專利名稱：線性薄膜磁阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種線性薄膜磁阻傳感器，屬于薄膜磁阻傳感器的技術(shù)領(lǐng)域。
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(jì)算機(jī)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)，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, MgO, HfO,ZrO, 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)象通常采用的方法是1)、利用自由層的形狀各項(xiàng)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(jì)算機(jī)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(diǎn)是工藝簡單，但是形狀各項(xiàng)異性提供的偏置磁場有限，并且限制了芯片的設(shè)計(jì)。采用第二種方法的特點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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，提供一種線性薄膜磁阻傳感器，其結(jié)構(gòu)緊湊，磁滯小、精度和線性度高、線性范圍可調(diào)，工藝簡單，成本低，抗干擾性強(qiáng)及溫度穩(wěn)定性好。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述線性薄膜磁阻傳感器，包括種子層；參考層，位于所述種子層上，具有第一磁矩；非磁性隔離層，位于所述參考層上，將參考層與磁性自由層隔離；磁性自由層，位于非磁性隔離層上，具有第二磁矩，所述第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，且第二磁矩的方向與第一磁矩的方向相互垂直。所述磁性自由層的第二磁矩在非磁性隔離層的晶格結(jié)構(gòu)作用下產(chǎn)生垂直于膜面的各向異性時，磁性自由層的材料包括CoFeB，或CoFeB與Ta形成的復(fù)合層，或CoFeB、Ru與Ta形成的見合層、或CoFeB、Ta、Ru與Ta形成的見合層。所述磁性自由層的材料包括CoFe與Pt形成復(fù)合層、CoFe與Pd形成的復(fù)合層、Co與Pd形成的復(fù)合層、Co與Pt形成的復(fù)合層、CoFeB與Pt形成的復(fù)合層、或CoFeB與Pd形成的復(fù)合層。所述參考層包括非磁性釘扎層及磁性被釘扎層，所述非磁性釘扎層位于種子層上，磁性被釘扎層位于非磁性釘扎層上；非磁性釘扎層與磁性被釘扎層產(chǎn)生交換耦合場，所述交換耦合場在磁性被釘扎層上具有第一磁矩。所述非磁性隔離層的材料包括Cu、A10、Mg0、Hf0、ZrO或TaO。所述非磁性釘扎層的材料包括Mnlr,MnPt或MnFe ;所述磁性被釘扎層的材料包括CoFe與CoFeB形成的復(fù)合層、CoFe、Ru與CoFe形成的復(fù)合層、CoFe、Ru、CoFeB、Ta與CoFeB形成的復(fù)合層、或CoFe、Ta、CoFe、Ru與CoFeB形成的復(fù)合層。
一種線性薄膜磁阻傳感器電路，包括第一線性薄膜磁阻傳感器及第二線性薄膜磁阻傳感器，所述第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器形成半橋電路；第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)參考層的第一磁矩方向與第二線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)參考幀的第一磁矩方向反平行；第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)磁性自由層的第二磁矩反向與第二線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)磁性自由層的第二磁矩方向相互平行。還包括第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器，所述第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器、第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器形成惠斯通電橋；其中，所述第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器、第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器分別形成上述惠斯通電橋的橋臂，第一線性薄膜磁阻傳感器與第四線性薄膜磁阻傳感器位于惠斯通電橋的兩個相對應(yīng)的橋臂上，第二線性薄膜磁阻傳感器與第三線性薄膜磁阻傳感器位于惠斯通電橋的兩個相對應(yīng)的橋臂上，第一線性薄膜磁阻傳感器所在的惠斯通電橋的橋臂與第二線性薄膜磁阻傳感器及第三線性薄膜磁阻傳感器所在的惠斯通電橋的橋臂領(lǐng)接；
第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器、第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)對應(yīng)的第二磁矩方向相互平行；第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)的第一磁矩方向與第四線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)的第一磁矩方向相互平行，第二線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)的第一磁矩方向與第三線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)第一磁矩方向相平行。一種閉環(huán)電流傳感器，包括聚磁環(huán)，所述聚磁環(huán)與惠斯通電橋的電壓輸入端相連，惠斯通電橋的輸出端與放大器的輸入端相連；聚磁環(huán)上纏繞有二次線圈，所述二次線圈纏繞在聚磁環(huán)上后，二次線圈的一端與放大器的輸出端相連，另一端通過上拉電阻接地。一種開環(huán)電流傳感器，包括電流導(dǎo)線，所述電流導(dǎo)線集成于惠斯通電橋上，電流導(dǎo)線的電流路徑經(jīng)過惠斯通電橋的橋臂上的線性薄膜磁阻傳感器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)非磁性釘扎層與磁性被釘扎層形成參考層，參考層具有第一磁矩方向；磁性自由層具有第二磁性方向，第二磁性方向具有垂直于膜面的各向異性，且第二磁矩的方向與第一磁矩的方向相互垂直。由于磁性自由層的第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，磁性自由層在平行于膜面的方向表現(xiàn)出極低的磁滯，并且較低的飽和場，使得形成磁阻傳感器具有較高的靈敏度；磁性自由層平行于膜面的飽和場大小可以有垂直于膜面的各向異性的大小調(diào)節(jié)。利用本發(fā)明的薄膜磁阻傳感器還能形成帶聚磁環(huán)的閉環(huán)電流傳感器和不帶聚磁環(huán)的開環(huán)電流傳感器，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(qiáng)和溫度特性好。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明線性薄膜磁阻傳感器中第二磁矩方向與外加磁場間的關(guān)系示意圖。圖3為本發(fā)明線性薄膜磁阻傳感器的測量示意圖。圖4為由兩個本發(fā)明線性薄膜磁阻傳感器形成半橋電路的原理圖。圖5為圖4中的半橋電路與外加磁場間的關(guān)系示意圖。
