專利名稱：一種薄膜磁阻傳感器元件及薄膜磁阻電橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜磁阻傳感器及該薄膜磁阻組成的電橋半橋和電橋全橋。
背景技術(shù)：
薄膜磁阻傳感器元件被廣泛的應(yīng)用在數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域(計算機硬盤，MRAM),電流的測量領(lǐng)域，位置測量，物體的移動和速度，角度及角 速度等的測量領(lǐng)域。薄膜磁阻傳感器元件有多層膜結(jié)構(gòu)和自旋閥結(jié)構(gòu)。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。自旋閥結(jié)構(gòu)包括非磁性釘扎層(Mnlr，MnPt)、磁性被釘扎層(CoFeB、CoFe,或是 SAF 結(jié)構(gòu) CoFe/Ru/CoFe 等)、非磁性隔離層(Cu、A10、Mg0、Hf0、Zr0、TaO等等),磁性自由層(CoFeB、CoFe,或是SAF結(jié)構(gòu)CoFe/Ru/CoFe等)。薄膜磁阻傳感器元件在測量模擬量時，由于自由層的磁性材料本身有磁滯現(xiàn)象，測量時有回程差，影響到測量的精度和測量的線性度。為了避免這種現(xiàn)象通常采用的方法有1、利用自由層的形狀各向異性能提供一個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自由層周圍，沉積一層永磁薄膜，通過永磁薄膜提供一個垂直于外界待測磁場偏置磁場(計算機硬盤采用此方案)；3、在薄膜磁阻傳感器元件的自由層周圍，沉積一根電流線，通過電流提供一個偏置磁場；4、利用反鐵磁材料(Mnlr/MnPt)提供自由層一個垂直于外界待測磁場偏置磁場。采用第一種方法的特點是工藝簡單，但是形狀各向異性提供的偏置磁場有限，并且限制了芯片的設(shè)計。采用第二種方法的特點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。采用第三種方法的特點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。采用第四種方法的特點是偏置磁場的大小可由調(diào)解反鐵磁材料的厚度及自由層的厚度或材料而改變，但是在實際應(yīng)用中這種結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性較差，目前的材料很難使傳感器的性能穩(wěn)定性達(dá)到200攝氏度以上。

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，提供一種簡單的薄膜磁阻傳感器元件及其該薄膜磁阻傳感器元件組成的電路半橋和電路全橋。為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
一種薄膜磁阻傳感器元件，其依次具有下電極、種子層、反鐵磁釘扎層、磁性被釘扎層結(jié)構(gòu)、非磁性隔離層、磁性自由層、保護(hù)層、上電極、偏磁層。其中，反鐵磁釘扎層和磁性被釘扎層產(chǎn)生的交換耦合場作為薄膜磁阻傳感器元件的參考層，其交換I禹合場的方向平行于待測外磁場的方向。反鐵磁釘扎層的材料可以是MnIr、MnPt或MnFe等，磁性被釘扎層的材料和結(jié)構(gòu)可以是CoFe、CoFeB、CoFe/Ru/CoFe、CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB、CoFe/Ta /CoFe/Ru/CoFeB 等。非磁性隔離層的材料可以是Cu、A10、MgO> HfO> ZrO> TaO等。
