[发明专利]自旋转矩振荡器、传感器、磁场感测系统及盘驱动器

说明书

技术领域

本发明总地涉及一种自旋转矩振荡器（spin-torque oscillator:STO），更具体地，涉及使用STO传感器的磁场传感器及感测系统。

背景技术

在磁记录盘驱动器中用作读头的一种常规磁阻（MR）传感器是基于巨磁阻（GMR）效应的“自旋阀”传感器。GMR自旋阀传感器具有叠层，该叠层包括通过非磁导电间隔层分隔的两个铁磁层，该非磁导电间隔层基本为铜（Cu）。邻近间隔层的一个铁磁层磁化方向固定，诸如通过与相邻反铁磁层的交换耦合而被钉扎，并被称作参考层。邻近间隔层的另一个铁磁层其磁化方向在外部磁场存在时自由旋转，并被称作自由层。当感测电流施加到传感器时，由于外部磁场的存在，诸如来自盘上的被记录的磁位，自由层磁化相对于参考层磁化的旋转可被检测为电阻的变化。如果感测电流被引导为垂直通过传感器堆叠中的层的平面，则该传感器被称作电流垂直于平面（CPP）传感器。

除了CPP-GMR读头之外，另一类型的CPP传感器是磁隧道结传感器，也被称作隧穿MR或TMR传感器，其中非磁间隔层为非常薄的非磁隧道势垒层。在CPP-TMR传感器中，垂直穿过多个层的隧穿电流取决于两个铁磁层中的磁化的相对取向。在CPP-GMR读头中，非磁间隔层由导电材料形成，基本为金属诸如Cu或Ag。在CPP-TMR读头中，非磁间隔层由绝缘材料形成，诸如TiO₂、MgO或Al₂O₃。

在CPP MR传感器中，期望在高的偏置或感测电流密度来操作传感器以最大化信号和信噪比（SNR）。然而，已知地，CPP MR传感器容易受到电流引发的噪声和不稳定性影响。自旋极化的偏置电流垂直流过铁磁层并对局域磁化产生自旋转矩（ST）效应。这会产生磁化的波动，如果感测电流大，导致显著的低频磁噪声。

基于CPP-GMR或CPP-TMR传感器结构的另一种可选传感器，被称作自旋转矩振荡器（STO）传感器，被设计为使得自旋转矩效应产生磁化的持续的进动。当高于I_c（称作临界电流）的固定直流引导通过STO传感器时，自由层的磁化由于ST效应而进动或振荡。在适当设计的结构中，该进动的频率（振荡频率）随着外部磁场的施加而偏移，这些频率偏移能够用于检测外部磁场的变化。因此，已经提出STO传感器用作磁记录盘驱动器中的读头以代替常规的CPP-GMR和CPP-TMR读头，如例如在转让给与本申请相同受让人的US 20100328799A1中以及US 20090201614A1中所述。

基于CPP-GMR传感器的STO传感器由于在参考层与自由层之间的非磁导电间隔层而能够在非常高的电流密度操作，但是由于其低的磁阻（ΔR/R）而具有非常小的输出信号。基于CPP-TMR传感器的STO传感器具有显著较高的磁阻，但是在高电流密度下易受隧道势垒的电介质击穿的影响。

需要一种STO用于像磁场检测系统的系统中，其具有高的输出信号而不易受隧道势垒的电介质击穿影响。

发明内容

本发明是具有单个自由层的自旋转矩振荡器（STO），该单个自由层与非磁导电间隔层形成GMR结构的一部分并与隧道势垒层形成TMR结构的一部分。STO具有连接到电路的三个电端子，该电路提供经过导电间隔层的自旋转矩激励电流以及经过隧道势垒层的较小的感测电流。STO具有用作混频器、收音机、手机和雷达（包括汽车雷达）中的振荡器、以及用作微波辅助磁记录（MAMR）中的振荡器的应用。

在一个具体的应用中，STO是磁场传感器，诸如电流垂直于平面（CPP）盘驱动器读头。在该应用中，STO具有单个自由铁磁层，该自由铁磁层具有在要被感测的外部磁场（诸如，盘上的磁化“位”或区域）存在时基本上自由振荡的平面内磁化。该自由层与隧道势垒层和具有固定的平面内磁化的第一参考层形成TMR结构的一部分，并与非磁导电间隔层和具有固定的平面内磁化的第二参考层形成GMR结构的一部分。STO传感器具有用于连接到电路的三个电接触或端子。第一端子电耦接到第一参考层，第二端子电耦接到第二参考层，第三端子电耦接到导电间隔层或自由层。连接到STO端子的电路包括激励电流源和感测电流源。激励电流大于用于GMR结构的临界电流，并足够高以提供足够的电流密度以引起自由层的磁化在外部磁场不存在时在固定的基频振荡。感测电流小于用于TMR结构的临界电流。耦接到感测电流的检测器响应于来自盘的磁化区域的外部磁场检测自由层磁化振荡频率从基频的偏移。

为了更全面地理解本发明的本质和优点，应当参照以下与附图一起的详细描述。