專(zhuān)利名稱(chēng)：四層gmr夾層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及適于高密度數(shù)據(jù)應(yīng)用的巨型磁阻傳感器的新型結(jié)構(gòu)以及加入這種傳感器的系統(tǒng)。此外，本發(fā)明可用于需要磁場(chǎng)感測(cè)的其他應(yīng)用。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)一般包括輔助存儲(chǔ)裝置，它具有可將數(shù)據(jù)寫(xiě)在其上并從中讀取數(shù)據(jù)以便以后使用的媒體。一般將加入旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)的直接存取存儲(chǔ)裝置(盤(pán)片驅(qū)動(dòng)器)用于將數(shù)據(jù)以磁的形式存儲(chǔ)在盤(pán)片表面。把數(shù)據(jù)記錄在盤(pán)片表面上的同心的徑向隔開(kāi)的磁道上。于是，用包含閱讀(read)傳感器的磁頭從盤(pán)片表面上的磁道上讀取數(shù)據(jù)。
在高容量盤(pán)片驅(qū)動(dòng)器中，磁阻閱讀傳感器(一般被稱(chēng)為MR磁頭)是普遍的閱讀傳感器，因?yàn)樗鼈兡軌驈钠渚€(xiàn)性密度高于薄膜感應(yīng)頭的線(xiàn)性密度的盤(pán)片表面上讀取數(shù)據(jù)。MR傳感器通過(guò)隨著由MR層感測(cè)到的磁通量的強(qiáng)度和方向的函數(shù)而改變它的MR感測(cè)層(還稱(chēng)為“MR元件”)的阻抗來(lái)檢測(cè)磁場(chǎng)。
傳統(tǒng)的MR傳感器根據(jù)各向異性磁阻(AMR)效應(yīng)進(jìn)行操作，其中在各向異性磁阻效應(yīng)中MR元件阻抗隨著MR元件的磁化以及通過(guò)MR元件的感測(cè)電流的方向之間的角度余弦的平方而變化。由于來(lái)自記錄的磁性媒體(信號(hào)場(chǎng))的外部磁場(chǎng)導(dǎo)致MR元件的磁化方向的變化，而這又反過(guò)來(lái)改變MR元件的阻抗變化以及感測(cè)電流和電壓的相應(yīng)變化，所以可從磁性媒體中讀取記錄數(shù)據(jù)。
另一種類(lèi)型MR傳感器是表明GMR效應(yīng)的巨型磁阻(GMR)(giantmagnetoresistance)傳感器。在GMR傳感器中，MR感測(cè)層的阻抗隨著導(dǎo)電電子的與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的傳播的變化而變化，其中上述傳播變化是發(fā)生在被一個(gè)或多個(gè)非磁層(隔離物(spacer))分開(kāi)的磁層以及在磁層和非磁層的界面上和在磁層內(nèi)發(fā)生的伴隨的與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的散射(accompanying spin-dependentscattering)之間的。


圖1(a)示出簡(jiǎn)單的除去插頭的(unpinned)GMR傳感器100。簡(jiǎn)單的GMR傳感器包括被非磁性隔離物104分開(kāi)的兩個(gè)磁層103和105。覆蓋層(caplayer)106覆蓋一個(gè)磁層105，和將緩沖層102設(shè)在另一個(gè)磁層103之下。將整個(gè)結(jié)構(gòu)淀積在襯底101使。這單個(gè)去插頭的GMR傳感器100提供有限的GMR，從而導(dǎo)致相對(duì)較弱的信號(hào)。
圖1(b)示出簡(jiǎn)單的去插頭的GMR傳感器100的磁化方向，其中偏置電流110流入頁(yè)面(page)。對(duì)于該偏置電流110，磁層105和103的主要磁化方向取向?yàn)橄嗷シ聪蚱叫?，如箭頭是示。
圖1(c)示出簡(jiǎn)單的去插頭GMR傳感器100的磁化方向，其中偏置電流110和施加的外部磁場(chǎng)111流入頁(yè)面。當(dāng)施加足夠大的外場(chǎng)111，磁層105和103的磁化將與場(chǎng)方向?qū)?zhǔn)，而且阻抗很低。
如圖1(a)-(c)所示的傳感器在諸如磁場(chǎng)感測(cè)的應(yīng)用中十分有用。然而，簡(jiǎn)單的去插頭GMR傳感器已被用于橋式電路，從而成功地操作，即，提供阻抗差異，必須屏蔽或附加偏置一組簡(jiǎn)單的去插頭GMR傳感器。該附加的屏蔽或偏置導(dǎo)致附加成本并使橋式電路的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。
