專利名稱：磁場檢測傳感器的制作方法
技術領域：
本發明總的涉及到磁場檢測。本發明具體涉及到用至少兩個磁性傳感器檢測磁場的裝置、系統和方法。
背景技術：
磁場檢測可以用來檢測存儲在諸如磁盤或磁帶等磁性介質表面上的信息。磁性傳感器必須物理地接近磁性介質設置才能檢測到磁存儲的信息。
可以用來檢測是否存在磁場的一種設備是磁性隧道結傳感器。圖1表示磁性隧道結傳感器100的一個實施例。磁性隧道結傳感器100包括一個被釘軋(pinned)層110、一個檢測層120和一個絕緣層130。
被釘軋層110具有固定的磁化取向，即使在有效范圍內施加磁場也不會旋轉。檢測層120的磁化可以在兩個方向上取向。檢測層120的第一磁化取向是在與被釘軋層110的固定磁化相同的方向上。檢測層120的第二磁化取向是在與被釘軋層110的固定磁化相反的方向上。
檢測層120的磁性取向所對準的方向一般是對應著最后出現在檢測層120附近的檢測層120外部磁場的那一方向。為了檢測磁場，外部磁場必須有足夠的場強來改變檢測層120的取向。
跨越磁性隧道結傳感器100的電阻量值會隨著檢測層120相對于被釘軋層110的磁性取向而改變。一般來說，如果檢測層120的磁性取向與被釘軋層110的取向相反，跨越磁性隧道結傳感器100的電阻就會很大。如果檢測層120的磁性取向與被釘軋層110的取向相同，跨越磁性隧道結傳感器100的電阻就小。因此就可以用跨越磁性隧道結傳感器100的電阻來檢測磁場方向，因為磁場方向決定了檢測層120相對于被釘軋層110的磁性取向，也就是確定了跨越磁性傳感器100的電阻。
圖1的磁性傳感器100的靈敏度有限。磁性傳感器的電阻狀態是通過將檢測到的電阻與預定的電阻閾值相比較而確定的，并且根據比較來確定磁性傳感器狀態。也就是說，如果檢測到的電阻小于預定閾值，磁性傳感器的狀態就是第一狀態。如果檢測到的電阻大于預定閾值，磁性傳感器的狀態就是第二狀態。
理想的磁場檢測裝置和方法應該具有更高靈敏度，非易失性和低功耗。
發明內容
本發明包括具有更高靈敏度、非易失性和低功耗的磁場檢測裝置和系統。
本發明的第一實施例包括磁場檢測傳感器。磁場檢測傳感器包括具有第一檢測層和第一基準層的第一磁性傳感器。磁場檢測傳感器還包括具有第二檢測層和第二基準層的第二磁性傳感器。第一磁性傳感器相對于第二磁性傳感器的物理取向使得由磁場檢測傳感器檢測到的外部磁場會導致第一檢測層到第一基準層的相對磁性取向與第二檢測層到第二基準層的相對磁性取向相反。
通過以下結合著用來舉例說明本發明原理的附圖的詳細說明能明顯看出本發明的其他方面及其優點。
圖1表示一個磁性隧道結傳感器。
圖2表示本發明的一個實施例。
圖3表示本發明的另一實施例。
圖4表示本發明的再一實施例。
圖5表示按照本發明一個實施例的一對磁性隧道結傳感器和一個差分放大器。
圖6表示按照本發明另一實施例的一對磁性隧道結傳感器和一個差分放大器。
圖7表示按照本發明一個實施例的一對磁性隧道結傳感器。
圖8表示按照本發明另一實施例的一對磁性隧道結傳感器。
圖9表示按照本發明再一實施例的一對磁性隧道結傳感器。
圖10表示按照本發明一個實施例的磁性傳感器陣列。
圖11表示一個包括讀出頭的盤驅動器，其中讀出頭包括本發明一個實施例的磁性傳感器。
具體實施例方式
如示意性的附圖所示，本發明體現為具有更高靈敏度、非易失性和低功耗的一種磁場檢測裝置和系統。
