[发明专利]磁场传感元件

说明书

技术领域

本发明涉及磁场传感元件。具体而言，本发明涉及利用隧道磁阻现象的磁场传感元件。

背景技术

今天，已经能够获得数不清种类的磁场传感器。它们的区别在于它们所基于的技术，后者也常常取决于应用领域。

最常见的机电磁场传感器建立在感应原理的基础之上。它们利用感应线圈，只能检测随时间变化的磁场。

例如，对于汽车工业应用，已经开发出能够检测和测量磁场的存在、磁场强度和/或磁场变化的磁场传感器。这种传感器使用的主要技术建立在众所周知的霍耳效应和磁阻效应的基础之上。这些技术通常涉及半导体技术。传感元件和电子电路放置在共同的芯片上。主要是用于检测转动的其它技术，采用的是直接接触的铁磁和反铁磁层的交换偏置效应。

对于信息技术(IT)领域的应用，例如读取头、存储技术、磁性随机读取存储器(MRAM)，总的趋势是更加小型化，例如以便提高存储密度。

最近，已经开发出了基于巨磁阻(GMR)效应的硬盘读取头，其中的软、硬磁性层由金属非磁性层分隔开。

此外，因为能够应用于自旋电子器件，例如MRAM和磁传感器，所谓的磁隧道结(MTJ，Magnetic Tunnel Junction)已经引起了人们浓厚的兴趣。通常，MTJ由薄的绝缘势垒层分隔开的两个铁磁金属层组成。绝缘层如此之薄，以至于在绝缘体两边的两个金属电极之间施加偏置电压时，电子能够隧道穿过势垒。在这种MTJ中，隧道电流取决于两个铁磁层的相对磁化方向，这个方向可以用所施加的磁场来改变。这一现象称为隧道磁阻(TMR)。

例如，US 6,219,274中描述了基于TMR效应，以磁场传感器为特征的硬盘读取头。

虽然能够在产业上应用基于纳米尺度效应的这些技术，但是它们需要复杂的薄膜技术，这种技术涉及高成本设计和设备。另外，尽管它们能够确定磁场的存在、范围和方向，但只是在传感元件所在的位置才能做到这些。测量广泛空间区域的磁场需要采用这种类型的多个传感器，或者传感器需要在几个测量位置之间进行机械移动。

US 5,463,516公开了工作于TMR原理的一种磁阻换能器，它包括在软、硬磁性颗粒交替层之间形成的MTJ，这些磁性颗粒排列成绝缘或半导体基体(例如SiO₂、Al₂O₃、C、Si、Ge等)。同样，这种换能器需要复杂、昂贵的薄膜技术，它的功能受限于它的确定性构造，这种确定性构造将纳米颗粒的物理特性与它们的制备条件和传感器构成紧密相关。

发明目的

本发明的目的是提供另一种磁场传感器，它也涉及纳米尺度的固态效应，制造起来更加容易，成本更低。这一目的是通过权利要求1要求保护的磁场传感元件来实现的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种磁场传感元件。包括用绝缘(电介质)聚合物层分隔开的一对电极。在绝缘层中，磁性纳米颗粒排列成网络，在所述电极之间提供电流流动路径。磁性纳米颗粒网络包括至少一个磁隧道结，至少一个磁隧道结包括具有不同矫顽磁性的两个相邻纳米颗粒。

因此，本磁场传感元件利用从两个相邻纳米颗粒在绝缘层内构建的MTJ。当电压施加在电极之间时，电荷载体通过纳米颗粒网络从一个电极输送到另一个。矫顽磁性差使得施加了外磁场时，结中两种纳米颗粒之间磁化角不同，这就使得通过结的隧道磁阻(TMR)发生变化。因此，监视电极之间的电流和/或电压就能够确定传感元件附近磁场的变化。

要注意，可以用本发明的磁场传感器来测量是否存在磁场。还用它来测量磁场的幅度或者区分磁场转动的方向。本传感器基于利用廉价原材料的低成本技术，可以用众所周知的低成本工艺制造，例如丝网、喷墨、胶版、照相凹版、苯胺印刷或压印(下面将对此进行详细介绍)。

这里的磁性纳米颗粒这个术语指的是纳米尺寸范围的颗粒，包括(铁)磁性材料。对颗粒的形状没有任何特别限制，尽管它们通常具有球体形状。关于它们的尺寸，磁性颗粒可能在两个空间尺度上具有小于或等于200纳米的几何尺寸。它们在第三个尺度上的尺寸不受限制(它可能达到几百纳米)，因此，它们可能是纳米球、纳米管、纳米棒或纳米线。

要明白，实际上绝缘层包括大量纳米颗粒，因此在整个绝缘层中包括数量可观的MTJ。这是磁传感器一种完全不同的设计方法，因为本传感元件的灵敏度和性能取决于网络中各种MTJ的统计分布以及它们的有关物理特性；而在常规磁传感器中，存在精确、确定性的MTJ结构。

由于颗粒尺寸和几何形状存在大范围的变化，因此，颗粒浓度也可能在大范围内变化。因此，绝缘聚合物层中颗粒浓度可能在1～60体积百分比的范围之内。