基于人工铁磁自由层的高灵敏TMR多层膜及磁传感器

本发明涉及磁传感器，尤其涉及一种基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜及磁传感器。

背景技术：

1、隧道磁电阻（tunneling magneto resistance, tmr）传感器是一种利用与自旋电子相关的隧穿磁电阻效应敏感外磁场的新一代磁传感器，它以铁磁层/绝缘层/铁磁层这种“三明治”结构的磁隧道结（magnetic tunnel junction, mtj）作为敏感单元，具备高灵敏、低功耗、小型化和宽频响等显著优势，在工业制造、消费电子、生物磁检测、地质勘探等多个应用场景展现出巨大应用潜力。近年来，随着生物磁信号检测、地磁导航、磁异常识别等pt级弱磁场探测需求的日益增长，对tmr传感器的灵敏度和分辨力等指标提出了更高要求。因此，亟需发展面向微弱磁场探测的高灵敏tmr磁传感技术以满足应用需求。

2、理论上，提升tmr多层膜材料体系的tmr比值能够有效提升tmr传感器灵敏度，但受限于磁隧道结敏感单元在线性化、阻抗匹配、热稳定性、低功耗和低噪声等方面的限制，多层膜材料体系优化对磁性隧道结tmr值的提升效果并不显著。其次，可以通过外加磁通聚集器的方式实现灵敏度的大幅提升，但更高磁场放大倍数的磁通聚集器往往尺寸也更大，牺牲了tmr传感器作为芯片级传感器小型化的优势，不利于加工和集成。此外，还可以通过增大自由层中软磁材料厚度实现软磁性能优化以提升tmr传感器灵敏度，但更厚软磁材料带来的厚自由层会产生更大的垂直各向异性并呈现出更明显的多畴态，导致矫顽力的增大和磁畴结构的恶化，影响灵敏度和线性度等关键指标。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种在保持tmr传感器小型化优势的同时提升灵敏度指标并优化磁畴结构、抑制畴壁噪声的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜及磁传感器。

2、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，包括基底和基底上层叠布置的种子层、三明治结构体、钉扎层和盖帽层，所述三明治结构体位于种子层和钉扎层之间或位于所述盖帽层和钉扎层之间；所述三明治结构体包括层叠布置的人工铁磁自由层、绝缘势垒层、参考层，所述绝缘势垒层位于人工铁磁自由层和参考层之间，所述参考层靠近钉扎层一侧布置；所述人工铁磁自由层包括依次层叠布置的自由铁磁层、第一非磁性金属层和复合软磁层，所述自由铁磁层靠近绝缘势垒层一侧布置，所述复合软磁层远离绝缘势垒层一侧布置；所述复合软磁层包括多个层叠布置的第一软磁材料层，相邻第一软磁材料层之间插设有非磁性金属插层，使相邻第一软磁材料层之间形成层间交换耦合，其中耦合强度可以通过非磁性金属插层的材料种类、插层厚度和插层数量等参数调控。

4、作为对上述技术方案的进一步改进：

5、所述第一软磁材料层采用软磁材料制成，非磁性金属插层采用非磁性金属材料制成；

6、所述第一软磁材料层的厚度为10-30nm，所述非磁性金属插层的厚度为1-3nm。

7、所述参考层包括依次层叠布置的参考铁磁层、第二非磁性金属层和第二铁磁材料层，所述参考铁磁层和第二铁磁材料层形成反铁磁耦合使参考铁磁层被钉扎。

8、所述参考铁磁层和第二铁磁材料层分别采用铁磁材料制成，所述第二非磁性金属层采用非磁性材料制成；

9、所述参考铁磁层的厚度为1-3nm，所述第二铁磁材料层的厚度为1-3nm，所述第二非磁性金属层的厚度为0.5-1nm。

10、所述绝缘势垒层采用金属氧化物材料制成，所述绝缘势垒层的厚度为1-3nm。

11、所述自由铁磁层采用铁磁材料制成，所述第一非磁性金属层采用非磁性金属材料制成；

12、所述自由铁磁层的厚度为1-3nm，所述第一非磁性金属层的厚度为1-3nm。

13、所述钉扎层采用反铁磁材料制成，所述钉扎层的厚度为15-30nm。

14、所述基底采用硅制成且表面覆盖有二氧化硅氧化层。

15、一种磁隧道结器件，所述磁隧道结器件为由前述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜通过微纳加工工艺制备得到。所述微纳加工工艺为光刻刻蚀等常规技术手段。

16、一种传感器，包括传感器本体和设于传感器本体中的传感器隧道结，所述传感器隧道结为前述的磁隧道结器件。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、本发明的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，人工铁磁自由层、绝缘势垒层和参考层共同构成产生隧穿磁电阻效应的三明治体结构体，人工铁磁自由层的复合软磁层包括多个层叠布置的第一软磁材料层，相邻第一软磁材料层之间插设有非磁性金属插层，由此形成插层结构的复合软磁层，能够在增厚第一软磁材料层优化人工铁磁自由层软磁性能、提升磁导率的同时，降低人工铁磁自由层矫顽力，改善磁畴结构，抑制畴壁噪声，从而进一步优化tmr多层膜的灵敏度指标，不需要外加磁通聚集器提高灵敏度。

19、本发明的基于人工铁磁自由层的磁性隧道结器件和传感器，包括基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，具有基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜的优点。

1.一种基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：所述参考层（33）包括依次层叠布置的参考铁磁层（331）、第二非磁性金属层（332）和第二铁磁材料层（333），所述参考铁磁层（331）和第二铁磁材料层（333）形成反铁磁耦合使参考铁磁层（331）被钉扎。

4.根据权利要求3所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：所述参考铁磁层（331）和第二铁磁材料层（333）分别采用铁磁材料制成，所述第二非磁性金属层（332）采用非磁性材料制成；

5.根据权利要求1所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：所述绝缘势垒层（32）采用金属氧化物材料制成，所述绝缘势垒层（32）的厚度为1-3nm。

6.根据权利要求1所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜，其特征在于：所述钉扎层（4）采用反铁磁材料制成，所述钉扎层（4）的厚度为15-30nm。

8.一种磁隧道结器件，其特征在于：所述磁隧道结器件为由根据权利要求1至7中任一项所述的基于人工铁磁自由层的高灵敏tmr多层膜通过微纳加工工艺制备得到。

9.一种传感器，包括传感器本体和设于传感器本体中的传感器隧道结，其特征在于：所述传感器隧道结为根据权利要求8所述的磁隧道结器件。