含有铁磁／反铁磁灵敏元件的磁致电阻传感器及其使用制造技术

本发明专利技术涉及一种用于磁场的磁致电阻传感器，其包括参考元件（２）、分隔元件（３）和对磁场灵敏的元件（４）的堆叠（１），其中参考元件（２）和灵敏元件（４）分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁各向异性（５、６）。灵敏元件（４）包括铁磁材料（ＦＭ１）的层和反铁磁材料（ＡＦ１）的层的重叠，布置该重叠以给出磁矩（１０），其在待测场方向上的分量作为待测磁场的函数可逆地且在可调的场范围中线性地变化。本发明专利技术还涉及这样地传感器的使用。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种磁致电阻磁场传感器以及这样的传感器用于测量磁场强度的使用。
技术介绍
历史上，磁致电阻传感器利用单个磁材料的电阻的变化，其是由待测磁场的变化导致的。这是各向异性磁致电阻传感器运行的原理。然而，该电阻的变化较小。自从巨磁致电阻(1988年)和室温下隧道磁致电阻(1995年)的发现以来，已经设计了其它的传感器结构，其在室温下具有超过50％的电阻变化。这些传感器包括磁参考元件(reference element)、分隔元件和对磁场灵敏的磁元件的堆叠，布置所述堆叠从而具有与待测磁场相关的电阻变化。特别地，该堆叠可包括分别形成参考元件和灵敏元件的两个磁结构，其被分隔元件分隔开。该结构中，排列参考元件的磁矩的取向使得其不随待测磁场的作用而改变，同时灵敏元件的磁矩的取向可通过所述磁场的作用而改变。当分隔元件导电时(例如金属或半导体层)，传感器利用巨磁致电阻，其表明电流关于磁结构的磁化的相对取向的相关性。当分隔元件电绝缘时，传感器利用隧道磁致电阻，其取决于自旋向上和向下的电子的界面带结构(interface band structure)，且对于给定自旋道(spin channel)其取决于它们的磁化的相对取向。这些传感器高度灵敏且可用于探测其大小可变化数个量级的磁场。为了得到高性能磁致电阻传感器，需要具有对磁结构的磁矩的相对取向的控制，从而能够使电阻变化和待测磁场相互关联。特别地，参考元件的磁各向异性轴关于灵敏元件的磁各向异性轴的垂直取向使得线性化传感器的输出以得到可容易利用的测量信号成为可能。文献FR-2809185描述了一种传感器，其中灵敏元件包括铁磁材料的层，其磁各向异性来自形状能量(shape energy)，且参考元件包括铁磁材料制成的层和反铁磁材料制成的层的重叠，其各向异性来自这两层之间的交换。根据该文献，因此形状能量被用于得到灵敏元件，交换各向异性被用于得到参考元件，即得到关于所述场被固定的磁矩。从传感器的构造和所得测量性能两观点来看，该解决方案具有数个缺点。关于构造，用于导致灵敏元件的各向异性的形状能量的使用被证明对实施来说是困难且昂贵的。这是因为，如文献FR-2809185所说明的，这需要使用毗邻的无取向(disoriented)的Si(111)表面；然而该衬底对工业应用来说是特别昂贵且困难的。这是因为缓慢降温的高温(900℃)热处理是必需的以得到发现形状各向异性需要的步幅(step)的累积。此外，该使用强加特定的各向异性方向，其对传感器的模块化是有害的。此外，这些衬底不适于灵敏元件在用于处理信号的ASIC上的集成。关于测量性能，结果证明难以适应已知传感器的使用范围，且在任何情况下它保持相对局限。特别地，使用范围取决于还损害传感器的模块性的传感器尺寸。此外，在堆叠的上部设置反铁磁层造成测量的可靠性问题。这是因为已显示反铁磁层的结构(texture)对于强的阻挡(blocking)进而对于高温运行范围是必需的。然而，当反铁磁层被设置在非晶绝缘层上时，结构丧失，阻挡较差且对于比室温稍高的温度传感器不再起作用。为了解决所有这些缺点，本专利技术提出一种磁致电阻传感器，其中通过交换导致灵敏元件的磁各向异性，该交换存在于铁磁材料的层和反铁磁材料的层的界面处。
技术实现思路
