[发明专利]金属/绝缘体类纳米颗粒材料和薄膜磁传感器

说明书

技术领域

本发明涉及金属/绝缘体类纳米颗粒材料和薄膜磁传感器。更具体地，本发明涉及薄膜磁传感器，所述薄膜磁传感器适于检测汽车车轴、旋转编码器或工业齿轮等的转动信息，检测液压缸/气压缸的冲程位置或机床的滑块等的位置/速度信息，及检测如工业焊接机器人的电弧电流等的电流信息，并且适合用于地磁方位罗盘(geomagnetic azimuth compass)等，本发明还涉及在此类薄膜磁传感器中使用的金属/绝缘体类纳米颗粒材料。

背景技术

磁传感器是通过磁场将关于电磁力(如电流、电压、电功率、磁场、磁通量等)、力学量(如位置、速度、加速度、位移、距离、张力、压力、扭矩、温度、湿度等)或生物化学量等的检测量转化成电压的电子器件。根据磁场的检测方法，将磁传感器分类为霍尔传感器、各向异性磁电阻(anisotropicmagnetoresistivity)(AMR)传感器、巨磁电阻(giantmagnetoresistivity)(GMR：巨MR(giant MR))传感器等。

在这些磁传感器中，GMR传感器具有例如以下优点：

(1)与AMR传感器相比，GMR传感器具有非常大的电阻率变化率的最大值(即，MR比＝Δρ/ρ₀的非常大的值，(Δρ＝ρ_H-ρ₀：ρ_H是在外部磁场H下的电阻率，ρ₀是在外部磁场为零的情况下的电阻率))；

(2)与霍尔传感器相比，GMR传感器的电阻值随温度的变化更小；以及

(3)由于具有巨磁电阻效应的材料是薄膜材料，因此GMR传感器适于微细加工(microfabrication)。

因此，期望将GMR传感器用作在包括计算机、电力、汽车、家用电器设备和便携式设备的应用中的高灵敏度磁微传感器。

显示出GMR效应的已知材料包括：金属人工晶格(artificiallattice)，该金属人工晶格由包括铁磁性层(如坡莫合金)和非磁性层(如Cu、Ag或Au)的多层膜，或者具有由反铁磁性层、铁磁性层(固定层)、非磁性层和铁磁性层(自由层)的四层结构的多层膜(所谓的“自旋阀”)构成；金属/金属类纳米颗粒材料，该金属/金属类纳米颗粒材料包括铁磁性金属(如坡莫合金)的纳米尺寸的微粒和由非磁性金属(如Cu、Ag或Au)构成的晶界相(grainboundary phase)；隧道结膜(tunnel junction films)，其中MR(磁电阻)效应由自旋相关的隧道效应产生；以及金属/绝缘体类纳米颗粒材料，该金属/绝缘体类纳米颗粒材料包括纳米尺寸的铁磁性金属合金微粒和由非磁性绝缘材料构成的绝缘基质。

在这些材料中，由自旋阀为代表的多层膜通常特征在于在低强度磁场中具有高灵敏度。然而，由于需要以高精度层叠各种材料的薄膜，因此多层膜具有差的稳定性和低的产量，在降低生产成本方面存在限制。因此，这种多层膜仅用于具有高附加值的装置(如硬盘用磁头)，并且认为难以将此类多层膜应用于遭遇与具有低单价的AMR传感器或霍尔传感器在成本上竞争的磁传感器。此外，该多层膜易于在层间产生扩散，并且易于使GMR效应消失。因此，该多层膜具有其耐热性差的严重缺陷。

另一方面，纳米颗粒材料通常易于生产，并且具有令人满意的再现性。因此，当将纳米颗粒材料应用于磁传感器时，能够获得磁传感器的成本降低。特别地，金属/绝缘体类纳米颗粒材料具有例如以下优点：

(1)当使所述材料的组成最优化时，在室温下所述材料显示超过10％的高MR比；

(2)所述材料具有极其高的电阻率ρ，因此可以同时使磁传感器微型化和电功率消耗降低；以及

(3)与包括具有不良耐热性的反铁磁性膜的自旋阀膜不同，所述材料甚至可以在高温环境下使用。

然而，金属/绝缘体类纳米颗粒材料具有在低强度磁场中其磁场灵敏度显著低的问题。因此，已采用其中将软磁性薄膜配置在巨磁电阻薄膜的各端，从而提高巨磁电阻薄膜的磁场灵敏度的技术。

迄今为止，已提出关于此类金属/绝缘体类纳米颗粒材料和关于采用该材料的薄膜磁传感器的各种提议。

例如，JP-A-2001-094175公开了高电阻率磁电阻膜，其具有包括绝缘体基质和分散于其中的纳米尺寸磁性颗粒的结构并具有Fe₂₆Co₁₂Mg₁₈F₄₄的组成。

该文献包括对于通过将纳米尺寸的磁性颗粒分散于由氟化物构成的绝缘基质中获得高电阻率的效果的说明。