圖6為由四個本發(fā)明線性薄膜磁阻傳感器形成全橋電路的原理圖。圖7為圖6中的全橋電路與外加磁場間的關(guān)系示意圖。圖8為本發(fā)明形成帶有聚磁環(huán)的閉環(huán)電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為本發(fā)明形成不帶聚磁環(huán)的閉環(huán)電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。I-種子層、2-非磁性釘扎層、3-磁性被釘扎層、4-非磁性隔離層、5-磁性自由層、6-保護(hù)層、7-第一磁矩方向、8-第二磁矩方向、9-外加磁場、10-第二磁矩第一方向、11 -第二磁矩第二方向、12-第二磁矩第三方向、211-第一電壓輸入端、212-第一電壓輸出端、213-第二電壓輸入端、214-半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器、215-半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器、216-半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)第一磁矩方向、217-半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、218-半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、219-半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、311-全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器、312-全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器、313-全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感 器、314-全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器、315-第三電壓輸入端、316-第四電壓輸入端、317-第二電壓輸出端、318-第三電壓輸出端、321-全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、322-全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、323-全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、324-全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、331-全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、332-全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、333-全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、334-全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、411-測量導(dǎo)線、412-聚磁環(huán)、413-惠斯通電橋、414-第一惠斯通電橋輸出端、415-第二惠斯通電橋輸出端、416-放大器、417- 二次線圈、418-上拉電阻、419-閉環(huán)電流傳感器輸出端、511-第一電流輸入端、512-第二電流輸入端、513-第五電壓輸入端、514-第六電壓輸出端、515-第四電壓輸出端、516-第五電壓輸出端、517-電流導(dǎo)線、518-感應(yīng)磁場、521-全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器、522-全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器、523-全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器、524-全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器、531-全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、532-全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、533-全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、534-全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向、535-全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、536-全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向、537-全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向及538-全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖I所示本發(fā)明包括種子層I ;參考層，位于所述種子層I上，具有第一磁矩；非磁性隔離層4，位于所述參考層上，將參考層與磁性自由層5隔離；磁性自由層5，位于非磁性隔離層4上，具有第二磁矩，所述第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，且第二磁矩的方向與第一磁矩的方向相互垂直。由于磁性自由層5的第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性,磁性自由層5在平行于膜面的方向表現(xiàn)出極低的磁滯，并且較低的飽和場，使得形成磁阻傳感器具有較高的靈 敏度；磁性自由層5平行于膜面的飽和場大小可以有垂直于膜面的各向異性的大小調(diào)節(jié)。