[发明专利]一种薄膜磁阻传感器元件及薄膜磁阻电桥

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜磁阻传感器及该薄膜磁阻组成的电桥半桥和电桥全桥。

背景技术

薄膜磁阻传感器元件被广泛的应用在数据存储领域（计算机硬盘，MRAM），电流的测量领域，位置测量，物体的移动和速度，角度及角速度等的测量领域。

薄膜磁阻传感器元件有多层膜结构和自旋阀结构。 多层膜结构包括磁性层和非磁性层，它们交替的沉积在衬底上。自旋阀结构包括非磁性钉扎层（MnIr，MnPt）、磁性被钉扎层（CoFeB、CoFe, 或是SAF结构CoFe/Ru/CoFe等）、非磁性隔离层（Cu、AlO、MgO、HfO、ZrO、TaO等等），磁性自由层（CoFeB、CoFe, 或是SAF结构CoFe/Ru/CoFe等）。

薄膜磁阻传感器元件在测量模拟量时，由于自由层的磁性材料本身有磁滞现象，测量时有回程差，影响到测量的精度和测量的线性度。为了避免这种现象通常采用的方法有：1、利用自由层的形状各向异性能提供一个垂直于外界待测磁场偏置磁场；2、在薄膜磁阻传感器元件的自由层周围，沉积一层永磁薄膜，通过永磁薄膜提供一个垂直于外界待测磁场偏置磁场（计算机硬盘采用此方案）；3、在薄膜磁阻传感器元件的自由层周围，沉积一根电流线，通过电流提供一个偏置磁场；4、利用反铁磁材料（MnIr/MnPt）提供自由层一个垂直于外界待测磁场偏置磁场。

采用第一种方法的特点是：工艺简单，但是形状各向异性提供的偏置磁场有限，并且限制了芯片的设计。采用第二种方法的特点是：偏置磁场的大小可由调解永磁薄膜的成分及厚度而改变，但是在实际应用中要避免大的外磁场的干扰，如果有大磁场的干扰，会改变偏置磁场的方向，从而影响传感器的性能。采用第三种方法的特点是：偏置磁场的大小可由改变电流的大小来调解，但是传感器的功耗会很大。采用第四种方法的特点是：偏置磁场的大小可由调解反铁磁材料的厚度及自由层的厚度或材料而改变，但是在实际应用中这种结构的热稳定性较差，目前的材料很难使传感器的性能稳定性达到200摄氏度以上。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种简单的薄膜磁阻传感器元件及其该薄膜磁阻传感器元件组成的电路半桥和电路全桥。

为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种薄膜磁阻传感器元件，其依次具有下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、非磁性隔离层、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层。

其中，反铁磁钉扎层和磁性被钉扎层产生的交换耦合场作为薄膜磁阻传感器元件的参考层，其交换耦合场的方向平行于待测外磁场的方向。反铁磁钉扎层的材料可以是MnIr、MnPt或MnFe等, 磁性被钉扎层的材料和结构可以是CoFe、 CoFeB、 CoFe/Ru/CoFe、 CoFe/Ru/CoFeB/Ta/CoFeB、CoFe/Ta /CoFe/Ru/CoFeB等。 

非磁性隔离层的材料可以是Cu、AlO、MgO、HfO、ZrO、TaO等。

磁性自由层其材料可以是CoFeB、CoFe、CoFeB/NiFe、CoFe/NiFe、CoFeB/Ta/NiFe或oFe/Ta/NiFe。

偏磁层其材料可以是CoCrPt、CoPt、FePt，或由其组成的多层膜结构（例如：Ru/CoPt/Ru/CoPt， Ta/CoPt/Ta/CoPt等。

磁性被钉扎层的磁矩方向与磁性自由层的磁矩方向相互垂直。由于偏磁层的材料是永磁材料，其产生恒定的外磁场，外磁场作用在磁性自由层上，给磁性自由层一个偏置场，并且偏置场的方向垂直于磁性被钉扎层磁矩的方向，偏置场的大小可由调解偏置层的厚度，材料成分及偏置层到磁性自由层的距离而改变，从而达到调节薄膜磁阻传感器灵敏度，线性范围等参数。

本发明的薄膜磁阻传感器元件的工艺条件是行业内标准的工艺条件，在这里只做简单的陈述：1、对于非磁性隔离层是金属的，真空镀膜：下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、非磁性隔离层、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层；2、如果非磁性隔离层是氧化物， a、真空镀膜：下电极、种子层、反铁磁钉扎层、磁性被钉扎层结构、磁性自由层、保护层、上电极、偏磁层。

薄膜磁阻传感器元件的薄膜镀完之后，开始回火确定磁性被钉扎层和反铁磁钉扎层产生的交换耦合场的方向。在较高的温度下，加大的外磁场，外磁场的方向与想要的交换耦合场的方向一致(一般平行于待测量外磁场的方向)。