磁性傳感器設(shè)備和用于具有磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法與流程
示例涉及磁性傳感器設(shè)備和用于具有磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
磁電阻效應(yīng)包括許多不同的物理現(xiàn)象，所有這些物理現(xiàn)象的共同之處是電阻元件的電阻可由于穿過(guò)該電阻元件的磁場(chǎng)的行為而改變。利用磁電阻效應(yīng)的技術(shù)有時(shí)被稱(chēng)為“xmr技術(shù)”，這里通過(guò)“x”來(lái)指示可以在這里論述的眾多效應(yīng)，僅論及幾個(gè)示例比如巨磁電阻（gmr）效應(yīng)、隧道磁電阻（tmr）效應(yīng)或各向異性磁電阻（amr）效應(yīng)?？梢栽诟鞣N各樣的基于場(chǎng)的傳感器（例如用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)、角度等等的傳感器）中應(yīng)用xmr效應(yīng)。在某些應(yīng)用中，尤其在與安全有關(guān)的應(yīng)用中，需要這些傳感器可靠地且以高準(zhǔn)確性水平來(lái)操作。
在某些應(yīng)用中，傳感器可能經(jīng)受以未知或不可計(jì)算的磁場(chǎng)形式的擾動(dòng)。這些擾動(dòng)可能隨機(jī)改變傳感器的狀態(tài)或初始值。因?yàn)閭鞲衅鞯拇艤袨榭赡軐?dǎo)致測(cè)得的值是否接近高于或低于該測(cè)得的值的初始值的實(shí)質(zhì)性差異，所以磁滯可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果中的誤差。旋渦（vortex）配置中具有自由層的磁性xmr傳感器概念可能具有幾乎為零的磁滯。換言之，可以在自由層中存在旋渦形磁化狀態(tài)（磁場(chǎng)）的情況下實(shí)現(xiàn)低的磁滯，并且在諸如輪速感測(cè)、電流感測(cè)或線性場(chǎng)感測(cè)之類(lèi)的應(yīng)用中尤其對(duì)低的磁滯感興趣。然而，旋渦形磁化狀態(tài)可能僅在關(guān)于要被測(cè)量的所施加的場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)的某一范圍中穩(wěn)定。
因此，期望提供一種實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的改進(jìn)準(zhǔn)確性和可靠性的傳感器元件。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
一個(gè)示例涉及一種包括磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備。該磁電阻結(jié)構(gòu)包括磁性自由層，其被配置成在該自由層中自發(fā)地生成閉合通量磁化模式（pattern）。該磁電阻結(jié)構(gòu)還包括具有非閉合通量參考磁化模式的磁性參考層。該磁性傳感器設(shè)備還包括被配置成在磁性自由層中生成偏置場(chǎng)的磁性偏置結(jié)構(gòu)。該偏置場(chǎng)具有垂直于參考磁化模式的非零磁性偏置場(chǎng)分量?？梢岳缤ㄟ^(guò)交替的磁性層和非磁性層來(lái)形成磁電阻結(jié)構(gòu)。在此上下文中術(shù)語(yǔ)“磁性”和“非磁性”可以被理解為“鐵磁性”和“非鐵磁性”?！胺谴判浴睂右虼丝梢跃哂许槾判浴⒎创判曰蚍磋F磁性性質(zhì)。層本質(zhì)上可以擴(kuò)展到具有三個(gè)成對(duì)垂直方向x、y和z的笛卡爾坐標(biāo)系的兩個(gè)方向x和y中。換言之，與該層到第一和第二方向x和y中的擴(kuò)展相比，該層到第三方向z中的擴(kuò)展小到可以忽略不計(jì)。如果方向x對(duì)應(yīng)于參考磁化的方向，則偏置場(chǎng)可以例如具有等于零的x分量，以及非零的y和z分量。閉合通量磁化模式還可以被稱(chēng)為渦旋態(tài)。自發(fā)生成的渦旋態(tài)可以例如在其產(chǎn)生之后或者在不施加外部場(chǎng)的情況下直接形成在自由層中。換言之非閉合通量參考磁化模式可以對(duì)應(yīng)于具有零旋度和零發(fā)散的均勻的、直的或線性磁場(chǎng)。該實(shí)現(xiàn)可以拓寬在其中自發(fā)地生成渦旋態(tài)的要被測(cè)量的外部磁場(chǎng)值的范圍。結(jié)果，其中磁滯消失的場(chǎng)范圍可以被擴(kuò)展，這進(jìn)而可以增大可靠性。該場(chǎng)范圍的上限和下限可以被稱(chēng)為成核（nucleation）場(chǎng)閾值。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成生成平面內(nèi)具有非零偏置場(chǎng)分量的偏置場(chǎng)。術(shù)語(yǔ)平面內(nèi)可指的是主要在x-y平面內(nèi)擴(kuò)展的自由層。因此，換言之垂直于參考磁化模式的平面內(nèi)分量可以對(duì)應(yīng)于y分量。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成生成作為定向固定的磁場(chǎng)的偏置場(chǎng)。這可以將外部磁場(chǎng)的渦旋成核場(chǎng)閾值提升到預(yù)定或固定值。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成在垂直于參考磁化模式的磁性自由層中生成偏置場(chǎng)。換言之，偏置場(chǎng)的z分量也可以為零。擴(kuò)展的渦旋形成范圍的影響因此可以被增大或甚至最大化。
在一些實(shí)施例中，磁性自由層是中心對(duì)稱(chēng)的形狀。換言之，該形狀可以由預(yù)定角度圍繞平行于z方向的中心軸旋進(jìn)而產(chǎn)生，并且例如包括等角的、等邊的或規(guī)則的多邊形（三角形、正方形、六邊形、等等）或橢圓形。因此可以促進(jìn)自發(fā)的渦旋形成。在不施加偏置場(chǎng)的情況下，除其他因素外，自由層的形狀可以確定外部場(chǎng)的渦旋形成范圍的原始寬度。
在一些實(shí)施例中，磁性自由層是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的形狀。換言之，自由層可以展示出圓盤(pán)形狀。如果使用圓盤(pán)形狀，則甚至可以進(jìn)一步促進(jìn)自發(fā)渦旋形成。