因此，需要一種磁阻傳感器，它提供增加的GMR，從而導(dǎo)致更高的信號(hào)輸出。此外，還需要一種傳感器，它根據(jù)施于傳感器的電流密度提供不同的場(chǎng)響應(yīng)，而無(wú)需附加屏蔽或偏置的復(fù)雜度。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明第一方面，提供一種包含襯底和設(shè)在該襯底上的第一三層(trilayer)的磁阻(GMR)傳感器。將第一隔離物層設(shè)在第一三層上。將第一磁層設(shè)在第一隔離物上。將第二隔離層設(shè)在第一磁層上。將第二磁層設(shè)在第二隔離層上。將第三隔離層設(shè)在第二磁層上。將第二三層設(shè)在第三隔離層上，和將覆蓋層設(shè)在第二三層上。該第一和第二三層包含第一鐵磁層、第二鐵磁層和設(shè)在第一和第二鐵磁層之間并與它們接觸的反平行偶合層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種磁阻傳感裝置，它包含襯底和設(shè)在襯底上的第一三層。將第一隔離層設(shè)在第一三層上。將第一磁層設(shè)在第一隔離物上。將第二隔離層設(shè)在第一磁層上。將第二磁層設(shè)在第二隔離層上。將第三隔離層設(shè)在第二磁層上。將第二三層設(shè)在第三隔離層上和將覆蓋層設(shè)在第二三層上。第一和第二三層包含第一鐵磁層、第二鐵磁層以及設(shè)在第一和第二鐵磁層之間并與它們接觸的反平行偶合層。磁阻傳感器的阻抗依賴(lài)于所施加的偏置電流的幅值。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種包含偶合到Wheatstone橋的第一相對(duì)節(jié)點(diǎn)的第一對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)以及偶合到Wheatstone橋的第二相對(duì)節(jié)點(diǎn)的第二對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)。當(dāng)將外部場(chǎng)施于Wheatstone橋時(shí)，第一對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)具有大于第二對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)的電流密度。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種盤(pán)片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包含記錄磁盤(pán)、磁阻傳感器、用于跨記錄磁盤(pán)移動(dòng)磁阻傳感器的致動(dòng)器以及電氣耦合到磁阻傳感器的用于檢測(cè)由于第一和第二層壓層(laminate layer)的磁化軸根據(jù)磁性記錄數(shù)據(jù)響應(yīng)于磁場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)所致的磁阻傳感器的阻抗變化的檢測(cè)電路。磁性傳感器包含襯底和設(shè)在襯底上的第一三層。第一隔離層設(shè)在第一三層上。將第一磁層設(shè)在第一隔離物上。將第二隔離層設(shè)在第一磁層上。將第二磁層設(shè)在第二隔離層上。將第三隔離層設(shè)在第二磁層上。將第二三層設(shè)在第三隔離層上并將覆蓋層設(shè)在第二三層上。第一和第二三層包含第一鐵磁層、第二鐵磁層以及設(shè)在第一和第二鐵磁層之間并與它們接觸的反平行耦合層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供用于測(cè)量跨Wheatstone橋施加的外場(chǎng)的裝置。該裝置包括四端頭電氣網(wǎng)(A，B，C，D)，包含連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(B)之間的第一電阻器R1、連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(B)和(C)之間的第二電阻器R2、連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(C)和(D)之間的第三電阻器R3和跨網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(D)連接的第四電阻器R4。當(dāng)跨網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(C)施加磁場(chǎng)時(shí)，電阻器R1和R3具有第一電流密度，而當(dāng)跨網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(C)施加相同磁場(chǎng)時(shí)，電阻器R2和R4具有第二電流密度。第二電流密度不等于第一電流密度。該裝置還包括跨網(wǎng)絡(luò)端頭(B)和(D)可操作性耦合的裝置，用于檢測(cè)跨端頭(B)和(D)的電勢(shì)。
從下面詳細(xì)描述中，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。
附圖簡(jiǎn)述為了全面理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)以及運(yùn)用的較佳模式，可參照下列結(jié)合附圖的詳細(xì)描述。在附圖中，相同標(biāo)號(hào)做相應(yīng)表示。
圖1(a)是簡(jiǎn)單GMR傳感器的剖面圖，不是等比例的。
圖1(b)是如圖1(a)所示的傳感器的剖面圖，其中偏置電流流入頁(yè)面。
圖1(c)是如圖1(a)所示的在低阻抗?fàn)顟B(tài)下偏置的傳感器的剖面圖。
