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本發(fā)明一般涉及從磁性介質(zhì)上讀取信息信號的磁性傳感器，具體涉及改進(jìn)的磁致電阻的讀傳感器。

先有技術(shù)公開了一種稱作磁致電阻（MR）傳感器或頭的磁性傳感器，它表現(xiàn)為能從高線性密度的磁性表面讀取數(shù)據(jù)。一個MR傳感器通過一個由磁性材料制成的讀元件的電阻變化檢測磁場信號，該信號是作為該元件所感測到的磁通量的大小與方向的函數(shù)的。這些先有技術(shù)的MR傳感器在各向異性的磁致電阻（AMR）效應(yīng)基礎(chǔ)上工作，其中電阻的一個分量隨磁化與電流方向之間的夾角的余弦的平方變化。AMR效應(yīng)的更詳細(xì)的描述可在出版物“內(nèi)存、存儲器及相關(guān)應(yīng)用中的薄膜磁致電阻器”，D.A.Thompson等，IEEE會報(bào)Mag.，MAG-11，1039頁（1975）中見到。雖然AMR效應(yīng)只產(chǎn)生極小百分比的電阻變化，但這些MR傳感器還是以AMR效應(yīng)為基礎(chǔ)工作的。

最近，公布了獲得增強(qiáng)的MR效應(yīng)的技術(shù)報(bào)告，這些出版物之一“具有反鐵磁性層間交換的分層磁結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)的磁致電阻”，G. Binasch等，物理評論，B.V39，4828頁（1989）以及德國專利DE3820475描述了一種分層磁性結(jié)構(gòu)，它能夠產(chǎn)生由磁化的逆平行排列引起的增強(qiáng)的MR效應(yīng)。然而，獲得這種電阻變化的要求的飽和磁場太高并且這種效應(yīng)的線性度太差，所以并不適用于制造實(shí)用的MR傳感器。

先有技術(shù)并未揭示在足夠低的磁場上產(chǎn)生增強(qiáng)的MR效應(yīng)并具有足夠的線性反應(yīng)的一個MR器件，使之能作為一種MR傳感器使用。

從而本發(fā)明的主要目的是提供一種具有超過AMR的增強(qiáng)的MR效應(yīng)的MR傳感器，它在小的作用場中具有基本上線性的反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明，一個MR傳感器包括一個第一與一個第二鐵磁性材料的薄膜層，它們被一個非磁性金屬材料薄膜層所分隔開。在零作用場中第一鐵磁性材料層的磁化方向是設(shè)置為基本上垂直于第二鐵磁性材料層的磁化方向的，并且第二鐵磁性材料層的磁化方向是固定的。產(chǎn)生一個通過該MR傳感的電流，就可檢測到由于第一鐵磁性材料層中的磁化方向的旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的MR傳感器的電阻變化，將它作為所檢測的磁場的一個函數(shù)。

本發(fā)明的上述的以及其它目的、特征及優(yōu)點(diǎn)將從附圖中所示的本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例的下述較具體的描述中得到更清楚的了解。

圖1示出兩個相關(guān)的圖，其中（a）為室溫下的磁滯回路圖，而（b）則為先有技術(shù)提出的一個分層磁性結(jié)構(gòu)的一個特例的室溫下的磁致電阻圖。

圖2為示出B-H回路以及沿類似于圖1的一個分層磁性結(jié)構(gòu)的易磁化軸的磁致電阻反應(yīng)的曲線圖，但其X軸標(biāo)度是大為減小了的。

圖3為根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻傳感器的一個特定實(shí)施例的分解透視示意圖。

圖4為根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻傳感器的另一個實(shí)施例的分解透視示意圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻傳感器的又一個實(shí)施例的剖視圖。

圖6為示出本發(fā)明的磁致電阻傳感器的磁致電阻反應(yīng)的曲線圖。

圖7為本發(fā)明的磁致電阻傳感器的特定實(shí)施例的對于自由鐵磁性層的厚度的室溫下的磁致電阻的幅值曲線。

圖8為本發(fā)明的一個特定實(shí)施例的作為隔離層的厚度的室溫下的磁致電阻的輻值曲線。

圖9為示出自旋閥磁致電阻、各向異性磁致電阻以及它們之和的一個實(shí)施例的曲線，其中它們之和的總輻值與變化率在零場附近都是大于其獨(dú)立的分量的。

圖10為示出自旋閥磁致電阻、各向異性磁致電阻以及它們之和的另一個實(shí)施例的曲線，其中它們之和的總輻值與變化率在零場附近都比圖9中所示的降低了。

圖11為示出兩種配置的作為作用場的函數(shù)的磁致電阻的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，其中一種配置中的各向異性磁致電阻加強(qiáng)自閥磁致電阻而另一種配置則降低自旋閥磁致電阻。

