專利名稱：一種薄膜磁阻傳感器元件及薄膜磁阻電橋半橋和全橋的制作方法
技術領域：
本實用新型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：
薄膜磁阻傳感器元件被廣泛的應用在數(shù)據(jù)存儲領域(計算機硬盤，MRAM),電流的測量領域，位置測量，物體的移動和速度，角度及角速度等的測量領域。薄膜磁阻傳感器元件有多層膜結構和自旋閥結構。多層膜結構包括磁性層和非磁性層，它們交替的沉積在襯底上。自旋閥結構包括非磁性釘扎層(Mnlr，MnPt)、磁性被釘扎層(CoFeB、CoFe,或是 SAF 結構 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結構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，但是在實際應用中這種結構的熱穩(wěn)定性較差，目前的材料很難使傳感器的性能穩(wěn)定性達到200攝氏度以上。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，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、非磁性隔離層、磁性自由層、保護層、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構可以是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。[0011]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構(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)解偏磁層的厚度，材料成分及偏磁層到磁性自由層的距離而改變，從而達到調(diào)節(jié)薄膜磁阻傳感器靈敏度，線性范圍等參數(shù)。本實用新型的薄膜磁阻傳感器元件的工藝條件是行業(yè)內(nèi)標準的工藝條件，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、非磁性隔離層、磁性自由層、保護層、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、磁性自由層、保護層、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束后，進行偏磁層的沖磁，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)。本實用新型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，全橋結構和半橋結構，其中全橋結構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。而半橋結構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。本實用新型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，響應頻率高，成本低，抗干擾性強和溫度特性好等。

圖1是本實用新型中的薄膜磁阻傳感器元件的結構示意圖；圖2是本實用新型中的薄膜磁阻傳感器元件的外加磁場強度與輸出關系示意圖；圖3是本實用新型中的薄膜磁阻半橋的結構示意圖；圖4是本實用新型中的薄膜磁阻半橋的外加磁場強度與輸出關系示意圖；圖5是本實用新型中的薄膜磁阻全橋的結構示意圖；圖6是本實用新型中的薄膜磁阻全橋的外加磁場強度與輸出關系示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型予以進一步地詳盡闡述。[0026]一種薄膜磁阻傳感器元件，其依次具有下電極10、種子層1、反鐵磁釘扎層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的材料和結構可以是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 CoFeB、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構(例如:Ru/CoPt/Ru/CoPt, Ta/CoPt/Ta/CoPt 等。實施例1薄膜磁阻傳感器元件如圖1所示，薄膜磁阻傳感器元件的結構，由納米級多層膜組成:下電極10，種子層I，反鐵磁釘扎層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構，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。當外加磁場9的方向為負(_)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[0038]薄膜磁阻電橋全橋的結構，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。當外加磁場9的方向為負(_)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。
權利要求1.一種薄膜磁阻傳感器元件，其特征在于:其結構依次包括下電極、種子層、反鐵磁釘扎層、磁性被釘扎層、非磁性隔離層、磁性自由層、保護層、上電極、偏磁層。
2.如權利要求1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.如權利要求1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材料是 CoFeB、CoFe,或是 SAF 結構的 CoFe/Ru/CoFe、或 CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB。
4.如權利要求1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.如權利要求1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.如權利要求1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構 Ru/CoPt/Ru/CoPt，Ta/CoPt/Ta/CoPt, Ta/FePt/Ta/FePt,或 Ru/FePt/Ru/FePt。
7.如權利要求1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磁層所產(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:其結構包括四個如權利要求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。
專利摘要本實用新型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、磁性被釘扎層結構、非磁性隔離層、磁性自由層、保護層、上電極、偏磁層。本實用新型還涉及包含本實用新型的薄膜磁阻傳感器元件的電橋。本實用新型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，響應頻率高，成本低，抗干擾性強和溫度特性好。
文檔編號G01R17/00GK202994175SQ201220292129
公開日2013年6月12日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權日2012年6月20日
發(fā)明者王建國 申請人:寧波瑞納森電子科技有限公司