圖2表示本發明的一個實施例。這一實施例包括物理上位置彼此接近的兩個磁性隧道結傳感器200、202。第一隧道結傳感器200的第一參考(被釘軋)層210包括一個預置的磁性取向，它與第二隧道結傳感器202的第二參考(被釘軋)層212的預置的磁性取向相反。
第一隧道結傳感器200還包括第一檢測層220及用來隔離第一基準層210和第一檢測層220的第一絕緣隧道阻擋層230。第二隧道結傳感器202還包括第二檢測層222及用來隔離第二基準層212和第二檢測層222的第二絕緣隧道阻擋層232。
基準層210，212和檢測層220，222可以用鐵磁性材料制成。
如果一個磁性隧道結傳感器的檢測層和基準層的磁化方向相同，就可以認為磁性隧道結傳感器的取向是“平行”。如果一個磁性隧道結傳感器的檢測層和基準層的磁化方向相反，就可以認為磁性隧道結傳感器的取向是“反向平行”。平行和反向平行這兩種取向對應著磁性傳感器的低電阻和高電阻。
絕緣隧道阻擋層230，232容許在基準層210，212和檢測層220，222之間產生量子機械隧道效應(quantum mechanical tunneling)。隧道依賴于電子自旋，致使磁性隧道結傳感器200，202的電阻成為基準層210，212和檢測層200，222的磁化方向的相對取向的函數。建立基準層210，212和檢測層220，222的磁化取向就能檢測出有無磁場。
如果磁性隧道結傳感器200，202的磁化取向是平行，各個磁性隧道結傳感器200，202的電阻就是第一值(R)，如果磁化取向是反向平行，就是第二值(R+δ)。然而本發明不僅限于兩層或僅僅兩層的磁化取向。
絕緣隧道阻擋層230，232可以用氧化鋁，二氧化硅，氧化鉭，氮化硅，氮化鋁或氧化鎂制成。然而，其他介質和某些半導體材料也可以用作絕緣隧道阻擋層230，232。絕緣隧道阻擋層230，232的厚度范圍是0.5納米到3納米。然而本發明并非僅限于這一范圍。
檢測層220，222可以用鐵磁材料制成。下述的基準層210，212可以用合成鐵磁體(SF)也稱為合成反鐵磁體制成。
第一隧道結傳感器200的第一檢測層220的排列方向大致對應著外部施加磁場的方向。第二隧道結傳感器202的第二檢測層222的排列方向也大致對應著外部施加磁場的方向。由于第一隧道結傳感器200和第二隧道結傳感器202的配置和物理取向，第一檢測層220和第二檢測層222在承受外部磁場之后一般都包括同方向的磁化取向。
如上所述，跨越磁性隧道結傳感器200，202的電阻直接取決于檢測層220，222相對于參考(被釘軋)層210，212磁化取向的磁化取向。同樣如上所述，第一基準層210的磁化取向與第二基準層212的磁化取向是相反方向。因此，在第一磁性隧道結傳感器200和第二磁性隧道結傳感器202暴露于外部磁場之后，跨越第一磁性隧道結傳感器200的電阻和跨越第二磁性隧道結傳感器202的電阻會有很大差別。一個磁性隧道結傳感器會具有高電阻(R+δ+R)，而另一磁性隧道結傳感器會具有低電阻(R)。
第一磁性隧道結傳感器200相對于第二磁性隧道結傳感器202的物理取向使得第一檢測層220對第一基準層210的相對磁性取向與第二檢測層222對第二基準層212的相對磁性取向相反，這樣就能用磁場檢測傳感器200，202檢測到外部磁場。
可以用差分放大器檢測第一磁性隧道結傳感器200和第二磁性隧道結傳感器202的相對磁性取向。也就是用差分放大器檢測第一磁性隧道結傳感器200和第二磁性隧道結傳感器202之間的電阻差。
圖3表示本發明另一實施例。在圖3中，每個磁性隧道結傳感器被表示成一個單元(單元1和單元2)。各單元可以被物理取向成并排配置。如下文所述，本發明的某些實施例可以采用這種并排配置方式。符號A，B和C表示與外部電子電路的接觸點。