圖2是記錄磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。
圖3(a)是根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例的GMR傳感器的剖面圖，但不是等比例的。
圖3(b)是如圖3(a)所示的在高阻抗?fàn)顟B(tài)下偏置的GMR傳感器的剖面圖，但不是等比例的。
圖3(c)是如圖3(a)所示的在低阻抗?fàn)顟B(tài)下偏置的GMR傳感器的剖面圖，但不是等比例的，圖4(a)是根據(jù)本發(fā)明的帶有低偏置電流的GMR傳感器的傳遞曲線(xiàn)(％GMR對(duì)施加的磁場(chǎng))。
圖4(b)是根據(jù)本發(fā)明的帶有高偏置電流的GMR傳感器的傳遞曲線(xiàn)(％GMR對(duì)施加的磁場(chǎng))。
圖5(a)是帶有低偏置電流的簡(jiǎn)單GMR傳感器的比較傳遞曲線(xiàn)(％GMR對(duì)施加的磁場(chǎng))。
圖5(b)是帶有高偏置電流的簡(jiǎn)單GMR傳感器的比較傳遞曲線(xiàn)(％GMR對(duì)施加的磁場(chǎng))。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的GMR傳感器的簡(jiǎn)化圖。
圖7(a)是利用本發(fā)明的橋式電路的電路圖。
圖7(b)是利用本發(fā)明的如圖7(a)所示的橋式電路的物理示意圖。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述以下的描述是當(dāng)前考慮實(shí)施本發(fā)明的較佳實(shí)施例的詳細(xì)描述。該描述用于顯示本發(fā)明的一般原理，但不限于這里所要求的發(fā)明原理。
圖2示出體現(xiàn)本發(fā)明的盤(pán)片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)200。如圖2所示，在主軸214上支撐至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)212并由盤(pán)片驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。在每個(gè)盤(pán)片上的磁記錄媒體是以在盤(pán)片212上的環(huán)形同心數(shù)據(jù)磁道的形式。
將至少一個(gè)滑片213定位在盤(pán)片212上，每個(gè)滑片213支撐一個(gè)或多個(gè)磁讀取/寫(xiě)入頭，其中該磁頭加入了本發(fā)明的GMR傳感器。當(dāng)盤(pán)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑片213在盤(pán)片表面上徑向移入移出，從而磁頭可訪(fǎng)問(wèn)其上記錄所需數(shù)據(jù)的盤(pán)片的不同部分。利用懸臂裝置(suspension)215將每個(gè)滑片213都附在致動(dòng)器臂上。該懸臂裝置215提供輕微的彈力，他將滑片壓向盤(pán)片表面。每個(gè)致動(dòng)器其臂附在致動(dòng)器227上。
在盤(pán)片存儲(chǔ)系統(tǒng)操作期間，盤(pán)片212的旋轉(zhuǎn)在滑片213的空氣墊表面(將包括讀取頭和面對(duì)盤(pán)片表面的滑片212的表面稱(chēng)為空氣墊表面(ABS))盤(pán)和片表面之間產(chǎn)生空氣墊并在滑片213上施加向上的力或升力。于是，空氣墊抗衡懸臂裝置215的輕微彈力并在正常操作期間，將滑片支撐在離開(kāi)盤(pán)片212表面之上少量的基本上恒定的空間內(nèi)。
在操作期間，盤(pán)片存儲(chǔ)系統(tǒng)的各種元件受到由控制單元229(諸如，訪(fǎng)問(wèn)控制信號(hào)和內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào))產(chǎn)生的控制信號(hào)的控制。一般，控制單元229包括邏輯控制電路、存儲(chǔ)器和微處理器?？刂茊卧a(chǎn)生控制信號(hào)來(lái)控制各種系統(tǒng)操作，諸如在線(xiàn)的(on line)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制信號(hào)以及在線(xiàn)的磁頭位置和搜索控制信號(hào)。在線(xiàn)的控制信號(hào)提供所需電流增益曲線(xiàn)以最佳地移動(dòng)和定位滑片213在盤(pán)片212的所需數(shù)據(jù)磁道上。
如圖2所示的典型磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的以上描述只是用于示例說(shuō)明。明顯的是，磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)可包含大量盤(pán)片和致動(dòng)器，而且每個(gè)致動(dòng)器其可支持大量滑片。
圖3(a)示出根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例的GMR結(jié)構(gòu)100的剖面圖。通過(guò)利用多種技術(shù)(例如，包含濺射淀積(sputter deposition)、離子束淀積，等)形成GMR結(jié)構(gòu)100的多層。
一般，在襯底301上形成GMR結(jié)構(gòu)。襯底301可以是任何適當(dāng)?shù)囊r底，包括玻璃、半導(dǎo)體材料或陶瓷材料。對(duì)于盤(pán)片驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，襯底301還可包括可滲透屏蔽底層(未圖示)以及半間隙絕緣體(未圖示)。在襯底上形成緩沖層302。淀積緩沖層302以改變后面層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)或晶粒度，而且根據(jù)襯底301緩沖層可能不是必須的。如果用的話(huà)，可用鉭(Ta)、鋯(Zr)、鎳-鐵(Ni-Fe)或Al2O3構(gòu)成緩沖層302。緩沖層302最好是大約20至80埃厚，而且更佳的上具有大約35埃的厚度。
如果不用緩沖層，在緩沖層302或襯底301上形成第一三層320。第一三層320包含第一鐵磁層332和第二鐵磁層330，它們被反平行耦合(APC)層331隔開(kāi)。
第二鐵磁層330可由鎳-鐵、鈷-鐵、鎳-鐵-鈷和此類(lèi)材料構(gòu)成。在緩沖層302或襯底301上形成第二磁頭層330。第二鐵磁層330的厚度較佳的是大約10到100埃，而且更佳的是厚度大約17埃。
第一鐵磁層332可由鎳-鐵、鈷-鐵、鎳-鐵-鈷和此類(lèi)材料構(gòu)成。在APC層上形成第一鐵磁層332并與隔離物331接觸。第一鐵磁層332較佳的是厚度大約10至100埃，更加的是厚度大約35埃。
APC層331允許兩個(gè)鐵磁層330和332在反平行方向強(qiáng)烈地磁性耦合(如圖3(b)中箭頭所示)。APC層331可由釕(Ru)、銦和/或銠構(gòu)成。較佳的上，APC層331的厚度大約3至12埃，更好的是厚度9.5埃。
一般，第二鐵磁層330具有比第一鐵磁層332大的磁距。這可通過(guò)淀積比第一鐵磁層332更厚的第二鐵磁層330完成。另一方面，可以只通過(guò)選擇材料就可增加層的磁距。
在第一三層320上形成第一隔離層333。于是，在第一鐵磁層332上形成第一隔離層333并與它接觸。隔離物333可以由銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等構(gòu)成。較佳的上，第一隔離層333的厚度大約25至45埃，更佳的上厚度32埃。
在第一隔離層333上形成簡(jiǎn)單的GMR結(jié)構(gòu)322。簡(jiǎn)單的GMR結(jié)構(gòu)322包括兩個(gè)磁層303和305，它們由非磁(第二)隔離層304隔開(kāi)。磁層303和305可由鎳-鐵、鈷-鐵、鎳-鐵-鈷等材料構(gòu)成。較佳的上，磁層332和305的厚度約為10至100埃，更佳的上厚度大約35埃。在第一磁層303上形成非磁隔離物304并與其接觸。非磁隔離物304可以由銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等構(gòu)成。較佳的是，非磁隔離層303的厚度大約25至45埃，更佳的是，厚度大約32埃。于是，在非磁隔離物303上形成第二磁層305并與它接觸。
在簡(jiǎn)單的GMR結(jié)構(gòu)322上形成第三隔離層334。于是，在簡(jiǎn)單的GMR結(jié)構(gòu)322上形成第三隔離層334并與其接觸。第三隔離層334可由銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等構(gòu)成。較佳的是，第三隔離層334的厚度約25至45埃，更佳的是，厚度約32埃。
在第二三層334上形成第二三層321。第二三層321包括第一鐵磁層335和第二鐵磁層337，它們由反平行耦合(APC)層336隔開(kāi)。較佳的是，該三層的材料和尺寸與前面按照第一三層320所述的相同。
覆蓋層306可由適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)材料，諸如，鉭(Ta)、Al2O3，等形成。將覆蓋層306淀積在第二三層321上以使激活層免受氧化、腐蝕，等。較佳的是，覆蓋層的厚度大約20至80埃，更佳的是，厚度大約35埃。
圖3(b)示出在零外場(chǎng)、高阻抗?fàn)顟B(tài)下，根據(jù)本發(fā)明的GMR結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖3(b)示出相關(guān)磁化方向，其中偏置電流310的方向與該堆疊(stack)垂直。增加層的數(shù)量增加了薄膜的GMR，從而導(dǎo)致更高的輸出信號(hào)。有用的是，使外磁層的正確取向如圖3(b)所示。外鐵磁層330和337的磁距比內(nèi)鐵磁層335和332的磁距要高。
圖3(c)示出如圖3(a)所示的在低阻抗?fàn)顟B(tài)下偏置的GMR結(jié)構(gòu)的剖面圖。對(duì)準(zhǔn)中間鐵磁層335、305、303和332，如箭頭所示，從而給出在低阻抗?fàn)顟B(tài)下的結(jié)構(gòu)。由于跨交接面存在少量平行耦合，所以這些層被對(duì)準(zhǔn)。不用對(duì)準(zhǔn)更厚的外磁層，但是由于這是由跨隔離層的層磁化方向所決定的，所以它們對(duì)低阻抗結(jié)構(gòu)沒(méi)有貢獻(xiàn)。當(dāng)將大型外場(chǎng)施于該結(jié)構(gòu)時(shí)，還可獲得低阻抗?fàn)顟B(tài)。
