磁性传感器设备和用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法技术

实施例涉及一种磁性传感器设备（700），其包括磁电阻结构（710）。该磁电阻结构（710）包括磁性自由层（770），其被配置成在该自由层（770）中自发地生成闭合通量磁化模式（775）。该磁电阻结构（710）还包括具有非闭合通量参考磁化模式（755）的磁性参考层（750）。该磁性传感器设备（700）还包括被配置成在磁性自由层（770）中生成偏置场的磁性偏置结构（780），该偏置场具有垂直于参考磁化模式（755）的非零磁性偏置场分量。

Magnetic sensor device and method for a magnetic sensor device having a magnetoresistance structure

Embodiments relate to a magnetic sensor device (700) comprising a magnetic resistance structure (710). The magnetic resistance structure (710) includes a magnetic free layer (770) configured to spontaneously generate a closed flux magnetization mode (775) in the free layer (770). The magnetic resistance structure (710) also includes a magnetic reference layer (750) having a closed flux reference magnetization mode (755). The magnetic sensor device (700) configured to include in the magnetic free layer (770) magnetic bias structure generates a bias field (780), the bias field is perpendicular to the reference magnetization pattern (755) non zero bias magnetic field component.

【技术实现步骤摘要】
磁性传感器设备和用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法
示例涉及磁性传感器设备和用于具有磁电阻结构的磁性传感器设备的方法。
技术介绍
磁电阻效应包括许多不同的物理现象，所有这些物理现象的共同之处是电阻元件的电阻可由于穿过该电阻元件的磁场的行为而改变。利用磁电阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，这里通过“x”来指示可以在这里论述的众多效应，仅论及几个示例比如巨磁电阻（GMR）效应、隧道磁电阻（TMR）效应或各向异性磁电阻（AMR）效应。可以在各种各样的基于场的传感器（例如用于测量旋转、角度等等的传感器）中应用xMR效应。在某些应用中，尤其在与安全有关的应用中，需要这些传感器可靠地且以高准确性水平来操作。在某些应用中，传感器可能经受以未知或不可计算的磁场形式的扰动。这些扰动可能随机改变传感器的状态或初始值。因为传感器的磁滞行为可能导致测得的值是否接近高于或低于该测得的值的初始值的实质性差异，所以磁滞可能导致测量结果中的误差。旋涡（vortex）配置中具有自由层的磁性xMR传感器概念可能具有几乎为零的磁滞。换言之，可以在自由层中存在旋涡形磁化状态（磁场）的情况下实现低的磁滞，并且在诸如轮速感测、电流感测或线性场感测之类的应用中尤其对低的磁滞感兴趣。然而，旋涡形磁化状态可能仅在关于要被测量的所施加的场的场强的某一范围中稳定。因此，期望提供一种实现测量结果的改进准确性和可靠性的传感器元件。
技术实现思路
一个示例涉及一种包括磁电阻结构的磁性传感器设备。该磁电阻结构包括磁性自由层，其被配置成在该自由层中自发地生成闭合通量磁化模式（pattern）。该磁电阻结构还包括具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层。该磁性传感器设备还包括被配置成在磁性自由层中生成偏置场的磁性偏置结构。该偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量。可以例如通过交替的磁性层和非磁性层来形成磁电阻结构。在此上下文中术语“磁性”和“非磁性”可以被理解为“铁磁性”和“非铁磁性”。“非磁性”层因此可以具有顺磁性、反磁性或反铁磁性性质。层本质上可以扩展到具有三个成对垂直方向x、y和z的笛卡尔坐标系的两个方向x和y中。换言之，与该层到第一和第二方向x和y中的扩展相比，该层到第三方向z中的扩展小到可以忽略不计。如果方向x对应于参考磁化的方向，则偏置场可以例如具有等于零的x分量，以及非零的y和z分量。闭合通量磁化模式还可以被称为涡旋态。自发生成的涡旋态可以例如在其产生之后或者在不施加外部场的情况下直接形成在自由层中。换言之非闭合通量参考磁化模式可以对应于具有零旋度和零发散的均匀的、直的或线性磁场。该实现可以拓宽在其中自发地生成涡旋态的要被测量的外部磁场值的范围。结果，其中磁滞消失的场范围可以被扩展，这进而可以增大可靠性。该场范围的上限和下限可以被称为成核（nucleation）场阈值。在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成平面内具有非零偏置场分量的偏置场。术语平面内可指的是主要在x-y平面内扩展的自由层。因此，换言之垂直于参考磁化模式的平面内分量可以对应于y分量。在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成作为定向固定的磁场的偏置场。这可以将外部磁场的涡旋成核场阈值提升到预定或固定值。在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成在垂直于参考磁化模式的磁性自由层中生成偏置场。换言之，偏置场的z分量也可以为零。扩展的涡旋形成范围的影响因此可以被增大或甚至最大化。在一些实施例中，磁性自由层是中心对称的形状。换言之，该形状可以由预定角度围绕平行于z方向的中心轴旋进而产生，并且例如包括等角的、等边的或规则的多边形（三角形、正方形、六边形、等等）或椭圆形。因此可以促进自发的涡旋形成。在不施加偏置场的情况下，除其他因素外，自由层的形状可以确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度。在一些实施例中，磁性自由层是旋转对称的形状。换言之，自由层可以展示出圆盘形状。如果使用圆盘形状，则甚至可以进一步促进自发涡旋形成。在一些实施例中，磁性自由层的厚度和直径之间的比在从1/500到1/5的范围中。可以沿着z方向测量厚度，并且直径在x-y平面内。如果自由层具有非圆形形状，则直径可以对应于例如椭圆形的长轴或短轴，或者多边形的内切或外切圆的直径。自由层的厚度和直径之间的比可以提供可确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度的另一因素。通过选取上述范围内的值，可以明显减轻涡旋形成。在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成具有一定偏置场强度的偏置场，该偏置场强度使得在其处自发地生成闭合通量磁化模式的成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下更大。换言之，触专利技术显效应（例如至少1、2或5%）可能需要将偏置场强度设置成预定间隔内的值。以这种方式，提升成核场阈值的效果可能更明显。在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成具有一定偏置场强度的偏置场，该偏置场强度使成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下大至少5Oe或甚至10Oe。如果乘以磁场常数µ0，则5Oe可以对应于0.5mT。在一些实施例中，磁性偏置结构被配置成生成偏置场强度为外部磁场的湮灭阈值的最多1/5的偏置场，在该湮灭阈值处闭合通量磁化模式被湮灭。湮灭阈值可以描述用于外部场的值，如果超过该值，则自由层中磁场的涡旋结构可以消失。在这之后，低于该值可能引起自由层的磁滞行为，直到在成核场阈值处再次形成涡旋结构为止。在一些实施例中，磁性偏置结构包括在自由层中生成交换偏置场的反铁磁层。因此，对于磁性传感器设备而言，可以实现增加的密实度量，在实现容量可能是缺乏（例如汽车）的应用中这可能是合意的。在一些实施例中，自由层被布置在反铁磁层和参考层之间。因此提供偏置场可能问题不大。此外，可能产生磁性传感器设备的较高水平的密实度。在一些实施例中，直接邻近自由层来布置反铁磁层。因此可能省略自由层和反铁磁层之间的另一层。这可以提供一种用来提供偏置场的更简化方法。在一些实施例中，自由层具有超过参考层的厚度而达到其至少3倍的厚度。这可以帮助保持与参考层相比低的自由层中的交换偏置效应。因此，偏置场的强度可能达到处于提供给涡旋形成范围的促进更明显的范围中。因此甚至可以优化偏置场的效应。在一些实施例中，磁性偏置结构包括被配置成在自由层中生成偏置场的一个或多个永久磁体或电磁体。这可以实现将偏置场施加于已经存在的磁电阻结构的可能性。换言之，该一个或多个永久磁体或电磁体可以布置为与磁电阻结构所集成到其上的衬底分开。在一些实施例中，磁性偏置结构至少包括位于自由层的相对侧上的第一和第二永久磁体。这可能导致更线性的偏置场形状。此外，永磁体在z方向上的厚度可以被减小，因此很可能导致更小的体积密集型（volume-intensive）实现。在一些实施例中，磁性偏置结构包括电导体，其被配置成响应于电导体中的电流来在与偏置场相对应的自由层中生成磁场。这可能允许磁性偏置结构和磁电阻结构集成在共同衬底或芯片上。可以以这种方式进一步简化偏置场的正确调整。在一些实施例中，磁电阻结构对应于巨磁电阻（GMR）结构或隧道磁电阻（TMR）结构。因此可将各种实现应用于不同传感器类型。根据另一方面，一些实施例涉及磁电阻传感器元件。该磁电阻传感器元件包括磁性自由层，其被配置成在该自由层中自发地生成涡旋磁化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性传感器设备，其包括：磁电阻结构，其包括：磁性自由层，其被配置成在该自由层中自发地生成闭合通量磁化模式；和具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层；以及磁性偏置结构，其被配置成在磁性自由层中生成偏置场，该偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量。