磁性自由層其材料可以是CoFeB、CoFe、CoFeB/NiFe、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe或oFe/Ta/NiFe。偏磁層其材料可以是CoCrPt、CoPt, FePt，或由其組成的多層膜結(jié)構(gòu)(例如Ru/CoPt/Ru/CoPt, Ta/CoPt/Ta/CoPt 等。磁性被釘扎層的磁矩方向與磁性自由層的磁矩方向相互垂直。由于偏磁層的材料是永磁材料，其產(chǎn)生恒定的外磁場，外磁場作用在磁性自由層上，給磁性自由層一個偏置場，并且偏置場的方向垂直于磁性被釘扎層磁矩的方向，偏置場的大小可由調(diào)解偏置層的厚度，材料成分及偏置層到磁性自由層的距離而改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)薄膜磁阻傳感器靈敏度，線性范圍等參數(shù)。
本發(fā)明的薄膜磁阻傳感器元件的工藝條件是行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的工藝條件，在這里只做簡單的陳述1、對于非磁性隔離層是金屬的，真空鍍膜下電極、種子層、反鐵磁釘扎層、磁性被釘扎層結(jié)構(gòu)、非磁性隔離層、磁性自由層、保護(hù)層、上電極、偏磁層；2、如果非磁性隔離層是氧化物，a、真空鍍膜下電極、種子層、反鐵磁釘扎層、磁性被釘扎層結(jié)構(gòu)、磁性自由層、保護(hù)層、上電極、偏磁層。薄膜磁阻傳感器元件的薄膜鍍完之后，開始回火確定磁性被釘扎層和反鐵磁釘扎層產(chǎn)生的交換耦合場的方向。在較高的溫度下，加大的外磁場，外磁場的方向與想要的交換率禹合場的方向一致(一般平行于待測量外磁場的方向)。薄膜磁阻傳感器元件回火結(jié)束后，進(jìn)行偏磁層的沖磁，把薄膜磁阻傳感器元件置入大的磁場中，此處的磁場要均勻，并且大于偏磁層的矯頑力，磁場的方向垂直于磁性被釘扎層的磁矩方向(回火中所加的外磁場方向)。本發(fā)明同時提供包括該薄膜磁阻傳感器元件的兩種薄膜磁阻電橋，全橋結(jié)構(gòu)和半橋結(jié)構(gòu)，其中全橋結(jié)構(gòu)包括四個薄膜磁阻傳感器元件，所述四個薄膜磁阻傳感器元件中，兩個的磁性被釘扎層的磁矩方向相互平行并與另外兩個薄膜磁阻傳感器元件的磁性被釘扎層的磁矩方向反平行，并分別位于全橋的一邊，而四個薄膜磁阻傳感器元件的磁性自由層的磁矩方向相互平行。而半橋結(jié)構(gòu)包括兩個薄膜磁阻傳感器元件，兩個薄膜磁阻傳感器元件的磁性被釘扎層的磁矩方向相互反平行，而磁性自由層的磁矩方向相互平行。本發(fā)明的薄膜磁阻傳感器元件及其組成的電路特點是磁滯小，精度和線性度高，線性范圍可調(diào)，工藝簡單，響應(yīng)頻率高，成本低，抗干擾性強和溫度特性好等。


圖I是本發(fā)明中的薄膜磁阻傳感器元件的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明中的薄膜磁阻傳感器元件的外加磁場強度與輸出關(guān)系示意 圖3是本發(fā)明中的薄膜磁阻半橋的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明中的薄膜磁阻半橋的外加磁場強度與輸出關(guān)系示意 圖5是本發(fā)明中的薄膜磁阻全橋的結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明中的薄膜磁阻全橋的外加磁場強度與輸出關(guān)系示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明予以進(jìn)一步地詳盡闡述。