为了实现该目的，且根据第一方面，本专利技术提出一种磁致电阻磁场传感器，其包括参考元件、分隔元件和对磁场灵敏的元件的堆叠，其中该参考元件和灵敏元件分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁各向异性。该灵敏元件包括铁磁材料的层和反铁磁材料的层的重叠，布置该重叠以得到一磁矩，其取向在所述待测场方向上的分量关于待测磁场的强度线性且可逆地变化，且在可调的场范围中线性地变化。根据第二方面，本专利技术提出用于测量磁场强度的这样的传感器的使用，其中参考元件的各向异性方向平行于待测磁场的方向设置。附图说明在下面参照附图给出的描述中，本专利技术的其它目的和优点将显现出来，附图中图1和2是分别示意性显示用于根据本专利技术的传感器的实施例的设置在衬底上的层的堆叠的第一和第二实施例的透视图；图3是根据图1或2的堆叠中各向异性轴、磁化和待测磁场的磁配置的图；图4a和4b分别描述对于图1的堆叠根据图3的配置的灵敏元件和参考元件的磁化关于待测磁场的变化；图5a和5b分别描述对于图2的堆叠根据图3的配置的灵敏元件和参考元件的磁化关于待测磁场的变化；图6描述由图4a和4b描述的磁化变化引起的结的电阻关于待测磁场的变化；图7描述由图5a和5b描述的磁化变化引起的结的电阻关于待测磁场的变化；图8示出根据本专利技术的传感器的电和磁灵敏度关于温度的变化；图9示出其总灵敏度关于温度的变化；图10示出优化的传感器的总灵敏度关于温度的变化。具体实施例方式这里特别关注的属性是当铁磁材料FM1和反铁磁材料AF1具有公共界面时当垂直于表现出交换的磁轴施加场时得到的响应。在这种情况下，通过成核及壁的传播的磁化反转过程(当场沿着表现出交换的磁轴施加时的反转)被磁化的可逆旋转代替(当场垂直于表现出交换的磁轴施加时的反转)。然后磁滞特性被图4a的可逆特性代替。此外，在相当宽的场范围中，信号是线性的。形式上，磁化对施加磁场的响应的梯度由下式给出∂M∂H|H=0=(2KFMS+JtFMS)-1...(1)]]> 其中MS是铁磁层FM1的饱和磁化，tF是铁磁层FM1的厚度，KF是铁磁层FM1的各向异性常数，且J是铁磁层和反铁磁层之间存在的耦合。当KF＝0时，可以解析地确定层FM1的磁化在施加场的方向上的分量，即(H)=sin(arctan(tFMSJH))...(2)]]>这样铁磁/反铁磁公共界面的产生导致磁各向异性轴，在铁磁层中其方向是可控的。在小振幅磁场中的响应是可逆的，具有一梯度，且因此具有未来传感器的灵敏度，其通过MS、tF和J的函数是可调的。本专利技术涉及一种磁致电阻磁场传感器，其包括参考元件2、分隔元件3和对磁场灵敏的元件4的堆叠1。参考元件2和灵敏元件4分别具有在第一和第二方向上的第一5和第二6磁各向异性。布置该类型的传感器，使得在待测磁场的影响下，灵敏元件4的磁化10的方向关于参考元件2的磁化方向改变，其导致堆叠1的电阻与所述场的强度相关的变化。根据第一实施例，分隔元件3包括电绝缘材料的层S，例如基于氧化和/或硝化的铝，氧化镓、氧化钽、氧化镁或氧化钛酸锶。然后磁致电阻传感器利用被绝缘层S分开的两个磁元件2、4形成的结的隧道磁致电阻特性。该实施例中，垂直于层S的平面进行电阻测量。根据第二实施例，分隔元件3由导电材料的层S形成，例如基于诸如铜的金属或基于半导体。然后磁致电阻传感器利用由被导电层S分开的两个磁元件2、4形成的“自旋阀”的巨磁致电阻特性。该实施例中，或者垂直于或者平行于层S的平面进行电阻测量。这两个实施例中，磁致电阻效应产生堆叠1的电阻与待测磁场相关的变化，所述变化在电子处理电路中被使用以得到所述场的强度。以特定方式，通过安排没有待测磁场时第一各向异性5垂直于第二各向异性6以便于电阻变化的利用。结合图1，给出堆叠1的第一实施例的描述，其包括作为参考元件2的铁磁材料FM2的层、以及作为灵敏元件4的铁磁材料FM1的层和反铁磁材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁致电阻磁场传感器，包括参考元件（２）、分隔元件（３）和对磁场灵敏的元件（４）的堆叠（１），其中该参考元件（２）和该灵敏元件（４）分别具有在第一和第二方向上的第一和第二磁各向异性（５、６），所述传感器特征在于该灵敏元件（４）包括铁磁材料（ＦＭ１）的层和反铁磁材料（ＡＦ１）的层的重叠，其被布置为得到磁矩（１０），其取向在待测场方向上的分量关于待测磁场的强度可逆地变化，且在可调场范围中线性地变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：米歇尔赫恩，阿兰舒尔，格雷戈里马利诺夫斯基，克里斯托弗尼科特，克里斯托弗杜雷特，
申请(专利权)人：SNR鲁尔门斯公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]