圖4表示本發明的再一實施例。各個磁性隧道結傳感器同樣被表示成一個單元。單元(單元1和單元2)的物理取向可以是端對端配置。如下文所述，本發明的某些實施例可以采用這種端對端配置方式。符號A，B和C表示與外部電子電路的接觸點。
圖5表示按照本發明實施例的一對磁性隧道結傳感器(單元1和單元2)和差分放大器510。差分放大器510檢測第一磁性傳感器(單元1)和第二磁性傳感器(單元2)的相對磁性取向。如上所述，磁性傳感器(單元1和單元2)的磁性取向決定了跨越磁性傳感器的電阻。
第一電流源520使電流通過第一磁性傳感器(單元1)，產生的第一電壓電位V1取決于第一磁性傳感器(單元1)的電阻狀態。第二電流源530使電流通過第二磁性傳感器(單元2)，產生的第二電壓電位V2取決于第二磁性傳感器(單元2)的電阻狀態。第一和第二電流源520，530的量值基本上相同。
第一電壓電位V1和第二電壓電位V2的量值取決于第一磁性傳感器(單元1)和第二磁性傳感器(單元2)的電阻。差分放大器510檢測第一磁性傳感器(單元1)和第二磁性傳感器(單元2)之間的電阻差別的相對程度，產生一個幅值為A(V2-V1)的輸出，A是差分放大器510的增益。
這樣，由差分放大器510的輸出就能確定有無外部磁場以及磁場的方向。檢測到的外部磁場會使磁性傳感器(單元1和單元2)的檢測層的磁化隨外部磁場取向。由于磁性傳感器(單元1和單元2)的基準層的磁化方向被固定為反方向，第一磁性傳感器(單元1)的電阻會大于或小于第二磁性傳感器(單元2)的電阻，這取決于外部磁場的方向。這樣，差分放大器的輸出就能提供外部磁場的有無和方向的指示。
圖6表示按照本發明另一實施例的一對磁性隧道結傳感器(單元1和單元2)和差分放大器610。差分放大器610檢測第一磁性傳感器(單元1)和第二磁性傳感器(單元2)的相對磁性取向。差分放大器610包括一個交叉耦合的差分成對晶體管T1，T2，它們檢測是第一磁性傳感器還是第二磁性傳感器具有較大的電阻。
在接觸點C施加一個正電壓電位(例如是通過一個時鐘SCLOCK)來檢測磁性傳感器的狀態。然后在VSENSE處通過一選擇線(SELECT)檢測該狀態。
如果第一磁性傳感器(單元1)的電阻比第二磁性傳感器(單元2)大，接觸點A處的電壓電位就會低于接觸點B處的電壓電位。這樣，晶體管T1就會比晶體管T2更多地導通。流經電阻R1，晶體管T1和第一磁性傳感器(單元1)的電流會比流經電阻R2，晶體管T2和第二磁性傳感器(單元2)的電流大。這樣就會迫使晶體管T2完全關斷，而晶體管T1會飽和。其結果是VSENSE處于低電壓電位。
如果第二磁性傳感器(單元2)的電阻比第一磁性傳感器(單元1)大，接觸點B處的電壓電位就會低于接觸點A處的電壓電位。這樣，晶體管T2就會比晶體管T1更多地導通。流經電阻R2，晶體管T2和第二磁性傳感器(單元2)的電流會比流經電阻R1，晶體管T1和第一磁性傳感器(單元1)的電流大。這樣就會迫使晶體管T1完全關斷，而晶體管T2會飽和。其結果是VSENSE處于高電壓電位。
用差分放大器610的輸出就能確定有無外部磁場以及磁場的方向。檢測到的外部磁場會使磁性傳感器(單元1和單元2)的檢測層的磁化隨外部磁場取向。由于磁性傳感器(單元1和單元2)的基準層的磁化方向被固定為反方向，第一磁性傳感器(單元1)的電阻會大于或小于第二磁性傳感器(單元2)的電阻，取決于外部磁場的方向。這樣，差分放大器的輸出就能提供外部磁場的有無和方向的指示。