圖4(a)示出根據(jù)本發(fā)明的GMR結(jié)構(gòu)形成的電阻器的傳遞曲線(xiàn)圖。將低偏置電流(較佳的是1mA)施于如圖3(c)所示的結(jié)構(gòu)。圖4(b)示出根據(jù)本發(fā)明的GMR結(jié)構(gòu)形成的電阻器的傳遞曲線(xiàn)圖。將高偏置電流(較佳的是20mA)施于如圖3(b)所示的結(jié)構(gòu)。
圖5示出根據(jù)簡(jiǎn)單GMR結(jié)構(gòu)(圖1(a))圖案構(gòu)成的電阻器的傳遞曲線(xiàn)圖，其中施于該結(jié)構(gòu)的1mA偏置電流如圖1(b)所示。圖5(b)示出根據(jù)簡(jiǎn)單GMR結(jié)構(gòu)(圖1(a))圖案構(gòu)成的電阻器的傳遞曲線(xiàn)圖，其中施于該結(jié)構(gòu)的20mA偏置電流如圖1(b)所示。
通過(guò)將圖4(a)-4(b)與圖5(a)-5(b)相比較可見(jiàn)，根據(jù)本發(fā)明的GMR結(jié)構(gòu)的傳遞曲線(xiàn)依賴(lài)于施于該結(jié)構(gòu)的偏置電流的幅值。具體地說(shuō)，當(dāng)施加低偏置電流時(shí)，該結(jié)構(gòu)具有低阻抗、零外場(chǎng)狀態(tài)，而當(dāng)施加高偏置電流時(shí)，它具有高阻抗、零外場(chǎng)狀態(tài)。通常，如圖所示的簡(jiǎn)單GMR結(jié)構(gòu)具有高阻抗、零外部偏置場(chǎng)，而與施加多大偏置電流無(wú)關(guān)。
場(chǎng)傳感器圖6示出根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例的場(chǎng)傳感器。根據(jù)本發(fā)明，傳感器600以GMR結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如上所述。如果將恒定電流Iin602施于傳感器，那么導(dǎo)致恒定電流Iout604。所以，例如，如果Iin是小電流，那么Iout也是。對(duì)于Iinsmall，測(cè)量跨傳感器606的電勢(shì)差，而且它是恒定的。如果施加外部場(chǎng)608，那么傳感器600的阻抗改變，從而導(dǎo)致感測(cè)電勢(shì)的變化。于是，如果施加更大電流Iinlarg。而且施加外部場(chǎng)，那么發(fā)生傳感器600的阻抗變化，從而導(dǎo)致感測(cè)電勢(shì)的變化。由于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成傳感器，所以對(duì)于大輸入電流的傳感器阻抗變化與對(duì)于小輸入電流的傳感器阻抗變化不同。于是，通過(guò)測(cè)量跨606的電勢(shì)變化(即，傳感器的阻抗變化)，可確定輸入電流的幅值。
圖7(a)-(b)示意地示出用作電阻器704，705的根據(jù)本發(fā)明的巨大磁阻結(jié)構(gòu)的橋式電路(較佳的是Wheatstone橋式電路)。如圖所示，示出了連接在橋式電路的兩個(gè)相對(duì)節(jié)點(diǎn)之間在701和地702之間的電壓，在該兩相對(duì)節(jié)點(diǎn)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，電氣連接了4個(gè)GMR電阻器中的兩個(gè)，如已知的那樣。
具體地說(shuō)，橋式電路具有一4端頭電氣網(wǎng)(A，B，C，D)。第一電阻器R1連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(B)之間、第二電阻器R2連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(B)和(C)之間、第三電阻器R3連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(C)和(D)之間和第四電阻器R4連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(D)之間。較佳的是，當(dāng)跨過(guò)網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(C)施加一磁場(chǎng)時(shí)第一和第三電阻器R1和R3具有相同的電流密度，電阻器R1和R4也最好具有相同的電流密度，但與第一和第三電阻器R1和R3的電流密度不同。
可將該橋式電路用作傳感器來(lái)確定所施加的外場(chǎng)的幅值。例如，在端點(diǎn)701處，恒定電壓是Vin。檢測(cè)示出Vout，而且在零外場(chǎng)處將等于零。但是，如果施加外場(chǎng)，那么電阻器R1和R3的阻抗與電阻器R2和R4的阻抗變化不同，從而Vout不等于零。通過(guò)檢測(cè)Vout的變化，可確定外場(chǎng)的幅值。
