[發明專利]一種數字式自旋閥磁場傳感器及其制備技術

有效

• 申請號: 201310173683.6
• 申請日: 2013-05-10
• 公開（公告）號: CN103383441A
• 公開（公告）日: 2013-11-06
• 發明（設計）人: 王磊;蔡軻;趙春慧;陳煜遠
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01R33/09
• 分類號: G01R33/09;H01L43/12;H01L43/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種用來測量磁場的低成本、高精度的傳感器件，具體是涉及一種數字式自旋閥磁場傳感器及其制備技術。

背景技術

目前，市場上用于磁場測量的裝置主要有磁通門、基于超導材料的超導量子干涉儀、基于霍爾效應的高斯計和基于磁敏電阻的磁阻傳感器等，其中以霍爾傳感器和磁阻傳感器用量最大。一般霍爾效應傳感器主要用于大磁場的測量，而磁阻傳感器主要用于弱磁場的探測領域。

自從磁敏電阻的阻傳感器出現以來，作為最尖端的納米技術之一，以其高靈敏度、小體積和低成本優勢在從計算機硬盤磁頭等信息技術領域到電子羅盤、礦產勘探再到通常的位置、位移傳感器等工業自動化等的廣泛領域得到了應用，目前其主流產品主要包括各向異性(AMR)磁電阻、(GMR)巨磁電阻和隧道結磁電阻傳感器(TMR)。

但是，目前在市場上幾乎所有的磁場探測裝置都是采用模擬式的探測方法和技術，尤其是用于弱磁探測的磁阻傳感器，即利用材料電阻隨外界磁場的變化而變化。對以磁性材料制造的磁阻傳感器來說，這種技術存在原理性的缺陷，該測量技術方式要求磁性材料和元件的磁電阻響應曲線隨外界磁場的變化是絕對線性的，只有這樣才能保證測量的準確度(請參閱圖1)，而事實上任何磁性材料不僅本身都會有磁滯(即來回曲線不重復，請參閱圖2)，而且還會有非線性，即隨外磁場的變化并非絕對的線性輸出，這樣就會給磁場的測量帶來誤差；而且由于材料本身的屬性，如果外界磁場超過一定大小，會使材料具有不可逆性從而永久隨壞該傳感器。該缺陷是由材料的本身屬性所決定的，因此該技術缺陷是不可克服的。

在納米磁性薄膜材料中有一種被稱為交換偏置(exchange?bias，例如參考文獻：Journal?of?Magnetism?andMagnetic?Materials192?1999(203-232))現象的物理效應，指鐵磁/反鐵磁雙層膜中鐵磁材料的磁滯洄線由于反鐵磁材料的釘扎作用而偏離原點，具體請參閱圖3。并且該效應有一種獨特的特性，即這種對原點的偏離會隨著鐵磁材料的厚度增加而逐漸減小，且呈線性關系，請參閱圖4，學術界把這種效應解釋為交換偏置是一種界面效應。交換偏置效應在自旋閥傳感器中起著關鍵作用，通常的巨磁電阻自旋閥傳感器材料的結構和其電阻隨外磁場變化曲線請參閱圖5，偏離原點的洄線就是由自旋閥中交換偏置效應引起的。

另外，在自旋閥傳感器納米多層膜的制備技術中，通過磁控濺射發展了一種楔形樣品的成熟制備技術，即可以使某一層膜的厚度連續的變化的制備技術，其結構請參閱圖6所示。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本發明提供了一種數字式自旋閥磁場傳感器及其制備技術。作為一種全新的磁場測量方法，放棄了現有的傳感器模擬式的信號輸出和測量技術，根據材料的某些特性，將采用數字式測量方式，可以有效地避免該技術缺陷，從而大大提高弱磁探測的精度和抗干擾性。

為了實現上述目的，采用的技術方案如下：

一種數字式自旋閥磁場傳感器，其特征在于，基片上所采用的巨磁電阻自旋閥薄膜材料結構是由多層納米量級厚度的巨磁電阻和隧道結自旋閥材料構成，其核心結構依次為緩沖層、反鐵磁層(4)、第一鐵磁層(3)、非磁性層(2)、第二鐵磁層(1)和保護層，所述第一鐵磁層(3)呈厚度連續變化的楔形。

作為優選，所述基片為硅片或玻璃。

作為一種具體實施方法，所述核心結構加工形成數個連續排布的、其第一鐵磁層(3)厚度呈連續變化的自旋閥磁場傳感器單元。。

作為優選，所述數個自旋閥磁場傳感器單元對磁場的感應電阻呈單調遞增或遞減。

作為一種具體改進，所述數個自旋閥磁場傳感器單元通過電極材料依次串聯，再與外圍電路相連。

數字式自旋閥磁場傳感器的制備技術，其特征在于，所述巨磁電阻和隧道結自旋閥材料通過薄膜制備技術設置于基片上。

作為優選，所述薄膜制備技術為磁控濺射或電子束蒸發技術。

作為優選，所述數個自旋閥磁場傳感器單元是通過光刻技術加工形成的。

與傳統的模擬式的位移傳感器不同，本發明提出了一種數字式的磁場測量技術，由于數字式的原理使其在抗干擾方面極具優勢，并且外圍放大電路相對簡單，與目前模擬式的測量技術相比，其靈敏度和精度不會有絲毫的降低。