三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法技术

本发明专利技术涉及磁传感器领域，提供一种三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法。所述三轴隧穿磁电阻传感器，包括上电极、下电极以及所述上电极与所述下电极之间的垂直磁各向异性隧道结；所述垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量。本发明专利技术基于TMR效应，利用垂直磁各向异性隧道结在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量，相较于现有的基于霍尔效应或巨磁阻效应的磁电阻传感器，灵敏度更高，易于集成。易于集成。易于集成。

【技术实现步骤摘要】
三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法、使用方法


[0001]本专利技术涉及磁传感器领域，具体地涉及一种三轴隧穿磁电阻传感器、一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法以及一种三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法。

技术介绍

[0002]磁传感器能够感知与磁现象有关的物理量的变化，并将其转变为电信号进行检测，从而直接或间接地探测磁场大小、方向、位移、角度、电流等物理信息。磁传感器广泛应用于信息、电机、电力电子、能源管理、汽车、磁信息读写、工业自动控制及生物医学等领域。由于磁场是一个矢量，具有大小和方向，多数磁传感器只能感应到一个方向上的磁场矢量，而不能感应到各个方向上的矢量。然而，三轴磁传感器件，能够同时感应三个不同方向的磁场从而能够更好的感知磁场的变化，在卫星定位、导航等领域重要应用。
[0003]现有的三轴磁传感器，通常采用基于霍尔效应、巨磁阻效应等原理制备。基于霍尔效应的三轴磁传感器，灵敏度过低，不再适用于大多数场合。巨磁电阻（Giant Magneto Resistance，简称GMR）的三轴磁传感器，由于巨磁阻效应中材料电阻随磁场变化的范围较小，灵敏度不高，不能满足更高精度的需求，不能应用于复杂环境。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种三轴隧穿磁电阻传感器及其制备方法，以至少解决上述的三轴磁传感器灵敏度不高的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种三轴隧穿磁电阻传感器，包括上电极、下电极以及所述上电极与所述下电极之间的垂直磁各向异性隧道结；所述垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量。
[0006]进一步地，还包括：压电薄膜；所述垂直磁各向异性隧道结包括：铁磁参考层、隧穿绝缘层以及铁磁自由层；所述压电薄膜设置于所述下电极与所述铁磁参考层之间，所述压电薄膜在被施加可调控电场的条件下改变所述垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，使得所述垂直磁各向异性隧道结能够感应不同方向的磁矩矢量。
[0007]进一步地，所述垂直磁各向异性隧道结的形状为矩形或椭圆形，所述垂直磁各向异性隧道结的面内易轴方向沿矩形的长边方向或椭圆形的长轴方向。
[0008]进一步地，所述压电薄膜被施加的可调控电场的强度，至少根据以下条件之一确定：垂直磁各向异性隧道结的材料和晶格结构；垂直磁各向异性隧道结的形状和尺寸；垂直磁各向异性隧道结中铁磁参考层、隧穿绝缘层、铁磁自由层之间的界面质量。
[0009]本专利技术另一方面提供一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，所述方法包括：在基底上生长作为下电极的导电层；
在所述作为下电极的导电层上生长压电薄膜；在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结；在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构。
[0010]进一步地，所述在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结，包括：在所述压电薄膜上依次生长铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层，形成垂直磁各向异性隧道结。
[0011]进一步地，所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFeB；或者所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、Al2O3、CoFeB；或者所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFe。
[0012]进一步地，所述压电薄膜的材料采用PMN
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PT、PZN
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PT、PIN
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PMN
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PT、掺杂Sm的PMN
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PT、PZT、PbTiO3、PbNbO3、PVDF、LiNbO3、TiSrO3中的任意一种。
[0013]进一步地，所述在基底上生长作为下电极的导电层，包括：在基底上沉积生长Ta层和CuN层，形成Ta层与CuN层交替的导电层。
[0014]进一步地，所述在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，包括：在所述铁磁自由层上沉积生长Ta层，在Ta层上覆盖Ru层。
[0015]进一步地，所述方法还包括：对所述磁阻膜堆结构进行微纳加工，采用光刻、蒸镀和剥离的工艺在所述磁阻膜堆结构的表面形成连接外电路的蒸镀电极。
