[发明专利]一种可调量程的多铁异质磁场传感器及量程调节方法

权利要求书

1.一种可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：包括从下至上依次排列的底层金属电极层(1)、自由层(2)、隔离层(3)、钉扎层(4)和顶层金属电极层(5)；

所述自由层(2)为多铁异质多层结构，从下至上依次为铁电层(21)和第一铁磁层(22)；

所述钉扎层(4)为多层结构，从下至上依次为第二铁磁层(41)和反铁磁层(42)；

所述自由层(2)的铁电应力轴方向在水平投影上垂直于钉扎层(4)的磁矩方向。

2.根据权利要求1所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：所述顶层金属电极层(5)为金属导体材料；所述反铁磁层(42)为IrMn合金；所述第二铁磁层(41)为CoFeB或FeNi合金；所述隔离层(3)为Cu、或MgO、或AlO；所述第一铁磁层(22)为CoFeB或FeNi合金；所述铁电层(21)为铁电材料、或压电材料、或多铁材料；所述底层金属电极层(1)为金属导体材料。

3.根据权利要求2所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：所述铁电层(21)的铁电材料为PMN-PT、或PZT、或BaTiO3；所述铁电层(21)的压电材料为AlN；所述铁电层(21)的多铁材料为BiFeO3。

4.根据权利要求3所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：所述顶层金属电极层(5)为Au材料金属结构，或为Cu材料金属结构，或为由Ta/Ru/Ta组成的多层金属结构。

5.根据权利要求3所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：所述底层金属电极层(1)为Au材料金属结构，或为Cu材料金属结构。

6.根据权利要求1至5任一项所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：还包括支撑层(6)，所述支撑层(6)位于底层金属电极层(1)的下方或位于顶层金属电极层(5)的上方。

7.根据权利要求1至5任一项所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：包括第一磁电阻式磁场传感器单元和第二磁电阻式磁场传感器单元，所述第一磁电阻式磁场传感器单元与第二磁电阻式磁场传感器单元共用一个自由层(2)和底层金属电极层(1)；所述第一磁电阻式磁场传感器单元的钉扎层(4)的磁矩方向与所述第二磁电阻式磁场传感器单元的钉扎层(4)的磁矩方向相反；所述第一磁电阻式磁场传感器单元的钉扎层(4)的磁矩方向与所述自由层(2)的铁电应力轴方向在水平投影上垂直；所述第二磁电阻式磁场传感器单元的钉扎层(4)的磁矩方向与所述自由层(2)的铁电应力轴方向在水平投影上垂直。

8.根据权利要求7所述的可调量程的多铁异质磁场传感器，其特征在于：所述第一磁电阻式磁场传感器单元的顶层金属电极层(5)通过引线引出与V_bias电气连接，所述第二磁电阻式磁场传感器单元的顶层金属电极层(5)通过引线引出与GND电气连接，所述自由层的第一铁磁层(22)通过引线引出与V_out电气连接，所述底层金属电极层(1)通过引线引出与量程调控电压V_c电气连接。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的可调量程的多铁异质磁场传感器的量程调节方法，其特征在于，包括如下步骤：向磁场传感器的铁电层(21)施加量程切换电压V，使得铁电层(21)产生电场应力，所述第一铁磁层(22)受所述电场应力的作用，使得饱和磁场H_s发生变化，从而改变磁场传感器的量程。

10.根据权利要求9所述的可调量程的多铁异质磁场传感器的量程调节方法，其特征在于：所述施加在铁电层(21)上的量程切换电压V与所述第一铁磁层(22)的饱和磁场H_s之间的关系如式(1)所示：

H_s＝(3λYd_effV/d+2K₀)/M_s (1)

式(1)中，H_s为第一铁磁层(22)的饱和磁场，λ为第一铁磁层(22)的磁致伸缩系数，Y为第一铁磁层(22)铁磁材料的杨氏模量，d_eff为铁电层(21)的有效压电系数，V为铁电层(21)上所施加的量程切换电压值，d为铁电层(21)的厚度，K₀为在没有施加量程切换电压V的情况下，第一铁磁层(22)的等效各向异性，M_s为第一铁磁层(22)的饱和磁化强度。