在一些實(shí)施例中，磁性自由層的厚度和直徑之間的比在從1/500到1/5的范圍中?？梢匝刂鴝方向測(cè)量厚度，并且直徑在x-y平面內(nèi)。如果自由層具有非圓形形狀，則直徑可以對(duì)應(yīng)于例如橢圓形的長(zhǎng)軸或短軸，或者多邊形的內(nèi)切或外切圓的直徑。自由層的厚度和直徑之間的比可以提供可確定外部場(chǎng)的渦旋形成范圍的原始寬度的另一因素。通過(guò)選取上述范圍內(nèi)的值，可以明顯減輕渦旋形成。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成生成具有一定偏置場(chǎng)強(qiáng)度的偏置場(chǎng)，該偏置場(chǎng)強(qiáng)度使得在其處自發(fā)地生成閉合通量磁化模式的成核場(chǎng)閾值在存在偏置場(chǎng)的情況下比不存在偏置場(chǎng)的情況下更大。換言之，觸發(fā)明顯效應(yīng)（例如至少1、2或5%）可能需要將偏置場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)置成預(yù)定間隔內(nèi)的值。以這種方式，提升成核場(chǎng)閾值的效果可能更明顯。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成生成具有一定偏置場(chǎng)強(qiáng)度的偏置場(chǎng)，該偏置場(chǎng)強(qiáng)度使成核場(chǎng)閾值在存在偏置場(chǎng)的情況下比不存在偏置場(chǎng)的情況下大至少5oe或甚至10oe。如果乘以磁場(chǎng)常數(shù)μ0，則5oe可以對(duì)應(yīng)于0.5mt。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成生成偏置場(chǎng)強(qiáng)度為外部磁場(chǎng)的湮滅閾值的最多1/5的偏置場(chǎng)，在該湮滅閾值處閉合通量磁化模式被湮滅。湮滅閾值可以描述用于外部場(chǎng)的值，如果超過(guò)該值，則自由層中磁場(chǎng)的渦旋結(jié)構(gòu)可以消失。在這之后，低于該值可能引起自由層的磁滯行為，直到在成核場(chǎng)閾值處再次形成渦旋結(jié)構(gòu)為止。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)包括在自由層中生成交換偏置場(chǎng)的反鐵磁層。因此，對(duì)于磁性傳感器設(shè)備而言，可以實(shí)現(xiàn)增加的密實(shí)度量，在實(shí)現(xiàn)容量可能是缺乏（例如汽車(chē)）的應(yīng)用中這可能是合意的。
在一些實(shí)施例中，自由層被布置在反鐵磁層和參考層之間。因此提供偏置場(chǎng)可能問(wèn)題不大。此外，可能產(chǎn)生磁性傳感器設(shè)備的較高水平的密實(shí)度。
在一些實(shí)施例中，直接鄰近自由層來(lái)布置反鐵磁層。因此可能省略自由層和反鐵磁層之間的另一層。這可以提供一種用來(lái)提供偏置場(chǎng)的更簡(jiǎn)化方法。
在一些實(shí)施例中，自由層具有超過(guò)參考層的厚度而達(dá)到其至少3倍的厚度。這可以幫助保持與參考層相比低的自由層中的交換偏置效應(yīng)。因此，偏置場(chǎng)的強(qiáng)度可能達(dá)到處于提供給渦旋形成范圍的促進(jìn)更明顯的范圍中。因此甚至可以?xún)?yōu)化偏置場(chǎng)的效應(yīng)。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)包括被配置成在自由層中生成偏置場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)永久磁體或電磁體。這可以實(shí)現(xiàn)將偏置場(chǎng)施加于已經(jīng)存在的磁電阻結(jié)構(gòu)的可能性。換言之，該一個(gè)或多個(gè)永久磁體或電磁體可以布置為與磁電阻結(jié)構(gòu)所集成到其上的襯底分開(kāi)。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)至少包括位于自由層的相對(duì)側(cè)上的第一和第二永久磁體。這可能導(dǎo)致更線性的偏置場(chǎng)形狀。此外，永磁體在z方向上的厚度可以被減小，因此很可能導(dǎo)致更小的體積密集型（volume-intensive）實(shí)現(xiàn)。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)包括電導(dǎo)體，其被配置成響應(yīng)于電導(dǎo)體中的電流來(lái)在與偏置場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的自由層中生成磁場(chǎng)。這可能允許磁性偏置結(jié)構(gòu)和磁電阻結(jié)構(gòu)集成在共同襯底或芯片上?？梢砸赃@種方式進(jìn)一步簡(jiǎn)化偏置場(chǎng)的正確調(diào)整。
在一些實(shí)施例中，磁電阻結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于巨磁電阻（gmr）結(jié)構(gòu)或隧道磁電阻（tmr）結(jié)構(gòu)。因此可將各種實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于不同傳感器類(lèi)型。
根據(jù)另一方面，一些實(shí)施例涉及磁電阻傳感器元件。該磁電阻傳感器元件包括磁性自由層，其被配置成在該自由層中自發(fā)地生成渦旋磁化模式。該磁電阻傳感器元件還包括具有線性參考磁化模式的磁性參考層。該磁電阻傳感器元件還包括被配置成在磁性自由層中生成垂直于參考磁化模式的定向固定的偏置場(chǎng)的磁性偏置結(jié)構(gòu)。
在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)被配置成生成偏置場(chǎng)強(qiáng)度在從1oe到60oe的范圍中的偏置場(chǎng)。
根據(jù)另一方面，一些實(shí)施例涉及一種用于具有磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法。該方法包括在磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性參考層中提供非閉合通量參考磁化模式。該方法還包括在磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性自由層中生成偏置場(chǎng)。該偏置場(chǎng)具有垂直于參考磁化模式的非零磁性偏置場(chǎng)分量。該方法還包括在磁性自由層中自發(fā)地生成閉合通量磁化模式。因此，在其中自發(fā)地生成渦旋態(tài)的要被測(cè)量的外部磁場(chǎng)值的范圍可以被擴(kuò)展。在該范圍中，磁滯可能消失，這進(jìn)而會(huì)增大磁性傳感器設(shè)備的可靠性。
附圖說(shuō)明
在下文中將僅通過(guò)示例并參考附圖來(lái)描述裝置和/或方法的一些實(shí)施例，在其中：
圖1示出具有處于磁性渦旋態(tài)的自由層的tmr底部自旋閥（bsv）結(jié)構(gòu)的分解圖示例；
圖2示出單個(gè)圓盤(pán)形自由層元件的示意性磁滯回線，其示出渦旋表征的成核場(chǎng)和湮滅場(chǎng)；
圖3示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的兩個(gè)tmr單元的磁滯回線，該每個(gè)tmr單元都具有圓盤(pán)形的nife自由層；
圖4示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的對(duì)于垂直于自旋閥結(jié)構(gòu)的感測(cè)方向的不同偏置場(chǎng)的模擬結(jié)果；
