將使傳感器10不能被用作為橋電路磁場傳感器。利用導(dǎo)體固定層70使被定住層永久性定住在它們各自的適當(dāng)取向成為可能。
再參考圖4和圖5，通過導(dǎo)體固定層70上的引出腳72和74加上固定電流(引出腳76和78不用于固定過程，但保留供下述其他應(yīng)用中使用)。該電流值可以選擇，從而使電流伴隨的磁場有足夠的強(qiáng)度使被定住層的磁化強(qiáng)度取向于適當(dāng)方向。對于SV元件A、B、C、D，通過其固定層70每個腳的電流方向分別由箭頭91、92、93和94表示。在每個SV元件被定住層的磁化強(qiáng)度將取向于由眾所周知的“右手定則”所確定的方向。對于被定住層的這些方向示于圖1。如果在SV元件上固定層70的寬度為10微米，通過固定層70的一個230mA電流將產(chǎn)生一個大約145Oc(奧斯特)的磁場。這個磁場的方向是“向上”還是“向下”取決于橋電路每個腳(亦即每個SV元件A-D)中的電流方向。當(dāng)加上固定用電流時(shí)，如果抗鐵磁定住層是Fe-Mn，則傳感器10被加熱到大約150-160℃。這個溫度超過了使Fe-Mn亞晶格磁化強(qiáng)度與相鄰被定住層磁化強(qiáng)度排成一行所需要的溫度。在Fe-Mn的情況中，這個使其排成一行的設(shè)置溫度被稱作鎖定(blocking)溫度。自由和被定住的Ni-Fe層二者的磁化強(qiáng)度都與固定用電流造成的磁場排成一行。因?yàn)镹i-Fe被定住層被互換耦合于相鄰的Fe-Mn層，它們的磁化強(qiáng)度將排列成平行于其相應(yīng)Fe-Mn抗鐵磁層的磁化強(qiáng)度。然后該傳感器被冷卻而同時(shí)繼續(xù)加以固定用電流。在冷卻之后，F(xiàn)e-Mn抗鐵磁層的亞晶格磁化強(qiáng)度取向被固定，它也把被互換耦合的被定住層的磁化強(qiáng)度永久定住在所希望的方向。當(dāng)固定用電流被斷掉后，自由層的磁化強(qiáng)度取向轉(zhuǎn)向它們的原來狀態(tài)，這通常是平行于SV元件的長度L。即使單個SV元件都形成于同一片基上。將不同的被定住層的磁化強(qiáng)度方向永久地固定于不同方向的這一過程造成了平衡電橋，其中每個腳按相反的意義響應(yīng)被感知的外磁場。
對于SV元件而言，固定用電流值、固定層尺寸、以及固定過程對于獲得盡可能大的△R/R是重要的。固定電流層70和各SV元件之間的重疊對于簡化可制造性是需要的，以便提供層排列和層寬度容差，以及好的磁場均勻性。這一重疊應(yīng)該最小為絕緣層60厚度的3倍。這種重疊的意思是層70中的導(dǎo)體寬度應(yīng)該重疊每個SV元件的寬度W。這一重疊可以是在SV元件每側(cè)大約3微米。在所述實(shí)施例(圖4所示)中，SV元件的寬度是3.3微米，疊加在SV元件上的固定導(dǎo)體的寬度是10微米。
固定層70的電流按下列公式確定加于SV元件上的橫向磁場HT
HT＝2πI/WF(6)這里I的單位是mA，WF是導(dǎo)體的寬度，以微米為單位，HT是磁場，以O(shè)c為單位。磁場HT之值最小應(yīng)為2Hk(off)，因?yàn)楫?dāng)SV元件被加熱超過它們的設(shè)置溫度時(shí)，該磁場需要克服自由層和被定住層二者的形狀各向異性磁場。因?yàn)镠k(off)只包括形狀各向異性場的平均值，所以應(yīng)該使用3-10Hk(off)范圍的HT值以保證被定住層的邊緣部分也能適當(dāng)?shù)嘏帕?。對于圖4所示實(shí)例，使用HT＝7Hk(off)去固定被定位層。