一種薄膜磁阻傳感器元件，其依次具有下電極10、種子層I、反鐵磁釘扎層2、磁性被釘扎層3結(jié)構(gòu)、非磁性隔離層4、磁性自由層5、保護(hù)層6、上電極11、偏磁層12。其中，反鐵磁釘扎層2和磁性被釘扎層3產(chǎn)生的交換耦合場作為薄膜磁阻傳感器兀件的參考層，其交換I禹合場的方向平行于待測外磁場的方向。反鐵磁釘扎層2的材料可以是Mnlr、MnPt或MnFe等，磁性被釘扎層3的材料和結(jié)構(gòu)可以是CoFe、CoFeB、CoFe/Ru/CoFe、 CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB、CoFe/Ta /CoFe/Ru/CoFeB 等。非磁性隔離層4的材料可以是Cu、A10、Mg0、Hf0、Zr0、Ta0等。磁性自由層5 其材料可以是 Co FeB、CoFe、CoFeB/NiFe、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe或oFe/Ta/NiFe。偏磁層12其材料可以是CoCrPt、CoPt、FePt，或由其組成的多層膜結(jié)構(gòu)(例如Ru/CoPt/Ru/CoPt, Ta/CoPt/Ta/CoPt 等。實施例I薄膜磁阻傳感器元件
如圖I所示，薄膜磁阻傳感器元件的結(jié)構(gòu)，由納米級多層膜組成下電極10，種子層1，反鐵磁釘扎層2，磁性被釘扎層3結(jié)構(gòu)，非磁性隔離層4，磁性自由層5，保護(hù)層6，上電極11，偏磁層12。磁性被釘扎層3的磁矩方向如7所示，磁性自由層5的磁矩方向8由偏磁層12所產(chǎn)生的恒定外磁場13所偏置，磁性自由層5的磁矩方向8與磁性被釘扎層3的磁矩方向7相互垂直。磁性自由層5的磁矩方向8隨著外加磁場9的大小和方向的改變而變化。薄膜磁阻傳感器元件的工作原理，薄膜磁阻傳感器元件的磁阻隨著磁性自由層5的磁矩方向8與磁性被釘扎層3的磁矩方向7的夾角的變化而變化。當(dāng)磁性自由層5的磁矩方向8隨著外加磁場9的大小和方向的改變而變化時，薄膜磁阻傳感器元件的磁阻也隨之變化。如圖2所示，當(dāng)外加磁場9的方向與磁性被釘扎層3的磁矩方向7平行時，同時外加磁場的強度大于Hl時,磁性自由層5的磁矩方向8與外加磁場9的方向平行,進(jìn)而與磁性被釘扎層3的磁矩方向7平行，如14所示，這時薄膜磁阻傳感器元件的磁阻最小。當(dāng)外加磁場9的方向與磁性被釘扎層3的磁矩方向7反平行時，同時外加磁場的強度大于H2時，磁性自由層5的磁矩方向8與外加磁場9的方向平行，進(jìn)而與磁性被釘扎層3的磁矩方向7反平行，如15所示，這時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元件的測量范圍。實施例2薄膜磁阻電橋半橋
薄膜磁阻電橋半橋的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，由了兩個薄膜磁阻元件組成214和215。其中薄膜磁阻元件214的磁性被釘扎層的磁矩方向216與薄膜磁阻元件215的磁性被釘扎層的磁矩方向217方向反平行。薄膜磁阻元件214和215的磁性自由層的方向218和219相互平行。電極211，213是薄膜磁阻電橋半橋的電壓輸入端，電極212是薄膜磁阻電橋半橋的電壓輸出端。薄膜磁阻電橋半橋的工作原理，如圖4所示，薄膜磁阻電橋半橋的輸出電壓V隨著外磁場9的方向和大小的改變而發(fā)生變化。當(dāng)外加磁場9的方向為負(fù)(_)且磁場強度大于Hl時，薄膜磁阻電橋半橋的輸出電壓最低。當(dāng)外加磁場9的方向為正(+ )且磁場強度大于H2時，薄膜磁阻電橋半橋的輸出電壓最高。Hl與H2之間的磁場范圍就是薄膜磁阻電橋半橋的測量范圍。實施例3薄膜磁阻電橋全橋薄膜磁阻電橋全橋的結(jié)構(gòu)，如圖5所示，由四個薄膜磁阻元件組成311，312，313，314。其中薄膜磁阻元件311與314的磁性被釘扎層的磁矩方向321，323與薄膜磁阻元件312，313的磁性被釘扎層的磁矩方向322，324方向反平行。薄膜磁阻元件311，312，313，314的磁性自由層的方向331，332，333，334相互平行。電極315，316是薄膜磁阻電橋全橋的電壓輸入端，電極317,318是薄膜磁阻電橋全橋的電壓輸出端。
薄膜磁阻電橋全橋的工作原理，如圖6所不，薄膜磁阻電橋全橋的輸出電壓V=Vout (+) -Vout (-) =317-318隨著外磁場9的方向和大小的改變而發(fā)生變化。當(dāng)外加磁場9的方向為負(fù)(_)且磁場強度大于Hl時,薄膜磁阻電橋全橋的輸出電壓最低。當(dāng)外加磁場9的方向為正(+ )且磁場強度大于H2時,薄膜磁阻電橋全橋的輸出電壓最高。Hl與H2之間的磁場范圍就是T薄膜磁阻電橋全橋的測量范圍。