于是，將橋式電路用作傳感器，在施加場(chǎng)中的電阻器R1和R3的阻抗變化必須不同于電阻器R2和R4的阻抗變化。過(guò)去，運(yùn)用簡(jiǎn)單的GMR結(jié)構(gòu)，這是通過(guò)屏蔽一組電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。用來(lái)實(shí)現(xiàn)這的另一種方法是偏置一組傳感器，從而位移它的傳遞曲線(xiàn)，從而那些電阻器的阻抗可上升或下降。實(shí)現(xiàn)這一偏置一種方法上運(yùn)用外場(chǎng)。當(dāng)然，這帶來(lái)一個(gè)弊端，即，位移電阻器傳遞曲線(xiàn)要求附加功率和電路復(fù)雜度。
采用根據(jù)本發(fā)明的GMR結(jié)構(gòu)，而且不同于第二組電阻器R2和R4形成第一組電阻器R1和R3。具體地所，電阻器R1和R3的寬度更寬，從而通過(guò)電阻器R1和R3的電流密度低于通過(guò)R2和R4的電流密度，因?yàn)殡娏髅芏扰c寬度成反比。圖7(b)示出根據(jù)本發(fā)明的Wheatstone橋式電路的物理結(jié)構(gòu)。較佳的是，R1、R3與R2、R4的寬度比從大約2∶1到大約20∶1。
實(shí)驗(yàn)在圖1(a)和圖3(a)中示意示出的堆疊將在S-槍(gun)濺射淀積系統(tǒng)中淀積。NiFeCo層是從NiFe和CoFe目標(biāo)共濺射的；從單個(gè)目的淀積所有其他層。在淀積之前，圖案形成光刻膠并運(yùn)用升離(liftoff)處理定義該裝置。
包括總共4個(gè)磁層；兩個(gè)簡(jiǎn)單鐵磁層和兩個(gè)合成反鐵磁層的四層GMR膜淀積并按圖案形成裝置(圖3(a))。合成反鐵磁層是以由隔離物隔開(kāi)的兩個(gè)鐵磁層的三層結(jié)構(gòu)的形式。在較佳實(shí)施例中，將外層330、337(即，背離堆疊中心的層)被設(shè)計(jì)成比內(nèi)層332、335厚，從而足夠高的感測(cè)層產(chǎn)生對(duì)于整個(gè)堆疊的最高阻抗?fàn)顟B(tài)，同時(shí)跨所有三個(gè)隔離界面333、304、334的磁層的磁化取向是反平行的。一旦沿著條的長(zhǎng)度向下施加外部磁場(chǎng)，阻抗減小到中間阻抗?fàn)顟B(tài)。
應(yīng)理解，根據(jù)本發(fā)明形成的裝置根據(jù)所施加的偏置電流幅值的不同而性能不同。具體地所，如果施加低偏置電流，即，當(dāng)沒(méi)有任何外場(chǎng)時(shí)，獲得低零場(chǎng)偏置狀態(tài)。隨著外場(chǎng)的強(qiáng)度增加，該結(jié)構(gòu)的阻抗增加。如果施加大偏置電流，那么獲得高零場(chǎng)偏置狀態(tài)。隨著外場(chǎng)增加，該結(jié)構(gòu)的阻抗減小。通常，簡(jiǎn)單的GMR傳感器(如圖1(a)所示)具有高零場(chǎng)偏置狀態(tài)，而與施加變大偏置電流無(wú)關(guān)。
取得的傳遞曲線(xiàn)數(shù)據(jù)是對(duì)于大約6μm寬的裝置，該裝置是以四層GMR(土3(a))和簡(jiǎn)單GMR(圖1(a))結(jié)構(gòu)圖案形成，其中沿著條紋線(xiàn)向下施加固定偏置電流?？缭摋l紋可取向材料易軸(easy axis)，而且沿著條紋的長(zhǎng)度向下施加外場(chǎng)以使該裝置飽和。對(duì)于四層結(jié)構(gòu)圖3(a)的數(shù)據(jù)如圖4(a)-4(b)所示。根據(jù)通過(guò)該裝置的電流密度，定型的電阻器的零場(chǎng)偏置狀態(tài)或低或高。低電流密度導(dǎo)致低偏置狀態(tài)，而且當(dāng)所施加的場(chǎng)增加時(shí)，阻抗增加。為了獲得低阻抗的零場(chǎng)偏置狀態(tài)，假定實(shí)質(zhì)上幾個(gè)鐵磁層是跨Cu隔離物相互對(duì)準(zhǔn)的。對(duì)于具有在該厚度范圍內(nèi)的Cu的夾層結(jié)構(gòu)，跨Cu隔離物的少量平行的或“橙皮(orangepeel)”狀耦合是典型的。當(dāng)通過(guò)該裝置的電流增加時(shí)，所產(chǎn)生的場(chǎng)克服了弱平行耦合。在足夠高的電流密度下，該裝置在零場(chǎng)中是高偏置的，而且阻抗隨著所施加的場(chǎng)強(qiáng)而減小。
數(shù)據(jù)表明四層GMR材料(圖3(a))可用于電流感測(cè)以及磁場(chǎng)感測(cè)應(yīng)用。除了零場(chǎng)偏置狀態(tài)的靈活性之外，四層GMR結(jié)構(gòu)(圖3(a))的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與簡(jiǎn)單GMR夾層薄膜(圖1(a))相比，這些裝置可以相對(duì)較低的電流密度進(jìn)行操作。圖4(a)示出用于由四層GMR夾層材料圖案構(gòu)成的電阻器的數(shù)據(jù)，它在1mA的偏置電流下顯示大約1.7％GMR信號(hào)。具有由更傳統(tǒng)GMR夾層堆疊(圖1(a))圖案構(gòu)成的具有相同線(xiàn)寬的電阻器(如圖5(a)所示)在相同條件下測(cè)試只呈現(xiàn)大約0.3％GMR。
