[发明专利]薄膜磁传感器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜磁传感器及其制造方法，更具体而言，本发明涉及这样的薄膜磁传感器及其制造方法，所述薄膜磁传感器适用于：检测汽车车轴、旋转编码器、工业用齿轮等的旋转信息；检测液压缸/气压缸的行程位置(stroke position)、机床滑轨等的位置-速度信息；检测工业用焊接机器人的电弧电流等的电流信息、地磁方位罗盘等。

背景技术

磁传感器是一种电子器件，其用于通过磁场将诸如电磁力(例如，电流、电压、电力、磁场或磁通量)、力学量(例如，位置、速度、加速度、位移、距离、张力、压力、扭矩、温度或湿度)或生物化学量等检测量转化为电压。根据检测磁场方法的不同，磁传感器分为霍尔传感器、各向异性磁阻传感器(本文也可以称为AMR传感器)、巨磁阻传感器(本文也可称为GMR传感器)等。

在这些传感器中，GMR传感器具有如下优点：

(1)与AMR传感器相比，GMR传感器的电阻率的变化率(即，MR比值＝Δρ/ρ₀(Δρ＝ρ_H-ρ₀，其中ρ_H为外部磁场为H时的电阻率，ρ₀为外部磁场为0时的电阻率))的最大值极大。

(2)与霍尔传感器相比，GMR传感器的电阻率值的温度变化较小；以及

(3)GMR传感器适于微型化，这是因为具有巨磁阻效应(下文中也可称为GMR效应)的材料作为薄膜材料。因此，预期可将GMR传感器用作电脑、电力设备、汽车、家电设备、便携式设备等中使用的高灵敏度微型磁传感器。

已知表现出GMR效应的材料包括：由具有铁磁层(例如，坡莫合金层)和非磁性层(例如，Cu层、Ag层或Au层)的多层膜构成的人工金属晶格，或者由具有四层结构(所谓的“自旋阀”)的多层膜构成的人工金属晶格，所述四层结构包括反铁磁层、铁磁层(固定层)、非磁性层和铁磁层(自由层)；金属-金属类纳米颗粒材料，这种材料包含由铁磁金属(例如，坡莫合金)构成的纳米尺寸微粒以及由非磁性金属(例如，Cu、Ag或Au)构成的晶界相；隧道结薄膜，其通过自旋相关隧道效应而形成MR效应(磁阻效应)；以及金属-绝缘体类纳米颗粒材料，其包含由铁磁性金属合金构成的纳米尺寸微粒以及由非磁性绝缘材料构成的晶界相。

在这些材料中，以自旋阀为代表的多层膜通常具有这样的特点，即它们在低磁场中具有高灵敏度。然而，多层膜的稳定性较差且产率较低，并且由于需要以较高的精度将由多种材料构成的薄膜层压在一起，因此对制造成本的控制受到限制。所以，这种类型的多层膜仅被用于具有高附加值的器件(例如，用于硬盘的磁头)，并且认为难以将这种多层膜用于需要与单价较低的AMR传感器或霍尔传感器进行价格竞争的磁传感器。另外，由于多层膜的各层之间容易发生扩散，并且GMR效应易于消失，因此这种多层膜存在耐热性差的严重缺陷。

另一方面，纳米颗粒材料通常易于制造，并且具有良好的再现性。因此，在将纳米颗粒材料应用于磁传感器时，可降低磁传感器的成本。特别是，金属-绝缘体类纳米颗粒材料具有如下优点：

(1)在室温下，当金属-绝缘体类纳米颗粒材料的组成经过优化时，其显示出超过10％的高MR比值；

(2)金属-绝缘体类纳米颗粒材料具有突出的高电阻率ρ，因此可同时实现磁传感器的微型化和低耗电量；以及

(3)与含有耐热性较差的反铁磁薄膜的自旋阀薄膜不同，金属-绝缘体类纳米颗粒材料即使在高温环境中也可使用。然而，金属-绝缘体类纳米颗粒材料存在这样的问题，即其磁场灵敏度在低磁场中极低。因此，在这种情况中，在巨磁阻薄膜(下文中也可称为GMR薄膜)的两端设置由软磁性材料构成的磁轭，以增加GMR薄膜的磁场灵敏度。

迄今为止，有各种提案已经提出了其中在GMR薄膜的两端设置由软磁性材料构成的磁轭的薄膜磁传感器、及其制造方法。

例如，专利文献JP-A-2004-363157披露了一种制造薄膜磁传感器的方法，该方法包括：(1)在基底的表面上形成凸起；(2)在凸起的两端形成薄膜磁轭；以及(3)在凸起的前端面以及与之相邻的薄膜磁轭的表面上形成GMR膜。该文献中记载了如下内容：借助于该方法，(a)可在间隙的整个长度方向上形成厚度均匀的GMR膜；以及(b)薄膜磁传感器的电特性和磁特性得以稳定。

另外，专利文献JP-A-2006-351563披露了一种薄膜磁传感器，其中在GMR膜和基底之间形成有阻隔层。