圖5示出沒(méi)有偏置場(chǎng)和具有20oe偏置場(chǎng)的磁化模式的模擬結(jié)果的比較；
圖6a-c示出在存在各種外部場(chǎng)的情況下根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的自由層中的閉合通量磁化模式中的變化；
圖7示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有均勻交換的偏置自由層的tmr渦旋結(jié)構(gòu)的分解圖；
圖8示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在自由層中生成磁場(chǎng)的電導(dǎo)體層；
圖9示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在自由層中生成磁場(chǎng)的反偏壓磁體；
圖10示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在自由層中產(chǎn)生偏置場(chǎng)的兩個(gè)硬磁性結(jié)構(gòu)；
圖11示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的自由層的直徑與厚度比d/t和對(duì)于渦旋成核場(chǎng)和渦旋湮滅場(chǎng)的以mt計(jì)的磁通量密度之間的關(guān)系；
圖12示出根據(jù)一些實(shí)施例的針對(duì)自由層的不同直徑的偏置場(chǎng)強(qiáng)度繪制的渦旋成核場(chǎng)范圍的寬度增加；以及
圖13示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于磁性傳感器設(shè)備的方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參考其中圖示了一些示例的附圖來(lái)更全面地描述各個(gè)示例。在圖中，為了清楚起見(jiàn)，線、層和/或區(qū)域的厚度可能被夸大。
因此，盡管其他示例能夠有各種修改和替代形式，但是在圖中示出其某些特定示例并且隨后將詳細(xì)描述它們。然而，該詳細(xì)描述不會(huì)將其他示例限于所描述的特定形式。其他示例可以覆蓋落入本公開(kāi)范圍內(nèi)的所有修改、等同物和替代。相似的數(shù)字涉及遍及附圖描述的相同或類(lèi)似元件，雖然提供了同樣或類(lèi)似的功能，但當(dāng)彼此進(jìn)行比較時(shí)可以相等地或以修改形式實(shí)現(xiàn)該相同或類(lèi)似元件。
將要理解，當(dāng)一個(gè)元件被稱(chēng)為與另一元件“連接”或“耦合”時(shí)，該元件可以被直接連接或耦合或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)介于中間的元件連接或耦合。相比之下，當(dāng)一個(gè)元件被稱(chēng)為被“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時(shí)，不存在介于中間的元件。應(yīng)該以相似的方式來(lái)解釋用來(lái)描述各元件之間的關(guān)系的其他詞語(yǔ)（例如僅舉幾個(gè)例子“在…之間”相對(duì)于“直接在…之間”，“鄰近”相對(duì)于“直接鄰近”）。
這里使用的術(shù)語(yǔ)是為了描述特定示例的目的，而不意圖對(duì)其他示例進(jìn)行限制。每當(dāng)使用諸如“一”、“一個(gè)”和“該”之類(lèi)的單數(shù)形式并且僅使用單個(gè)元件時(shí)既不明確也不隱含定義為強(qiáng)制性的，其他示例還可以是實(shí)施相同的功能的復(fù)數(shù)個(gè)元件。同樣地，當(dāng)一個(gè)功能被隨后描述為使用多個(gè)元件來(lái)實(shí)施時(shí)，其他示例可以使用單個(gè)元件或處理實(shí)體來(lái)實(shí)施相同的功能。將進(jìn)一步理解，當(dāng)術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“包括于”和/或“包含于”被使用時(shí)，指定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、過(guò)程、動(dòng)作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、過(guò)程、動(dòng)作、元件、部件和/或其任何組的存在或附加。
除非以其他方式定義，在這里以示例所屬領(lǐng)域中的所有術(shù)語(yǔ)的普通含義來(lái)使用這些術(shù)語(yǔ)（包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)），除非在這里以其他方式明確定義。
圖1示出隧道磁電阻（tmr）傳感器元件100的一個(gè)示例，其也被稱(chēng)為自旋閥或底部自旋閥（bsv）。tmr傳感器元件100具有交替的鐵磁層或非鐵磁層的層堆疊110。如果在具有成對(duì)垂直坐標(biāo)軸x、y和z的笛卡爾坐標(biāo)系中描述，則每個(gè)層在x和y軸跨越的平面中擴(kuò)展。層在z方向上的范圍可以被描述為層厚度t。
從下到上，tmr傳感器元件100包括反鐵磁釘扎層120和鐵磁被釘扎層130。釘扎層120和被釘扎層130之間的接觸激起一種被稱(chēng)為交換偏置效應(yīng)的效應(yīng)，其使被釘扎層130的磁化在優(yōu)選方向上對(duì)準(zhǔn)。換言之，被釘扎層130表現(xiàn)出線性磁通量模式，在圖1中其平行于x方向。tmr傳感器元件100還包括耦合層140。耦合層140可以是反磁性的并且例如包括釕、銥、銅或銅合金以及類(lèi)似材料。耦合層140在空間上將被釘扎層130和鐵磁性參考層150分開(kāi)。使用該設(shè)置，參考層150的磁化可以對(duì)準(zhǔn)并且保持處于與被釘扎層130的磁化反平行的方向。tmr傳感器元件100還包括隧道勢(shì)壘160，其將參考150與鐵磁性自由層170電絕緣并將它們分開(kāi)。在一些實(shí)施例中，自由層170、參考層150和被釘扎層130可以包括鐵、鈷和鎳，并且在一些其他實(shí)施例中包括這些的合金。合金還可以包括非鐵磁材料（例如碳），其中鐵磁材料構(gòu)成相應(yīng)層的材料成分的至少50%。例如，各層可以包括鈷鐵（cofe）或鎳鐵（nife）、合金。相比之下，釘扎層120可以包括例如銥、錳、鉑或包括這些的合金。
盡管在操作中或者當(dāng)耦合到電子電路時(shí)，在施加恒定外部磁場(chǎng)的情況下電荷可以以預(yù)定數(shù)量從隧道勢(shì)壘160的一側(cè)傳遞到另一側(cè)。tmr效應(yīng)是當(dāng)外部磁場(chǎng)的方向改變時(shí)以通過(guò)隧道勢(shì)壘的電荷數(shù)量的改變來(lái)表示自己的一種量子物理現(xiàn)象。該效應(yīng)可能因?yàn)樽兓耐獠看艌?chǎng)引起的自由層170的磁化的方向變化而出現(xiàn)。
