[发明专利]一种低磁场磁电阻角度传感器

权利要求书

1.一种低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，包括：

位于X-Y平面上的衬底；

位于所述衬底上的磁阻传感单元，所述磁阻传感单元包括多层薄膜结构，所述多层薄膜结构至少包括堆叠的自由层、势垒层和参考层，所述磁阻传感单元为椭圆形，且所述自由层为长轴Ly、短轴Lx和厚度Lz的椭圆形，所述自由层具有饱和磁场、形状各向异性退磁场和X方向的磁晶各向异性场，外磁场在所述X-Y平面内发生0-360°旋转，则所述X方向的磁晶各向异性场被所述形状各向异性退磁场补偿使所述自由层的有效各向异性场接近为0，使得所述外磁场具有接近所述自由层的饱和磁场的低工作磁场值；

所述磁阻传感单元包括推磁电阻传感单元和挽磁电阻传感单元，所述推磁电阻传感单元的自由层和所述挽磁电阻传感单元的自由层具有正反X方向的Neel耦合磁场，所述推磁电阻传感单元和所述挽磁电阻传感单元的Neel耦合磁场分别被所对应自由层的磁晶各向异性场和形状各向异性退磁场所补偿；

所述形状各向异性退磁场是指磁形状各向异性的磁场；磁晶各向异性能和磁形状各向异性能的方向相反，磁晶各向异性场Hk表示为式：Hk＝2K1/M；其中，M表示矢量磁矩，K1表示磁晶各向异性常数；形状各向异性退磁场Hd表示为式：Hd＝M·(Nx-Ny)；其中，M表示矢量磁矩，Nx表示X方向形状各向异性因子，Ny表示Y方向形状各向异性因子；则Hd和Hk互相补偿的条件为式：Hd＝M·(Nx-Ny)＝Hk。

2.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，多个所述推磁电阻传感单元电连接构成推磁电阻传感单元串，多个所述挽磁电阻传感单元电连接构成挽磁电阻传感单元串，所述推磁电阻传感单元串和所述挽磁电阻传感单元串连接构成全桥结构或者半桥结构的推挽式磁电阻角度传感器。

3.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，所述自由层的形状各向异性退磁场由形状各向异性因子(Nx,Ny)决定，所述自由层的磁晶各向异性场由磁晶各向异性常数K1决定；

其中，Nx＝Ny+K1/M_s²，M_s为所述自由层的饱和磁矩，Nx表示X方向形状各向异性因子，Ny表示Y方向形状各向异性因子。

4.根据权利要求1或2所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，所述自由层的形状各向异性退磁场由形状各向异性因子(Nx,Ny)决定，所述自由层的磁晶各向异性场由磁晶各向异性常数K1决定；

对于所述推磁电阻传感单元，Nx＝Ny+K1/M_s²+2*H_N/M_s，对于所述挽磁电阻传感单元，Nx＝Ny+K1/M_s²-2*H_N/M_s，

其中，M_s为所述自由层的饱和磁矩，Nx表示X方向形状各向异性因子，Ny表示Y方向形状各向异性因子，H_N表示所述自由层的Neel耦合磁场。

5.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，沿所述衬底指向所述磁阻传感单元的方向，所述多层薄膜结构包括种子层、所述自由层、所述势垒层、所述参考层、金属层、钉扎层、反铁磁层和绝缘层。

6.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，沿所述衬底指向所述磁阻传感单元的方向，所述多层薄膜结构包括种子层、反铁磁层、钉扎层、金属层、所述参考层、所述势垒层、所述自由层和绝缘层，其中，所述参考层采用偏轴离子铣进行平整。

7.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，所述参考层为双层复合结构或者SAF多层复合结构。

8.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，所述势垒层为由钌或铜形成的导电层，或者，所述势垒层为由三氧化二铝或氧化镁形成的绝缘层，所述自由层为包含镍铁、钴铁硼和钴铁中两种或两种以上合金构成的多层薄膜。

9.根据权利要求1所述的低磁场磁电阻角度传感器，其特征在于，所述磁晶各向异性场小于20Oe；

短轴和长轴的比率Lx/Ly的范围为0.5Lx/Ly0.95，厚度Lz的范围为5nmLz200nm，短轴Lx的范围为0.5μmLx50μm；

所述形状各向异性退磁场和所述磁晶各向异性场的取向角相差90°。