CN114937736A - 一种宽量程tmr传感器隧道结及传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽量程TMR传感器隧道结及传感器，本发明的宽量程TMR传感器隧道结包括基底和设于基底上的三明治结构体，所述三明治结构体包括依次层叠布置的自由铁磁层、绝缘势垒层和钉扎层，所述自由铁磁层和钉扎层具有不同的矫顽力，所述三明治结构体中位于靠基底一侧的自由铁磁层具有垂直磁各向异性、位于远离基底一侧的钉扎层具有层叠平面内的磁各向异性；传感器的敏感桥臂采用了前述的宽量程TMR传感器隧道结，参考桥臂采用了水平隧道结磁电阻。本发明旨在解决TMR传感器量程较小难于测量大磁场的问题，且具有体积小、便于加工与集成的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术，具体涉及一种宽量程TMR传感器隧道结及传感器。
背景技术
隧道磁电阻传感器(TunnelingMagnetoResistance,TMR)是以铁磁层/绝缘层/铁磁层“三明治”隧道结为核心构建的磁敏感单元，具有高灵敏、低能耗、低成本及小型化等特点，广泛应用于生物医学、工业制造、地球物理和航天航空等领域。传统TMR传感器隧道结绝缘势垒层两边的磁性层通常采用水平面内磁各向异性软磁材料(面内各向异性材料)，因此在较小的外磁场作用下(例如<100Oe)，磁隧道结的电阻随外磁场大小而变化；但当外磁场超过材料的饱和磁场时(Hs)，磁电阻大小逐渐趋于饱和，从而不能再感受外磁场的变化，人们定义正反饱和磁场之间的磁场范围为磁传感器的工作范围，或者称为量程。当前，TMR传感器受使用材料的限制普遍存在量程低、工作区域窄的问题，难以用于较强磁场测量场合。理论上，通过寻找具有高饱和场的隧道结铁磁材料可以进一步提高磁传感器的量程，然而却难以再保证隧道结具有高的TMR效应，例如目前具有高TMR(约200％)的磁隧道结的材料仅有CoFeB材料；其次，隧道结量程也可以通过垂直偏置磁场调整，然而现有产生偏置磁场方法是采用永磁材料提供，而由于永磁材料在较大的外磁场环境下，其磁性会发生不可恢复转变，加上这类型的偏置磁体体积很大，并不利于隧道结磁电阻传感器的加工与集成。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种宽量程TMR传感器隧道结及传感器，本发明旨在解决TMR传感器量程较小难以测量大磁场的问题，且具有体积小、便于加工与集成的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种宽量程TMR传感器隧道结，包括基底和设于基底上的三明治结构体，所述三明治结构体包括依次层叠布置的自由铁磁层、绝缘势垒层和钉扎层，所述自由铁磁层和钉扎层具有不同的矫顽力，所述三明治结构体中位于靠基底一侧的自由铁磁层具有垂直磁各向异性、位于远离基底一侧的钉扎层具有层叠平面内的磁各向异性。
可选地，所述钉扎层包括层叠布置的人工合成反铁磁层和参考铁磁层，所述人工合成反铁磁层由依次层叠布置的铁磁材料膜、非磁性金属材料膜、铁磁材料膜构成且其磁矩平行于层叠平面，所述人工合成反铁磁层和参考铁磁层两者形成反铁磁耦合使得参考铁磁层被钉扎。
可选地，所述自由铁磁层为CoFeB材料膜，所述绝缘势垒层为金属氧化物材料膜，所述人工合成反铁磁层包括依次层叠布置的CoFe材料膜、Ru层和CoFe材料膜，所述参考铁磁层为CoFeB材料膜。
可选地，所述自由铁磁层和基底之间设有种子层。
可选地，所述种子层包括依次层叠布置的Ta层、Ru层和Ta层。
可选地，所述钉扎层的表面依次设有层叠布置的反铁磁层和导电层，所述反铁磁层用于与钉扎层形成交换耦合实现交换偏置，将钉扎层的磁矩取向钉扎在固定的方向。
