[发明专利]一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种用来测量磁场的低成本、高精度的传感器件，具体是涉及一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术。

背景技术

目前，市场上用于磁场测量的装置主要有磁通门、基于超导材料的超导量子干涉仪、基于霍尔效应的高斯计和基于磁敏电阻的磁阻传感器等，其中以霍尔传感器和磁阻传感器用量最大。一般霍尔效应传感器主要用于大磁场的测量，而磁阻传感器主要用于弱磁场的探测领域。

自从磁敏电阻的阻传感器出现以来，作为最尖端的纳米技术之一，以其高灵敏度、小体积和低成本优势在从计算机硬盘磁头等信息技术领域到电子罗盘、矿产勘探再到通常的位置、位移传感器等工业自动化等的广泛领域得到了应用，目前其主流产品主要包括各向异性(AMR)磁电阻、(GMR)巨磁电阻和隧道结磁电阻传感器(TMR)。

但是，目前在市场上几乎所有的磁场探测装置都是采用模拟式的探测方法和技术，尤其是用于弱磁探测的磁阻传感器，即利用材料电阻随外界磁场的变化而变化。对以磁性材料制造的磁阻传感器来说，这种技术存在原理性的缺陷，该测量技术方式要求磁性材料和元件的磁电阻响应曲线随外界磁场的变化是绝对线性的，只有这样才能保证测量的准确度(请参阅图1)，而事实上任何磁性材料不仅本身都会有磁滞(即来回曲线不重复，请参阅图2)，而且还会有非线性，即随外磁场的变化并非绝对的线性输出，这样就会给磁场的测量带来误差；而且由于材料本身的属性，如果外界磁场超过一定大小，会使材料具有不可逆性从而永久随坏该传感器。该缺陷是由材料的本身属性所决定的，因此该技术缺陷是不可克服的。

在纳米磁性薄膜材料中有一种被称为交换偏置(exchange bias，例如参考文献：Journal of Magnetism andMagnetic Materials192 1999(203-232))现象的物理效应，指铁磁/反铁磁双层膜中铁磁材料的磁滞洄线由于反铁磁材料的钉扎作用而偏离原点，具体请参阅图3。并且该效应有一种独特的特性，即这种对原点的偏离会随着铁磁材料的厚度增加而逐渐减小，且呈线性关系，请参阅图4，学术界把这种效应解释为交换偏置是一种界面效应。交换偏置效应在自旋阀传感器中起着关键作用，通常的巨磁电阻自旋阀传感器材料的结构和其电阻随外磁场变化曲线请参阅图5，偏离原点的洄线就是由自旋阀中交换偏置效应引起的。

另外，在自旋阀传感器纳米多层膜的制备技术中，通过磁控溅射发展了一种楔形样品的成熟制备技术，即可以使某一层膜的厚度连续的变化的制备技术，其结构请参阅图6所示。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种数字式自旋阀磁场传感器及其制备技术。作为一种全新的磁场测量方法，放弃了现有的传感器模拟式的信号输出和测量技术，根据材料的某些特性，将采用数字式测量方式，可以有效地避免该技术缺陷，从而大大提高弱磁探测的精度和抗干扰性。

为了实现上述目的，采用的技术方案如下：

一种数字式自旋阀磁场传感器，其特征在于，基片上所采用的巨磁电阻自旋阀薄膜材料结构是由多层纳米量级厚度的巨磁电阻和隧道结自旋阀材料构成，其核心结构依次为缓冲层、反铁磁层(4)、第一铁磁层(3)、非磁性层(2)、第二铁磁层(1)和保护层，所述第一铁磁层(3)呈厚度连续变化的楔形。

作为优选，所述基片为硅片或玻璃。

作为一种具体实施方法，所述核心结构加工形成数个连续排布的、其第一铁磁层(3)厚度呈连续变化的自旋阀磁场传感器单元。。

作为优选，所述数个自旋阀磁场传感器单元对磁场的感应电阻呈单调递增或递减。

作为一种具体改进，所述数个自旋阀磁场传感器单元通过电极材料依次串联，再与外围电路相连。

数字式自旋阀磁场传感器的制备技术，其特征在于，所述巨磁电阻和隧道结自旋阀材料通过薄膜制备技术设置于基片上。

作为优选，所述薄膜制备技术为磁控溅射或电子束蒸发技术。

作为优选，所述数个自旋阀磁场传感器单元是通过光刻技术加工形成的。

与传统的模拟式的位移传感器不同，本发明提出了一种数字式的磁场测量技术，由于数字式的原理使其在抗干扰方面极具优势，并且外围放大电路相对简单，与目前模拟式的测量技术相比，其灵敏度和精度不会有丝毫的降低。