磁場感測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明關于一種磁場感測裝置及方法，特別是關于一種磁穿隧接面感測器及利用磁穿隧接面感測磁場的方法。
【背景技術】
[0002]現有技術的利用磁穿隧接面的磁場感測器，分為測量水平方向與垂直方向外部磁場的兩種結構，分別如圖1(a)、(b)所示。圖1(a)、(b)中的磁場感測器均包含一參考層(亦稱固定層(pinned layer)) 110、一間隔層(spacer) 120、一感測層(sensing layer,亦稱自由層(free layer)) 130,且在無外部磁場時參考層110與感測層130的磁化方向均為互相垂直。以M表示感測層130的磁化向量。為了測量水平方向(XZ-平面)的外部磁場Hext,圖1(a)中的磁場感測器的參考層110的磁化向量Mp的方向為水平方向(圖中的X軸方向)，感測層130的易磁化軸(easy axis) 140在y (垂直坐標軸)方向。外部磁場Hrart在平行⑵與反平行(AP)組態之間將M推離易磁化軸140，產生穿隧磁阻(TMR)輸出信號，通過Mp的幫助讀出。為了測量垂直方向的外部磁場Hrart，圖1(b)中的磁場感測器的參考層110的磁化向量Mp的方向為y方向，感測層130的易磁化軸150在x方向。垂直方向的外部磁場Hrait同樣在平行⑵與反平行(AP)組態之間將M推離易磁化軸150，產生TMR輸出信號，通過Mp的幫助讀出。由于測量同一磁場的水平分量與垂直分量需要兩種不同的結構，使用起來很不方便。
[0003]本發明的目的在于提供一種磁場感測裝置及方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場，使用上就方便多了。
【發明內容】
[0004]本發明的一構想在于提供一種磁場感測器，該感測器包含一固定層，其具有一第一磁化方向；一分析層，其具有一第二磁化方向，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度；以及一磁性感測層，其在該分析層與該固定層之間。
[0005]根據上述構想，該磁場感測器還包括一第一間隔層與一第二間隔層，其中該第一間隔層在該固定層與該磁性感測層之間，該第二間隔層在該磁性感測層與該分析層之間，其中該磁性感測層具有一易磁化軸。對該磁場感測器施加自旋極化電流(spin-polarizedcurrent),其電流密度為j，當j為O時,該易磁化軸在一垂直方向，該垂直方向與該第一磁化方向及該第二磁化方向所決定的平面垂直，當j不為O時，該易磁化軸受到自旋極化電流的自旋矩轉移(spin-torque transfer)效應而偏離垂直方向，并且隨著j的改變，在該第二磁化方向與該垂直方向所決定的平面上改變該易磁化軸與該垂直方向之間的角度。當j為O時，可以測量水平方向的磁場；當j不為0，該易磁化軸偏離該垂直方向時可以測量垂直方向的磁場。根據上述構想，其中該固定層、該磁性感測層、該分析層為金屬的磁性層。
[0006]根據上述構想，其中該第一間隔層、該第二間隔層為非磁性層，其為金屬或氧化材料。
[0007]根據上述構想，其中該固定層與該分析層中的磁化方向由相鄰的釘扎層所固定。
[0008]根據上述構想，其中該釘扎層為反鐵磁層。
[0009]本發明的另一構想在于提供一種磁場感測器，該感測器包含:一固定層，其具有一第一磁化方向；一分析層，其具有一第二磁化方向；以及一感測層，其設在該分析層與該固定層之間，并具一易磁化軸，其中該第二磁化方向與該易磁化軸兩者間呈一角度。
[0010]本發明的另一構想在于提供一種磁場感測裝置，該感測裝置包含:一磁場感測器，其用以測量一水平平面上的磁場大小及方向以及一垂直方向的磁場大小；以及一電流大小改變裝置，該裝置連接于該磁場感測器，使該電流大小改變裝置在一第一工作狀態時，令該磁場感測器在該水平平面上測量，而在一第二工作狀態時，令該磁場感測器在該垂直方向上測量。
[0011]根據上述構想，其中該磁場感測器的磁性感測層具有一易磁化軸，該電流大小改變裝置提供一直流電流流經該磁場感測器，當該電流流經固定層后變為自旋極化電流，該電流大小改變裝置在該第一工作狀態時，該電流為零，該易磁化軸在該垂直方向，而該電流大小改變裝置在該第二工作狀態時，該電流不為零，該易磁化軸根據該電流大小，在一第一水平方向與該垂直方向所決定的平面上與該垂直方向之間呈一特定角度。
[0012]根據上述構想，該磁場感測器還包含:一分析層，其具有在該第一水平方向的一第一磁化方向；以及一固定層，其具有一第二磁化方向，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度。
[0013]本發明的另一構想在于提供一種感測磁場的方法，包含:提供一固定層，其具有一第一磁化方向；提供一分析層，其具有一第二磁化方向，其中該第一及該第二磁化方向兩者間呈一角度；以及提供一磁性感測層，其在該分析層與該固定層之間。
[0014]本發明的另一構想在于提供一種感測磁場的方法，包含:提供一固定層，其具有一第一磁化方向；提供一分析層，其具有一第二磁化方向；以及提供一感測層，其設在該分析層與該固定層之間，并具一易磁化軸，其中該第二磁化方向與該易磁化軸兩者間呈一角度。