可选地，所述反铁磁层为IrMn材料膜或PtMn材料膜，所述导电层包括依次层叠布置的Ru层和Ta层，且Ta层位于靠反铁磁层的一侧。
本发明提供一种宽量程TMR传感器，包括由两个敏感桥臂和两个参考桥臂构成的惠斯通电桥，所述敏感桥臂和参考桥臂具有相同的磁场敏感方向，所述敏感桥臂由一个或串联的多个敏感隧道结构成，所述参考桥臂由一个或串联的多个参考隧道结构成，所述敏感隧道结为前述的宽量程TMR传感器隧道结。
可选地，所述参考隧道结包括基底和设于基底上的三明治结构体，所述三明治结构体包括依次层叠布置的自由铁磁层、绝缘势垒层和钉扎层，所述自由铁磁层和钉扎层具有不同的矫顽力，所述三明治结构体中位于靠基底一侧的自由铁磁层、位于远离基底一侧的钉扎层均具有层叠平面内的磁各向异性。
可选地，所述敏感桥臂和参考桥臂均为采用微纳加工制备得到的独立的元器件，且所述串联的多个敏感隧道结、串联的多个参考隧道结均采用引线键合的方式串联连接。
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明宽量程TMR传感器隧道结的三明治结构体中自由铁磁层和钉扎层具有不同的矫顽力，在外加磁场的作用下，矫顽力小的一层会先翻转，造成两铁磁层磁矩的平行和反平行排列，从而实现磁性隧道结高低阻态的变化。本发明宽量程TMR传感器隧道结的三明治结构体中位于靠基底一侧的自由铁磁层具有垂直磁各向异性、位于远离基底一侧的钉扎层具有层叠平面内的磁各向异性，利用超薄的铁磁薄膜垂直各向异性场具有比面内各向异性磁性薄膜大的饱和场特性，可提高TMR传感器的工作量程，从而达到拓宽TMR传感器的量程(宽量程)的目的。
附图说明
图1为本发明宽量程TMR传感器隧道结的一种框架结构示例。
图2为本发明三明治结构体的磁矩取向示意图。
图3为本发明宽量程TMR传感器隧道结的一种详细实现结构示例。
图4为本发明宽量程TMR传感器的一种电路原理示例。
图5为本发明参考隧道结的一种详细实现结构示例。
图6为本发明中敏感隧道结的响应曲线。
图7为本发明中参考隧道结的响应曲线。
图8为本发明宽量程TMR传感器的输出曲线示例。
图例说明：1、基底；2、三明治结构体；21、自由铁磁层；22、绝缘势垒层；23、钉扎层；231、人工合成反铁磁层；232、参考铁磁层；3、种子层；4、反铁磁层；5、导电层。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实施例提供一种宽量程TMR传感器隧道结，包括基底1和设于基底1上的三明治结构体2，三明治结构体2包括依次层叠布置的自由铁磁层21、绝缘势垒层22和钉扎层23，自由铁磁层21和钉扎层23具有不同的矫顽力，三明治结构体2中位于靠基底一侧的自由铁磁层21具有垂直(垂直于层叠平面)的各向异性、位于远离基底一侧的钉扎层23具有层叠平面内的磁各向异性，通过利用超薄的铁磁薄膜垂直各向异性场具有比面内各向异性磁性薄膜大的饱和场特性，可提高TMR传感器的工作量程，从而达到拓宽TMR传感器的量程(宽量程)的目的。在零磁场下，自由铁磁层21和钉扎层23两个磁性层构成90°磁矩取向结构，在外磁场作用下，两层磁性层磁矩相对取向发生变化展现出隧道磁电阻行为，由于采用垂直各向异性铁磁薄膜作为自由铁磁层21，其量程可达到kOe以上，且可进一步通过控制自由层厚度对垂直各向异性大小进行调控，以方便实现对量程控制，解决传统TMR传感器工作范围小的问题。
如图3所示，本实施例中钉扎层23包括层叠布置的人工合成反铁磁层(SyntheticArtificial Antiferromagnetic,SAF)231和参考铁磁层232，人工合成反铁磁层231由依次层叠布置的铁磁材料膜、非磁性金属材料膜、铁磁材料膜构成且其磁矩平行于层叠平面，人工合成反铁磁层231和参考铁磁层232两者形成反铁磁耦合使得参考铁磁层232被钉扎。参见图3，本实施例中基底1采用硅制成，且表面覆盖有氧化层，故表示为“Si/SiOx”。