在圖1中自由層170是圓形形狀，或者換言之具有圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)。該圓盤(pán)具有直徑d，其例如可以在幾百nm到10μm的范圍中。圓盤(pán)還具有在例如1nm到100或200nm的范圍中的厚度t。假如具有該結(jié)構(gòu)的層可能導(dǎo)致自由層170中的閉合通量磁化模式的自發(fā)形成。換言之，自由層170中磁場(chǎng)的
在渦旋配置中具有自由層的磁性xmr傳感器概念可能具有幾乎為零的磁滯，在諸如車(chē)輛速度感測(cè)或電流感測(cè)之類(lèi)的應(yīng)用中這一點(diǎn)可能是特別引起興趣的。低磁滯的先決條件可能是存在渦旋態(tài)。可描述其中存在渦旋態(tài)的狀況的臨界參數(shù)是成核場(chǎng)hn(在那里使渦旋成核)和湮滅場(chǎng)han（在那里它再次被破壞）。
圖2描繪示出渦旋特性成核場(chǎng)hn和湮滅場(chǎng)han的單個(gè)圓盤(pán)形自由層元件的示意性磁滯回路。所繪制的是磁化的歸一化平面內(nèi)分量（或x分量）mx/ms與外部場(chǎng)（其等同于相應(yīng)的自旋閥結(jié)構(gòu)的傳感器信號(hào)）的對(duì)照。在其中，可以將兩個(gè)不同的工作范圍區(qū)分開(kāi)。工作范圍a（或渦旋形成范圍210）由成核場(chǎng)hn+和hn-來(lái)限定，并且可能不受到磁性經(jīng)歷的影響，因?yàn)榭赡芤恢北ＷC渦旋成核。工作范圍b（或渦旋湮滅范圍220）由湮滅場(chǎng)han+和han-來(lái)限定，并且只要該范圍不被超過(guò)（例如通過(guò)以磁場(chǎng)脈沖形式的干擾）渦旋態(tài)就可以被保留。換言之，可以通過(guò)改變外部磁場(chǎng)來(lái)使磁化的平面內(nèi)分量mx/ms沿著曲線230移位。然而，在渦旋湮滅范圍220之外的事件之后，可能需要“重置”以便通過(guò)將外部場(chǎng)強(qiáng)度降低到渦旋形成范圍210內(nèi)的值來(lái)再次形成渦旋結(jié)構(gòu)。在所述事件和渦旋再次形成中間，磁化的平面內(nèi)分量mx/ms可能遵循磁滯曲線240-1、240-2。
魯棒的傳感器理想情況下可能總是或者至少大部分操作時(shí)間以渦旋態(tài)來(lái)操作。因此，擴(kuò)展渦旋形成范圍210或者甚至盡可能大地呈遞它可能是合意的。實(shí)施例提供一種增大hn的值、由此充分增大基于渦旋態(tài)的傳感器的操作范圍的措施。
調(diào)整渦旋態(tài)傳感器的成核場(chǎng)的一些示例性措施可能與不同材料系統(tǒng)、厚度與直徑比t/d和利用自由層頂上的附加反鐵磁體的零場(chǎng)冷卻過(guò)程有關(guān)。
理論上（例如微磁學(xué)模擬）對(duì)于不同材料在成核場(chǎng)中可能存在差異?？赡芨淖兊膶?duì)應(yīng)材料參數(shù)是飽和磁化、交換剛度和晶態(tài)各向異性。因?yàn)閺氖鼓芰孔钚』莼鰷u旋態(tài)，所以成核場(chǎng)hn可能主要受到雜散場(chǎng)能量和交換能量的影響。因此，交換剛度的增大可能會(huì)降低hn，同時(shí)飽和磁化的增大可能會(huì)增大hn。當(dāng)將文獻(xiàn)值與模擬結(jié)果相比時(shí)，例如具有1μm圓盤(pán)、20nm厚的成核場(chǎng)hn中的差可能例如對(duì)于cofe為大約75oe以及對(duì)于nife為-30oe。
自由層圓盤(pán)的厚度與直徑比t/d可能對(duì)渦旋形成范圍210的寬度有影響。增大的厚度t可能使hn增大并且使直徑d降低。該關(guān)系還可以通過(guò)測(cè)量結(jié)果來(lái)確認(rèn)，但是歸因于集成尺寸的限制，可能不能通過(guò)使用常規(guī)措施來(lái)充分利用該效應(yīng)。對(duì)甚至更厚自由層（例如>50nm）的進(jìn)一步研究可能提供一個(gè)選項(xiàng)，然而，問(wèn)題可能來(lái)自于這樣的厚的xmr堆疊的構(gòu)造。對(duì)于gmr，自由層厚度的增大還可能降低磁電阻效應(yīng)。
其他常規(guī)選項(xiàng)可能使用所謂的自由層頂部具有附加的反鐵磁體的“零場(chǎng)冷卻”（zfc）過(guò)程。因此可以有可能在反鐵磁體的表面處加上渦旋磁化模式的特征，這可能使成核場(chǎng)移位和/或改進(jìn)該成核場(chǎng)。然而，xmr堆疊以及其處理的復(fù)雜性可能由于該測(cè)量而顯著增大。
實(shí)施例涉及磁性渦旋傳感器與垂直于感測(cè)方向的磁性偏置場(chǎng)的組合，以便改進(jìn)磁性渦旋態(tài)的成核性能?？赡茉谔幱谄脠?chǎng)的某一范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)條件下展示渦旋成核上的磁性偏置場(chǎng)的促進(jìn)效果。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，如圖3中所示，可能觀察到歸因于偏置場(chǎng)的存在的成核場(chǎng)的移位。繪制以kω計(jì)的電阻與以oe計(jì)的外部場(chǎng)的x分量的對(duì)照。在其中，示出兩個(gè)tmr單元的磁滯回路，每一個(gè)都具有t=20nm的厚度和d=2μm的直徑的圓盤(pán)形nife自由層。垂直于感測(cè)方向施加具有0、10、20和30oe的相應(yīng)強(qiáng)度的不同偏置場(chǎng)。箭頭310指示對(duì)于10oe偏置場(chǎng)的成核場(chǎng)hn的移位。
取決于偏置場(chǎng)強(qiáng)度，可以觀察到不同的明顯移位。關(guān)于圖3中回路的正和負(fù)分支的成核場(chǎng)的結(jié)果得到的對(duì)稱(chēng)性，在這種情況下最佳偏置可能大約為10oe。其他結(jié)構(gòu)可能不會(huì)在沒(méi)有偏置的情況下示出這樣的非對(duì)稱(chēng)成核路徑，并且在這種情況下可能觀察到歸因于偏置的hn的更多或更少對(duì)稱(chēng)移位。對(duì)于小的偏置場(chǎng)（諸如10oe），可能觀察到對(duì)由于傳感器應(yīng)用的成核場(chǎng)的促進(jìn)影響。
在下文中，解釋為什么成核場(chǎng)中的移位會(huì)在存在偏置場(chǎng)的情況下發(fā)生。