先有技術(shù)的磁致電阻傳感器是基于各向異性的磁致電阻（AMR）上的，其中該電阻的一個分量隨磁化與電流方向間的夾角的余弦平方變化。

最近，發(fā)現(xiàn)了另一種機(jī)制，其中觀察到兩個不耦合的鐵磁性層之間的電阻隨該兩層的磁化之間的夾角的余弦變化而與電流方向無關(guān)。這一機(jī)制對于選擇的材料組合產(chǎn)生在輻值上大于AMR的磁致電阻，我們稱之為“自旋閥”（SV）磁致電阻。

這一SV結(jié)構(gòu)的一個特定實(shí)施例建立在包括下述結(jié)構(gòu)的硅基片上：Si/150 NiFe/25 Cu/150 NiFe/100 FeMn/20 Ag。這一結(jié)構(gòu)的磁滯回路示出在圖1的曲線圖（a）中，這一曲線圖示出了對應(yīng)于自由與偏轉(zhuǎn)的NiFe層的兩個回路，圖1中的曲線圖（b）示出當(dāng)兩個鐵磁性層逆平行時電阻增加約2%。

圖2示出一個類似結(jié)構(gòu)沿易磁化軸的BH回路與MR特性，其X軸標(biāo)度是大加擴(kuò)張了的。這一結(jié)構(gòu)建立在包括下述結(jié)構(gòu)的一片硅基片上：Si/60 NiFe/25 Cu/30 NiFe/70 FeMn/20 Ag。 第二NiFe層是交換附加偏磁到170Oe（奧斯特）并且在圖中所示的場的范圍內(nèi)不換向。對于沿難磁化軸（未示出）作用的場，自旋閥反應(yīng)相當(dāng)弱，因而用途較差。沿易磁化軸，MR特性的基本形狀揭示它能作為一個磁場傳感器使用。然而，由于它的矯頑磁性、高垂直度、以及從原點(diǎn)的移位，這一結(jié)構(gòu)的特性是高度非線性的。此外，第一鐵磁性層中的變化是由磁疇壁運(yùn)動導(dǎo)致的。這是已知會引起穩(wěn)定性問題并且已知是與磁疇旋轉(zhuǎn)相比運(yùn)動得非常慢的，因此這將嚴(yán)重地限制數(shù)據(jù)率。由于這些原因，所提出的先有技術(shù)自旋閥結(jié)構(gòu)不適用于作為一個磁場傳感器。

根據(jù)本發(fā)明，我們說明使反應(yīng)線性化，降低矯頑性、定心反應(yīng)，并且令對一個作用磁場的反應(yīng)變化由磁疇旋轉(zhuǎn)形成的方法，從而產(chǎn)生一種基于自旋閥結(jié)構(gòu)的磁場傳感器，使之在對不大于先有技術(shù)的MR傳感器所需的磁場作出反應(yīng)時，能較先有技術(shù)的MR傳感器表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出的磁致電阻改變。

根據(jù)本發(fā)明的這種新穎的結(jié)構(gòu)示出在圖3中。該MR傳感器包括一塊適當(dāng)?shù)?a href='/zhuanli/list-13341-1.html' target='_blank'>基板10，例如玻璃、陶瓷或半導(dǎo)體，在這上面涂覆一個軟鐵磁性材料的第一薄膜層12，一個非磁性金屬材料的薄膜層14，以及一個鐵磁性材料的第二薄膜層16，兩個鐵磁性材料層12、16在沒有磁場作用下以它們的磁化大約成90度角定向。此外，第二層鐵磁性材料16的磁化在位置上是固定的，如箭頭20所示。第一層鐵磁性材料12在沒有磁場作用下的磁化是以箭頭22示出的。層12中磁 化的改變是對一個作用的磁場（諸如圖3中的磁場h）作出反應(yīng)以旋轉(zhuǎn)形成的，如圖3中虛線所示。

在圖3所示的實(shí)施例中，第二層鐵磁材料16較第一層鐵磁性層12具有較高的矯頑性，所以層16的磁化位置得以固定。圖4所示的特定實(shí)施例提出了兩種固定第二層鐵磁性材料16的磁化位置的不同方法。

在圖4所示的實(shí)施例中，具有高阻力的一種反鐵磁性材料18的薄膜層直接接觸地涂覆在第二鐵磁性材料16薄膜層上，使得通過交換耦合能產(chǎn)生一個偏轉(zhuǎn)場，這是本領(lǐng)域所已知的。另一種方法，層18也可是一層具有足夠高的垂直度、高矯頑性及高磁阻的鐵磁性層。圖4的結(jié)構(gòu)可以是反向的，因而先涂覆層18，接著涂覆層16、14、與12。