自由铁磁层21为铁磁材料膜，且具有垂直各向异性，通过界面磁各向异性，薄膜具有kOe级大小的等效垂直各向异性场，在垂直各向异性场作用下，无外界磁场情况，其磁矩垂直于薄膜平面(层叠平面)。自由铁磁层21的磁各向异性大小可通过铁磁材料膜的厚度进行控制，其厚度优选设置在1nm左右，以获得最佳的TMR值和高的垂直各向异性场。作为一种可选的实施方式，本实施例中自由铁磁层21为CoFeB材料膜，参见图3，作为一种具体的实施方式，本实施例自由铁磁层21的CoFeB材料采用Co20Fe60B20，其中下标表示对应元素的质量百分比，该质量百分比可根据需要进行调整，且自由铁磁层21的厚度X为1.02nm。为了抵消自由铁磁层21的铁磁材料膜面外巨大的退磁场，铁磁材料膜的垂直各向异性通常可达到几千奥斯特(kOe)以上，在面内磁场作用下，自由铁磁层21的磁矩不断发生变化，根据磁化理论，自由铁磁层21的饱和磁场(Hs)主要由等效垂直各向异性场决定，而饱和磁场(Hs)决定着传感器的工作量程，这意味着这种传感器比常规磁电阻传感器具有更好的工作范围。
参考铁磁层232为铁磁材料膜，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中参考铁磁层232为CoFeB材料膜。由于参考铁磁层232的磁矩被钉扎，因此磁电阻阻值的变化主要由自由铁磁层21磁矩的转动所决定。参见图3，作为一种具体的实施方式，本实施例参考铁磁层232的CoFeB材料采用Co40Fe40B20，其中下标表示对应元素的质量百分比，该质量百分比可根据需要进行调整，且参考铁磁层232的厚度为2nm。
绝缘势垒层22为金属氧化物材料膜，金属氧化物的生长质量直接决定了磁电阻效应的大小，厚度通常为1-3nm左右，以实现高的TMR效应。金属氧化物材料可采用MgO或者AlOx等氧化物，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中绝缘势垒层22为MgO材料膜，且厚度为2nm。
人工合成反铁磁层231由依次层叠布置的铁磁材料膜、非磁性金属材料膜、铁磁材料膜构成，通过控制中间的非磁性金属材料膜的厚度，可以使两铁磁材料膜形成反铁磁耦合。其中铁磁材料膜、非磁性金属材料膜可根据需要采用所需的铁磁材料以及非磁性金属材料，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中人工合成反铁磁层231包括依次层叠布置的CoFe材料膜、Ru层和CoFe材料膜，参见图3，作为一种具体的实施方式，本实施例人工合成反铁磁层231中两个CoFe材料膜中的CoFe材料均采用Co70Fe30，其中下标表示对应元素的质量百分比，该质量百分比可根据需要进行调整，靠基底1一侧的CoFe材料膜厚度为0.5nm，另一CoFe材料膜厚度为2.5nm，Ru层厚度为0.85nm。
如图1所示，本实施例中自由铁磁层21和基底1之间设有种子层3，用于增强自由铁磁层21的磁性薄膜与基底1之间的结合力，增大底电极的厚度，减小底电极电阻对磁电阻的影响。如图3所示，本实施例中种子层3包括依次层叠布置的Ta层、Ru层和Ta层，且厚度均为5nm。
如图1所示，本实施例中钉扎层23的表面依次设有层叠布置的反铁磁层4和导电层5，反铁磁层4用于与钉扎层23形成交换耦合实现交换偏置，将钉扎层23的磁矩取向钉扎在固定的方向，从而实现反铁磁钉扎。导电层5主要起保护的作用，可用于防止铁磁材料膜被氧化。
反铁磁层4可为IrMn材料膜或PtMn材料膜，如图3所示，本实施例中反铁磁层4为IrMn材料膜，本实施例中IrMn材料组成为Ir80Mn20，厚度为8nm，其中下标表示对应元素的质量百分比，该质量百分比可根据需要进行调整。导电层5包括依次层叠布置的Ru层和Ta层，且Ta层位于靠反铁磁层4的一侧，其中Ru层厚度为5nm，Ta层厚度为4nm。