[0015]本發明的另一構想在于提供一種感測磁場的方法，包含:提供一種磁場感測裝置，其包含:一磁場感測器，用以測量一水平平面上的磁場大小及方向以及一垂直方向的磁場大小；以及一電流大小改變裝置，該裝置連接于該磁場感測器，使該電流大小改變裝置在一第一工作狀態時，令該磁場感測器在該水平平面上測量，而在一第二工作狀態時，令該磁場感測器在該垂直方向上測量。
[0016]因此本發明提供一種磁場感測裝置及方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場，使用上十分方便。
[0017]本發明通過下列附圖及詳細說明，以令讀者更深入了解。
【附圖說明】
[0018]圖1(a)與(b)是現有技術的利用磁穿隧接面的磁場感測器，分為測量水平方向與垂直方向外部磁場的兩種結構，分別如圖1(a)、(b)所示；
[0019]圖2是本發明的一種磁場感測器的一優選實施例；
[0020]圖3顯示本發明的一種磁場感測器的磁性感測層厚度為1.59nm時，其易磁化軸的角度隨著自旋極化電流密度j所造成等效力矩強度a」的改變而改變的情形；
[0021]圖4為本發明的一種磁場感測器的穿隧磁阻TMR與垂直方向外部磁場的關系圖；
[0022]圖5為該磁場感測器的非線性(nonlinearity)度百分比與垂直方向外部磁場H丄的大小的關系圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下文將結合附圖對本發明技術方案作進一步詳細說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。
[0024]請參閱圖2所示，其為本發明的一種磁場感測器200的一優選實施例。該磁場感測器200包含一固定層210、一第一間隔層220、一磁性感測層230、一第二間隔層240以及一分析層250，其中該固定層210的磁化方向為z方向(一水平方向)，而該分析層250的磁化方向與該固定層210的磁化方向在水平平面上呈一角度，優選地，該角度為90°，如圖2中該分析層250的磁化方向為X方向。該固定層210與該分析層250的磁化方向基本上是固定的，不隨外部磁場改變。
[0025]該磁場感測器200可使用一電流大小改變裝置，該裝置連接于該磁場感測器，該電流大小改變裝置具有兩種工作狀態，在第一工作狀態時，該磁場感測器可測量水平平面上的磁場大小及方向，在第二工作狀態時，該磁場感測器可測量垂直方向的磁場。優選地，該電流大小改變裝置提供一直流電流流經該磁場感測器，當該直流電流流經固定層后變為一自旋極化電流。該自旋極化電流密度為j，在第一工作狀態時j為0，該磁性感測層230的易磁化軸在y方向(垂直方向，與水平面呈90° )，可以測量水平方向的磁場H j。在第二工作狀態時j不為0，該磁性感測層230的易磁化軸隨著j的改變在xy_平面上轉動(改變角度)，其角度與水平面夾角不為90°時可以測量垂直方向的磁場Hi。外部磁場將該磁性感測層230的磁化向量推離易磁化軸時，該磁性感測層230的磁化向量與該分析層250的磁化方向間的夾角Θ隨著外部磁場的大小變化，使得穿隧磁阻TMR改變。
[0026]圖3顯示該磁性感測層230的厚度為1.59nm時,其易磁化軸(easy axis)的角度隨著j所造成等效力矩強度a」的改變而改變的情形。其變化相對于y軸是對稱的，且最大的易磁化軸角度與該磁性感測層230的厚度有關。在圖3的實施例里，最大的易磁化軸角度約為120°，而易磁化軸角度改變的范圍從約90°到約120°。自旋極化電流密度j的方向可以相反，磁場感測器的特性相同。
[0027]可靠的磁場感測器，尤其是測量地球磁場的感測器，在小磁場時需要有高靈敏度、線性響應與免于磁滯的特性。圖4為該磁場感測器的穿隧磁阻TMR與垂直方向外部磁場的關系圖，其中無磁滯現象。圖中顯示兩個不同的自旋極化電流造成的不同a]時該磁場感測器的穿隧磁阻隨著Hi的改變而改變的情形，其斜率代表該磁場感測器測量垂直方向外部磁場時的靈敏度。通常自旋極化電流密度較高時靈敏度較高。
[0028]圖5為兩個不同的自旋極化電流造成的不同時該磁場感測器的非線性(nonlinearity)度百分比與垂直方向外部磁場Hi的大小的關系圖。通常認為磁場感測器的非線性度百分比在正負1%以內是可容忍的范圍。由圖中可知自旋極化電流密度較小時該磁場感測器的響應可能比較接近線性。因此必須在靈敏度與線性度間求取平衡，但本發明的構想對垂直方向外部磁場可以達成合理的磁場感測器。而當自旋極化電流為零時，該磁性感測層230的易磁化軸為垂直方向，測量水平方向的磁場時可以得到線性的TMR輸出信號。
[0029]因此，本發明提供了一種磁場感測裝置及感測磁場的方法，可以用同一種結構測出水平與垂直方向的外部磁場。關掉自旋極化電流，可以測量水平方向的磁場，施加自旋極化電流，則可以測量垂直方向的磁場，十分便利。
[0030]優選地，該固定層、該磁性感測層、該分析層為金屬的磁性層。該第一間隔層、該第二間隔層為非磁性層，優選地，其為金屬或氧化材料，例如氧化鎂或氧化鋁。金屬可以允許電流傳導，但非金屬材料可使該磁場感測器的靈敏度較高，不過非金屬層必須很薄，電流才能通過。
[0031]優選地，該固定層、該磁性感測層與該分析層的厚度不同。該