[发明专利]低噪音磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及磁场传感器的领域，更具体地涉及具有垂直于层的 平面的电流几何形状(géométrie de courant)的自旋阀或磁隧道结。

本发明尤其应用于磁记录领域。

背景技术

磁场传感器应用于众多应用中：用于计算机硬盘的读头、用于 读取磁道的装置、磁性墨水、位置编码器、角度编码器、电子罗盘 等。

磁场传感器是近年来主要研究的目标，以便与硬盘上的记录密 度的快速增加同步前进。

从1992年开始，在计算机硬盘读头中使用的磁场传感器是磁阻 型的。在此类型的传感器中，磁场变化改变了磁阻材料的电阻，导 致传感器端子处的电压变化。

最初的磁阻传感器利用薄磁层的磁阻的各向异性，即利用这种 层的电阻与根据磁化和施加于其的电流之间的角度的从属性。

最近的磁阻传感器以自旋阀为基础。通常将自旋阀定义为由通 过非磁性金属的薄层隔开的两个磁层组成的结构。通过与反铁磁性 材料的交换相互作用，将一个磁层(称作俘获层)的磁化保持固定。 另一磁层(称作自由层或敏感层)的磁化随着施加于其的磁场的变 化而自由变化。两个磁层的各自磁化的方向的相对变化导致非磁层 中的电阻的变化(称作巨磁阻效应)。例如，在1994年于Journ.Magn. Mater.136的第335至359页发表的B.Dieny撰写的名为“自旋阀多 层中的巨磁阻”的文章中可发现关于自旋阀的描述。

最初的自旋阀使用与根据被称作CIP(面内电流)的构造的层 的平面平行的电流几何形状。硬盘上的位尺寸(2006年大约是 100nm×40nm)的减小导致具有CPP(电流垂直于平面)构造的自 旋阀的发展，CPP构造同时具有更高的集成度和更大的磁阻变化。

根据此构造，包围磁阻元件的屏蔽(écrans)也用作电流输入 (amenée du courant)和电压端子(prise de tension)。具体地，在申 请WO-A-97/44781中可发现具有CPP构造的自旋阀的描述。

图1示意性地示出了使用具有CPP构造的自旋阀100的磁阻传 感器。

两个金属屏蔽101和102用来限制磁场测量区域，并用作电流 输入和电压端子。此区域的宽度d给出了最大读取分辨率。自旋阀 主要由反铁磁性层110、磁化被层110俘获的磁层120、非磁性薄层 130和磁化随着外部磁场而自由变化的磁层140组成。可通过一对 侧向永磁铁(未示出)将偏磁场施加于自由层140，以便当没有外 部磁场时给其预定的磁化方向。

如果自由层140的磁化方向和俘获层120的磁化方向平行，那 么自旋阀的电阻小，并且，在其反平行的情况中，自旋阀的电阻大。 当将待测磁场施加于层的平面中时，此磁场在所述平面中产生自由 层的磁化的旋转。自由层的磁化相对于俘获的磁化的相对定向确定 自旋阀的电阻。

由于其较小的尺寸，具有CPP构造的自旋阀具有非常低的电 阻。为了制造适于前置放大器的典型输入阻抗(数十欧姆)的阻抗 传感器，可以使用具有高表面电阻(以Ω.μm²测量)的磁阻材料。 为此，提出将断续氧化层插入非磁性隔离层中，该断续氧化层用于 局部限制电流路径。然而，此方法导致非常高的电流密度，并由此 导致有害于传感器的使用寿命的电迁移现象。

最后，最有前途的技术看起来是基于使用磁阻隧道结或MTJ 的技术。MTJ结与具有CPP构造的自旋阀的区别在于，隔离层130 由绝缘材料制成，例如，由氧化铝或氧化镁(MgO)制成。隧道结 必须具有足够低的阻值(由用于电阻区域的电阻和面积的乘积RA 测得)，从而，传感器具有与前置放大器的输入阻抗相适合的电阻， 并将散粒噪音最小化。