上述說(shuō)明書(shū)、例子和數(shù)據(jù)提供對(duì)本發(fā)明構(gòu)成的制造和應(yīng)用的完整描述。由于可進(jìn)行本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例而不偏離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍，所以本發(fā)明是在所附權(quán)利要求書(shū)限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁阻傳感器，其特征在于，包括；襯底；設(shè)在所述襯底上的第一三層；設(shè)在所述第一三層上的第一隔離層；設(shè)在所述第一隔離層上的第一磁層；設(shè)在所述第一磁層上的第二隔離層；設(shè)在所述第二隔離層上的第二磁層；設(shè)在所述第二磁層上的第三隔離層；設(shè)在所述第三隔離層上的第二三層；和設(shè)在所述第二三層上的覆蓋層；其中，所述第一和第二三層包括第一鐵磁層；第二鐵磁層；以及設(shè)在所述第一和第二鐵磁層之間并與它們接觸的反平行耦合層。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第二隔離層是非磁層。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，還包括設(shè)在所述襯底上并與所述第一三層接觸的緩沖層。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第二鐵磁層比所述第一鐵磁層厚。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一和第二鐵磁層包括從包含Ni、Fe、Co和它們的混合物的組中選出的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一和第二鐵磁層的厚度大約10至大約100埃。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述反平行耦合層包括從包含Ru、Ir、Rh和它們的混合物的組中選出的材料。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述反平行耦合層的厚度大約3至12埃。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一隔離層包括從包含Cu、Au、Ag和它們的混合物的組中選出的材料。
10.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一隔離層的厚度大約25至45埃。
11.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一和第二磁層包括從包括Ni、Fe、Co和它們的混合物的組中選出的材料。
12.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一和第二磁層的厚度為10至100埃。
13.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述非磁性隔離物包含從包括Cu、Au、Ag和它們的混合物的組中選出的材料。
14.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述非磁性隔離物的厚度約25至45埃。
15.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，第二隔離層包括從包含Cu、Au、Ag和它們的混合物的組中選出的材料。
16.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第二隔離層的厚度約25至45埃。
17.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述覆蓋層包括從包括Ta、Al2O3和它們的混合物的組中選出的材料。
18.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述覆蓋層的厚度約20至80埃。
19.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述緩沖層包括從包含Ta、Zr、Ni-Fe和Al2O3以及它們的混合物的組中選出的材料。
20.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其特征在于，所述緩沖層的厚度約20至80埃。
21.一種磁阻傳感器裝置，其特征在于，包括襯底；設(shè)在所述襯底上的第一三層；設(shè)在所述第一三層上的第一隔離層；設(shè)在所述第一隔離層上的第一磁層；設(shè)在所述第一磁層上的第二隔離層；設(shè)在所述第二隔離層上的第二磁層；設(shè)在所述第二磁層上的第三隔離層；設(shè)在所述第三隔離層上的第二三層；和設(shè)在所述第二三層上的覆蓋層；其中，所述第一和第二三層包括第一鐵磁層；第二鐵磁層；和在所述第一和第二鐵磁層之間耦合并與它們接觸的反平行耦合層；和其中，所述磁阻傳感器的阻抗依賴(lài)于所應(yīng)用的偏置電流的幅值。
22.如權(quán)利要求21所述的傳感器裝置，其特征在于，所述第二隔離層是非磁層。
