[发明专利]薄膜磁传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜磁传感器。更具体地，本发明涉及一种适于检测如汽车车轴、旋转编码器和工业齿轮等的转动信息；适于检测如液压缸/气压缸的冲程位置、机床的滑块等的位置信息和速度信息；适于检测如工业焊接机器人的电弧电流等的电流信息；并且适于几何方向罗盘(geometric direction compass)的薄膜磁传感器。 

背景技术

磁传感器是一种用于借助于磁场将如电流、电压、电功率、磁场或磁通量等电磁力的检测量；如位置、速度、加速度、位移、距离、张力、压力、扭矩、温度或湿度等力学量的检测量；以及生物化学量的检测量转化成电压的电子器件。取决于对磁场的检测方法，将磁传感器分类为霍尔传感器、各向异性磁电阻(Anisotropic Magneto-Resistance，AMR)传感器、巨磁电阻(Giant Magneto-Resistance，GMR)传感器等。 

在上述磁传感器中，GMR传感器的优点在于： 

(1)与AMR传感器相比，GMR传感器的比电阻(specificelectric resistivity)的变化率，即MR比(MR比＝Δρ/ρ₀，(Δρ＝ρ_H-ρ₀)，其中，ρ_H是在外部磁场H的情况下的比电阻，ρ₀是在外部磁场为零的情况下的比电阻)具有非常大的最大值。 

(2)与霍尔传感器相比，GMR传感器的电阻值的温度变化小；以及 

(3)由于具有巨磁电阻效应的材料是薄膜材料，因此，GMR传感器适于微型化。因此，希望将GMR传感器应用于在计算 机、电功率设备、汽车、家用设备和便携式设备等中使用的高灵敏度的微磁传感器。 

已知显示出GMR效应的材料包括：人工晶格(artificiallattice)，该人工晶格由具有如坡莫合金等铁磁层并且具有如Cu、Ag、Au等非磁性层的多层膜形成，或者由具有反铁磁层、铁磁层(固定层)、非磁性层和铁磁层(自由层)的四层结构(所谓的“自旋阀”)的多层膜形成；金属-金属基纳米颗粒材料，该金属-金属基纳米颗粒材料具有由如坡莫合金等铁磁金属形成的纳米尺寸的微粒并且具有由如Cu、Ag、Au等非磁性金属形成的晶界相(grain boundary phase)；由自旋相关的隧道效应引起MR(磁电阻)效应的隧道结膜；以及金属-绝缘体基纳米颗粒材料，该金属-绝缘体基纳米颗粒材料具有由铁磁金属合金形成的纳米尺寸的微粒并且具有由非磁性的绝缘材料形成的晶界相。 

在上述显示出GMR效应的材料中，由自旋阀典型地代表的多层膜通常具有在低磁场中的高灵敏度的特征。然而，为了制备该多层膜，必须以高精度层叠由各种材料形成的薄膜，结果，稳定性较差并且产量较低，制造成本的降低受到限制。因此，这种多层膜仅被用于如硬盘用的磁头等高附加值的装置，并且认为难以将这种多层膜应用到被迫与具有低单价的AMR传感器或霍尔传感器在价格上竞争的磁传感器。此外，由于在多层膜的各层之间趋于产生扩散，并且GMR效应趋于丧失，因此，该多层膜具有耐热性差的明显缺点。 

另一方面，纳米颗粒材料通常易于制造，并且具有优良的再现性。因此，当将纳米颗粒材料应用到磁传感器时，该纳米颗粒材料能够降低磁传感器的成本。特别地，纳米颗粒材料具有如下优点： 

(1)当使组成最优化时，金属-绝缘体基纳米颗粒材料显示 出在室温下超过10％的高MR比； 

(2)由于金属-绝缘体基纳米颗粒材料的比电阻ρ极高，因此，金属-绝缘体基纳米颗粒材料能够同时实现磁传感器的微型化和降低磁传感器的电功率消耗；以及 

(3)与包括耐热性差的反铁磁膜的自旋阀膜不同，金属-绝缘体基纳米颗粒材料甚至可以在高温环境下使用。 

然而，金属-绝缘体基纳米颗粒材料的问题在于：在低磁场中，磁场的灵敏度很低。 

为了克服上述问题，日本待审专利公报No.H11(1999)-087804说明了如下方案：在巨磁电阻薄膜的两端布置软磁薄膜，从而提高巨磁电阻薄膜的磁场灵敏度。此外，该专利文献还说明了薄膜磁传感器的制造方法，在该方法中，在基板上形成2μm厚度的坡莫合金薄膜(软磁膜)，使用离子束蚀刻设备在坡莫合金薄膜形成宽度为大约9μm的间隙，以及在该间隙层叠具有Co_38.6Y_41.0O_47.4组分的纳米颗粒GMR膜。