一种具有垂直线性响应的TMR全桥磁传感器

一种具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器
技术领域
1.本发明涉及磁场探测技术领域，具体是涉及一种具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器。


背景技术：

2.磁阻式传感器由于其对磁场的高灵敏度和优异的热稳定性，对外磁场呈现线性而非迟滞的磁阻响应，受到了极大的关注。其中tmr(tunnel magnetoresistance，隧道磁电阻)型磁阻传感器是磁阻式传感器的一种，相比较于amr(anisotropy magnetoresistance，各向异性磁阻)型传感器、gmr(giant magnetoresistance，巨磁电阻)型传感器，其具有更大的电阻变化率、更好的温度特性和线性度等优点，近年来在工业领域中得到广泛的应用。
3.在智能电网和新能源汽车工业中，用于检测电流的磁传感器需要大的动态磁场范围和高的磁场灵敏度。这就要求我们在设计传感器时，参考层的饱和场应尽量大以满足应用。使用具有垂直各向异性参考层和面内易磁化自由层的磁性隧道结可以实现宽量程、垂直线性响应的特性。此外，在电流传感器的应用中，使用垂直响应的磁场传感器能够降低磁环的气隙尺寸，从而提高软磁环的放大倍数，最终提高传感器的磁场灵敏度，因此制备具有垂直线性响应的tmr磁传感器显得尤为重要。
4.在实际应用中，全桥结构的磁阻传感器可以有效地提高器件的灵敏度和温度稳定性。tmr型传感器由于自身磁阻变化来源于mtj(magnetic tunnel junction，磁性隧道结)中参考层与自由层磁化的相对取向，因此全桥结构的tmr传感器需要实现相邻桥臂上的mtj单元的参考层的磁化方向相反。通常在同一个器件中，一次性制备得到的mtj单元，由于制备工艺相同，桥臂上的mtj单元的参考层的磁化方向都相同，难以实现一次性形成全桥结构。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器，以解决上述现有技术存在的问题，实现垂直线性响应的全桥tmr磁传感器，且制备难度低。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供了一种具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器，包括传感器基片和四组mtj单元组，四组所述mtj单元组桥式连接形成全惠斯通电桥，相邻的两组所述mtj单元组上端通过输入电极连接，相对的两组所述mtj单元组上端通过输出电极连接，各组所述mtj单元组内均设有重金属电流通道，且各所述重金属电流通道均位于所述传感器基片的上表面，所述重金属电流通道用于注入脉冲电流并设定参考层的磁化方向，且位于相邻桥臂上的所述重金属电流通道中脉冲电流的流向相反。
8.优选地，各组所述mtj单元组均包括至少一个mtj对，所述mtj对包括一个所述重金属电流通道和两个安装于所述重金属电流通道上的mtj单元，各组所述mtj对内的所述mtj单元沿所述桥臂的长度方向依次排列并串联连接。
9.优选地，所述mtj单元包括由上至下依次堆叠设置的自由层、隧道层和所述参考层，所述自由层具有面内易磁化特性，所述参考层为具有垂直各向异性的人工合成反磁铁结构，且各所述mtj单元内所述参考层的初始磁矩方向一致。
10.优选地，所述参考层包括由上至下依次堆叠设置的第一铁磁层、非磁层和第二铁磁层，且自然状态下，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层中磁矩方向相反，所述自由层中的磁矩方向垂直于所述第一铁磁层和所述第二铁磁层中的磁矩方向。
11.优选地，所述重金属电流通道为弯折状，且所述重金属电流通道为在所述传感器基片上沉积形成。
12.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
13.本发明提供的具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器，四组mtj单元组桥式连接形成全惠斯通电桥，相邻的两组mtj单元组上端通过输入电极连接，相对的两组mtj单元组上端通过输出电极连接，各组mtj单元组内均设有重金属电流通道，且各重金属电流通道均位于传感器基片的上表面，重金属电流通道用于注入脉冲电流并设定参考层的磁化方向，且位于相邻桥臂上的重金属电流通道中脉冲电流的流向相反，在重金属电流通道内有电流通过时，其内部会产生垂直方向的自旋流，该自旋流对mtj单元组的mtj单元内产生自旋轨道力矩效应，同时在外部施加沿桥臂长度方向上的辅助磁场，mtj单元内的参考层能够被重金属电流通道产生的自旋流的自旋轨道力矩所翻转，由于相邻桥臂中用于磁化翻转的电流方向相反，导致相邻桥臂上mtj单元内参考层磁化方向相反，即mtj单元对垂直方向磁场有相反的响应，实现对磁场探测的差分输出。通过电流驱动mtj单元内参考层磁化翻转的方式形成全桥结构，不需要在样品制备的过程中退火处理，精简了实验过程，降低了制备工艺难度，节约了生产成本。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本发明提供的具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器的结构示意图；
16.图2是本发明中mtj对的结构示意图；
17.图3是本发明中mtj单元与重金属电流通道连接时的示意图；
18.图4是本发明中参考层及电流驱动磁化翻转示意图；
19.图5是参考层内磁化方向为
“↑↓”
时的mtj单元在外加垂直磁场作用下电阻与外加磁场场强的关系曲线图；
20.图6是参考层内磁化方向为
“↓↑”