圖4中示出可比較的自旋閥結(jié)構(gòu)的微磁模擬結(jié)果。圖4中繪制的結(jié)果示出20nm厚、1μm直徑圓盤(pán)的自由層響應(yīng)?？梢杂^察到與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中相同的效應(yīng)。成核場(chǎng)的移位（如果施加垂直于感測(cè)方向（hx）的偏置場(chǎng)的話(huà)）以及移位的強(qiáng)度取決于偏置場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于不同成核場(chǎng)的原因可能與不同預(yù)渦旋磁化態(tài)有聯(lián)系。可以在圖2和3中看到，如果施加了偏置場(chǎng)，則自由層圓盤(pán)磁化的x分量可能會(huì)隨著|hx|的降低而明顯更快地下降。在某種情況下，這可能降低渦旋成核的能量勢(shì)壘。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，分別示出對(duì)于不具有偏置場(chǎng)以及在y方向上具有20oe偏置場(chǎng)的情況下在感測(cè)方向上（對(duì)應(yīng)于場(chǎng)的x分量）的不同外部場(chǎng)強(qiáng)的磁化模式。首先，可以觀察到，在沒(méi)有偏置的情況下在90oe和40oe之間具有很明顯的c狀態(tài)（參見(jiàn)面板a），在其中磁場(chǎng)線遵循字母c的形狀。在某些情況下可能利用偏置跳過(guò)該狀態(tài)。此外，在具有偏置時(shí)c狀態(tài)可能具有更明顯的非對(duì)稱(chēng)性。形成平滑通過(guò)到s狀態(tài)的非對(duì)稱(chēng)形狀，在s狀態(tài)中，磁場(chǎng)線遵循字母s的形狀。其次，沒(méi)有偏置的情況下的s狀態(tài)（參見(jiàn)面板b）更穩(wěn)定，并且甚至在-5oe處不存在明顯的非對(duì)稱(chēng)性（在這里未示出）。在-10oe處達(dá)到渦旋態(tài)（參見(jiàn)面板c）。相比之下，在偏置的情況下c狀態(tài)被跳過(guò)并且在50oe處已經(jīng)存在非對(duì)稱(chēng)s狀態(tài)（參見(jiàn)面板d）。因?yàn)楫?dāng)離開(kāi)飽和時(shí)存在的明顯的非對(duì)稱(chēng)性，所以甚至在成核之前后續(xù)渦旋態(tài)的旋轉(zhuǎn)的感測(cè)是明顯的。渦旋成核在20oe處完成（參見(jiàn)面板e(cuò)）。本領(lǐng)域技術(shù)人員將從圖5認(rèn)識(shí)到，在存在偏置場(chǎng)的情況下，更容易形成s形狀（在渦旋態(tài)之前）并且已經(jīng)具有磁化方向的非對(duì)稱(chēng)分布。
圖6a、b和c圖示具有自由層770的xmr傳感器的操作模式，該自由層具有渦旋形磁流量模式（也與圖5的面板c和e相比較）。如圖6a中所示，如果外部場(chǎng)等于零，則渦旋中心610位于圓盤(pán)形自由層770的中心處。在其他實(shí)施例中自由層770的形狀可以不同于圓盤(pán)形狀。參考層的參考磁化755定向?yàn)槠叫杏趚方向。下面的解釋期望闡明為什么在自由層770中存在渦旋態(tài)的情況下參考磁化755的方向可以充當(dāng)xmr傳感器的最優(yōu)感測(cè)方向。
如果具有閉合通量圖案或渦旋的磁場(chǎng)位于圓盤(pán)形自由層770的中心，則帶有具有平行于參考磁化755的分量的場(chǎng)線的圓盤(pán)的第一部分620可以與帶有具有反平行于參考磁化755的分量的場(chǎng)線的圓盤(pán)的第二部分630一樣大。換言之，集成在整個(gè)圓盤(pán)表面上的自由層磁化的凈方向可以等于零。然而，要注意第一和第二圓盤(pán)部分620、630可能沒(méi)有被截然分開(kāi)，而是可能寧愿順利地互相穿過(guò)，這通過(guò)圖6a、b和c中的虛線來(lái)指示。
在x方向上外部場(chǎng)640的應(yīng)用或改變可能導(dǎo)致渦旋中心610在y方向上(或垂直于x)的移位650，這在圖6b中圖示。如果外部場(chǎng)增大到具有與參考磁化755相同的符號(hào)的值（或者如果外部場(chǎng)和參考磁化755平行的話(huà)），則集成在整個(gè)圓盤(pán)表面上的自由層磁化的凈方向可能例如變成正的。在圖6b中，該效應(yīng)與第一部分620的尺寸增長(zhǎng)和部分630的尺寸降低相對(duì)應(yīng)。因此，如果外部場(chǎng)降低到具有參考磁化755的相反符號(hào)的值，則自由層磁化的凈方向可能例如變成負(fù)的。
一些磁電阻效應(yīng)（例如tmr）利用電阻取決于自由層770中的以及參考層中的磁化的平行或反平行對(duì)準(zhǔn)。在存在自由層770的渦旋結(jié)構(gòu)的磁化的情況下，電阻可能因此取決于整個(gè)自由層770（或第一部分620和第二部分630的尺寸比例）的凈磁化相對(duì)于參考磁化755的方向的方向。從對(duì)應(yīng)于圖6a的狀態(tài)到對(duì)應(yīng)于圖6b的狀態(tài)的過(guò)渡可能因此導(dǎo)致包括自由層770的xmr傳感器設(shè)備的電阻的顯著變化。
圖6c描繪如果外部場(chǎng)在y方向上（或垂直于參考磁化755）發(fā)生變化660則可能出現(xiàn)的結(jié)果。其中，在x方向的渦旋移位670可能是結(jié)果。如可以從圖6c中看到的，外部場(chǎng)在y方向上的變化660可能留下第一和第二部分620、630的相對(duì)尺寸（或相對(duì)于反平行分量的累積值的平行場(chǎng)線分量的累積值）不變。因此，自由層770的凈磁化可能保持不變，這進(jìn)而不會(huì)激起xmr傳感器設(shè)備的電阻的任何顯著變化。與其符號(hào)無(wú)關(guān)的參考磁化755的方向可能因此被認(rèn)為是優(yōu)選感測(cè)方向。
在圖7中描繪包括磁電阻結(jié)構(gòu)710的這樣的磁性傳感器設(shè)備700的一個(gè)實(shí)施例。磁電阻結(jié)構(gòu)710可能對(duì)應(yīng)于來(lái)自圖1的磁電阻結(jié)構(gòu)110。在下面的示例中不再解釋具有圖1中的相應(yīng)對(duì)應(yīng)物的部件，然而，將會(huì)提及電位差。磁電阻結(jié)構(gòu)710包括具有非閉合通量參考磁化模式的磁性參考層750，其可以被視為均勻、直的或線性場(chǎng)。通過(guò)參考磁化755來(lái)確定其中的優(yōu)選感測(cè)方向790，并且因此該優(yōu)選感測(cè)方向790平行于x方向。磁電阻結(jié)構(gòu)710還包括被配置成在自由層770中自發(fā)地生成閉合通量磁化模式或渦旋775的磁性自由層770。磁性傳感器設(shè)備700還包括被配置成在磁性自由層770中生成偏置場(chǎng)的磁性偏置結(jié)構(gòu)780。該偏置場(chǎng)具有垂直于參考磁化755的非零磁性偏置場(chǎng)分量。換言之，偏置場(chǎng)可能具有為零的x分量以及非零的y分量和/或z分量。參考磁化755可能具有非零的x分量以及為零的y分量和/或z分量。在其他實(shí)施例中，偏置場(chǎng)具有垂直于參考磁化755的非零平面內(nèi)分量。換言之，偏置場(chǎng)的y分量可以是非零的，并且z分量可以為零或者可替代地為非零的。
磁性偏置結(jié)構(gòu)780可以例如被實(shí)施為包括在圖7中示出的一個(gè)實(shí)施例的磁電阻結(jié)構(gòu)710中的一個(gè)層?？商娲兀判云媒Y(jié)構(gòu)780可能例如被實(shí)施在層堆疊（磁電阻結(jié)構(gòu)710）外部，這將在以下實(shí)施例的一些中更密切地解釋。
在一些實(shí)施例中，偏置場(chǎng)是定向固定的磁場(chǎng)。在一些其他實(shí)施例中，偏置場(chǎng)可能遵循磁性自由層770的方向并且垂直于參考磁化模式755。換言之，偏置場(chǎng)的z分量也可能為零，或者偏置場(chǎng)可能與自由層770共面。