權(quán)利要求
1.一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于其結(jié)構(gòu)依次包括下電極、種子層、反鐵磁釘扎層、磁性被釘扎層結(jié)構(gòu)、非磁性隔離層、磁性自由層、保護(hù)層、上電極、偏磁層。
2.如權(quán)利要求I所述的一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于所述反鐵磁釘扎層的材料是 Mnlr、MnPt 或 MnFe。
3.如權(quán)利要求I所述的一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于所述磁性釘扎層的材料是 CoFeB、CoFe,或是 SAF 結(jié)構(gòu) CoFe/Ru/CoFe、CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB。
4.如權(quán)利要求I所述的一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于所述非磁性隔離層的材料是 Cu、A10、Mg0、Hf0、ZrO 或 TaO。
5.如權(quán)利要求I所述的一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于所述磁性自由層其材料是 CoFeB、CoFe, CoFeB/NiF、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe 或 CoFe/Ta/NiFe。
6.如權(quán)利要求I所述的一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于所述偏磁層其材料是CoCrPt, CoPt, FePt，或由其組成的多層膜結(jié)構(gòu) Ru/CoPt/Ru/CoPt，Ta/CoPt/Ta/CoPt, Ta/FePt/Ta/FePt, Ru/FePt/Ru/FePt。
7.如權(quán)利要求I所述的一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于所述磁性被釘扎層的磁矩方向與磁性自由層的磁矩方向相互垂直；所述磁性自由層的磁矩方向受偏置層所產(chǎn)生磁場的偏置，從而垂直于磁性被釘扎層的磁矩方向。
8.一種薄膜磁阻電橋半橋，其特征在于其包括兩個如權(quán)利要求1-6中任一項所述的薄膜磁阻傳感器元件；該兩個薄膜磁阻傳感器元件的磁性被釘扎層的磁矩方向相互反平行，而磁性自由層的磁矩方向相互平行。
9.一種薄膜磁阻電橋全橋,其特征在于其結(jié)構(gòu)包括四個如權(quán)利要求1-6中任一項所述的薄膜磁阻傳感器元件；所述四個薄膜磁阻傳感器元件中，兩個的磁性被釘扎層的磁矩方向相互平行并與另外兩個薄膜磁阻傳感器元件的磁性被釘扎層的磁矩方向反平行，并分別位于全橋的一邊，而四個薄膜磁阻傳感器元件的磁性自由層的磁矩方向相互平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜磁阻傳感器元件，包括下電極、種子層、反鐵磁釘扎層、磁性被釘扎層結(jié)構(gòu)、非磁性隔離層、磁性自由層、保護(hù)層、上電極、偏磁層。本發(fā)明還涉及包含本發(fā)明的薄膜磁阻傳感器元件的電橋。本發(fā)明的薄膜磁阻傳感器元件及其組成的電橋的特點是磁滯小，精度和線性度高，線性范圍可調(diào)，工藝簡單，響應(yīng)頻率高，成本低，抗干擾性強和溫度特性好。
文檔編號G01D5/12GK102721427SQ20121020539
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者王建國 申請人:無錫樂爾科技有限公司