參考層的第一磁矩方向平行于膜面，所述磁性自由層5的第二磁矩在非磁性隔離層4的晶格結(jié)構(gòu)作用下產(chǎn)生垂直于膜面的各向異性時，此時，磁性自由層5的材料包括CoFeB，或CoFeB與Ta形成的復(fù)合層,或CoFeB、Ru與Ta形成的復(fù)合層、或CoFeB、Ta、Ru與Ta形成的復(fù)合層。此外，磁性自由層5也可以在特定的材料作用下產(chǎn)生具有垂直于膜面的各向異性時，所述磁性自由層5的材料包括CoFe與Pt形成復(fù)合層、CoFe與Pd形成的復(fù)合層、Co與Pd形成的復(fù)合層、Co與Pt形成的復(fù)合層、CoFeB與Pt形成的復(fù)合層、或CoFeB與Pd形成的復(fù)合層；同時，磁性自由層5也可以由上述復(fù)合層形成的多層膜結(jié)構(gòu)。 所述參考層包括非磁性釘扎層2及磁性被釘扎層3，所述非磁性釘扎層2位于種子層I上，磁性被釘扎層3位于非磁性釘扎層2上；非磁性釘扎層2與磁性被釘扎層3產(chǎn)生交換耦合場，所述交換耦合場在磁性被釘扎層3上具有第一磁矩。所述磁性自由層5上設(shè)置保護(hù)層6。所述非磁性隔離層4的材料包括Cu、A10、MgO, HfO, ZrO或TaO。所述非磁性釘扎層2的材料包括MnIr，MnPt或MnFe ;所述磁性被釘扎層3的材料包括CoFe與CoFeB形成的復(fù)合層、CoFe、Ru與CoFe形成的復(fù)合層、CoFe、Ru、CoFeB、Ta與CoFeB形成的復(fù)合層、或CoFe、Ta、CoFe、Ru與CoFeB形成的復(fù)合層。本發(fā)明制備線性薄膜磁阻傳感器的工藝條件是行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的工藝條件，為本技術(shù)領(lǐng)域人員所熟知，在這里只做簡單的陳述，大體為1)、當(dāng)非磁性隔離層4是金屬時，采用真空鍍膜工藝制備下述結(jié)構(gòu)種子層1，非磁性釘扎層2，磁性被釘扎層3，非磁性隔離層4，磁性自由層5，保護(hù)層6。2)、如果非磁性隔離層4是氧化物，采用真空鍍膜制備下述結(jié)構(gòu)種子層1，非磁性釘扎層2，磁性被釘扎層3 ;然后制備非磁性隔離層、非磁性隔離層氧化，再真空鍍膜磁性自由層5及保護(hù)層6。上述結(jié)構(gòu)薄膜鍍完之后，開始回火確定磁性被釘扎層3和非反磁性釘扎層2產(chǎn)生的交換耦合場的方向。在較高的溫度下，加大外磁場，外磁場的方向與想要的交換耦合場的方向一致，一般平行于待測量外磁場的方向。磁性自由層5的第二磁矩方向8垂直于膜面的各項(xiàng)異性與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7相互垂直,磁性自由層5的第二磁矩方向8隨著外加磁場9的大小和方向改變而變化。本發(fā)明能用于用于磁場，電流，位置，移動，角度，角速度等測量。本發(fā)明得到的線性薄膜磁阻傳感器的工作原理為薄膜磁阻傳感器的磁阻磁性自由層5的第二磁矩方向8與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7的夾角的變化而變化。當(dāng)磁性自由層5的第二磁矩方向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的第一磁矩方向7平行時，同時外加磁場9的強(qiáng)度大于Hl時,磁性自由層5的第二磁矩方向8與外加磁場9的方向平行，進(jìn)而與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7平行，如圖2中的第二磁矩第一方向10,即第二磁矩第一方向10與第一磁矩方向7相互平行,這時薄膜磁阻傳感器兀件的磁阻最小。當(dāng)外加磁場9的方向與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7反平行時，同時外加磁場9的強(qiáng)度大于H2時,磁性自由層5的第二磁矩方向8與外加磁場9的方向平行，進(jìn)而與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7反平行，如圖2中的第二磁矩第三方向12所示，即第二磁矩第三方向12與第一磁矩方向7反平行，這時薄膜磁阻傳感器元件的磁阻最大。當(dāng)外加磁場9的磁場強(qiáng)度為零時，磁性自由層5的第二磁矩方向8與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7相互垂直，這時薄膜磁阻傳感器的磁阻為這個磁阻為最大值與最小值之和的一半，即為第二磁矩方向8為圖2中的第二磁矩第二方向11時情況。在Hl與H2之間的磁場范圍就是薄膜磁阻傳感器的測量范圍。如圖3所示為薄膜磁阻傳感器元件測量結(jié)果，當(dāng)外加磁場9的場強(qiáng)為_1400e時，磁性自由層5的第二磁矩方向8與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7平行，如圖3中的第二磁矩第一方向10，這時薄膜磁阻傳感器元件的磁阻最小為IK歐姆。當(dāng)外加磁場9的場強(qiáng)為1400e時，磁性自由層5的第二磁矩方向8與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7反平行，如圖3中的第二磁矩第三方向12所示，這時薄膜磁阻傳感器元件的磁阻最大為I. 7K歐姆。當(dāng)外加磁場9為零時，磁性自由層5的第二磁矩方向8與磁性被釘扎層3的第一磁矩方向7相互垂直，這時薄膜磁阻傳感器的磁阻為最大值加最小值值之和的一半為I. 35K歐姆。如圖4和圖5所示為利用本發(fā)明線性薄膜磁阻傳感器配合形成半橋電路的原理圖，通過半橋電路能夠用于測量所需的模擬量。所述半橋電路包括半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214及半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器215，半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214與第一電壓輸入端211電連接，半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器215與第二電壓輸入端213相連，半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214與半橋電路第二薄膜磁阻傳感器215相連接后與第一電壓輸出端212相連。半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214與半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器215構(gòu)成半橋電路時，半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214的半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向216與半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器215的半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向217反平行，半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214的半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向218與半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器215的半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向219相互平行。