[发明专利]磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列

说明书

技术领域

本发明属于磁敏传感器制造领域。具体本发明涉及磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列。

背景技术

基于磁电阻效应(Magnetoresistance，MR)的磁敏传感器主要通过以下几种物理原理实现：(1)利用材料，特别是半导体材料的霍尔(Hall)磁电阻，(2)利用磁性材料的各向异性磁电阻(AnisotropyMagnetoresistance,AMR)效应，(3)以及利用近几年新兴发展起来的巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance，GMR)和隧穿磁电阻效应(TunnelMagnetoresistance，TMR)等。其中基于磁性金属自旋阀和磁性隧道结的巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应的磁敏传感器具有磁电阻效应显著、灵敏度高、探测范围宽、抗辐射、稳定性好和加工集成度高的优点。

在现有技术中，三维(X,Y,Z)磁敏传感器通常由三个独立的磁敏传感单元构成，每个磁敏传感单元只能探测一个维度方向的磁场，其对每个传感器的一致性要求很高。这种将具有不同探测敏感方向的磁敏传感单元组合在一起实现三维磁敏探测的方法加工复杂、集成度低，成本较高，得到的三维传感器体积大、集成度差、稳定性和重复性差，而且制成的三维磁敏传感器的稳定性和一致性也较难得到保证。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中进行三维磁场测量需采用多个磁敏传感器的不足，提供一种通过改进结构，可实现通过一个传感器结构即可测量三维空间内各个方向的磁场强度的测量。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种纳米磁性薄膜结构，依次包括：第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝缘层和第三磁性层；

所述第一磁性层和第三磁性层具有自发面内磁各向异性，同时所述第一磁性层和所述第三磁性层的易磁化方向相互正交；

所述第二磁性层具有自发垂直磁各向异性，同时，所述第二磁性层可根据施加于其上的电压的变化实现易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变；

所述第一磁性层具有面内磁化矫顽力Hc1^∥，第二磁性层具有垂直磁化矫顽力Hc2^⊥；第三磁性层具有面内磁化矫顽力Hc3^∥；所述第二磁性层易磁化方向转为面内时具有面内磁化矫顽力Hc2^∥；其满足关系：Hc1^∥>Hc2^⊥>Hc3^∥>Hc2^∥。

进一步的，当第二磁性层易磁化方向在电压调控下处于面内时，其面内易磁化轴由薄膜的形状各向异性控制。

进一步的，所述第二磁性层俯视截面长轴与短轴的比值r>1；所述长轴的方向与所述第一磁性层的易磁化方向相同。这样，当所述第二磁性层受到反向电压时(该反向电压施加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该电源正极实现)，所述第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面变为沿薄膜面内长轴方向。

进一步的，所述第二磁性层俯视截面形状为矩形或椭圆形；所述矩形或椭圆形的长轴方向与所述第一磁性层的易磁化方向相同。

进一步的，所述第一磁性层和所述第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构，所述第一磁性层和第三磁性层的面内易磁化方向为生长时施加诱导磁场和/或生长完毕后在诱导磁场下退火的方式控制实现。

进一步的，所述第一磁性层、第三磁性层为单一铁磁层构成，或，

所述第一磁性层、第三磁性层为铁磁层(FM)、反铁磁层(AFM)和非磁层(NM)构成的直接钉扎结构、间接钉扎结构或人工反铁磁复合结构；

所述直接钉扎是指反铁磁层直接和铁磁层接触FM/AFM；所述的间接钉扎是指在反铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层FM/NM/AFM或者插入复合层FM/NM/FM/AFM；所述的人工反铁磁复合结构是指FM/NM/FM。

优选的，所述反铁磁材料为PtMn、IrMn、FeMn、NiMn、或者具有反铁磁性的氧化物；所述具有反铁磁性氧化物为CoO、NiO、Cr₂O₃、BiFeO₃或者BiFe_xCo_1-xO₃；

所述反铁磁材料的厚度为3～30nm；

所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为2～50nm。