此外，本实施例还提供一种宽量程TMR传感器，包括由两个敏感桥臂和两个参考桥臂构成的惠斯通电桥，敏感桥臂和参考桥臂具有相同的磁场敏感方向，敏感桥臂由一个或串联的多个敏感隧道结构成，参考桥臂由一个或串联的多个参考隧道结构成，敏感隧道结为前述的宽量程TMR传感器隧道结。通过前述的宽量程TMR传感器隧道结，解决了现有磁电阻传感器工作范围小的问题。
TMR传感器隧道结是宽量程TMR传感器的核心结构，TMR传感器隧道结包括前述的宽量程TMR传感器隧道结以及参考隧道结。图4所示为惠斯通电桥的半桥电路的示例，参见图4，本实施例中记两个敏感桥臂的电阻分别为R1和R2，两个参考桥臂的电阻为R3和R4，该半桥电路采用外部电压供电，其偏置电压为Vcc，电桥输出为Vout。
如图5所示，本实施例中参考隧道结包括基底1和设于基底1上的三明治结构体2，三明治结构体2包括依次层叠布置的自由铁磁层21、绝缘势垒层22和钉扎层23，自由铁磁层21和钉扎层23具有不同的矫顽力，三明治结构体2中位于靠基底一侧的自由铁磁层21、位于远离基底一侧的钉扎层23均具有层叠平面内的磁各向异性。
对比图3和图5可知，本实施例中敏感隧道结和参考隧道结的层叠结构完全相同，唯一区别在于自由铁磁层21的厚度不同，通过控制自由铁磁层21的厚度，例如作为一种可选的实施方式，参见图3，作为一种具体的实施方式，本实施例自由铁磁层21的CoFeB材料采用Co20Fe60B20，敏感隧道结中自由铁磁层21的厚度为1.02nm，参考隧道结中自由铁磁层21的厚度为1.05nm，使得敏感隧道结具有垂直的各向异性(Hk1)，而参考隧道结具有层叠平面内的磁各向异性(Hk2)，而垂直的各向异性(Hk1)远大于层叠平面内的磁各向异性(Hk2)，因此在较大外磁场作用下，敏感桥臂的电阻R1和R2随外磁场发生变化，而参考桥臂由于进入饱和区域，对外磁场响应减弱，使得整个惠斯通电桥对外磁场有明显的响应。
由于敏感隧道结和参考隧道结的层叠结构完全相同，唯一区别在于自由铁磁层21的厚度不同，因此在制备敏感隧道结和参考隧道结时，可通过控制磁控溅射条件，在CoFeB薄膜的楔形生长技术，可在同一基片上生长出不同厚度的自由铁磁层21，从而可连续调控自由铁磁层21磁矩分别沿薄膜面内方向或沿垂直薄膜方向，从而得到参考隧道结或敏感隧道结。隧道结在敏感方向感受到外磁场作用后，自由铁磁层21磁矩的转动导致其与参考铁磁层232磁矩间夹角的变化，从而出现磁电阻的变化；改变自由铁磁层21磁矩的转动平面，即可改变磁电阻的变化规律。本实施例中敏感隧道结的响应曲线如图6所示，参考隧道结的响应曲线如图7所示，图中给出了自由铁磁层21与参考铁磁层232磁矩方向的示意图。参见图6和图7可知，通过改变TMR多层膜结构的薄膜结构，可实现对TMR量程的控制，即利用这两种磁电阻响应的特点，进一步构建桥式结构的敏感隧道结和参考隧道结即可实现对外加磁场的高灵敏稳定响应。根据图6和图7中两种磁矩配置条件对应的磁电阻响应表现，自由铁磁层21磁矩垂直的薄膜可用于制备敏感桥臂，自由铁磁层21磁矩平行薄膜适于制备参考桥臂。
为了提高宽量程TMR传感器的集成度，本实施例中敏感桥臂和参考桥臂均为采用微纳加工制备得到的独立的元器件，且串联的多个敏感隧道结、串联的多个参考隧道结均采用引线键合的方式串联连接，从而具有体积小、便于加工与集成的优点。优选可采用电感较小的走线方式，如敏感桥臂和参考桥臂之间的串联电路采用“回”字型走线以削弱电感，加宽回路的线径等。
