[發明專利]金屬/絕緣體類納米顆粒材料和薄膜磁傳感器

有效

• 申請號: 201010179680.X
• 申請日: 2010-05-19
• 公開（公告）號: CN101894647A
• 公開（公告）日: 2010-11-24
• 發明（設計）人: 長田誠一;小山惠史;蟹江三次
• 申請（專利權）人: 大同特殊鋼株式會社
• 主分類號: H01F1/09
• 分類號: H01F1/09;H01F10/10;G11C11/15
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙) 11277
• 代理人: 劉新宇;李茂家

技術領域

本發明涉及金屬/絕緣體類納米顆粒材料和薄膜磁傳感器。更具體地，本發明涉及薄膜磁傳感器，所述薄膜磁傳感器適于檢測汽車車軸、旋轉編碼器或工業齒輪等的轉動信息，檢測液壓缸/氣壓缸的沖程位置或機床的滑塊等的位置/速度信息，及檢測如工業焊接機器人的電弧電流等的電流信息，并且適合用于地磁方位羅盤(geomagnetic?azimuth?compass)等，本發明還涉及在此類薄膜磁傳感器中使用的金屬/絕緣體類納米顆粒材料。

背景技術

磁傳感器是通過磁場將關于電磁力(如電流、電壓、電功率、磁場、磁通量等)、力學量(如位置、速度、加速度、位移、距離、張力、壓力、扭矩、溫度、濕度等)或生物化學量等的檢測量轉化成電壓的電子器件。根據磁場的檢測方法，將磁傳感器分類為霍爾傳感器、各向異性磁電阻(anisotropicmagnetoresistivity)(AMR)傳感器、巨磁電阻(giantmagnetoresistivity)(GMR：巨MR(giant?MR))傳感器等。

在這些磁傳感器中，GMR傳感器具有例如以下優點：

(1)與AMR傳感器相比，GMR傳感器具有非常大的電阻率變化率的最大值(即，MR比＝Δρ/ρ₀的非常大的值，(Δρ＝ρ_H-ρ₀：ρ_H是在外部磁場H下的電阻率，ρ₀是在外部磁場為零的情況下的電阻率))；

(2)與霍爾傳感器相比，GMR傳感器的電阻值隨溫度的變化更小；以及

(3)由于具有巨磁電阻效應的材料是薄膜材料，因此GMR傳感器適于微細加工(microfabrication)。

因此，期望將GMR傳感器用作在包括計算機、電力、汽車、家用電器設備和便攜式設備的應用中的高靈敏度磁微傳感器。

顯示出GMR效應的已知材料包括：金屬人工晶格(artificiallattice)，該金屬人工晶格由包括鐵磁性層(如坡莫合金)和非磁性層(如Cu、Ag或Au)的多層膜，或者具有由反鐵磁性層、鐵磁性層(固定層)、非磁性層和鐵磁性層(自由層)的四層結構的多層膜(所謂的“自旋閥”)構成；金屬/金屬類納米顆粒材料，該金屬/金屬類納米顆粒材料包括鐵磁性金屬(如坡莫合金)的納米尺寸的微粒和由非磁性金屬(如Cu、Ag或Au)構成的晶界相(grainboundary?phase)；隧道結膜(tunnel?junction?films)，其中MR(磁電阻)效應由自旋相關的隧道效應產生；以及金屬/絕緣體類納米顆粒材料，該金屬/絕緣體類納米顆粒材料包括納米尺寸的鐵磁性金屬合金微粒和由非磁性絕緣材料構成的絕緣基質。

在這些材料中，由自旋閥為代表的多層膜通常特征在于在低強度磁場中具有高靈敏度。然而，由于需要以高精度層疊各種材料的薄膜，因此多層膜具有差的穩定性和低的產量，在降低生產成本方面存在限制。因此，這種多層膜僅用于具有高附加值的裝置(如硬盤用磁頭)，并且認為難以將此類多層膜應用于遭遇與具有低單價的AMR傳感器或霍爾傳感器在成本上競爭的磁傳感器。此外，該多層膜易于在層間產生擴散，并且易于使GMR效應消失。因此，該多層膜具有其耐熱性差的嚴重缺陷。

另一方面，納米顆粒材料通常易于生產，并且具有令人滿意的再現性。因此，當將納米顆粒材料應用于磁傳感器時，能夠獲得磁傳感器的成本降低。特別地，金屬/絕緣體類納米顆粒材料具有例如以下優點：

(1)當使所述材料的組成最優化時，在室溫下所述材料顯示超過10％的高MR比；

(2)所述材料具有極其高的電阻率ρ，因此可以同時使磁傳感器微型化和電功率消耗降低；以及

(3)與包括具有不良耐熱性的反鐵磁性膜的自旋閥膜不同，所述材料甚至可以在高溫環境下使用。

然而，金屬/絕緣體類納米顆粒材料具有在低強度磁場中其磁場靈敏度顯著低的問題。因此，已采用其中將軟磁性薄膜配置在巨磁電阻薄膜的各端，從而提高巨磁電阻薄膜的磁場靈敏度的技術。

迄今為止，已提出關于此類金屬/絕緣體類納米顆粒材料和關于采用該材料的薄膜磁傳感器的各種提議。

例如，JP-A-2001-094175公開了高電阻率磁電阻膜，其具有包括絕緣體基質和分散于其中的納米尺寸磁性顆粒的結構并具有Fe₂₆Co₁₂Mg₁₈F₄₄的組成。

該文獻包括對于通過將納米尺寸的磁性顆粒分散于由氟化物構成的絕緣基質中獲得高電阻率的效果的說明。