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻傳感器的又一個實(shí)施例。在本發(fā)明的這一實(shí)施例中，在涂覆第一層鐵磁性材料12之前，先在基板10上涂覆一個適當(dāng)?shù)膲|層24，例如Ta、Ru或CrV。墊層24的目的是優(yōu)化以后各層的紋理、粒度與表面幾何形狀。表面幾何形狀對于獲得高M(jìn)R效應(yīng)的是有決定性作用的，因?yàn)樗试S使用一個極薄的非磁性金屬材料14的隔離層。此外，該墊層必須具有高電阻率以最小化分路效應(yīng)。墊層也可用于上述反向結(jié)構(gòu)。如果基板10具有足夠高的電阻率，具有足夠平整的表面，并且具有適當(dāng)?shù)?a href='/zhuanli/list-21375-1.html' target='_blank'>晶體結(jié)構(gòu)，則墊層24可以省略。

設(shè)置了產(chǎn)生縱向偏轉(zhuǎn)的裝置將層12保持在如圖5中箭頭所指的單磁疇狀態(tài)。在所示的特定實(shí)施例中，產(chǎn)生縱向偏轉(zhuǎn)的裝置包括具有高矯頑性、高垂直度及高電阻率的鐵磁性材料層26。硬磁性層26與鐵磁性層12的端部區(qū)域接觸，并且層26從它們的磁化方向面向圖5中的箭頭所指的方向。

另一種方法，也可以涂覆與層12的端部區(qū)域接觸的反鐵磁性層，并朝向圖5中箭頭所指的方向以產(chǎn)生所要求的縱向偏轉(zhuǎn)。這些反鐵磁性層必須具有與反鐵磁性層18充分差異的屏蔽溫度，層18是用于固定第二鐵磁性層16的磁化方向的。

然后，在MR傳感器上涂覆一個諸如Ta的高電阻率材料的封頂層28。設(shè)置了導(dǎo)電引線30與32以在MR傳感器結(jié)構(gòu)、電流源34與感測裝置36之間形成一個電路通路。

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻傳感器的一個特定實(shí)施例的磁致電阻反應(yīng)。這一結(jié)構(gòu)由Si/Ta50 /3X（NiFe70 /Cu20 /NiFe50 /FeMn70 /）Ta50 構(gòu)成。注意，大約在0至15Oe的范圍內(nèi)磁致電阻反應(yīng)是非常線性的，具有可以忽略的矯頑性并且變化是由磁疇旋轉(zhuǎn)引起的。然而，由于兩個鐵磁性層12、16透過非磁性金屬材料層14的輕微鐵磁耦合而使這一特性并不以零場為中心點(diǎn)?？梢圆扇《喾N措施來將反應(yīng)定心在零場上如圖5中虛線所示。在一個實(shí)際構(gòu)圖的結(jié)構(gòu)中，兩個鐵磁性層之間的靜磁交互作用有助于消除透過非磁性金屬層的耦合效應(yīng)從而使反應(yīng)對準(zhǔn)中心。另一 種定心反應(yīng)的方法是適當(dāng)選擇感測電流的輻值與方向。另一種定心反應(yīng)的方法是將層12的易磁化軸設(shè)置為相對于層16的磁化稍大于90度。定心反應(yīng)的又一種方法是通過少量改變層12與16之間的磁化的夾角。注意，這一反應(yīng)是非常線性的，是定心在零場上的，并且在磁性記錄應(yīng)用中所遇到的范圍內(nèi)對信號是敏感的?？梢?，這些特征使它在磁性記錄應(yīng)用中成為一種優(yōu)秀的磁場傳感器。

這種分層磁性結(jié)構(gòu)可以用任何適宜的技術(shù)完成，諸如使用陰極真空噴鍍。圖3的結(jié)構(gòu)要通過朝向選擇方向上的一個磁場來涂覆第一薄膜鐵磁性層12來制造，以使該膜的易磁化軸朝向圖3中所示的橫越圖面的方向。

鐵磁性層12、16可以由任何適當(dāng)?shù)拇判圆牧蠘?gòu)成，例如Co、Fe、Ni以及它們的合金諸如NiFe、NiCo與FeCo。對于三種選擇的磁性材料Co、NiFe與Ni，磁致電阻的輻值隨第一薄膜鐵磁性層12的厚度的變化如圖7所示。這三條曲線具有以在大約50 與150 之間的寬闊的極大值為特征在相似的形狀，所以這便是第一鐵磁性層12的最佳厚度范圍。