圖7表示按照本發明一個實施例的一對磁性隧道結傳感器700，702。本實施例的各個磁性隧道結傳感器700，702包括一個參考(被釘軋)層710，712。基準層710，712的固定磁化取向處在相同的方向。這一磁性取向是理想的，因為容易制成具有同方向固定磁性取向的基準層710，712。
磁性隧道結傳感器700，702還包括絕緣隧道阻擋層744，754。
本實施例的各個磁性隧道結傳感器700，702包括合成鐵磁結構檢測層。即第一磁性隧道結傳感器700包括的第一鐵磁結構檢測層又包括第一鐵磁層722和第二鐵磁層724。第一鐵磁層722和第二鐵磁層724被一個非磁性間隔層726隔開。第二磁性隧道結傳感器702包括的第二鐵磁結構檢測層又包括第一鐵磁層732和第二鐵磁層734。第一鐵磁層732和第二鐵磁層734被一個非磁性間隔層736隔開。
制作鐵磁層722，724，732，734的材料可以是CoFe，NiFe或Co。間隔層726，736可以用諸如Ru，Re，Rh或Cu等非磁性傳導材料制成。
在第一磁性傳感器700的第一鐵磁層722和第二鐵磁層724之間有一種強大的層間交換耦合。在第二磁性傳感器702的第一鐵磁層732和第二鐵磁層734之間有一種強大的層間交換耦合。這一耦合的量值及其符號(也就是耦合的正、負)是間隔層726，736厚度和材料以及鐵磁層722，724，732，734厚度和材料的函數。如果第一鐵磁層的磁化方向與第二鐵磁層的磁化方向是反向平行的，這種耦合就是負的。如果第一鐵磁層的磁化方向與第二鐵磁層的磁化方向是平行的，這種耦合就是正的。
第一鐵磁層722，732的矯頑力與第二鐵磁層724，734的矯頑力可能稍有不同。例如，第一鐵磁層722，732的矯頑力可以大約是10Oe，而第二鐵磁層724，734的矯頑力可以大約是50Oe。基準層710，712的矯頑力一般要高于鐵磁層722，724，732，734的矯頑力。
由于第一鐵磁層722，732的磁化取向與第二鐵磁層724，734的方向相反，它們的力矩趨于相互抵消。
間隔層726，736的厚度大約在.2nm到2nm之間。
各個鐵磁層722，724，732，734包括具有一定磁場強度的磁化矢量。各個鐵磁層722，724，732，734的磁場強度通常取決于鐵磁層722，724，732，734的厚度。
在第一磁性隧道結傳感器700的第一鐵磁層722內部表示的矢量比第一磁性隧道結傳感器700的第二鐵磁層724內部表示的矢量要長。矢量的長度代表第一鐵磁層722的磁化強度和第二鐵磁層724的磁化強度。如圖所示，代表第一鐵磁層722磁化強度的矢量要大于代表第二鐵磁層724磁化強度的矢量。
磁化量值一般取決于鐵磁層的厚度。厚度t1代表第一磁性隧道結傳感器700的第一鐵磁層722的厚度。厚度t2代表第一磁性隧道結傳感器700的第二鐵磁層724的厚度。對于圖7的實施例，第一鐵磁層722的厚度t1要大于第二鐵磁層724的厚度。因此，第一鐵磁層722的磁化要大于第二鐵磁層724的磁化。在暴露于外部磁場時，第一鐵磁層722的磁化會與外部磁場取向一致。
厚度t3代表第二磁性隧道結傳感器702的第一鐵磁層732的厚度。厚度t4代表第二磁性隧道結傳感器702的第二鐵磁層734的厚度。對于圖7的實施例，第一鐵磁層732的厚度t3要小于第二鐵磁層734的厚度。因此，第一鐵磁層732的磁化要小于第二鐵磁層734的磁化。在暴露于外部磁場時，第二鐵磁層734的磁化會與外部磁場取向一致。
