专利名称：一种薄膜磁阻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，尤其是一种薄膜磁阻传感器，具体地说是一种用于磁场 中电流、位置、移动角度，角速度等量检测的传感器。
背景技术：
薄膜磁阻传感器广泛应用于数据存储(计算机硬盘，MRAM)、电流测量、位置测量、 物体的移动速度、角度及角速度等测量领域。
薄膜磁阻传感器有多层膜结构及自旋阀结构。所述薄膜磁阻传感器的多层膜结构 包括磁性层和非磁性层，它们交替的沉积在衬底上。所述薄膜磁阻传感器的自旋阀结构包 括非磁性钉扎层(其材料包括MnIr或MnPt)，磁性被钉扎层(其材料包括CoFeB或CoFe，或 是SAF结构CoFe/Ru/CoFe等)，非磁性隔离层(其材料包括Cu、A10、MgO, HfO, ZrO或TaO 等)，磁性自由层(其材料包括CoFeB或CoFe，或是SAF结构CoFe/Ru/CoFe等)。薄膜磁阻传感器在对磁场中的模拟量进行检测时，由于磁性材料本身有磁滞现 象，测量时有回程差，影响到薄膜磁阻传感器测量的精度和线性度。为了避免这种现象，通 常采用如下方法进行调整1，利用磁性材料的形状各项异性提供一个垂直于外界待测磁场 偏置磁场；2，在薄膜磁阻传感器元件的周围，沉积一层永磁薄膜，通过永磁薄膜提供一个垂 直于外界待测磁场偏置磁场(计算机硬盘采用此方案)；3，在薄膜磁阻传感器元件的周围， 沉积一根电流线，通过电流提供一个偏置磁场。采用第1种方法的特点是工艺简单，但是形状各项异性提供的偏置磁场有限，并 且限制了芯片的设计。采用第2种方法的特点是偏置磁场的大小可由调解永磁薄膜的成 分及厚度而改变，但是在实际应用中要避免大的外磁场的干扰，如果有大磁场的干扰，会改 变偏置磁场的方向，从而影响传感器的性能。采用第3种方法的特点是偏置磁场的大小可 由改变电流的大小来调解，但是传感器的功耗会很大。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种薄膜磁阻传感器，其磁滞 小、测量精度和线性度高、线性范围可调、制作工艺简单、响应频率高、制造成本低及抗干扰 能力强。按照本发明提供的技术方案，所述薄膜磁阻传感器，包括种子层；参考层，位于种 子层上，产生第一交换耦合场；非磁性隔离层，位于参考层上，将参考层与自由层相隔离； 自由层，位于非磁性隔离层上，感应外磁场变化，并产生第二交换耦合场，所述第二交换耦 合场与第一交换耦合场互相垂直。所述自由层上设置保护层。所述参考层包括第一非磁性钉扎层与第一磁性被钉 扎层；所述第一非磁性钉扎层位于种子层上，第一磁性被钉扎层位于第一非磁性钉扎层上； 所述第一非磁性钉扎层与第一磁性被钉扎层间产生第一交换耦合场。所述自由层包括第二 磁性被钉扎层与第二非磁性钉扎层；所述第二磁性被钉扎层位于非磁性隔离层上，第二非磁性钉扎层位于第二磁性被钉扎层上；所述第二磁性被钉扎层与第二非磁性钉扎层间产生 第二交换耦合场。所述非磁性隔离层的材料包括Cu、A10、MgO, HFO、ZrO或TaO。所述第一非磁性钉 扎层与第二非磁性钉扎层的材料包括MnIr或MnPt。所述保护层的材料包括Ta、Pt或Ti。 所述第一磁性被钉扎层与第二磁性被钉扎层的材料包括CoFeB、CoFe, NiFe或CoFe、Ru与 CoFe形成的复合层。本发明的优点通过在种子层上设置参考层与自由层，通过自由层感应外磁场的变化；所述参考层与自由层产生的第一交换耦合场与第二交换耦合场相垂直，降低了磁滞， 提高了磁阻传感器的测量精度和线性度工艺。所述第一交换耦合场与第二交换耦合场通过 加工厚度及回火工艺的不同，在遇到大磁场干扰时，抗干扰能力强，实施工艺简单，不会影 响磁阻传感器的性能，且不会增大传感器的功耗。通过调节参考层与自由层的厚度，能够有 效调整传感器的测量线性范围，相应频率高，制造成本低。


图1为本发明的结构示意图。图2为本发明的工作原理示意图。图3为本发明在半桥使用状态连接原理图。图4为图3的工作原理示意图。图5为本发明在全桥使用状态连接原理图。图6为图5的工作原理示意图。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示本发明包括种子层1、第一非磁性钉扎层2、第一磁性被钉扎层3、非 磁性隔离层4、第二磁性被钉扎层5、第二非磁性钉扎层6及保护层7。如图1所示，所述种子层1上设有第一非磁性钉扎层2，所述第一非磁性钉扎层2 上设有第一磁性被钉扎层3 ；所述第一磁性被钉扎层3与第一非磁性钉扎层2形成参考层， 且产生第一交换耦合场；所述参考层产生第一交换耦合场的参考层磁矩方向如8所示。