磁传感器装置和磁感测方法制造方法及图纸

本公开涉及一种磁传感器装置(300)，所述磁传感器装置(300)包括至少一个磁阻结构(310)。所述磁阻结构包括：磁自由层(316)，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式，和磁参考层(314)，具有非闭合通量参考磁化样式；和磁通量集中器(320)，被配置为增加磁自由层(316)中的外部磁场(330)的通量密度。

【技术实现步骤摘要】
磁传感器装置和磁感测方法
本公开一般地涉及磁传感器装置和方法，并且更具体地讲，涉及使用磁阻结构的磁传感器装置和方法。
技术介绍
磁阻效应包括许多不同物理现象，所有这些物理现象具有这样的共同点：可通过磁场穿透电阻元件的行为来改变电阻元件的电阻。利用磁阻效应的技术有时被称为“xMR技术”，其中“x”指示可在这里提及的许多效应，仅提到一些示例，比如巨磁阻(GMR)效应、隧道磁阻(TMR)效应或各向异性磁阻(AMR)效应。xMR效应可在各种基于场的传感器中被例如用于测量旋转、角度等。在一些应用中，尤其在与安全相关的应用中，需要这些传感器可靠地并且以高级别的准确性操作。在一些应用中，传感器可能遭受未知或无法计算的磁场形式的扰动。这些扰动可随机地改变传感器的状态或初始值。由于无论是在测量值之上还是在测量值之下从初始值接近测量值，传感器的滞后行为可导致显著差异，所以滞后可导致测量结果中的误差。具有涡旋配置(闭合通量磁化样式)的自由层的磁xMR传感器概念可具有几乎零滞后。换句话说，可在自由层中存在涡旋形磁化状态(磁场)的情况下实现低滞后，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，低滞后可能尤其引起关注。然而，涡旋形磁化状态可能仅在关于施加的待测量的场的场强度的某个范围中是稳定的。因此，希望提供一种实现测量结果的提高的准确性和可靠性的传感器元件。
技术实现思路
根据本公开的第一方面，提供一种具有至少一个磁阻(xMR)结构的磁传感器装置。所述至少一个磁阻结构包括：磁自由层，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式(例如，涡旋形磁化状态)。另外，磁阻结构包括：磁参考层，具有非闭合通量参考磁化样式。磁传感器装置还包括：磁通量集中器，被配置为增加磁自由层中的外部磁场的通量密度。xMR结构可例如通过交替磁层和非磁层形成。术语“磁”和“非磁”可在这种情况下被理解为“铁磁”和“非铁磁”。“非磁”层可因此具有顺磁、反磁或反铁磁性质。层可基本上在具有三个两两垂直方向x、y和z的笛卡尔坐标系的两个方向x和y延伸。换句话说，与层在第一和第二方向x和y的延伸相比，层在第三方向z的延伸可能较小。闭合通量磁化样式随后也可被称为涡旋状态。自发产生的涡旋状态可例如在它产生之后直接形成在自由层中，或者在未施加外部场的情况下形成在自由层中。另一方面，非闭合通量参考磁化样式可对应于具有零旋度和零散度的均匀、笔直或线性磁化场。在一些示例中，xMR结构的磁自由层具有中心对称形状。换句话说，这个形状可产生于围绕平行于z方向的中心轴线的预定角度的旋转，并且例如包括等角、等边或正多边形(三角形、正方形、六边形等)或椭圆形。可因此促进自发涡旋形成。如果未施加偏置场，则除了其他因素以外，自由层的形状可确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度。在一些示例中，磁自由层xMR结构具有旋转对称形状。换句话说，自由层可表现出盘形状。如果使用盘形状，则甚至可进一步促进自发涡旋形成。在一些示例中，磁自由层的厚度和直径之间的比率处于从1/500到1/5的范围中。可沿着z方向测量厚度，并且在x-y平面中测量直径。如果自由层具有非圆形形状，则直径可对应于例如椭圆形的长轴或短轴，或者对应于多边形的内切圆或外接圆的直径。自由层的厚度和直径之间的比率可提供另一因素，该另一因素可确定外部场的涡旋形成范围的原始宽度。通过选择上述范围内的值，可显著减轻涡旋形成。在一些示例中，自由层的厚度是参考层的厚度的至少三倍。与参考层相比，这可帮助使自由层中的交换偏置效应保持较低，并且传感器的灵敏度可增加。在一些示例中，磁通量集中器被实现在与磁自由层相同的层中或实现在与磁自由层不同的层(在磁自由层上方或下方的层)中。磁通量集中器和磁自由层之间的接近允许磁自由层中的外部磁场的通量密度高效增加。在一些示例中，磁通量集中器被配置为增加平行于直线的外部磁场的磁通量密度。换句话说，磁通量集中器的至少部分线性延伸。在一些示例中，磁通量集中器被配置为增加平行于磁参考层的参考磁化样式的磁通量密度。换句话说，磁通量集中器的至少部分线性地并且平行于磁参考层的参考磁化样式延伸。在一些示例中，磁通量集中器被配置为将垂直于参考磁化样式的外部磁场变换成平行于磁参考层的参考磁化样式的磁场。在一些示例中，磁通量集中器被配置为在磁自由层中引起杂散磁场。通过磁通量集中器的适当的几何结构或形状，能够实现这一点。在一些示例中，磁通量集中器包括通过空隙分离的至少两个部分。磁自由层能够被定位为接近所述空隙，例如位于磁通量集中器的空隙中，位于磁通量集中器的空隙上方，或位于磁通量集中器的空隙下方。