第一鐵磁層722，732，第二鐵磁層724，734和間隔層726，736的可行厚度及材料類型的例子如下。
絕緣隧道阻擋層744，754容許在基準層710，712和第一鐵磁層722，732之間形成量子機械隧道。隧道依賴于電子自旋，致使磁性隧道結傳感器700，702的電阻成為基準層710，712和第一鐵磁層722，732的磁化方向的相對取向的函數。
建立基準層710，712和第一鐵磁層722，732的磁化取向就能檢測出有無磁場。實現的方式例如是通過將磁性隧道結傳感器700，702結合到圖5和圖6所示的本發明的實施例中。也就是可以用跨越磁性隧道結傳感器700，702的電阻差異來檢測有無外部磁場。
圖8表示按照本發明另一實施例的一對磁性隧道結傳感器。這一實施例包括由第一磁性傳感器830和第二磁性傳感器820共享的一個公共檢測層結構810。第一磁性傳感器820還包括第一絕緣隧道阻擋層824和第一基準層822。第二磁性傳感器830還包括第二絕緣隧道阻擋層834和第二基準層832。
第一基準層822和第二基準層832的預置磁化取向方向相同。
公共檢測層結構810包括一個合成鐵磁結構檢測層，檢測層又包括第一鐵磁層812和第二鐵磁層814。對于本實施例，一個鐵磁層812，814的厚度應該大于另一個鐵磁層812，814的厚度。如圖8所示，第一鐵磁層812比第二鐵磁層814厚。因此，第一鐵磁層812的磁化強度要大于第二鐵磁層814的磁化強度。
第一鐵磁層812和第二鐵磁層814被一個非磁性間隔層860隔開。
第一鐵磁層812的磁化方向會與外部施加的磁場取向一致。第二鐵磁層814的磁化方向會與外部施加的磁場反向平行。
第一絕緣隧道阻擋層824容許在第一基準層822和第一鐵磁層812之間形成量子機械隧道。第二絕緣隧道阻擋層834容許在第二基準層832和第二鐵磁層814之間形成量子機械隧道。隧道依賴于電子自旋，致使磁性隧道結傳感器820，830的電阻成為基準層822，832和鐵磁層812，814的磁化方向的相對取向的函數。
建立基準層822，832和鐵磁層812，814的磁化取向就能檢測出有無磁場。實現的方式例如是通過將磁性隧道結傳感器820，830結合到圖5和圖6所示的本發明的實施例中。也就是可以用跨越磁性隧道結傳感器820，830的電阻差異來檢測有無外部磁場。
圖9表示按照本發明再一實施例的一對磁性隧道結傳感器。這一實施例包括由第一磁性傳感器920和第二磁性傳感器930共享的一個公共參考(被釘軋)層結構910。
這種并排的合成鐵磁結構構造與圖7所示的鐵磁結構相似。然而，公共基準層是在兩個磁性隧道結傳感器920，930之間共享的。
磁性隧道結傳感器920，930包括絕緣隧道阻擋層944，954。
本實施例的各個磁性隧道結傳感器920，930包括合成鐵磁結構檢測層。即第一磁性隧道結傳感器920包括第一磁性結構檢測層，該檢測層又包括第一鐵磁層922和第二鐵磁層924。第一鐵磁層922和第二鐵磁層924被一個非磁性間隔層926隔開。第二磁性隧道結傳感器930包括第二磁性結構檢測層，該檢測層又包括第一鐵磁層932和第二鐵磁層934。第一鐵磁層932和第二鐵磁層934被一個非磁性間隔層936隔開。
圖10表示按照本發明一個實施例的磁性傳感器陣列1010。磁性傳感器陣列1010包括按一定圖形布置的本發明實施例的磁場檢測傳感器。
磁性傳感器陣列可以用來檢測和感知各種強度的磁場。也就是說，檢測到外部磁場能夠將磁性傳感器設置成變化的電阻狀態。如果預先將傳感器陣列暴露于第一磁場，后來的磁場就會改變所有或是某些傳感器的狀態，這取決于后來磁場的強度和方向。