磁場傳感器10被固定用電流產(chǎn)生的熱以及周圍的熱(通常來自加熱爐)二者加熱，以便提高其溫度。如果使用Fe-Mn作為互換偏倚層，這個溫度通常是160-180℃，這是Fe-Mn的鎖定溫度分布的上邊緣?？蛇x擇其他抗鐵磁材料作為互換偏倚層，這將需要不同的溫度。例如，Ni-Mn有大約240℃的設(shè)置溫度，必須在這一溫度退火1-3小時(shí)，以使被定住層的互換場設(shè)置在所希望的方向。如果Ni-Mn被加熱到這一溫度以上，那么退火時(shí)間可以縮短。對于Ni-Mn的情況，設(shè)置溫度不是鎖定溫度，而是發(fā)生四方晶相變的溫度。當(dāng)被定住層被固定以使因薄膜性質(zhì)變化造成的△R/R損失達(dá)到最小時(shí)，對于Fe-Mn的最佳最高溫度是200℃，而對于Ni-Mn是250℃。
一部分熱量是由固定用電流本身提供的。對于升溫的這一貢獻(xiàn)是通過接通固定用電流時(shí)測量電阻的增大值并使用傳感器材料的已知溫度系數(shù)計(jì)算出來的。所測得的這一升溫在30-50℃范圍內(nèi)。這樣，傳感器被置入一個加熱爐中，它的溫度是所需溫度和由固定用電流產(chǎn)生的升溫二者之差。單靠固定用電流加熱也可能超過設(shè)置溫度，這取決于傳感器的熱絕緣程度。在那種情況下，通過冷卻使傳感器保持在所希望的溫度，以保證溫度不會顯著高于設(shè)置溫度。
如果互換偏倚層是由Fe-Mn構(gòu)成的，那么在保持固定用電流接通的情況下把傳感器冷卻到大大低于Fe-Mn鎖定溫度，在這一溫度點(diǎn)被固定層的全部區(qū)域被固定于所希望的方向。然后斷掉固定用電流。如果互換偏倚層不是Fe-Mn而代這以Ni-Mn構(gòu)成，則在繼續(xù)向傳感器供給固定用電流的情況下使傳感器退火到240℃大約1-3小時(shí)。這將保證濺鍍的Ni-Mn轉(zhuǎn)變成具有400℃以上的鎖定溫度的抗鐵磁四方晶相。在Ni-Mn已被退火足夠長時(shí)間從而得到所需換偏倚水平之后，可以去掉固定用電流和使傳感器冷卻。
使用Fe-Mn作為每個SV元件中的抗鐵磁層的傳感器將具有操作溫度范圍高達(dá)120℃左右和存儲溫度高達(dá)150℃左右。使用Ni-Mn代替Fe-Mn能使最高操作溫度提高到180℃左右。在Lin等的“鐵磁Ni-Fe和抗鐵磁Ni-Mn基膜之間改進(jìn)的互換耦合”(Applicd Physics Letters(應(yīng)用物理通訊)，卷65，第9期，1994年8月，1183-1185頁)一文中描述了使用Ni-Mn與Ni-Fe互換耦合。使用Ni-Mn代替Fe-Mn使操作溫度提高了大約60℃，但也由于較低的磁阻△R/R使信號幅度損失百分之十五至二十。這一點(diǎn)由Speriosu等在“面間混合在巨磁阻中的作用”Physical Review B(物理評論B)，卷47，第17期，1993-I，5月1日，11579-11582頁)一文中描述過。
圖5所示各層排列是在片基上制作各層的優(yōu)選順序。然而，但也可以將導(dǎo)體固定層70置于片基和SV元件之間，將絕緣層60置于導(dǎo)體固定層70和SV元件之間，從而以此方式制成傳感器。
所顯示和描述的磁場傳感器是為測量在片基平面內(nèi)的外加磁場振幅而設(shè)計(jì)的。然而，通過使被測量電流通過導(dǎo)電固定層70，該傳感器也能用作為電流傳感器。于是，固定層也用作為施加被感知電流的電流條(strap)。該電流按上述等式(6)產(chǎn)生一個磁場，而該磁場被橋式傳感器檢測到。參考圖5，在這一應(yīng)用中的電流將在固定層70的引腳76和78之間注入。另一種方式是可在傳感器上形成一個與固定層分開的單獨(dú)的電流條作為被感知電流的通路。
磁場傳感器也可以構(gòu)成為測量外加磁場H的梯度而不是外加磁場H的幅度。參考圖1，如果在制作過程中固定電流被驅(qū)動的方式是使SV元件A和C與SV元件B和D有大小相等但符號相反的響應(yīng)，那么這個橋電路將對SV元件B和D(或等效的A和C)之間發(fā)生的外加磁場值變化敏感。例如，在制作過程中將固定電流輸入到圖5中的引腳76和78，便能實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。遵循將磁場傳感器作為磁場梯度傳感器的制作過程，并按磁場幅度傳感器相同的方式連接輸入和輸出引腳(圖1)，磁場梯度傳感器有由下式給出的響應(yīng)Vout=vin(ΔR)/(Ro) (S)/(4Hk(eft)) (dH)/(dx) (7)這里 (dH)/(dX) 是在垂直于元件長度L方向上的磁場梯度，S是在同一方向上元件之間的距離。SV元件A和C的間距S示于圖5。等式(7)中的電壓響應(yīng)也給出了磁場梯度符號的度量。
盡管在傳感器作為磁場傳感器和磁場梯度傳感器的最佳實(shí)施例中，輸入和輸出的連接如圖1所示(即通過第一組引出腳20和22輸入，通過第二組引出腳24和26輸出)，若將輸入和輸出聯(lián)接對換(即通過第二組引出腳24和26輸入，通過第一組引出腳20和22輸出)，該傳感器也能工作。這種安排將會工作，但由于輸入電流方向?qū)V元件自由層偏倚點(diǎn)的影響使它的性能低于最佳性能。如在前面引證的Heim等的文章中所解釋的那樣，由于處在次最佳偏倚點(diǎn)使每個SV元件的動態(tài)范圍減小。
盡管詳細(xì)展示了本發(fā)明的最佳實(shí)施例，但應(yīng)該清楚地看到，可以對本發(fā)明進(jìn)行修改和改進(jìn)而不離開下面的權(quán)利要求書中所描述的本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一個磁場傳感器，包括一個片基；在該片基上形成的第一、第二、第三和第四自旋閥元件，每個自旋閥元件的組成是(a)在沒有外加磁場時(shí)有一優(yōu)選磁化強(qiáng)度軸的一個自由鐵磁層，(b)與此自由鐵磁層相鄰的一個非磁性隔離層，(c)一個與該隔離層相鄰的被定住鐵磁層，它的磁化強(qiáng)度軸被定住在與自由鐵磁層的優(yōu)選磁化強(qiáng)度軸成一個角度的方向，這四個自由層的優(yōu)選磁化強(qiáng)度軸彼此基本平行，而四個被定住層的磁化強(qiáng)度軸彼此基本平行或反平行；以及在片基上形成的將四個自旋閥元件互連的電導(dǎo)體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁場傳感器，其特征在于電導(dǎo)體包括位于相鄰自旋閥元件之間的終端引出腳。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的磁場傳感器，其特征在于第一和第四自旋閥元件的被定住層磁化強(qiáng)度軸彼此平行排列，第二和第三自旋閥元件的被定住層磁化強(qiáng)度軸彼此平行排列但與第一和第四自旋閥元件磁化強(qiáng)度軸反平行，其組成中還包括一個電源連接在第一和第二自旋閥元件間的終端引出腳與第三和第四自旋閥元件間的終端引出腳上，而第一和第三自旋閥元件間的終端引出腳與第二和第四自旋閥元件間的終端引出腳構(gòu)成該傳感器的輸出終端引出腳以提供被感知磁場大小的度量。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的磁場傳感器，其特征在于第一和第三自旋閥元件的被定住層磁化強(qiáng)度軸彼此平行排列，第二和第四自旋閥元件的被定住層磁化強(qiáng)度軸彼此平行排列但與第一和第三自旋閥元件磁化強(qiáng)度軸反平行，其組成中還包括一個電源連接在第一和第二自旋閥元件間的終端引出腳與第三和第四自旋閥元件間的終端引出腳上，而第一和第三自旋閥元件間的終端引出腳與第二和第四自旋閥元件間的終端引出腳構(gòu)成該傳感器的輸出終端引出腳以提供被感知磁場