磁電阻結(jié)構(gòu)710可能類(lèi)似于與圖1中的示例對(duì)應(yīng)的交替磁性層和非磁性層的層堆疊。層堆疊從下到上可以包括反鐵磁釘扎層720、磁性被釘扎層730、非磁性耦合層740、參考層750、電絕緣隧道勢(shì)壘760和自由層770。磁電阻結(jié)構(gòu)710可能被配置成將tmr效應(yīng)用于外部磁場(chǎng)的測(cè)量，或者可能可替代地被配置成使用另一xmr效應(yīng)，例如gmr。在一些實(shí)施例中，參考層750還可以對(duì)應(yīng)于被釘扎層730或與被釘扎層730相同。
在圖7中，磁電阻結(jié)構(gòu)710被實(shí)施為反平行（ap）被釘扎結(jié)構(gòu)，其中被釘扎層730和參考層750被耦合層740分開(kāi)并且它們的磁矩是反平行的。包括磁電阻結(jié)構(gòu)710的自旋閥傳感器還可以被實(shí)施為簡(jiǎn)單的被釘扎結(jié)構(gòu)，其包括具有單向磁矩的一個(gè)（例如被釘扎層730）或多個(gè)鐵磁層（例如被釘扎層730和參考層750）。在ap被釘扎層結(jié)構(gòu)中，釘扎層730和參考層750的磁化可能基本上彼此平衡。因此，ap被釘扎層結(jié)構(gòu)的凈磁化可能對(duì)自由層770的靜態(tài)平行位置影響不大。一些實(shí)施例可能涉及僅具有與自由層770分開(kāi)的一個(gè)鐵磁層（或者換言之，省略參考層750）的磁電阻結(jié)構(gòu)710。然而，與外部場(chǎng)相比其中的磁化可能更不穩(wěn)定。
包括磁電阻結(jié)構(gòu)710的自旋閥傳感器仍可進(jìn)一步被分類(lèi)為單或雙的。單自旋閥傳感器可能僅采用一個(gè)被釘扎層并且雙自旋閥傳感器可能采用兩個(gè)被釘扎層，例如具有位于其中的自由層結(jié)構(gòu)。在一些其他實(shí)施例中，磁電阻結(jié)構(gòu)710可能表示具有被平行或反平行耦合的間隔層分開(kāi)的三個(gè)或更多鐵磁層的硬磁的，或還是多層的參考系統(tǒng)。
盡管以圓盤(pán)形狀來(lái)描繪圖7中的自由層770，但是可以在不同實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)其他中心對(duì)稱(chēng)的或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的形狀。這樣的形狀可能例如包括橢圓形、三角形、四邊形（正方形、菱形等等）、規(guī)則的或軸對(duì)稱(chēng)的六邊形，或其他多邊形（只是提到一些可能性）。此外，甚至可以使用不具有這樣的對(duì)稱(chēng)性的任何其他形狀，例如在一側(cè)處被切的不規(guī)則多邊形或圓盤(pán)。自由層厚度可能例如具有10nm和100nm之間的值，并且其直徑可能具有500nm和5μm之間的值。自由層770的厚度與直徑比t/d可能因此優(yōu)選地在從1/500到1/5的范圍中。
實(shí)施例可能涉及被分成片上和外部解決方案的大量不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在圖7中，提出了片上解決方案的一個(gè)實(shí)施例，在其中磁性偏置結(jié)構(gòu)780包括用以在自由層770中生成交換偏置場(chǎng)的反鐵磁層781。換言之，該實(shí)施例可能包括作為自由層770的交換偏置而作用于自由層770的基本上均勻的偏置?？赡芡ㄟ^(guò)在自由層770的頂上添加附加的反鐵磁層781（例如在如圖7中示出的bsv結(jié)構(gòu)的情況下）并且可選地執(zhí)行附加的場(chǎng)冷卻過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)所述交換偏置。
值得注意的是，自由層770和反鐵磁層781之間的間隙僅僅歸因于圖7的分解圖。在一些實(shí)施例中，如果存在某一形式的耦合，則將會(huì)觀察到偏置。這樣的耦合可能例如是層間交換耦合，在那里自由層770、釕層、另一鐵磁層和反鐵磁層781按照該順序接觸。耦合可能進(jìn)一步出現(xiàn)為靜磁耦合，在那里自由層770、非磁性間隔、另一鐵磁層和反鐵磁層781按照該順序接觸。在又一示例中，可以通過(guò)直接接觸（導(dǎo)致直接交換偏置）來(lái)實(shí)現(xiàn)自由層770和反鐵磁層781之間的耦合。
為了闡明在y方向上的單向交換偏置，以長(zhǎng)方形形狀來(lái)繪制反鐵磁層781。自由層770和頂部反鐵磁體781的結(jié)果得到的結(jié)構(gòu)可與被釘扎層730連同底部反鐵磁體720類(lèi)似。然而，自由層770可能比被釘扎層730更厚，例如厚度達(dá)其3倍或5倍或甚至更多倍。在被釘扎層730對(duì)應(yīng)于參考層750的實(shí)施例中，自由層770可能相應(yīng)地超過(guò)參考層750的厚度而達(dá)到其3倍或5倍或更多倍。例如，可能采用10nm厚的自由層（770）和2nm厚的參考層（750）或被釘扎層（730）。因?yàn)榻粨Q偏置效應(yīng)是表面效應(yīng)，所以自由層770的交換偏置場(chǎng)heb（其可以被描述為單鐵磁層的磁滯曲線歸因于鐵磁-反鐵磁交換耦合的移位）可能因此比被釘扎層730的heb更小得多，甚至對(duì)于相同的反鐵磁材料和場(chǎng)冷卻過(guò)程也是如此。這可能導(dǎo)致10oe和100oe之間的交換偏置場(chǎng)。例如與irmn組合的30nm厚的nife膜的交換偏置場(chǎng)可能位于該范圍中，并且可以通過(guò)改變irmn厚度來(lái)調(diào)整該交換偏置場(chǎng)。在其他實(shí)施例中，參考層（750）可能具有比自由層（770）的結(jié)構(gòu)更大的范圍和/或厚度。此外，甚至參考層（750）可能具有渦旋形的磁化模式。
可以?xún)?yōu)選地實(shí)現(xiàn)垂直于被釘扎層的交換偏置并且也在平面內(nèi)的自由層770的交換偏置，如圖7中由平行于y方向的箭頭指示的。對(duì)于兩種不同的場(chǎng)冷卻過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，可以使用兩個(gè)不同的阻塞溫度。在一些實(shí)施例中，這可以通過(guò)使用兩種不同的反鐵磁材料（諸如例如ptmn和irmn）來(lái)實(shí)現(xiàn)。還可以通過(guò)反鐵磁層781的厚度來(lái)調(diào)整阻塞溫度和交換偏置場(chǎng)。當(dāng)來(lái)自平行于x方向的飽和時(shí)，與均勻交換偏置自由層770有關(guān)的實(shí)施例可能改進(jìn)渦旋成核。
在一些實(shí)施例中，自由層770的交換偏置可能通過(guò)布置在反鐵磁層781和自由層770之間的附加層來(lái)調(diào)解。附加層可以例如是鐵磁的，并且經(jīng)歷實(shí)際交換偏置效應(yīng)，從而促成其磁化的定向固定。自由層770可能會(huì)受到附加層的磁化的影響。所述磁化可能因此表示偏置場(chǎng)。
