[发明专利]一种巨磁电阻磁单极开关传感器

说明书

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体为一种巨磁电阻磁单极开关传感器，利用双钉扎结构实现磁单极开关传感器的方法。本发明将存储领域的双钉扎自旋阀结构作为传感单元，利用其双交换偏置的交换偏置场可以较大范围调制的优点，替代现有技术中采用的只能较小范围改变的耦合场，使基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求。

技术领域

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体为一种巨磁电阻磁单极开关传感器，利用双钉扎结构实现磁单极开关传感器的方法。

背景技术

巨磁电阻是一种在磁多层膜中，通过外磁场调制磁性层取向，获得电阻随外磁场变化的效应。一般情况下，当各磁性层磁矩平行时整个体系呈现低电阻，而当磁性层磁矩反平行时整个体系呈现高电阻。

其中自旋阀结构是一种常见的可以获得巨磁电阻效应的结构，其基本结构为铁磁层1(自由层)/隔离层/铁磁层2(固定层)/反铁磁层。在该结构中，在外场作用下铁磁层1的磁矩随外场转动，称为自由层；而铁磁2由于被反铁磁材料钉扎，只有当外磁场大于反铁磁层对铁磁层2的钉扎场时，其磁矩才会转动，因而被称为固定层。

当巨磁电阻自旋阀结构应用于单极开关时，一般采用四端惠斯通电桥形式，为产生单极开关响应，需要将一组对应桥臂的电阻做磁屏蔽，如图1所示，对磁阻单元R2、R3进行磁屏蔽，使其不产生对外场的响应。

另外，为使开关场均为正(单极)，一般采用控制隔离层厚度在1.8-2.5nm之间，使铁磁层1与铁磁层2呈耦合状态，该耦合场使铁磁层1的磁滞回线偏离零场，不相对于零场对称，此时该结构的磁电阻曲线将如图2所示。其中磁单极开关的开、关场Bop和Brp对应的为铁磁层1的翻转场，其值远小于反铁磁层对铁磁层2的交换偏置场，因此铁磁层2的磁矩在开关场作用下不会发生改变。当外加磁场大于Bop时，铁磁层1的磁矩沿外磁场，与铁磁层2磁矩呈现反平行，获得一大电阻对应的开启状态；而当外加磁场小于Brp时，铁磁层1的磁矩发生翻转，与铁磁层2磁矩呈现平行，获得一小电阻对应的关断状态。由于铁磁层1与铁磁层2的耦合场大小随隔离层厚度调控，其变化范围20Oe，因此采用该种方法开关场只能在小磁场范围内调节，造成开关场的可调范围较小。

而随着对高开关场磁传感单元需求的提升，目前的巨磁电阻单极开关的开关场已几乎达到饱和，不能再提高，使其应用受限制。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决现有自旋阀结构磁单极开关传感器的开关场不能满足更大开关场应用需求的问题，本发明提供了一种巨磁电阻磁单极开关传感器，基于双钉扎自旋阀结构，利用交换偏置场可以较大范围调制的优点，替代只能较小范围改变的耦合场，使基于巨磁电阻实现的磁单极开关更加容易设计以及满足更大开关场应用的需求。

一种巨磁电阻磁单极开关传感器，由四个完全一致的传感单元组成惠斯通电桥结构。

所述传感单元为长条形双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜，为从下至上依次沉积的基片/缓冲层/反铁磁层1/铁磁层1/隔离层/铁磁层2/反铁磁层2的双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜；其长短轴比为5：1～15：1，短轴的线宽为1～20μm。

在薄膜沉积过程中沿长条形双钉扎结构磁电阻传感单元薄膜的长轴加上沉积磁场H，沉积磁场方向沿膜面，并且平行于长条形传感单元的长轴方向，大小在50～1000Gs之间。使得铁磁层1/反铁磁层1、铁磁层2/反铁磁层2在薄膜沉积时将分别形成对应的交换偏置场H1、H2，并根据应用需要使铁磁层1的翻转场h1、h2对应于传感器所需开、关场Bop和Brp，铁磁层2/反铁磁层2两层薄膜产生的交换偏置场H2远大于传感器所需开关场(即H2≥10H1)。

进一步的，所述H1、H2的大小通过铁磁层1/2、反铁磁层1/2的材料和厚度选择进行调控。