圖11表示一個磁盤驅動器1120的讀出頭1110。讀出頭1110包括本發明一個實施例的磁場傳感器1130。磁盤驅動器1120主要包括磁盤1140，磁盤又包括存儲在磁盤1142表面上的信息。用磁場檢測傳感器1130檢測存儲在磁盤1140的表面1142上的信息。
盡管已經描述并示出了本發明的具體實施例，本發明并非僅限于所描述和示出的具體形式或安排。本發明僅僅由后附權利要求書限定。
權利要求
1.一種磁場檢測傳感器包括具有第一檢測層(220)和第一基準層(210)的第一磁性傳感器(200)；具有第二檢測層(222)和第二基準層(212)的第二磁性傳感器(202)；第一磁性傳感器(200)相對于第二磁性傳感器(202)物理地取向成使得由磁場檢測傳感器檢測到的外部磁場會導致第一檢測層(220)對第一基準層(210)的相對磁性取向與第二檢測層(222)對第二基準層(212)的相對磁性取向相反；以及用來檢測第一磁性傳感器(200)和第二磁性傳感器(202)的相對磁性取向的一個差分放大器。
2.按照權利要求1的磁場檢測傳感器，其特征在于，第一磁性傳感器(200)和第二磁性傳感器(202)各是一個磁性隧道結傳感器。
3.按照權利要求1的磁場檢測傳感器，其特征在于，第一檢測層(220)對第一基準層(210)的磁性取向決定了第一磁性傳感器(200)的電阻。
4.按照權利要求1的磁場檢測傳感器，其特征在于，第二檢測層(222)對第二基準層(212)的磁性取向決定了第二磁性傳感器(202)的電阻。
5.按照權利要求1的磁場檢測傳感器，其特征在于，第一基準層(710)和第二基準層(712)具有同方向的固定磁性取向。
6.按照權利要求5的磁場檢測傳感器，其特征在于，第一檢測層包括第一合成鐵磁結構檢測層，而第二檢測層包括第二合成鐵磁結構檢測層。
7.按照權利要求6的磁場檢測傳感器，其特征在于，每個合成鐵磁結構檢測層包括被一非磁性間隔材料(726，736)隔開的第一鐵磁層(722，732)和第二鐵磁層(724，734)，每個鐵磁層具有的厚度和材料類型使得第一鐵磁層(722，7 32)和第二鐵磁層(724，734)能夠實現反鐵磁性耦合。
8.按照權利要求7的磁場檢測傳感器，其特征在于，第一鐵磁層的第一厚度不同于第二鐵磁層的第二厚度，因而第一鐵磁層的第一磁化僅會部分抵消第二鐵磁層的第二磁化。
9.按照權利要求7的磁場檢測傳感器，其特征在于，各個鐵磁層包括軟磁性材料。
10.按照權利要求1的磁場檢測傳感器，其特征在于，第一基準層(210)和第二基準層(212)具有反方向的固定磁性取向。
全文摘要
本發明包括一種磁場檢測傳感器。磁場檢測傳感器包括具有第一檢測層(220)和第一基準層(210)的第一磁性傳感器(200)。具有第二檢測層(222)和第二基準層(212)的第二磁性傳感器(202)。第一磁性傳感器(200)相對于第二磁性傳感器(202)的物理取向使得由磁場檢測傳感器檢測到的外部磁場會導致第一檢測層(220)對第一基準層(210)的相對磁性取向與第二檢測層(222)對第二基準層(212)的相對磁性取向相反。可以用一個差分放大器檢測第一結傳感器和第二結傳感器的相對磁性取向。
文檔編號G01R33/09GK1487501SQ0312014
公開日2004年4月7日 申請日期2003年3月10日 優先權日2002年5月14日
發明者M·沙馬, F·佩爾納, M 沙馬 申請人:惠普公司