非磁性隔離層14最好是具有高導(dǎo)電性的金屬。貴金屬如Au、Ag與Cu給出大的MR特性，Pt與Pd給出小的MR特性，而Cr與Ta則呈現(xiàn)非常小的MR特性。對于三種選擇的材料Ag、Au與Cu，磁阻的輻值也隨非磁性隔離層14的厚度變化，如圖8所示?？梢钥闯?，較薄的層產(chǎn)生較高的磁致電阻;然而，傳感器的工作是基于具 有兩個基本上不耦合的鐵磋性層的。所以，如果隔離層14的厚度太小，便不可能換向鐵磁性層12、16之一而不同時換向另一層。對于在室溫附近陰極真空噴鍍的膜，為達(dá)到這一目的的最小隔離距離大約為16A。當(dāng)隔離層的厚度大約在80到100埃（ ）范圍內(nèi)時，所產(chǎn)生的磁致電阻基本上與AMR所產(chǎn)生的相同。由于這些原因，隔離層14的厚度最好在大約16 至大約40 的范圍內(nèi)。

為了生產(chǎn)圖4中的示的傳感器結(jié)構(gòu)，各層如上面所述的那樣涂覆，然后再涂覆反鐵磁性層18。反磁鐵層18的厚度必須選擇為屏蔽溫度足夠高于器件的工作溫度（典型地大約為50℃）。對于Fe50Mn50，90 以上的厚度是適宜的。然而，太大的厚度（150 以上）將由于通過結(jié)構(gòu)的這一部分的電流的支路而導(dǎo)致MR特性的降低。這一層所產(chǎn)生的交換場的正確方向可以以在涂覆過程中在要求的方向上作用一個磁場（垂直于第一鐵磁性層12的易磁化軸的方向）來獲得，或者在涂覆以后在一個垂直于第一鐵磁性層12的易磁化軸作用的磁場中將該結(jié)構(gòu)迅速加熱到屏蔽溫度以上并迅速冷卻到室溫來獲得。在所有情況中，該傳感器所要檢測的場是沿第一鐵磁性層12的難磁化軸的。以同樣的方法可以生產(chǎn)一個反向的結(jié)構(gòu)，其中首先涂覆層18，隨著涂覆層16、14與12。

現(xiàn)已描述了一種線性的，以零場為中心的，具有高靈敏度的，并且能夠產(chǎn)生比使用AMR原理的先有技術(shù)傳感器所產(chǎn)生的高得多的磁致電阻的傳感器。有可能經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)選擇生產(chǎn)一種傳感器， 這具有等于上述SV磁致電阻與作為先有技術(shù)的MR傳感器的基礎(chǔ)的AMR反應(yīng)之和的反應(yīng)。

圖9示出SV磁致電阻的曲線圖，它隨由兩個鐵磁性層12、16產(chǎn)生的磁化M1與M2之間的夾角的余弦變化，并且這一值是與電流I的方向無關(guān)的。同時示出的是一條AMR曲線，其中的一個電阻分量隨磁化與電流I的方向之間的夾角的余弦的平方變化。磁化M2的位置是固定的，而磁化M1在零作用場中則是基本上垂直于M2朝向的。作用場有兩個正交的分量Ha與Hb。Ha對應(yīng)于要檢測的勵磁場，而Hb是一個靜態(tài)偏磁場。圖9中的曲線以25Oe的Hb值為基礎(chǔ)，Ha的值標(biāo)在圖上。AMR的曲線是基于相對于圖9上部的圖中所示的電流I的方向的兩個鐵磁性層的朝向的。實(shí)際MR器件的最佳效應(yīng)是將電流I的方向?qū)?zhǔn)在M1與M2之間的夾角的分角線基本上成90°的方向上，來將SV與AMR這兩個效應(yīng)相加?？偺匦源笥赟V值并且斜率較高。

在選擇相對于鐵磁性層的磁化的感測電流的方向時必須小心。圖10中的曲線示出SV與AMR效應(yīng)的不適當(dāng)組合也會降低磁致電阻的輻值。在這一情況中，磁化的朝向如圖10上部的圖中所示。在這一情況中，組合特性小于SV值并且斜率較低。圖11示出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，它們展示以特殊方式組合的SV與AMR效應(yīng)，所得到的是最大與最小的總MR反應(yīng)。

雖然已參照其一個較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了具體的展示與描 述，精于此者應(yīng)能理解可以在不脫離本發(fā)明的精神與范圍下在其中作出形式上與細(xì)節(jié)上的各種其它變化。