半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向216與前述第一磁矩方向7相對應(yīng)一致，半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向218與前述第二磁矩方向8相對應(yīng)一致，下述相同，不在詳述。由半橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器214與半橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器215形成半橋電路的工作原理為所述半橋電路的輸出電壓V隨著外加磁場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?yàn)樨?fù)(-)且磁場強(qiáng)度大于Hl時，所述半橋電路的輸出電壓最低。當(dāng)外加磁場9的方向?yàn)檎?+ )且磁場強(qiáng)度大于H2時,所述半橋電路的輸出電壓最高。外加磁場9的強(qiáng)度在Hl與H2之間的磁場范圍就是所述半橋電路的測量范圍。、
如圖6和圖7所示為利用本發(fā)明線性薄膜磁阻傳感器配合形成全橋電路的原理圖，其中，所述全橋電路包括全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器311、全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器312、全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器313及全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器314。全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器311與全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器312及全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器313相連，全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器314與全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器312及全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器313相連，且全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器311與全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器313相連的一端與第三電壓輸入端315相連，全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器312與全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器314相連的一端與第四電壓輸入端216相連，全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器311與全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器312相連的端部與第二電壓輸出端317相連，全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器313與全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器314相連的一端與第三電壓輸出端318相連。上述連接配合后，全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器311的全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向321與全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器314的全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向323相平行，全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器312的 全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向322與全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器313的全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向324相互平行，全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向321與全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向322反平行。全橋電路第一線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向331、全橋電路第二線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向332、全橋電路第三線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向333及全橋電路第四線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向334相互平行。上述全橋電路的工作原理為所述全橋電路的輸出電壓為V=Vout (+)-Vout (_) =第二電壓輸出端317的電壓值-第三電壓輸出端318的電壓值；所述全橋電路輸出電壓隨著外加磁場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?yàn)樨?fù)(_)且磁場強(qiáng)度大于Hl時,所述全橋電路的輸出電壓最低。當(dāng)外加磁場9的方向?yàn)檎?+ )且磁場強(qiáng)度大于H2時,所述全橋電路的輸出電壓最高。磁場強(qiáng)度Hl與H2之間的磁場范圍就是本發(fā)明全橋電路的測量范圍。如圖8所示為本發(fā)明利用惠斯通電橋與聚磁環(huán)412形成閉環(huán)電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明實(shí)施例中，惠斯通電橋413的結(jié)構(gòu)可以采用圖6中的結(jié)構(gòu)。