[發明專利]一種低磁場磁電阻角度傳感器

有效

• 申請號: 202110297617.4
• 申請日: 2021-03-19
• 公開（公告）號: CN113063344B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 詹姆斯·G·迪克;周志敏
• 申請（專利權）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號: G01B7/30
• 分類號: G01B7/30
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 孟金喆

1.一種低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，包括：

位于X-Y平面上的襯底；

位于所述襯底上的磁阻傳感單元，所述磁阻傳感單元包括多層薄膜結構，所述多層薄膜結構至少包括堆疊的自由層、勢壘層和參考層，所述磁阻傳感單元為橢圓形，且所述自由層為長軸Ly、短軸Lx和厚度Lz的橢圓形，所述自由層具有飽和磁場、形狀各向異性退磁場和X方向的磁晶各向異性場，外磁場在所述X-Y平面內發生0-360°旋轉，則所述X方向的磁晶各向異性場被所述形狀各向異性退磁場補償使所述自由層的有效各向異性場接近為0，使得所述外磁場具有接近所述自由層的飽和磁場的低工作磁場值；

所述磁阻傳感單元包括推磁電阻傳感單元和挽磁電阻傳感單元，所述推磁電阻傳感單元的自由層和所述挽磁電阻傳感單元的自由層具有正反X方向的Neel耦合磁場，所述推磁電阻傳感單元和所述挽磁電阻傳感單元的Neel耦合磁場分別被所對應自由層的磁晶各向異性場和形狀各向異性退磁場所補償；

所述形狀各向異性退磁場是指磁形狀各向異性的磁場；磁晶各向異性能和磁形狀各向異性能的方向相反，磁晶各向異性場Hk表示為式：Hk＝2K1/M；其中，M表示矢量磁矩，K1表示磁晶各向異性常數；形狀各向異性退磁場Hd表示為式：Hd＝M·(Nx-Ny)；其中，M表示矢量磁矩，Nx表示X方向形狀各向異性因子，Ny表示Y方向形狀各向異性因子；則Hd和Hk互相補償的條件為式：Hd＝M·(Nx-Ny)＝Hk。

2.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，多個所述推磁電阻傳感單元電連接構成推磁電阻傳感單元串，多個所述挽磁電阻傳感單元電連接構成挽磁電阻傳感單元串，所述推磁電阻傳感單元串和所述挽磁電阻傳感單元串連接構成全橋結構或者半橋結構的推挽式磁電阻角度傳感器。

3.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述自由層的形狀各向異性退磁場由形狀各向異性因子(Nx,Ny)決定，所述自由層的磁晶各向異性場由磁晶各向異性常數K1決定；

其中，Nx＝Ny+K1/M_s²，M_s為所述自由層的飽和磁矩，Nx表示X方向形狀各向異性因子，Ny表示Y方向形狀各向異性因子。

4.根據權利要求1或2所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述自由層的形狀各向異性退磁場由形狀各向異性因子(Nx,Ny)決定，所述自由層的磁晶各向異性場由磁晶各向異性常數K1決定；

對于所述推磁電阻傳感單元，Nx＝Ny+K1/M_s²+2*H_N/M_s，對于所述挽磁電阻傳感單元，Nx＝Ny+K1/M_s²-2*H_N/M_s，

其中，M_s為所述自由層的飽和磁矩，Nx表示X方向形狀各向異性因子，Ny表示Y方向形狀各向異性因子，H_N表示所述自由層的Neel耦合磁場。

5.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，沿所述襯底指向所述磁阻傳感單元的方向，所述多層薄膜結構包括種子層、所述自由層、所述勢壘層、所述參考層、金屬層、釘扎層、反鐵磁層和絕緣層。

6.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，沿所述襯底指向所述磁阻傳感單元的方向，所述多層薄膜結構包括種子層、反鐵磁層、釘扎層、金屬層、所述參考層、所述勢壘層、所述自由層和絕緣層，其中，所述參考層采用偏軸離子銑進行平整。

7.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述參考層為雙層復合結構或者SAF多層復合結構。

8.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述勢壘層為由釕或銅形成的導電層，或者，所述勢壘層為由三氧化二鋁或氧化鎂形成的絕緣層，所述自由層為包含鎳鐵、鈷鐵硼和鈷鐵中兩種或兩種以上合金構成的多層薄膜。

9.根據權利要求1所述的低磁場磁電阻角度傳感器，其特征在于，所述磁晶各向異性場小于20Oe；

短軸和長軸的比率Lx/Ly的范圍為0.5Lx/Ly0.95，厚度Lz的范圍為5nmLz200nm，短軸Lx的范圍為0.5μmLx50μm；

所述形狀各向異性退磁場和所述磁晶各向異性場的取向角相差90°。