[0016]本专利技术还提供一种三轴隧穿磁电阻传感器的使用方法，所述三轴隧穿磁电阻传感器为上述的三轴隧穿磁电阻传感器，所述方法包括：在所述三轴隧穿磁电阻传感器的铁磁参考层和下电极施加电压；调节施加在上电极和下电极的电压强度，以改变所述三轴隧穿磁电阻传感器的磁矩感应方向。
[0017]进一步地，所述调节施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度，包括：至少根据以下条件之一确定施加在所述铁磁参考层和下电极的电压强度：所述三轴隧穿磁电阻传感器的材料和晶格结构；所述三轴隧穿磁电阻传感器的形状和尺寸；所述三轴隧穿磁电阻传感器中铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层之间的界面质量。
[0018]本专利技术实施方式的三轴隧穿磁电阻传感器基于TMR效应，利用垂直磁各向异性隧道结在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量，相较于现有的基于霍尔效应或巨磁阻效应的磁电阻传感器，灵敏度更高；采用垂直磁各向异性隧道结的磁阻薄膜结构，空间结构紧凑，易于集成设计。
[0019]此外，本专利技术通过垂直磁各向异性隧道结结构可以感应面外方向的磁矩矢量，在垂直磁各向异性隧道结基础上增加设计压电薄膜，利用压电薄膜在电场调控效应下改变垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，通过改变垂直磁各向异性隧道结膜堆的易轴方向，实现对面内方向的磁矩矢量的感应，从而实现不同方向磁矩矢量的感应，提高了三轴隧穿磁电阻传感器的准确性，可应用于复杂环境。
[0020]本专利技术实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0021]附图是用来提供对本专利技术实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术实施方式，但并不构成对本专利技术实施方式的限制。在附图中：图1是本专利技术实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器在施加电场时的磁矩方向示意图；图3是本专利技术实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器感应磁矩矢量的示意图；图4是本专利技术实施方式提供的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法的流程图。
[0022]附图标记说明10
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下电极， 20
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压电薄膜，30
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铁磁参考层，40
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隧穿绝缘层，50
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铁磁自由层，60
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上电极。
具体实施方式
[0023]以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0024]本专利技术实施方式提供一种三轴隧穿磁电阻传感器，基于隧穿磁电阻效应（Tunnel magnetoresistance，简称TMR）。基于隧穿磁电阻效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，包括上电极、下电极以及所述上电极与所述下电极之间的垂直磁各向异性隧道结；所述垂直磁各向异性隧道结用于在电场调控效应下，感应不同方向的磁矩矢量。2.根据权利要求1所述的三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，还包括：压电薄膜；所述垂直磁各向异性隧道结包括：铁磁参考层、隧穿绝缘层以及铁磁自由层；所述压电薄膜设置于所述下电极与所述铁磁参考层之间，所述压电薄膜在被施加可调控电场的条件下改变所述垂直磁各向异性隧道结的磁各向异性，使得所述垂直磁各向异性隧道结能够感应不同方向的磁矩矢量。3.根据权利要求2所述的三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述垂直磁各向异性隧道结的形状为矩形或椭圆形，所述垂直磁各向异性隧道结的面内易轴方向沿矩形的长边方向或椭圆形的长轴方向。4.根据权利要求2所述的三轴隧穿磁电阻传感器，其特征在于，所述压电薄膜被施加的可调控电场的强度至少根据以下条件之一确定：垂直磁各向异性隧道结的材料和晶格结构；垂直磁各向异性隧道结的形状和尺寸；垂直磁各向异性隧道结中铁磁参考层、隧穿绝缘层、铁磁自由层之间的界面质量。5.一种三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在基底上生长作为下电极的导电层；在所述作为下电极的导电层上生长压电薄膜；在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结；在所述垂直磁各向异性隧道结上生长作为上电极的导电层，形成磁阻膜堆结构。6.根据权利要求5所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述压电薄膜上制作垂直磁各向异性隧道结，包括：在所述压电薄膜上依次生长铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层，形成垂直磁各向异性隧道结。7.根据权利要求6所述的三轴隧穿磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、MgO、CoFeB；或者所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由层的材料分别采用CoFeB、Al2O3、CoFeB；或者所述铁磁参考层、隧穿绝缘层及铁磁自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵东艳，王于波，陈燕宁，邵瑾，付振，王帅鹏，朱大鹏，周敏，周芝梅，王立城，赵巍胜，曲俊达，夏清涛，关心，
申请(专利权)人：北京智芯微电子科技有限公司国网信息通信产业集团有限公司北京航空航天大学青岛研究院，
类型：发明
国别省市：