所述聚磁環(huán)412與惠斯通電橋413的電壓輸入端相連，惠斯通電橋413的惠斯通電橋第一輸出端414、惠斯通電橋第二輸出端415與放大器416的輸入端相連；聚磁環(huán)214上纏繞有二次線圈417,所述二次線圈417纏繞在聚磁環(huán)上412后,二次線圈417的一端與放大器416的輸出端相連，另一端通過上拉電阻418接地，二次線圈417與上拉電阻418相連的一端形成閉環(huán)電流傳感器輸出端419。測量導(dǎo)線411穿過聚磁環(huán)412，本實(shí)施例中的閉環(huán)電流傳感器是基于磁平衡工作原理，為本技術(shù)領(lǐng)域所熟知，此處不再詳細(xì)描述。如圖9所示為不帶有聚磁環(huán)412的電流傳感器原理圖。本實(shí)施例中包括全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521、全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522、全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523及全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524。全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521與全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522及全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523相連，全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522及全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523均與全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524連接，全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521、全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522、全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523及全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524也形成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522及全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523與第五電壓輸入端513相連，全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521及全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524的第六電壓輸入端514相連。全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522、全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524相連的端部與第四電壓輸出端515相連，全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521、全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523與第五電壓輸出端516相連。電流導(dǎo)線517集成在惠斯通電橋結(jié)構(gòu)上，電流導(dǎo)線517的電流路徑經(jīng)過惠斯通電橋上的所有線性薄膜磁阻傳感器。電流導(dǎo)線517的兩端為第一電流輸入端511及第二電流輸入端512。全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521的全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向537、全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522的全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向538、全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523的全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向535及全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524的全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器第一磁矩方向536均相同。全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器521的全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向533、全橋電路第六線性薄膜磁阻傳感器522的全橋電路第五線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向534、全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器523的全橋電路第七線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向531及全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器524的全橋電路第八線性薄膜磁阻傳感器第二磁矩方向532均相同。當(dāng)被測量電流通過電流導(dǎo)線517時，產(chǎn)生感應(yīng)磁場518，惠斯通電橋根據(jù)感應(yīng)磁場518的大小，從而測得流過電流導(dǎo)線517電流的大小?；菟雇姌蚺c電流導(dǎo)線517 —起封裝在同一芯片中。電流傳感器使用在相鄰電流比較近或者外界干擾磁場比較強(qiáng)烈和復(fù)雜的場合，可將整個傳感器芯片放置于一個方形的屏蔽罩中。本發(fā)明非磁性釘扎層2與磁性被釘扎層3形成參考層,參考層具有第一磁矩方向7 ;磁性自由層5具有第二磁性方向8，第二磁性方向8具有垂直于膜面的各向異性，且第二磁矩的方向與第一磁矩的方向相互垂直。由于磁性自由層5的第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，磁性自由層5在平行于膜面的方向表現(xiàn)出極低的磁滯,并且較低的飽和場,使得形成磁阻傳感器具有較高的靈敏度；磁性自由層5平行于膜面的飽和場大小可以有垂直于膜面的各向異性的大小調(diào)節(jié)。利用本發(fā)明的薄膜磁阻傳感器還能形成帶聚磁環(huán)的閉環(huán)電流傳感器和不帶聚磁環(huán)的開環(huán)電流傳感器，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(qiáng)和溫度特性好等。