梯度的度量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁場傳感器，其特征在于其電導(dǎo)體包括位于相鄰自旋閥元件之間的終端引出腳，第一和第二自旋閥元件之間及第三和第四自旋閥元件之間的終端引出腳構(gòu)成了第一組引出腳，而第一和第三自旋閥元件之間及第二和第四自旋閥元件之間的引出腳構(gòu)成了第二組引出腳，其組成中還包括一個輸入電源通過第一組或第二組引出腳連到傳感器上;從而在跨過未與輸入電源相連的那一組引出腳所測量的輸出電壓提供了被感知磁場的度量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的磁場傳感器，其特征在于跨過未與輸入電源相連的那一組引出腳所測量的輸出電壓是處于片基平面內(nèi)的磁場分量的幅度和符號二者的度量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的磁場傳感器，其特征在于跨過未與輸入電源相連的那一組引出腳所測量的輸出電壓是處于片基平面內(nèi)的磁場分量的梯度的幅度與符號的度量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁場傳感器，其特征在于它還包括一個在片基上形成的與自旋閥元件排成一列的第二導(dǎo)電體，用于制作傳感器過程中傳導(dǎo)一個固定用電流以使自旋閥元件被定住層的磁化強(qiáng)度軸取一定方向，還包括一個位于自旋閥元件和第二電導(dǎo)體之間的絕緣層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的磁場傳感器，其特征在于這第二電導(dǎo)體是在片基上形成的電流條，用于在制成傳感器之后接受被測量電流，而磁場傳感器通過感知穿過電流條的電流所伴隨的磁場來測量穿過電流條的電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的磁場傳感器，其特征在于每個自旋閥元件還包括一個抗鐵磁材料的互換偏倚層靠近并接觸被定住鐵磁層，以使被定住層的磁化強(qiáng)度定住在所希望的方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的磁場傳感器，其特征在于互換偏倚層是鐵一錳或鎳-錳層。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的磁場傳感器，其特征在于它還包括一個在片基上形成的電流條，用于接受要被測量的電流，而磁場傳感器通過感知穿過電流條的電流所伴隨的磁場來測量穿過電流條的電流。
13.一個響應(yīng)外加磁場而產(chǎn)生輸出電壓的橋電路磁場傳感器，該傳感器包括一個片基;在該片基上形成的第一、第二、第三和第四自旋閥元件，每個自旋閥元件的組成是(a)在沒有外加磁場時(shí)有一優(yōu)選磁化強(qiáng)度軸的一個自由鐵磁層，(b)與該自由鐵磁層相鄰的一個非磁性隔離層，以及(c)一個與該隔離層相鄰的被定住鐵磁層，它的磁化強(qiáng)度軸被定住在與自由鐵磁層的優(yōu)選磁化強(qiáng)度軸成一個角度的方向，這四個自由層的優(yōu)選磁化強(qiáng)度軸彼此基本平行，而四個被定住層中兩個的磁化強(qiáng)度方向基本上彼此平行，而且基本上與另兩個被定住層的磁化強(qiáng)度方向反平行;在片基上形成的第一電導(dǎo)體，用于將四個自旋閥元件互連，該第一導(dǎo)體包括位于相鄰自旋閥元件之間的終端引出腳，第一和第二自旋閥元件間的與第三和第四自旋閥元件間的終端引出腳構(gòu)成第一組引出腳，而第一和第三自旋閥元件間的與第二和第四自旋閥元件間的終端引出腳構(gòu)成第二組終端引出腳;一個在片基上形成的第二電導(dǎo)體，它與自旋閥元件排成一行，以便在傳感器制作過程中傳導(dǎo)一個固定用電流使被定住層的磁化強(qiáng)度取一定方向;以及自旋閥元件和第二電導(dǎo)體之間的一個絕緣層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的磁場傳感器;其特征在于第一和第四自旋閥元件的被定住層磁化強(qiáng)度方向彼此排成一行，而且還包括一個電源連在第一組終端引出腳上;于是跨過第二組終端引出角的輸出電壓是基本上處于片基平面內(nèi)的外加磁場振幅的度量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的磁場傳感器;其特征在于第一和第三自旋閥元件的被定位層磁化強(qiáng)度方向彼此平行，它還進(jìn)一步包括一個與第一組終端引出腳相連的電源;于是跨在第二組終端引出腳之間的輸出電壓是一個外部磁場分量的梯度的測量，該磁場分量基本上處于片基平面內(nèi)沿著通常垂直于自旋閥元件長度的方向。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的磁場傳感器，其特征在于第二電導(dǎo)體的寬度在自旋閥元件的每一側(cè)邊重疊于自旋閥元件的寬度，其重疊距離大于約3倍絕緣層厚度，該絕緣層位于自旋閥元件和第二電導(dǎo)體之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的磁場傳感器，其特征在于第二電導(dǎo)體是在片基上形成的電流條，用于在傳感器制成后接受被測電流，而磁場傳感器通過感知穿過該電流條的電流所伴隨的磁場來測量穿過該電流條的電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的磁場傳感器，其特征在于每個自旋閥元件還包括一個抗鐵磁材料的互換偏倚層靠近并接觸被定住鐵磁層，以使被定住層的磁化強(qiáng)度定住在所希望的方向。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的磁場傳感器，其特征在于互換偏倚層是鐵-錳或鎳-錳層。
20.一個響應(yīng)外加磁場而產(chǎn)生輸出電壓的橋電路磁場傳感器，該傳感器包括一個片基;在該片基上形成的通常為長方形的第一、第二、第三和第四自旋閥元件，它們的長度方向通常是平行的，每個自旋閥元件的組成是(a)在沒有外加磁場時(shí)有一通常是平行于自旋閥元件長度的磁化強(qiáng)度軸優(yōu)選方向的自由鐵磁層，(b)與該自由鐵磁層相鄰的一個非磁性隔離層，以及(c)一個與隔離層相鄰的被定住鐵磁層，它的被定住向磁化強(qiáng)度軸通常平行于自旋閥元件的寬度，在第一和第四自旋閥元件中的被定住層磁化強(qiáng)度方向彼此平行而且基本上與另兩個被定住層的磁化強(qiáng)度方向反平行;在片基上形成的第一電導(dǎo)體，用于將四個自旋閥元件互連，該第一導(dǎo)體包括位于相鄰自旋閥元件之間的終端引出腳，第一和第二自旋閥元件之間的與第三和第四自旋閥元件之間的終端引出腳構(gòu)成提供傳感器輸入電源的輸入端，而第一和第三自旋閥元件間的與第二和第四自旋閥元件間的終端引出腳構(gòu)成傳感器輸出電壓的輸出端;一個在片基上形成的第二電導(dǎo)體，它與自旋閥元件排成一行，以便在傳感器制作過程中傳導(dǎo)一個固定用電流使被定住層的磁化強(qiáng)度取一定方向;自旋閥元件和第二電導(dǎo)體之間的一個絕緣層;以及連到輸入引出腳的電源;從而使輸出電壓提供一個對基本上處于片基平面內(nèi)且沿基本上垂直于自旋閥元件長度方向的外加磁場分量振幅的度量。
21.制作橋電路磁場傳感器的方法，包括提供一個片基;在片基上形成第一、第二、第三和第四自旋閥元件、每個自旋閥元件的形成步驟組成是(a)沉積一個在沒有外加磁場情況下取優(yōu)選的磁化強(qiáng)度軸向的自由鐵磁層，(b)在自由鐵磁層上沉積一個非磁性隔離層并與自由鐵磁層接觸，(c)在隔離層上沉積一個用作為被定住層的第二鐵磁層并與隔離層接觸，(d)在第二鐵磁層上沉積一個由具有特性設(shè)置溫度的抗鐵磁材料構(gòu)成的互換偏倚層，并使該層與第二鐵磁層接觸;形成第一電導(dǎo)體與每個自旋閥元件接觸，以允許各自旋閥元件電互連;在片基上形成第二電導(dǎo)體并使其與自旋閥排成一列;在自旋閥元件和第二電導(dǎo)體之間形成一個絕緣層，以防止流經(jīng)第二導(dǎo)體的電流流過自旋閥元件;通過第二電導(dǎo)體施加一個固定用電流以產(chǎn)生一個伴隨的磁場，用以使每個第二鐵磁層和互換偏倚層的磁化強(qiáng)度取一定方向;在施加固定用電流過程中控制互換偏倚層的溫度使其高于所述設(shè)置溫度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括在施加固定用電流過程中使互換偏倚層的溫度降到所述設(shè)置溫度以下，從而使每個互換偏倚層的磁化強(qiáng)度方向成為固定的;以及然后去掉所加的固定用電流，從而使每個第二鐵磁層的磁化強(qiáng)度方向被它伴隨的互換偏倚層定住。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特點(diǎn)在于控制溫度步驟是施加足夠強(qiáng)度的固定用電流以使互換偏倚層的溫度上升到所述設(shè)置溫度以上，降低溫度步驟是冷卻片基。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其特征在于控制溫度的步驟是施加足夠強(qiáng)度的固定用電流以使互換偏倚層的溫度上升到所述設(shè)置溫度以上，降低溫度步驟是冷卻片基。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于互換偏倚層是由Ni-Mn(鎳-錳)構(gòu)成的，控制溫度的步驟組成是保持互換偏倚層的溫度高于所述設(shè)置溫度達(dá)一段時(shí)間，以獲得足夠的互換偏倚水平，而且還包括在此之后去掉固定用電流并使互換偏倚層的溫度降到所述設(shè)置溫度以下。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其特征在于構(gòu)成每個自旋閥元件的步驟還包括在沉積互換偏倚層之后，沉積一個有自旋閥元件形狀的掩蓋層并通過掩蓋層浸蝕掉先前沉積的層;從而使各自旋閥元件同時(shí)形成于該片基上。
全文摘要
一個磁場傳感器利用四個單個磁阻自旋閥元件電連接于一個橋電路中。這些自旋閥元件以單板印刷術(shù)形成于同一片基上。在片基上形成一個電導(dǎo)體固定層。在制作磁場傳感器過程中通過該固定導(dǎo)體加一電流以使兩個被定住層的磁化強(qiáng)度方向固定成與另兩個被定住層磁化強(qiáng)度方向反平行。通過制作傳感器過程中適當(dāng)固定被定住層磁化強(qiáng)度方向并適當(dāng)連接輸入和輸出端引出腳，橋電路輸出電壓或?yàn)榇艌龅亩攘炕驗(yàn)榇艌鎏荻鹊亩攘俊?br> 文檔編號H01L43/08GK1113572SQ9510508
公開日1995年12月20日 申請日期1995年5月5日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月4日
發(fā)明者莫里斯·穆薩·多維克, 小羅伯特·愛德華·方塔納, 維爾吉爾·西蒙·斯波里奧蘇, 雅克林·凱特內(nèi)爾·斯邦 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司