23.一種橋式電路，其特征在于，包括耦合到Wheatstone橋的第一相對(duì)節(jié)點(diǎn)的第一對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)；耦合到所述Wheatstone橋的第二相對(duì)節(jié)點(diǎn)的第二對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)；其中當(dāng)將外場(chǎng)施于所述Wheatstone橋時(shí)，所述第一對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)具有比所述第二對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)大的電流密度。
24.如權(quán)利要求23所述的橋式電路，其特征在于，所述第一對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)比所述第二對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)大。
25.如權(quán)利要求24所述的電路，其特征在于，所述第一對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)對(duì)所述第二對(duì)磁阻結(jié)構(gòu)具有的寬度比從大約1∶2至大約1∶20。
26.一種盤(pán)片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于，包括記錄磁盤(pán)；磁阻傳感器包括襯底；設(shè)在所述襯底上的第一三層；設(shè)在所述第一三層上的第一隔離層；設(shè)在所述第一隔離層上的第一磁層；設(shè)在所述第一磁層上的第二隔離層；設(shè)在所述第二隔離層上的第二磁層；設(shè)在所述第二磁層上的第三隔離層；設(shè)在所述第三隔離層上的第二三層；和設(shè)在所述第二三層上的覆蓋層；其中，所述第一和第二三層包括第一鐵磁層；第二鐵磁層；和設(shè)所述第一和第二鐵磁層之間并與它們接觸的反平行耦合層；用于跨所述記錄磁盤(pán)移動(dòng)所述磁阻傳感器的所述致動(dòng)器；和電氣耦合到所述磁阻傳感器的檢測(cè)電路，用于檢測(cè)由于所述第一和第二層壓層的磁化軸根據(jù)響應(yīng)于所述磁性記錄數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)所致的磁阻傳感器的阻抗變化。
27.如權(quán)利要求26所述的傳感器，其特征在于，所述第二隔離層是非磁性層。
28.一種用于測(cè)量跨Wheatstone電橋施加的外場(chǎng)的裝置，其特征在于，所述裝置包括一個(gè)四端頭電氣網(wǎng)(A，B，C，D)，包括連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(B)之間的第一電阻器R1、連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(B)和(C)之間的第二電阻器R2、連接在網(wǎng)絡(luò)端頭(C)和(D)之間的第三電阻器R3和跨網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(D)連接的第四電阻器R4；其中當(dāng)跨網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(C)施加場(chǎng)時(shí)，電阻器R1和R3具有第一電流密度，而當(dāng)跨網(wǎng)絡(luò)端頭(A)和(C)施加相同場(chǎng)時(shí)，電阻器R2和R4具有第二電流密度，其中所述第二電流密度不等于所述第一電流密度；跨所述網(wǎng)絡(luò)端頭(B)和(D)可操作耦合的用于檢測(cè)跨所述端頭(B)和(D)的電勢(shì)的裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，當(dāng)所述場(chǎng)減小時(shí)，電阻器R1和R3的第一電流密度增加，而當(dāng)所述場(chǎng)增加時(shí)，電阻器R2和R4的第二電流密度減小。
30.如權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四電阻器是如權(quán)利要求1限定的傳感器。
全文摘要
磁阻(GMR)傳感器包括襯底和設(shè)在所述襯底上的第一三層。將第一隔離層設(shè)在所述第一三層上。將第一磁場(chǎng)設(shè)在所述第一隔離層上。將第二隔離層設(shè)在所述第一磁層上。將第二磁層設(shè)在所述第二隔離層上。將第三隔離層設(shè)在所述第二磁層上。將第二三層設(shè)在所述第三隔離層上和將覆蓋層設(shè)在所述第二三層上。第一和第二三層包括第一鐵磁層、第二鐵磁層和設(shè)在第一和第二鐵磁層之間并與它們接觸的反平行耦合層。
文檔編號(hào)H01F10/16GK1320216SQ99811420
公開(kāi)日2001年10月31日 申請(qǐng)日期1999年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月28日
發(fā)明者B·A·埃弗里特 申請(qǐng)人:西加特技術(shù)有限責(zé)任公司