權(quán)利要求
1.一種線性薄膜磁阻傳感器，其特征是，包括 種子層； 參考層，位于所述種子層上，具有第一磁矩； 非磁性隔離層，位于所述參考層上，將參考層與磁性自由層隔離； 磁性自由層，位于非磁性隔離層上，具有第二磁矩，所述第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，且第ニ磁矩的方向與第一磁矩的方向相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的線性薄膜磁阻傳感器，其特征是所述磁性自由層的第二磁矩在非磁性隔離層的晶格結(jié)構(gòu)作用下產(chǎn)生垂直于膜面的各向異性時，磁性自由層的材料包括CoFeB，或CoFeB與Ta形成的復(fù)合層，或CoFeB、Ru與Ta形成的復(fù)合層、或CoFeB、Ta、Ru 與Ta形成的復(fù)合層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的線性薄膜磁阻傳感器，其特征是所述磁性自由層的材料包括CoFe與Pt形成復(fù)合層、CoFe與Pd形成的復(fù)合層、Co與Pd形成的復(fù)合層、Co與Pt形成的復(fù)合層、CoFeB與Pt形成的復(fù)合層、或CoFeB與Pd形成的復(fù)合層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的線性薄膜磁阻傳感器，其特征是所述參考層包括非磁性釘扎層及磁性被釘扎層，所述非磁性釘扎層位于種子層上，磁性被釘扎層位于非磁性釘扎層上；非磁性釘扎層與磁性被釘扎層產(chǎn)生交換耦合場，所述交換耦合場在磁性被釘扎層上具有第一磁矩。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的線性薄膜磁阻傳感器，其特征是所述非磁性隔離層的材料包括 Cu、A10、MgO、HfO, ZrO 或 TaO0
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的線性薄膜磁阻傳感器，其特征是所述非磁性釘扎層的材料包括MnIr, MnPt或MnFe ;所述磁性被釘扎層的材料包括CoFe與CoFeB形成的復(fù)合層、CoFe、Ru與CoFe形成的復(fù)合層、CoFe> Ru、CoFeB、Ta與CoFeB形成的復(fù)合層、或CoFe、Ta、CoFe>Ru與CoFeB形成的復(fù)合層。
7.ー種利用權(quán)利要求I所述線性薄膜磁阻傳感器的線性薄膜磁阻傳感器電路，其特征是包括第一線性薄膜磁阻傳感器及第ニ線性薄膜磁阻傳感器，所述第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器形成半橋電路；第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)參考層的第一磁矩方向與第二線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)參考巾貞的第一磁矩方向反平行；第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)磁性自由層的第二磁矩反向與第二線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)磁性自由層的第二磁矩方向相互平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的線性薄膜磁阻傳感器電路，其特征是還包括第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器，所述第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器、第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器形成惠斯通電橋；其中，所述第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器、第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器分別形成上述惠斯通電橋的橋臂，第一線性薄膜磁阻傳感器與第四線性薄膜磁阻傳感器位于惠斯通電橋的兩個相對應(yīng)的橋臂上，第二線性薄膜磁阻傳感器與第三線性薄膜磁阻傳感器位于惠斯通電橋的兩個相對應(yīng)的橋臂上，第一線性薄膜磁阻傳感器所在的惠斯通電橋的橋臂與第二線性薄膜磁阻傳感器及第三線性薄膜磁阻傳感器所在的惠斯通電橋的橋臂領(lǐng)接； 第一線性薄膜磁阻傳感器、第二線性薄膜磁阻傳感器、第三線性薄膜磁阻傳感器及第四線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)對應(yīng)的第二磁矩方向相互平行；第一線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)的第ー磁矩方向與第四線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)的第一磁矩方向相互平行，第二線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)的第一磁矩方向與第三線性薄膜磁阻傳感器內(nèi)第一磁矩方向相平行。
9.ー種利用權(quán)利要求8所述線性薄膜磁阻傳感器的閉環(huán)電流傳感器，其特征是包括聚磁環(huán)，所述聚磁環(huán)與惠斯通電橋的電壓輸入端相連，惠斯通電橋的輸出端與放大器的輸入端相連；聚磁環(huán)上纏繞有二次線圈，所述二次線圈纏繞在聚磁環(huán)上后，二次線圈的一端與放大器的輸出端相連，另一端通過上拉電阻接地。
10.ー種利用權(quán)利要求8所述線性薄膜磁阻傳感器的開環(huán)電流傳感器，其特征是包括電流導(dǎo)線，所述電流導(dǎo)線集成于惠斯通電橋上，電流導(dǎo)線的電流路徑經(jīng)過惠斯通電橋的橋臂上的線性薄膜磁阻傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種線性薄膜磁阻傳感器，其包括種子層；參考層，位于種子層上，具有第一磁矩；非磁性隔離層，位于所述參考層上，將參考層與磁性自由層隔離；磁性自由層，位于非磁性隔離層上，具有第二磁矩，所述第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，且第二磁矩的方向與第一磁矩的方向相互垂直。本發(fā)明由于磁性自由層的第二磁矩具有垂直于膜面的各向異性，磁性自由層在平行于膜面的方向表現(xiàn)出極低的磁滯，并且較低的飽和場，使得形成磁阻傳感器具有較高的靈敏度；還能形成帶聚磁環(huán)的閉環(huán)電流傳感器和不帶聚磁環(huán)的開環(huán)電流傳感器，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(qiáng)和溫度特性好。
文檔編號G01D5/12GK102680009SQ20121020541
公開日2012年9月19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