[發明專利]一種薄膜磁阻傳感器元件及薄膜磁阻電橋

有效

• 申請號: 201210205391.1
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102721427A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 王建國
• 申請（專利權）人: 無錫樂爾科技有限公司
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12;G01R33/09;G01R17/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明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據存儲領域（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（MnIr，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、AlO、MgO、HfO、ZrO、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（MnIr/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定性較差，目前的材料很難使傳感器的性能穩定性達到200攝氏度以上。

發明內容

本發明的目的是克服現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、磁性被釘扎層結構、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，其交換耦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、AlO、MgO、HfO、ZrO、TaO等。

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解偏置層的厚度，材料成分及偏置層到磁性自由層的距離而改變，從而達到調節薄膜磁阻傳感器靈敏度，線性范圍等參數。

本發明的薄膜磁阻傳感器元件的工藝條件是行業內標準的工藝條件，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、磁性被釘扎層結構、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、磁性被釘扎層結構、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耦合場的方向一致(一般平行于待測量外磁場的方向)。