在某些替代實(shí)施例中，反鐵磁層781被布置成直接鄰近于自由層770。自由層770被布置在反鐵磁層781和參考層750之間。一方面，這可能導(dǎo)致更明顯的交換偏置效應(yīng)。另一方面，通過(guò)增大自由層770的厚度來(lái)減輕交換偏置效應(yīng)。以這種方式，可以根據(jù)個(gè)體需求來(lái)平衡偏置場(chǎng)的值或?qū)ζ溥M(jìn)行優(yōu)化。反過(guò)來(lái)，可以更好地利用渦旋穩(wěn)定性。
對(duì)于使用例如12nm的單向交換偏置自由層厚度以及400nm和800nm的圓盤(pán)直徑的某些方法，可能沒(méi)有觀察到對(duì)于偏置方向和外部場(chǎng)的垂直取向的渦旋成核。根據(jù)一些實(shí)施例，對(duì)于較厚的自由層，可以正向移位成核場(chǎng)。此外，對(duì)于較小的結(jié)構(gòu)以及偏置場(chǎng)和外部場(chǎng)的平行取向，可以觀察到渦旋成核。對(duì)于垂直取向，可以利用磁力顯微鏡來(lái)觀察相干旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)在沒(méi)有外部場(chǎng)的情況下添加溫度處理步驟來(lái)使所提議的自由層770的均勻交換偏置與零場(chǎng)冷卻進(jìn)一步組合。
受益于本公開(kāi)的本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以使用圖7中沒(méi)有明確示出的其他實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的結(jié)果。在這些實(shí)施例中的一個(gè)中，自由層770和反鐵磁層781之間的另一鐵磁層可能經(jīng)歷交換偏置效應(yīng)，并且生成相應(yīng)地影響自由層770的磁化的磁場(chǎng)。在這些實(shí)施例中的另一個(gè)中，反鐵磁層781被布置在自由層770下面。在這些實(shí)施例中的又一個(gè)中，偏置場(chǎng)可能具有垂直于參考磁化755的非零分量和平行于參考磁化755的非零分量。換言之，偏置場(chǎng)和參考磁化755之間的角度可能偏離90°例如高達(dá)5°、10°、20°或甚至更多的值。
在圖8中示出的一個(gè)實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)780包括電導(dǎo)體782，其被配置成響應(yīng)于電導(dǎo)體782中的電流810在自由層770中生成與偏置場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)820。電導(dǎo)體782可能被實(shí)施為導(dǎo)線片上結(jié)構(gòu)，或者換言之連同自由層770一起被集成在共同層堆疊中。再次地，外部磁場(chǎng)的優(yōu)選感測(cè)方向790（相比于圖6a-c）平行于x方向。電導(dǎo)體782可能還被實(shí)施為平行于自由層770且在自由層770下方或上方的金屬層。施加電流810可能引起奧斯特場(chǎng)，其具有垂直于外部場(chǎng)或其優(yōu)選感測(cè)方向790、并且在自由層770的位置處主要在平面內(nèi)的矢量分量。因此，可以改進(jìn)渦旋態(tài)的成核性能。電導(dǎo)體782可能具有條紋的形狀。結(jié)果，磁場(chǎng)820穿過(guò)自由層770的部分可能具有y方向上的超過(guò)z分量的值的矢量分量。在其他實(shí)施例中，可以與磁電阻結(jié)構(gòu)分開(kāi)地安裝電導(dǎo)體782。因此，磁性偏置結(jié)構(gòu)780到預(yù)制造的磁電阻傳感器設(shè)備上的后續(xù)或補(bǔ)充安裝可以是可能的。換言之，該實(shí)施例可以被實(shí)施為片上解決方案或外部解決方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，超過(guò)圖8的范圍之外的其他實(shí)現(xiàn)可能產(chǎn)生類(lèi)似的結(jié)果。例如，電導(dǎo)體782可以具有圓柱形形狀，具有平行于參考磁化755的圓柱形軸線。電導(dǎo)體782可能另外或可替代地從磁電阻結(jié)構(gòu)710脫離?？蛇x地，絕緣裝置（例如附加層）可以被布置在電導(dǎo)體782和自由層770之間。
轉(zhuǎn)向圖9，在一些實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)780包括被配置成在自由層770中生成偏置場(chǎng)的一個(gè)或多個(gè)永磁體783或電磁體。磁性偏置結(jié)構(gòu)780中可能存在不必在硅上實(shí)施的外部解決方案。圖9中的永磁體783是反偏壓磁體，其以在感測(cè)渦旋元件或自由層770的位置處提供具有y分量的雜散場(chǎng)910的這種方式被布置。這可以例如通過(guò)使用如圖9中示出的旋轉(zhuǎn)的永磁體783或電磁體來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于傳感器性能而言，結(jié)果得到的雜散場(chǎng)910的z分量的影響是可以忽略不計(jì)的。自由層770被安裝在傳感器芯片920上，該傳感器芯片920可以被包括在磁性傳感器設(shè)備700或磁電阻結(jié)構(gòu)710中。例如，傳感器芯片920可以對(duì)應(yīng)于磁電阻結(jié)構(gòu)710的層堆疊或其部分。盡管圖9中的永磁體783被布置在自由層770下方，該永磁體783的各磁極中的一個(gè)面向具有非零y和z分量的方向，但是已受益于本公開(kāi)的本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到可以從不同實(shí)現(xiàn)獲得類(lèi)似的結(jié)果。例如，在另一實(shí)施例中，可以用電磁體來(lái)代替永磁體783。此外，永磁體783或電磁體可以被布置在自由層770上方或者部分與自由層770處于共同平面內(nèi)。永磁體783的磁極可能還面向具有非零y和z分量的方向，或者可選地，具有非零x分量的方向?？梢韵鄳?yīng)地選取或調(diào)整雜散場(chǎng)910的強(qiáng)度。
在圖10中示出的另一實(shí)施例中，磁性偏置結(jié)構(gòu)780至少包括位于自由層770的相對(duì)側(cè)上的第一永磁體784和第二永磁體785。與具有一個(gè)永磁體的實(shí)施例相比，這可能導(dǎo)致偏置場(chǎng)的更為線性的形狀。第一和第二永磁體784、785可能在軟磁性自由層770附近形成硬磁層并且可能產(chǎn)生垂直于感測(cè)方向790的雜散場(chǎng)1010。圖10以平面圖示出這樣的結(jié)構(gòu)的示意圖。自由層770以及第一和第二永磁體784、785可以至少部分被布置在共同平面內(nèi)。粗體箭頭指示第一和第二永磁體784、785的各自取向，它們可以彼此平行。換言之，第一永磁體784的北磁極可以面向第二永磁體785的南磁極，或者反過(guò)來(lái)。磁性傳感器設(shè)備的優(yōu)選感測(cè)方向790再次平行于x軸。第一和第二永磁體784、785的各自磁化還可以平行于y軸并且因此產(chǎn)生改進(jìn)渦旋成核的雜散場(chǎng)1010。然而，硬磁結(jié)構(gòu)的形狀不限于矩形，在圖10中其僅是示例性的。此外，第一和第二永磁體784、785可以具有與自由層770的厚度相對(duì)應(yīng)的z方向上的厚度，這可以有可能促進(jìn)作為片上解決方案的實(shí)現(xiàn)。在另一實(shí)施例中，第一和第二永磁體784、785同樣可以?xún)H被布置在芯片之外或外部。