时的mtj单元在外加垂直磁场作用下电阻与外加磁场场强的关系曲线图；
21.图7是整个电桥结构在外加垂直磁场作用下电桥输出电压与外加磁场场强的关系曲线图。
22.图中：100-具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器，1-重金属电流通道，2-mtj对，3-mtj单元，31-自由层，32-隧道层，33-参考层，34-第一铁磁层，35-非磁层，36-第二铁磁
层，4-输入电极，5-输出电极。
具体实施方式
23.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明的目的是提供一种具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器，以解决现有技术中缺少实现全桥结构的垂直线性响应传感器制备方案的技术问题。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.如图1-图7所示，本实施例提供一种具有垂直线性响应的tmr全桥磁传感器100，包括传感器基片和四组mtj单元组，四组mtj单元组桥式连接形成全惠斯通电桥，相邻的两组mtj单元组上端通过输入电极4连接，相对的两组mtj单元组上端通过输出电极5连接，各组mtj单元组内均设有重金属电流通道1，各重金属电流通道1均位于传感器基片的上表面，重金属电流通道1用于注入脉冲电流并设定参考层33的磁化方向，且位于相邻桥臂上的重金属电流通道1中脉冲电流的流向相反，在重金属电流通道1内有电流通过时，其内部会产生垂直方向的自旋流，该自旋流对mtj单元组内的mtj单元3产生自旋轨道力矩效应，同时在外部施加沿桥臂长度方向上的辅助磁场，mtj单元3内的参考层33能够被重金属电流通道1产生的自旋流的自旋轨道力矩所翻转，由于相邻桥臂中用于磁化翻转的电流方向相反，导致相邻桥臂上mtj单元3内参考层33磁化方向相反，即mtj单元3对垂直方向磁场有相反的响应，实现对磁场探测的差分输出。通过电流驱动mtj单元3内参考层33磁化翻转的方式形成全桥结构，不需要在样品制备的过程中退火处理，精简了实验过程，降低了制备工艺难度，节约了生产成本。
27.具体地，各组mtj单元组均包括至少一个mtj对2，且至少一个mtj对2串联作为全惠斯通电桥的一个桥臂，在本实施例中，各组mtj单元组内的mtj对2为一个，但本实施例中各组mtj单元组内的mtj对2的数量不限于一个，本领域技术人员可根据实际需要串联不同数量的mtj对2以调节电阻大小。
28.mtj对2包括一个重金属电流通道1和两个安装于重金属电流通道1上的mtj单元3，各组mtj对2内的mtj单元3沿桥臂的长度方向依次排列并串联连接。
29.如图3所示，图中箭头为磁矩方向，mtj单元3包括由上至下依次堆叠设置的自由层31、隧道层32和参考层33，自由层31为具有面内易磁化特性的铁磁层，参考层33为具有垂直各向异性的人工合成反磁铁结构，且各mtj单元3内参考层33的初始磁矩方向一致。
30.参考层33包括由上至下依次堆叠设置的第一铁磁层34、非磁层35和第二铁磁层36，且自然状态下，第一铁磁层34和第二铁磁层36中磁矩方向相反，且第一铁磁层34和第二铁磁层36通过非磁层35产生强的反铁磁交换耦合，提供较大的反铁磁构型稳定磁场范围，自由层31中的磁矩方向垂直于第一铁磁层34和第二铁磁层36中的磁矩方向。重金属电流通道1能够诱导第二铁磁层36产生垂直各向异性。
31.重金属电流通道1为弯折状，且重金属电流通道1为在传感器基片上沉积形成，且
重金属电流通道1的材料为具有较大自旋霍尔角的重金属材料。每一个重金属电流通道1上对应安装两个mtj单元3，通过规定重金属电流通道1的输入端，使得通过相邻桥臂中mtj单元组的脉冲电流的流向相反。
32.在向重金属电流通道1注入脉冲电流时，由于重金属电流通道1中的自旋霍尔效应，自旋取向相反电子在垂直于电流的第二铁磁层36和重金属电流通道1之间的界面上形成自旋积累(如图4所示，图中hx为外加的辅助磁场，ip为脉冲电流)，自旋流在界面处会被相邻的第二铁磁层36以力矩的形式吸收，再加之外加的辅助磁场打破其对称性，与重金属电流通道1相邻的第二铁磁层36的磁矩会被翻转。因为第一铁磁层34和第二铁磁层36通过非磁层35有很强的反铁磁耦合，第一铁磁层34的磁矩也随之被翻转。并且，由于相邻桥臂中重金属电流通道1中的脉冲电流方向相反，所以经过脉冲电流和辅助磁场的共同作用，导致相邻桥臂中mtj单元3的参考层33磁化构型相反。最终形成了相邻桥臂上的mtj单元3的参考层33磁化方向相反，而对角方向的两个桥臂上的mtj单元3的参考层33磁化方向相同。
33.通过电流驱动磁化翻转设定桥臂上mtj单元3的参考层33磁化方向后，在没有外加磁场时，mtj单元3的自由层31的磁矩方向和参考层33的磁矩方向相互垂直。当施加一外加垂直磁场时，在人工合成反铁磁结构的耦合场范围内，参考层33的磁化构型不会随外加磁场的变化而变化，而自由层31的磁矩方向对外加磁场反应灵敏，其方向会随外加磁场的变化而变化，导致mtj单元3的电阻随外加磁场的变化而变化。
34.mtj单元3的阻值和自由层31的磁矩方向与第一铁磁层34的磁矩方向的相对磁化状态有关。当自由层31的磁矩方向和第一铁磁层34的磁矩方向同向平行时，mtj单元3的电阻最小，当自由层31的磁矩方向和第一铁磁层34的磁矩方向反向平行时，mtj单元3的电阻最大。由于相邻桥臂上的mtj单元3的参考层33磁矩方向相反，在同一垂直外场作用下，相邻两桥臂的mtj单元3会呈现出相反的电阻变化趋势(如图5和图6所示)。整个电桥结构在外加垂直磁场作用下输出电压与外加磁场场强的关系满足如图7所示的曲线(图中的v表示电桥输出电压，hz表示外加垂直磁场的场强)。
35.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。