第 一磁性被钉扎层3上设有非磁性隔离4，所述非磁性隔离4的材料可以为Cu、A10、Mg0、HF0、 ZrO或TaO。非磁性隔离层4将参考层与自由层相隔离；所述自由层包括第二磁性被钉扎层 5与第二非磁性钉扎层6。所述第二磁性被钉扎层5位于非磁性隔离层4上，第二磁性被钉 扎层5上设有第二非磁性钉扎层6。所述第二磁性被钉扎层5与第二非磁性钉扎层6形成 自由层，且产生第二交换耦合场，且第二交换耦合场的自由层磁矩方向如9所示。所述第二 非磁性钉扎层6上设有保护层7，所述保护层7的材料可以为Ta、Pt或Ti。所述第一非磁性钉扎层2与第二非磁性钉扎层6的Blocking温度不同，第一非磁 性钉扎层2的Blocking温度通常要高于第二非磁性钉扎层6的Blocking温度；所述第一 非磁性钉扎层2与第二非磁性钉扎层6的Blocking温度由第一非磁性钉扎层2与第二非 磁性钉扎层6的材料和厚度来控制。所述第一非磁性钉扎层2与第二非磁性钉扎层6的材 料可以为MnIr或MnPt。
薄膜磁阻传感器的薄膜镀完后，开始对薄膜进行回火。在较高的温度下和磁场强 度大的外磁场作用下，第一非磁性钉扎层2与第一磁性被钉扎层3间产生的第一交换耦合 场的方向与外磁场的方向相同。所述第一非磁性钉扎层2与第一磁性被钉扎层3产生的第 一交换耦合场的场强达几千高斯。在较低的温度下和磁场强度大的外磁场共同作用下，第 二磁性被钉扎层5与第二非磁性钉扎层6间产生的第二交换耦合场的方向与第一交换耦合 场的方向垂直，所述第二交换耦合场的场强在上百高斯内。所述第二交换耦合场能够感应 外部磁场的变化，从而完成检测外部磁场相对应的检测量。所述第一磁性被钉扎层3与第 二磁性被钉扎层5的材料可以为CoFeB、CoFe, NiFe或CoFe、Ru与CoFe形成的复合层。如图2所示，为本发明的工作原理示意图。薄膜磁阻传感器的磁阻随着自由层相 对应的自由层磁矩方向9与参考层相对应的参考层磁矩方向8的夹角的变化而变化。当自 由层相对应的自由层磁矩方向9随着外加磁场10的大小和方向的改变而变化时，薄膜磁阻 传感器的磁阻也随之变化。当外加磁场10的方向与参考层相对应的参考层磁矩方向8平 行时，即外加磁场10的方向与参考层磁矩方向8间的夹角为O度；同时外加磁场10的强度 大于Hl时，自由层相对应的自由层磁矩方向9与外加磁场10的方向平行，进而自由层相对 应的自由层磁矩方向9与参考层相对应的参考层磁矩方向8平行，如11表示的方向所示， 这时薄膜磁阻传感器元件的磁阻最小。当外加磁场10的方向与参考层相对应的参考层磁 矩方向8反平行，即外加磁场10的方向与参考层磁矩方向8间的夹角为180度；同时外加 磁场10的强度大于H2时，自由层相对应的自由层磁矩方向9与外加磁场10的方向平行， 进而自由层相对应的自由层磁矩方向9与参考层相对应的参考层磁矩方向8反平行，如12 表示的方向所示，这时薄膜磁阻传感器元件的磁阻最大。Hl与H2之间的磁场范围就是薄膜 磁阻传感器的测量范围，当磁场范围在Hl与H2之间时，薄膜磁阻传感器具有较好的测量精 度和线性度。所述磁场强度HI、H2可以通过对第一非 磁性钉扎层2、第一磁性被钉扎层3、 第二磁性被钉扎层5及第二非磁性钉扎层6的厚度和回火工艺来控制实现，工艺操作方便 简单。图3和图4为本发明工作在半桥使用状态下的连接原理图和工作原理示意图。如 图3所示，所述第一薄膜磁阻传感器214与第二薄膜磁阻传感器215构成了半桥使用状态 的检测元件。其中，第一薄膜磁阻元件214相对应的参考层磁矩方向8与第二薄膜磁阻元件 215相对应的参考层磁矩方向8方向反平行。第一薄膜磁阻传感器214相对应的自由层磁 矩方向9与第二薄膜磁阻传感器215相对应的自由层磁矩方向9相互平行。第一电极211 与第二电极212是薄膜磁阻电桥半桥的电压输入端，第三电极213是薄膜磁阻电桥半桥的 电压输出端。如图4所示，为薄膜磁阻传感器组成半桥电桥的工作原理图。薄膜磁阻传感器电 桥半桥的输出电压V随着外加磁场10的方向和大小的改变而发生变化。当外加磁场10的 方向为负(-)且磁场强度大于Hl时，从第三电极213检测薄膜磁阻传感器半桥电桥的输出 电压最低。当外加磁场10的方向为正(+)且磁场强度大于H2时，从第三电极213检测薄 膜磁阻半桥电桥的输出电压最高。Hl与H2之间的磁场范围即为所述薄膜磁阻传感器半桥 电桥的测量范围。图5和图6为本发明工作在全桥使用状态下的连接原理图和工作原理示意图。如 图5所示，所述第三薄膜磁阻传感器311，第四薄膜磁阻传感器312，第五薄膜磁阻传感器313与第六薄膜磁阻传感器314间构成了全桥使用状态的检测元件。其中，所述第三薄膜磁 阻传感器311与第六薄膜磁阻传感器314相对应的参考层磁矩方向8与第四薄膜磁阻传感 器312，第五薄膜磁阻传感器313相对应的参考层磁矩方向8方向反平行；所述第三薄膜磁 阻传感器311，第四薄膜磁阻传感器312，第五薄膜磁阻传感器313与第六薄膜磁阻传感器 314相对应的自由层磁矩方向9相互平行。第四电极315，第五电极316是薄膜磁阻传感器 全桥电桥的电压输入端，第六电极317，第七电极318是薄膜磁阻传感器全桥电桥的电压输 出端。 如图6所示，为薄膜磁阻传感器组成电桥全桥的工作原理。所述薄膜磁阻传感器 全桥电桥的输出电压为V = Vout (+)-Vout (-) = 317-318 ；随着外加磁场10的方向和大小 的改变而发生变化。当外加磁场10的方向为负(_)且磁场强度大于Hl时，薄膜磁阻传感 器全桥电桥的输出电压最低。当外加磁场10的方向为正(+)且磁场强度大于H2时，薄膜 磁阻传感器全桥电桥的输出电压最高。Hl与H2之间的磁场范围就是薄膜磁阻传感器电桥 全桥的测量范围。本发明通过在种子层1上设置参考层与自由层，通过自由层感应外磁场的变化； 所述参考层与自由层产生的第一交换耦合场与第二交换耦合场相垂直，降低了磁滞，提高 了磁阻传感器的测量精度和线性度工艺。所述第一交换耦合场与第二交换耦合场通过加工 厚度及回火工艺的不同，在遇到大磁场干扰时，抗干扰能力强，实施工艺简单，不会影响磁 阻传感器的性能，且不会增大传感器的功耗。通过调节参考层与自由层的厚度，能够有效调 整传感器的测量线性范围，相应频率高，制造成本低。
权利要求
一种薄膜磁阻传感器，其特征是，包括种子层；参考层，位于种子层上，产生第一交换耦合场；非磁性隔离层，位于参考层上，将参考层与自由层相隔离；自由层，位于非磁性隔离层上，感应外磁场变化，并产生第二交换耦合场，所述第二交换耦合场与第一交换耦合场互相垂直。
2.根据权利要求1所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述自由层上设置保护层。
3.根据权利要求1所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述参考层包括第一非磁性钉 扎层与第一磁性被钉扎层；所述第一非磁性钉扎层位于种子层上，第一磁性被钉扎层位于 第一非磁性钉扎层上；所述第一非磁性钉扎层与第一磁性被钉扎层间产生第一交换耦合 场。
4.根据权利要求1所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述自由层包括第二磁性被钉 扎层与第二非磁性钉扎层；所述第二磁性被钉扎层位于非磁性隔离层上，第二非磁性钉扎 层位于第二磁性被钉扎层上；所述第二磁性被钉扎层与第二非磁性钉扎层间产生第二交换 耦合场。
5.根据权利要求1所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述非磁性隔离层的材料包括 Cu、A10、MgO、HFO、ZrO 或 TaO。
6.根据权利要求3或4所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述第一非磁性钉扎层与 第二非磁性钉扎层的材料包括Mnlr或MnPt。
7.根据权利要求2所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述保护层的材料包括Ta、Pt 或Ti。
8.根据权利要求3或4所述的薄膜磁阻传感器，其特征是所述第一磁性被钉扎层与 第二磁性被钉扎层的材料包括CoFeB、CoFe、NiFe或CoFe、Ru与CoFe形成的复合层。
全文摘要
本发明涉及一种传感器，尤其是一种薄膜磁阻传感器，具体地说是一种用于磁场中电流、位置、移动角度，角速度等量检测的传感器。按照本发明提供的技术方案，所述薄膜磁阻传感器，包括种子层；参考层，位于种子层上，产生第一交换耦合场；非磁性隔离层，位于参考层上，将参考层与自由层相隔离；自由层，位于非磁性隔离层上，感应外磁场变化，并产生第二交换耦合场，所述第二交换耦合场与第一交换耦合场互相垂直。本发明磁滞小、测量精度和线性度高、线性范围可调、制作工艺简单、响应频率高、制造成本低及抗干扰能力强。
文档编号G01D5/14GK101871787SQ20101019332
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者王建国, 薛松生 申请人:王建国;薛松生