[发明专利]一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件

说明书

技术领域：

本发明提供了一种使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件。磁隧道结磁电阻材料由极薄的、纳米量级厚度的绝缘体层分隔开的两层铁磁性层组成，或在其中一层铁磁性层上再加上一层反铁磁性层作为钉扎层组成，磁隧道结材料亦称为自旋相关隧道结材料。

背景技术：

微弱磁场(在本发明中指磁场小于100微特斯拉)检测是磁测量中的重要方面之一，在国民经济中有着广泛的应用，如信息工业中磁记录读出头，航海中地磁方位的测量，飞行器上磁场方位的测量，石油勘探中的地磁大小和方位的测量，工业生产中漏磁、剩磁的测量，冶金、航空工业中产品质量的无损检测，弱磁防伪技术中的应用等，现有的技术中主要采用各向异性磁电阻材料，如NiFe、NiCo等金属薄膜材料，自从1988年以来，随着研究工作的深入，各种新型磁电阻材料不断涌现，象金属多层膜巨磁电阻材料，自旋阀磁电阻材料，颗粒膜巨磁电阻材料，磁隧道结磁电阻材料等都有各自的特点。

    与其它材料相比，磁隧道结磁电阻材料的主要特点有：

1.适合于低磁场下工作。饱和磁场仅几个奥斯特(Oe)到几十个奥斯特

  (Oe)。

2.磁场灵敏度高。由于在外磁场作用下磁隧道结的磁电阻变化接近陡

  峭的台阶形式，其磁场灵敏度高达2％-8％/Oe，甚至更高，比现在普

  遍使用的各向异性磁电阻材料高一个量级以上。

3.热稳定性提高。经过热处理的磁隧道结磁电阻器件工作温度可达

  125℃以上。

4.磁噪声小。磁隧道结磁电阻器件磁矩转动的一致性，不同于现在普

  遍使用的各向异性磁电阻材料，因而其巴克豪森磁噪声显著降低。

5.响应时间快。响应时间在亚纳秒量级。这些特点为磁隧道结磁电阻材料在弱磁检测方面的应用提供了基础。

使用磁隧道结磁电阻材料的三维微弱磁场检测器件的工作原理见图1。

在与上下两层铁磁层磁矩耦合方向相反方向或其它不同于原耦合方向上施加一外磁场H，隧道结磁电阻变化率TMR(％)＝[R(H)-R(0)]/R(0)随外磁场H的增加而变化的曲线见图1，R(H)是施加外磁场时磁隧道结的电阻，R(0)是没有外磁场时磁隧道结的电阻。在外磁场较小时，外磁场不能改变两层铁磁层中的磁矩的方向，TMR＝0，当外磁场进一步增加到H₀时，矫顽力较小的铁磁层(如图1中的下层)率先开始改变磁矩方向而使隧道结磁电阻有一个接近台阶式的变化，在外磁场达到H_s时，矫顽力较小的铁磁层的磁矩完全转向外磁场方向，磁电阻达到饱和。本发明的三维微弱磁场检测器件就是利用外磁场在H₀到H_s这段隧道结磁电阻剧变过程时所形成的高磁场灵敏度来完成对微弱磁场的检测；工作点就选择在隧道结磁电阻变化的中点，这时就需要施加一偏置磁场，其大小为H_bias，在本发明中，偏置磁场H_bias是由导电薄膜条中的电流大小来控制的。这样设置偏置磁场的优点在于：1)工作点选在最灵敏的区间，2)偏置磁场的大小可由导电薄膜条的电流大小方便的调节，3)器件的敏感方向由偏置磁场的方向决定，且只对该方向的磁场分量敏感，大大地提高了磁场方向的敏感性。用于复位功能的导电薄膜条是为了使磁矩排列到原耦合方向，同时可以防止退磁效应，保证器件的长期正常工作。

发明内容：

本发明的三维微弱磁场检测器件(图12)是由三维交叉放置的三组相同的磁隧道结磁电阻芯片(15)组成，各芯片的磁场敏感方向相互垂直。其磁隧道结磁电阻芯片(15)是由基片(1)和在其上生成的产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)以及磁隧道结磁电阻感应部分(14)构成。

上述基片(1)可以是高分子材料，也可以是玻璃、二氧化硅等非晶态材料，也可以是氧化物材料，也可以是氮化物材料，也可以是半导体材料。

上述磁隧道结磁电阻芯片(15)中产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)和产生复位功能的导电薄膜条部分(13)是由在上述基片(1)上按导电薄膜层(2)和绝缘体层(3)顺序生成的双层膜组成的，具有交叉条形的电流载体部分。其中一条导电薄膜条用于产生偏置磁场，另一条导电薄膜条用于产生复位功能，并使产生复位功能的导电薄膜条部分(13)的长条方向垂直于磁电阻感应部分的上下铁磁层间的耦合方向，产生偏置磁场的导电薄膜条部分(12)的长条方向垂直于磁场敏感方向。