本实施例中敏感桥臂和参考桥臂具有相同的磁场敏感方向，施加正向磁场后，参考桥臂的阻值随着磁场增加保持稳定，敏感桥臂的阻值线性降低，半桥结构因此产生随磁场强度线性变化的电压输出，据此对外加磁场进行检测，本实施例中宽量程TMR传感器的检测信号输出曲线示例如图8所示。根据图中的响应曲线能够实现对3000奥斯特范围内单向磁场的测试，可见，本实施例中宽量程TMR传感器的方案设计可以很好实现对3000奥斯特之内磁场的感应，意味着本实施例中宽量程TMR传感器的方案可以用于实现大磁场测量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种宽量程TMR传感器隧道结，包括基底(1)和设于基底(1)上的三明治结构体(2)，其特征在于，所述三明治结构体(2)包括依次层叠布置的自由铁磁层(21)、绝缘势垒层(22)和钉扎层(23)，所述自由铁磁层(21)和钉扎层(23)具有不同的矫顽力，所述三明治结构体(2)中位于靠基底一侧的自由铁磁层(21)具有垂直的各向异性、位于远离基底一侧的钉扎层(23)具有层叠平面内的磁各向异性。
2.根据权利要求1所述的宽量程TMR传感器隧道结，其特征在于，所述钉扎层(23)包括层叠布置的人工合成反铁磁层(231)和参考铁磁层(232)，所述人工合成反铁磁层(231)由依次层叠布置的铁磁材料膜、非磁性金属材料膜、铁磁材料膜构成且其磁矩平行于层叠平面，所述人工合成反铁磁层(231)和参考铁磁层(232)两者形成反铁磁耦合使得参考铁磁层(232)被钉扎。
3.根据权利要求2所述的宽量程TMR传感器隧道结，其特征在于，所述自由铁磁层(21)为CoFeB材料膜，所述绝缘势垒层(22)为金属氧化物材料膜，所述人工合成反铁磁层(231)包括依次层叠布置的CoFe材料膜、Ru层和CoFe材料膜，所述参考铁磁层(232)为CoFeB材料膜。
4.根据权利要求1所述的宽量程TMR传感器隧道结，所述自由铁磁层(21)和基底(1)之间设有种子层(3)。
5.根据权利要求4所述的宽量程TMR传感器隧道结，所述种子层(3)包括依次层叠布置的Ta层、Ru层和Ta层。
6.根据权利要求4所述的宽量程TMR传感器隧道结，所述钉扎层(23)的表面依次设有层叠布置的反铁磁层(4)和导电层(5)，所述反铁磁层(4)用于与钉扎层(23)形成交换耦合实现交换偏置，将钉扎层(23)的磁矩取向钉扎在固定的方向。
7.根据权利要求6所述的宽量程TMR传感器隧道结，所述反铁磁层(4)为IrMn材料膜或PtMn材料膜，所述导电层(5)包括依次层叠布置的Ru层和Ta层，且Ta层位于靠反铁磁层(4)的一侧。
8.一种宽量程TMR传感器，包括由两个敏感桥臂和两个参考桥臂构成的惠斯通电桥，其特征在于，所述敏感桥臂和参考桥臂具有相同的磁场敏感方向，所述敏感桥臂由一个或串联的多个敏感隧道结构成，所述参考桥臂由一个或串联的多个参考隧道结构成，所述敏感隧道结为权利要求1-7中任意一项所述的宽量程TMR传感器隧道结。
9.根据权利要求8所述的宽量程TMR传感器，其特征在于，所述参考隧道结包括基底(1)和设于基底(1)上的三明治结构体(2)，其特征在于，所述三明治结构体(2)包括依次层叠布置的自由铁磁层(21)、绝缘势垒层(22)和钉扎层(23)，所述自由铁磁层(21)和钉扎层(23)具有不同的矫顽力，所述三明治结构体(2)中位于靠基底一侧的自由铁磁层(21)、位于远离基底一侧的钉扎层(23)均具有层叠平面内的磁各向异性。
10.根据权利要求9所述的宽量程TMR传感器，其特征在于，所述敏感桥臂和参考桥臂均为采用微纳加工制备得到的独立的元器件，且所述串联的多个敏感隧道结、串联的多个参考隧道结均采用引线键合的方式串联连接。
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2022
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