[发明专利]测量垂直磁场的传感器及其方法

说明书

本发明提供一种测量垂直磁场的磁传感器，其基本结构为自旋产生层和铁磁金属层。其中，铁磁金属层具有垂直磁化的特性，基于自旋霍耳或Rashba效应自旋轨道矩产生的面内等效磁场可实现磁矩偏置45°，通过检测自旋霍耳或Rashba‑Edelstein磁电阻效应引起的器件电阻变化，可测量垂直磁场或磁场垂直分量。数个磁传感器单元可组成惠斯通电桥结构。该磁传感器可避免复杂磁偏置工艺，同时具有高线性度、高灵敏度和高动态范围特性。

技术领域

本发明提出一种基于磁电阻效应的测量垂直磁场传感器及其测量方法，属于磁场传感器及金属化合物材料领域。

背景技术

伴随磁传感器在现今信息化社会的广泛应用，如航空航天、汽车、工业、消费以及军事等诸多领域，相关磁场探测技术得到了快速发展。现有磁场探测的应用原理包括霍耳效应、各向异性磁电阻等。其中，基于霍耳效应的半导体霍耳器件，因其本身存在灵敏度低、容易受应力和温度影响、响应频率低以及功耗大等缺点，越来越难以适应现代信息技术的发展需求。

在外磁场的作用下，材料的电阻会发生变化，这一效应称为磁电阻效应，利用该效应产生的电阻变化可以感知外磁场。基于磁电阻效应的磁传感器，则具有灵敏度高、体积小、功耗低以及易集成等优点，基于各向异性磁电阻效应的磁传感器已得到更加广泛地应用。

但是，现有基于各向异性磁电阻效应的磁传感器存在以下主要缺陷：第一方面，为了使器件实现高线性、高灵敏度和高动态范围的信号输出，磁电阻传感器在工作时需要电流与铁磁金属磁矩之间的夹角为45°，而磁矩的偏置涉及复杂的工艺或膜层结构。目前，最常用的磁偏置技术是软磁近邻层(SAL)偏置技术和巴贝(Barber)电极偏置技术。SAL偏置是在软磁/绝缘/探测层三层异质结构中实现，其中软磁层的电阻率远大于探测层，探测层中电流产生的奥斯特场会引起软磁层磁矩的偏置，磁矩偏置产生的杂散场反过来导致探测层磁矩的偏置。通过优化各层的厚度以及软磁层和探测层的磁性，可使探测层磁矩与电流之间夹角为45°。软磁层的存在会降低器件灵敏度，同时软磁层杂散磁场引起的偏置磁场存在不均匀的缺点。Barber电极偏置技术是指在铁磁金属层上覆盖条状电极，电极长轴与铁磁层的磁矩夹角为45°，这使相邻长条间电流流动方向与铁磁层磁矩的夹角为45°。因此Barber电极结构需要在磁性薄膜镀制完成的基础上进行Barber电极的光刻制备，需要复杂的工艺以及较高的对准精度，同时边缘也存在不均匀的问题。

第二方面，现有的磁电阻传感器都是基于铁磁金属中各向异性磁电阻效应，由于该效应的幅值较小，导致磁传感器灵敏度较低，这限制了该类传感器的适用范围和进一步发展。

第三方面，主流的磁电阻传感器无法测量垂直磁场(即待测磁场与器件表面垂直)或磁场的垂直分量，在生产中用于测量垂直磁场时，难以对器件的性能进行灵活的调节，这限制了磁电阻传感器件向小型化和高集成度方向发展。

因此，目前迫切需要引入新的方法或原理以制备新型磁传感器，通过简单的器件结构在各个方向上实现高线性度、高灵敏度的信号输出，推动器件的小型化和提高器件的集成度。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述的测量垂直磁场的传感器及其方法，其目的在于解决上述现有技术存在的问题而提出一种新型的磁场探测器，利用自旋霍耳或Rashba效应引起的自旋轨道矩等效磁场和自旋霍耳或Rashba-Edelstein磁电阻效应引起的电阻变化，以实现垂直磁场或磁场垂直分量的测量，从而达到避免复杂磁偏置工艺和具有高线性度、高灵敏度和高动态范围特性的设计目的。

为实现上述设计目的，所述测量垂直磁场的传感器，设计为具有自旋产生层和铁磁金属层的层叠结构；

其中，所述的铁磁金属层具有垂直磁化的特性，铁磁金属的垂直磁各向异性场(H_K)大于其退磁场(H_d)。