在上述實(shí)施例的一些中，成核場(chǎng)和湮滅場(chǎng)（也與圖2相比，hn和han）可能會(huì)受到自由層的直徑與厚度的比d/t的影響。在其他實(shí)施例中偏置場(chǎng)強(qiáng)度被調(diào)整成使得偏置場(chǎng)強(qiáng)度引起成核場(chǎng)閾值在存在偏置場(chǎng)的情況下比不存在偏置場(chǎng)的情況下大至少5oe（或者更優(yōu)選地至少10oe）的值。圖11示出對(duì)于成核場(chǎng)和湮滅場(chǎng)的直徑與厚度的比d/t與以mt計(jì)的磁通量密度之間的關(guān)系。三角形對(duì)應(yīng)于湮滅場(chǎng)的測(cè)量值，并且十字形對(duì)應(yīng)于厚度t=20nm的自由層中的成核場(chǎng)的測(cè)量值。菱形對(duì)應(yīng)于湮滅場(chǎng)的測(cè)量值，并且正方形對(duì)應(yīng)于厚度t=10nm的自由層中的成核場(chǎng)的測(cè)量值。
為了闡明原因，圖12示出針對(duì)不同圓盤(pán)直徑的y方向上的偏置場(chǎng)強(qiáng)度繪制的渦旋成核場(chǎng)范圍（相比于圖2中的范圍210）的寬度增大。不連接的正方形類(lèi)似于d=1.0μm圓盤(pán)，用點(diǎn)線連接的正方形類(lèi)似于d=2.0μm圓盤(pán)，用虛線連接的三角形類(lèi)似于d=2.2μm圓盤(pán)，并且用虛線連接的菱形類(lèi)似于d=2.8μm圓盤(pán)。高達(dá)60oe的偏置場(chǎng)可能對(duì)渦旋成核范圍的寬度具有相當(dāng)大的影響。然而，在40oe之上，在某些情況下該影響可能下降。對(duì)于5oe或10oe的偏置場(chǎng)，該影響可能是最大的。偏置場(chǎng)值的示例性范圍因此可能在1oe和60oe之間，或者甚至在5oe和20oe之間。在某些其他實(shí)施例中，偏置場(chǎng)強(qiáng)度是在其處渦旋模式被湮滅的外部磁場(chǎng)的湮滅閾值的最多1/5。
圖13示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于具有磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法1100。方法1100包括在磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性參考層中提供1110非閉合通量參考磁化模式。方法1100還包括在磁電阻結(jié)構(gòu)的磁性自由層中生成1120偏置場(chǎng)。該偏置場(chǎng)具有垂直于參考磁化模式的非零磁性偏置場(chǎng)分量?？蛇x地，磁性偏置場(chǎng)分量可以是平面內(nèi)分量。方法1100還包括在磁性自由層中自發(fā)地生成1130閉合通量磁化模式。因此在其中自發(fā)地生成渦旋態(tài)的要被測(cè)量的外部磁場(chǎng)值的范圍可以被擴(kuò)展。在該范圍中，磁滯可能消失，這進(jìn)而可以增加磁性傳感器設(shè)備的可靠性。
這里描述的實(shí)施例可能涉及利用基本上均勻的磁性偏置場(chǎng)，并且可能影響磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)中的渦旋成核過(guò)程，并且因此可能實(shí)現(xiàn)渦旋成核場(chǎng)中的移位。實(shí)施例可能對(duì)渦旋傳感器的實(shí)現(xiàn)有貢獻(xiàn)，其示出與條紋形或橢圓形磁性微結(jié)構(gòu)相比更小的磁滯。在當(dāng)經(jīng)由交換偏置實(shí)施的均勻偏置以及零場(chǎng)冷卻（zfc）過(guò)程之間存在類(lèi)似性。二者都基于交換偏置效應(yīng)。然而，對(duì)域狀態(tài)的影響可能是不同的。此外，這里描述的實(shí)施例可能基于交換外部場(chǎng)，它對(duì)zfc來(lái)說(shuō)可能不重要。然而，其他實(shí)施例可以將這二者組合并且進(jìn)一步增大和改進(jìn)成核場(chǎng)移位。例如，可能采用在具有磁場(chǎng)和不具有磁場(chǎng)的情況下不同溫度下的兩個(gè)場(chǎng)冷卻過(guò)程。
連同先前詳細(xì)示例和附圖中的一個(gè)或多個(gè)一起提到和描述的方面和特征也可以與其他示例中的一個(gè)或多個(gè)組合，以便代替其他示例的相似特征或者以便將特征另外引入到其他示例。
該描述和附圖僅僅說(shuō)明本公開(kāi)的原理。因此將會(huì)認(rèn)識(shí)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)想出盡管沒(méi)有在這里明確描述或示出但是體現(xiàn)本公開(kāi)的原理且被包括在其精神和范圍內(nèi)的各種布置。此外，這里敘述的所有示例主要意圖明確地僅用于教學(xué)目的以幫助讀者理解本公開(kāi)的原理和發(fā)明人促進(jìn)本領(lǐng)域的所貢獻(xiàn)的概念，并且要被解釋為不限于這樣具體敘述的示例和條件。此外，這里敘述本公開(kāi)的原理、方面和示例的所有陳述以及其具體示例意圖涵蓋其等同物。
要理解，在說(shuō)明書(shū)或權(quán)利要求中公開(kāi)的多個(gè)動(dòng)作、過(guò)程、操作、步驟或功能的公開(kāi)可能不被解釋為處于特定順序，除非例如因?yàn)榧夹g(shù)原因以其他方式明確或隱含地陳述。因此，多個(gè)動(dòng)作或功能的公開(kāi)將不會(huì)將這些限于特定順序，除非因?yàn)榧夹g(shù)原因這樣的動(dòng)作或功能不可互換。此外，在一些示例中，單個(gè)動(dòng)作、功能、過(guò)程、操作或步驟可能分別包括或者被分解成多個(gè)子動(dòng)作、子功能、子過(guò)程、子操作或子步驟。這些的子動(dòng)作可能被包括在該單個(gè)動(dòng)作的公開(kāi)中并且成為其一部分，除非明確排除。
此外，后面的權(quán)利要求由此被并入具體實(shí)施方式中，在權(quán)利要求中每項(xiàng)權(quán)利要求可以獨(dú)立作為單獨(dú)的示例。盡管每項(xiàng)權(quán)利要求可以獨(dú)立作為單獨(dú)的示例，但是要注意，盡管從屬權(quán)利要求在權(quán)利要求中可以指的是與一個(gè)或多個(gè)其他權(quán)利要求的具體組合，但是其他示例還可能包括從屬權(quán)利要求與每個(gè)其他從屬或獨(dú)立權(quán)利要求的主題的組合。在這里明確提出這樣的組合，除非聲明未打算具體的組合。此外，意圖同樣包括任何其他獨(dú)立權(quán)利要求的權(quán)利要求的特征，即使該權(quán)利要求沒(méi)有直接從屬于該獨(dú)立權(quán)利要求。
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