在一些示例中，磁通量集中器包括通过空隙分离的一对相对的伸出部分。所述伸出部分可分别沿着直线线性延伸。在一些示例中，所述伸出部分平行于磁参考层的(线性)参考磁化样式而延伸。在一些示例中，磁通量集中器被配置为：在外部磁场的强度超过阈值情况下磁饱和，所述阈值小于闭合通量磁化样式的湮没场强度。换句话说，磁通量集中器被配置为在涡旋被破坏之前磁饱和。在一些示例中，磁通量集中器包括软磁材料。在一些示例中，一个或多个软磁通孔结构(例如，专用穿硅通孔(TSV))能够被用作磁通量集中器。在一些示例中，xMR结构是GMR或TMR结构，GMR或TMR结构中的每个结构能够分别在平面内电流(CIP)或垂直于平面电流(CPP)结构中操作。根据本公开的另一方面，提供一种磁传感器装置，所述磁传感器装置包括：磁通量集中器；和多个xMR传感器元件，被布置为接近磁通量集中器以用于磁交互。每个xMR传感器元件包括相应磁自由层，所述磁自由层被配置为在相应磁自由层中产生涡旋磁化样式。在一些示例中，所述多个xMR传感器元件被布置为接近磁通量集中器的材料空隙。在一些示例中，所述多个磁阻传感器元件的相应磁自由层位于磁通量集中器的材料空隙中，位于磁通量集中器的材料空隙下方，或位于磁通量集中器的材料空隙上方。根据本公开的再另一方面，提供一种磁感测方法。所述方法包括：通过在磁通量集中器附近布置磁自由层来增加至少一个磁阻结构的磁自由层中的外部磁场的磁通量密度，所述磁自由层包括涡旋磁化样式。附图说明将在下面仅作为示例并且参照附图描述设备和/或方法的一些实施例，其中图1示出在磁涡旋状态下具有自由层的TMR底部自旋阀（BSV）结构的分解视图示例；图2示出单个盘形自由层元件的示意性滞后回线，示出涡旋表征成核场和湮没场；图3示出根据示例的磁传感器装置；图4示出根据另一示例的磁传感器装置；图5a-c图示磁通量集中器的不同示例性形状；图6示出示例性磁通量集中器的顶视图；图7a-c分别图示布置在磁通量集中器的空隙中的多个xMR涡旋传感器元件，图8示出从通量集中器产生的场(左)和总场(右)，所述总场是从通量集中器产生的场和外部场之和；图9示出在具有通量集中器的情况下和在没有通量集中器的情况下的涡旋传递曲线的比较(左)以及放大区域的详细视图(右)；图10图示由通量集中器针对通量集中器的不同层厚度产生的场[T]；图11图示结合涡旋传感器的通量集中器的第一示例，其中通量集中器被配置为将垂直于参考磁化样式的外部磁场变换成平行于磁参考层的参考磁化样式的磁场；和图12示出结合涡旋传感器的通量集中器的第二示例，其中通量集中器被配置为将垂直于参考磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁传感器装置，包括：至少一个磁阻结构，包括磁自由层，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式，和磁参考层，具有非闭合通量参考磁化样式；和磁通量集中器，被配置为增加磁自由层中的外部磁场的通量密度。

【技术特征摘要】
2016.06.30 DE 102016112008.11.一种磁传感器装置，包括：至少一个磁阻结构，包括磁自由层，被配置为在自由层中产生闭合通量磁化样式，和磁参考层，具有非闭合通量参考磁化样式；和磁通量集中器，被配置为增加磁自由层中的外部磁场的通量密度。2.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层具有中心对称形状。3.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层具有旋转对称形状。4.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层的厚度和直径之间的比率处于从1/500到1/5的范围中。5.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁自由层的厚度是参考层的厚度的至少3倍。6.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被实现在与磁自由层相同的层中或实现在与磁自由层不同的层中。7.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为增加平行于直线的外部磁场的磁通量密度。8.如权利要求7所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为增加平行于磁参考层的参考磁化样式的磁通量密度。9.如权利要求7所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为将垂直于磁参考层的参考磁化样式的磁场变换成平行于参考磁化样式的磁场。10.如权利要求1所述的磁传感器装置，其中所述磁通量集中器被配置为在磁自由层中引起杂散磁场。11.如权利要求1所述的磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：H布吕克尔，K普吕格尔，W拉贝格，A扎茨，D聚斯，
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