【技术特征摘要】
2015.12.14 DE 102015121753.81.一种磁性传感器设备，其包括：磁电阻结构，其包括：磁性自由层，其被配置成在该自由层中自发地生成闭合通量磁化模式；和具有非闭合通量参考磁化模式的磁性参考层；以及磁性偏置结构，其被配置成在磁性自由层中生成偏置场，该偏置场具有垂直于参考磁化模式的非零磁性偏置场分量。2.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成平面内具有非零磁性偏置场分量的偏置场。3.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成作为定向固定的磁场的偏置场。4.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成在垂直于参考磁化模式的磁性自由层中生成偏置场。5.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性自由层具有中心对称的形状。6.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性自由层具有旋转对称的形状。7.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中磁性自由层的厚度和直径之间的比在从1/500到1/5的范围中。8.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成偏置场，该偏置场具有使得在其处自发地生成闭合通量磁化模式的成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下更大的偏置场强度。9.根据权利要求8所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成偏置场，该偏置场具有使得成核场阈值在存在偏置场的情况下比不存在偏置场的情况下大至少5Oe的偏置场强度。10.根据权利要求1所述的磁性传感器设备，其中该磁性偏置结构被配置成生成其偏置场强度为外部磁场的湮灭阈值的最多1/5的偏置场，在该湮灭阈值处闭...

【专利技术属性】
技术研发人员：W拉贝格，T武尔夫特，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE