磁性傳感器設備和用于具有磁電阻結構的磁性傳感器設備的方法與流程
示例涉及磁性傳感器設備和用于具有磁電阻結構的磁性傳感器設備的方法。
背景技術：
磁電阻效應包括許多不同的物理現象，所有這些物理現象的共同之處是電阻元件的電阻可由于穿過該電阻元件的磁場的行為而改變。利用磁電阻效應的技術有時被稱為“xmr技術”，這里通過“x”來指示可以在這里論述的眾多效應，僅論及幾個示例比如巨磁電阻（gmr）效應、隧道磁電阻（tmr）效應或各向異性磁電阻（amr）效應。可以在各種各樣的基于場的傳感器（例如用于測量旋轉、角度等等的傳感器）中應用xmr效應。在某些應用中，尤其在與安全有關的應用中，需要這些傳感器可靠地且以高準確性水平來操作。
在某些應用中，傳感器可能經受以未知或不可計算的磁場形式的擾動。這些擾動可能隨機改變傳感器的狀態或初始值。因為傳感器的磁滯行為可能導致測得的值是否接近高于或低于該測得的值的初始值的實質性差異，所以磁滯可能導致測量結果中的誤差。旋渦（vortex）配置中具有自由層的磁性xmr傳感器概念可能具有幾乎為零的磁滯。換言之，可以在自由層中存在旋渦形磁化狀態（磁場）的情況下實現低的磁滯，并且在諸如輪速感測、電流感測或線性場感測之類的應用中尤其對低的磁滯感興趣。然而，旋渦形磁化狀態可能僅在關于要被測量的所施加的場的場強的某一范圍中穩定。
因此，期望提供一種實現測量結果的改進準確性和可靠性的傳感器元件。
技術實現要素：
一個示例涉及一種包括磁電阻結構的磁性傳感器設備。該磁電阻結構包括磁性自由層，其被配置成在該自由層中自發地生成閉合通量磁化模式（pattern）。該磁電阻結構還包括具有非閉合通量參考磁化模式的磁性參考層。該磁性傳感器設備還包括被配置成在磁性自由層中生成偏置場的磁性偏置結構。該偏置場具有垂直于參考磁化模式的非零磁性偏置場分量。可以例如通過交替的磁性層和非磁性層來形成磁電阻結構。在此上下文中術語“磁性”和“非磁性”可以被理解為“鐵磁性”和“非鐵磁性”。“非磁性”層因此可以具有順磁性、反磁性或反鐵磁性性質。層本質上可以擴展到具有三個成對垂直方向x、y和z的笛卡爾坐標系的兩個方向x和y中。換言之，與該層到第一和第二方向x和y中的擴展相比，該層到第三方向z中的擴展小到可以忽略不計。如果方向x對應于參考磁化的方向，則偏置場可以例如具有等于零的x分量，以及非零的y和z分量。閉合通量磁化模式還可以被稱為渦旋態。自發生成的渦旋態可以例如在其產生之后或者在不施加外部場的情況下直接形成在自由層中。換言之非閉合通量參考磁化模式可以對應于具有零旋度和零發散的均勻的、直的或線性磁場。該實現可以拓寬在其中自發地生成渦旋態的要被測量的外部磁場值的范圍。結果，其中磁滯消失的場范圍可以被擴展，這進而可以增大可靠性。該場范圍的上限和下限可以被稱為成核（nucleation）場閾值。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成生成平面內具有非零偏置場分量的偏置場。術語平面內可指的是主要在x-y平面內擴展的自由層。因此，換言之垂直于參考磁化模式的平面內分量可以對應于y分量。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成生成作為定向固定的磁場的偏置場。這可以將外部磁場的渦旋成核場閾值提升到預定或固定值。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成在垂直于參考磁化模式的磁性自由層中生成偏置場。換言之，偏置場的z分量也可以為零。擴展的渦旋形成范圍的影響因此可以被增大或甚至最大化。
在一些實施例中，磁性自由層是中心對稱的形狀。換言之，該形狀可以由預定角度圍繞平行于z方向的中心軸旋進而產生，并且例如包括等角的、等邊的或規則的多邊形（三角形、正方形、六邊形、等等）或橢圓形。因此可以促進自發的渦旋形成。在不施加偏置場的情況下，除其他因素外，自由層的形狀可以確定外部場的渦旋形成范圍的原始寬度。
在一些實施例中，磁性自由層是旋轉對稱的形狀。換言之，自由層可以展示出圓盤形狀。如果使用圓盤形狀，則甚至可以進一步促進自發渦旋形成。
在一些實施例中，磁性自由層的厚度和直徑之間的比在從1/500到1/5的范圍中。可以沿著z方向測量厚度，并且直徑在x-y平面內。如果自由層具有非圓形形狀，則直徑可以對應于例如橢圓形的長軸或短軸，或者多邊形的內切或外切圓的直徑。自由層的厚度和直徑之間的比可以提供可確定外部場的渦旋形成范圍的原始寬度的另一因素。通過選取上述范圍內的值，可以明顯減輕渦旋形成。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成生成具有一定偏置場強度的偏置場，該偏置場強度使得在其處自發地生成閉合通量磁化模式的成核場閾值在存在偏置場的情況下比不存在偏置場的情況下更大。換言之，觸發明顯效應（例如至少1、2或5%）可能需要將偏置場強度設置成預定間隔內的值。以這種方式，提升成核場閾值的效果可能更明顯。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成生成具有一定偏置場強度的偏置場，該偏置場強度使成核場閾值在存在偏置場的情況下比不存在偏置場的情況下大至少5oe或甚至10oe。如果乘以磁場常數μ0，則5oe可以對應于0.5mt。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成生成偏置場強度為外部磁場的湮滅閾值的最多1/5的偏置場，在該湮滅閾值處閉合通量磁化模式被湮滅。湮滅閾值可以描述用于外部場的值，如果超過該值，則自由層中磁場的渦旋結構可以消失。在這之后，低于該值可能引起自由層的磁滯行為，直到在成核場閾值處再次形成渦旋結構為止。
在一些實施例中，磁性偏置結構包括在自由層中生成交換偏置場的反鐵磁層。因此，對于磁性傳感器設備而言，可以實現增加的密實度量，在實現容量可能是缺乏（例如汽車）的應用中這可能是合意的。
在一些實施例中，自由層被布置在反鐵磁層和參考層之間。因此提供偏置場可能問題不大。此外，可能產生磁性傳感器設備的較高水平的密實度。
在一些實施例中，直接鄰近自由層來布置反鐵磁層。因此可能省略自由層和反鐵磁層之間的另一層。這可以提供一種用來提供偏置場的更簡化方法。
在一些實施例中，自由層具有超過參考層的厚度而達到其至少3倍的厚度。這可以幫助保持與參考層相比低的自由層中的交換偏置效應。因此，偏置場的強度可能達到處于提供給渦旋形成范圍的促進更明顯的范圍中。因此甚至可以優化偏置場的效應。
在一些實施例中，磁性偏置結構包括被配置成在自由層中生成偏置場的一個或多個永久磁體或電磁體。這可以實現將偏置場施加于已經存在的磁電阻結構的可能性。換言之，該一個或多個永久磁體或電磁體可以布置為與磁電阻結構所集成到其上的襯底分開。
在一些實施例中，磁性偏置結構至少包括位于自由層的相對側上的第一和第二永久磁體。這可能導致更線性的偏置場形狀。此外，永磁體在z方向上的厚度可以被減小，因此很可能導致更小的體積密集型（volume-intensive）實現。
在一些實施例中，磁性偏置結構包括電導體，其被配置成響應于電導體中的電流來在與偏置場相對應的自由層中生成磁場。這可能允許磁性偏置結構和磁電阻結構集成在共同襯底或芯片上。可以以這種方式進一步簡化偏置場的正確調整。
在一些實施例中，磁電阻結構對應于巨磁電阻（gmr）結構或隧道磁電阻（tmr）結構。因此可將各種實現應用于不同傳感器類型。
根據另一方面，一些實施例涉及磁電阻傳感器元件。該磁電阻傳感器元件包括磁性自由層，其被配置成在該自由層中自發地生成渦旋磁化模式。該磁電阻傳感器元件還包括具有線性參考磁化模式的磁性參考層。該磁電阻傳感器元件還包括被配置成在磁性自由層中生成垂直于參考磁化模式的定向固定的偏置場的磁性偏置結構。
在一些實施例中，磁性偏置結構被配置成生成偏置場強度在從1oe到60oe的范圍中的偏置場。
根據另一方面，一些實施例涉及一種用于具有磁電阻結構的磁性傳感器設備的方法。該方法包括在磁電阻結構的磁性參考層中提供非閉合通量參考磁化模式。該方法還包括在磁電阻結構的磁性自由層中生成偏置場。該偏置場具有垂直于參考磁化模式的非零磁性偏置場分量。該方法還包括在磁性自由層中自發地生成閉合通量磁化模式。因此，在其中自發地生成渦旋態的要被測量的外部磁場值的范圍可以被擴展。在該范圍中，磁滯可能消失，這進而會增大磁性傳感器設備的可靠性。
附圖說明
在下文中將僅通過示例并參考附圖來描述裝置和/或方法的一些實施例，在其中：
圖1示出具有處于磁性渦旋態的自由層的tmr底部自旋閥（bsv）結構的分解圖示例；
圖2示出單個圓盤形自由層元件的示意性磁滯回線，其示出渦旋表征的成核場和湮滅場；
圖3示出根據一個實施例的兩個tmr單元的磁滯回線，該每個tmr單元都具有圓盤形的nife自由層；
圖4示出根據一個實施例的對于垂直于自旋閥結構的感測方向的不同偏置場的模擬結果；
圖5示出沒有偏置場和具有20oe偏置場的磁化模式的模擬結果的比較；
圖6a-c示出在存在各種外部場的情況下根據一個實施例的自由層中的閉合通量磁化模式中的變化；
圖7示出根據一個實施例的具有均勻交換的偏置自由層的tmr渦旋結構的分解圖；
圖8示出根據一個實施例的在自由層中生成磁場的電導體層；
圖9示出根據一個實施例的在自由層中生成磁場的反偏壓磁體；
圖10示出根據一個實施例的在自由層中產生偏置場的兩個硬磁性結構；
圖11示出根據一個實施例的自由層的直徑與厚度比d/t和對于渦旋成核場和渦旋湮滅場的以mt計的磁通量密度之間的關系；
圖12示出根據一些實施例的針對自由層的不同直徑的偏置場強度繪制的渦旋成核場范圍的寬度增加；以及
圖13示出根據一個實施例的用于磁性傳感器設備的方法的流程圖。
具體實施方式
現在將參考其中圖示了一些示例的附圖來更全面地描述各個示例。在圖中，為了清楚起見，線、層和/或區域的厚度可能被夸大。
因此，盡管其他示例能夠有各種修改和替代形式，但是在圖中示出其某些特定示例并且隨后將詳細描述它們。然而，該詳細描述不會將其他示例限于所描述的特定形式。其他示例可以覆蓋落入本公開范圍內的所有修改、等同物和替代。相似的數字涉及遍及附圖描述的相同或類似元件，雖然提供了同樣或類似的功能，但當彼此進行比較時可以相等地或以修改形式實現該相同或類似元件。
將要理解，當一個元件被稱為與另一元件“連接”或“耦合”時，該元件可以被直接連接或耦合或者經由一個或多個介于中間的元件連接或耦合。相比之下，當一個元件被稱為被“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時，不存在介于中間的元件。應該以相似的方式來解釋用來描述各元件之間的關系的其他詞語（例如僅舉幾個例子“在…之間”相對于“直接在…之間”，“鄰近”相對于“直接鄰近”）。
這里使用的術語是為了描述特定示例的目的，而不意圖對其他示例進行限制。每當使用諸如“一”、“一個”和“該”之類的單數形式并且僅使用單個元件時既不明確也不隱含定義為強制性的，其他示例還可以是實施相同的功能的復數個元件。同樣地，當一個功能被隨后描述為使用多個元件來實施時，其他示例可以使用單個元件或處理實體來實施相同的功能。將進一步理解，當術語“包括”、“包含”、“包括于”和/或“包含于”被使用時，指定所述特征、整數、步驟、操作、過程、動作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、過程、動作、元件、部件和/或其任何組的存在或附加。
除非以其他方式定義，在這里以示例所屬領域中的所有術語的普通含義來使用這些術語（包括技術和科學術語），除非在這里以其他方式明確定義。
圖1示出隧道磁電阻（tmr）傳感器元件100的一個示例，其也被稱為自旋閥或底部自旋閥（bsv）。tmr傳感器元件100具有交替的鐵磁層或非鐵磁層的層堆疊110。如果在具有成對垂直坐標軸x、y和z的笛卡爾坐標系中描述，則每個層在x和y軸跨越的平面中擴展。層在z方向上的范圍可以被描述為層厚度t。
從下到上，tmr傳感器元件100包括反鐵磁釘扎層120和鐵磁被釘扎層130。釘扎層120和被釘扎層130之間的接觸激起一種被稱為交換偏置效應的效應，其使被釘扎層130的磁化在優選方向上對準。換言之，被釘扎層130表現出線性磁通量模式，在圖1中其平行于x方向。tmr傳感器元件100還包括耦合層140。耦合層140可以是反磁性的并且例如包括釕、銥、銅或銅合金以及類似材料。耦合層140在空間上將被釘扎層130和鐵磁性參考層150分開。使用該設置，參考層150的磁化可以對準并且保持處于與被釘扎層130的磁化反平行的方向。tmr傳感器元件100還包括隧道勢壘160，其將參考150與鐵磁性自由層170電絕緣并將它們分開。在一些實施例中，自由層170、參考層150和被釘扎層130可以包括鐵、鈷和鎳，并且在一些其他實施例中包括這些的合金。合金還可以包括非鐵磁材料（例如碳），其中鐵磁材料構成相應層的材料成分的至少50%。例如，各層可以包括鈷鐵（cofe）或鎳鐵（nife）、合金。相比之下，釘扎層120可以包括例如銥、錳、鉑或包括這些的合金。
盡管在操作中或者當耦合到電子電路時，在施加恒定外部磁場的情況下電荷可以以預定數量從隧道勢壘160的一側傳遞到另一側。tmr效應是當外部磁場的方向改變時以通過隧道勢壘的電荷數量的改變來表示自己的一種量子物理現象。該效應可能因為變化的外部磁場引起的自由層170的磁化的方向變化而出現。
在圖1中自由層170是圓形形狀，或者換言之具有圓盤狀結構。該圓盤具有直徑d，其例如可以在幾百nm到10μm的范圍中。圓盤還具有在例如1nm到100或200nm的范圍中的厚度t。假如具有該結構的層可能導致自由層170中的閉合通量磁化模式的自發形成。換言之，自由層170中磁場的
在渦旋配置中具有自由層的磁性xmr傳感器概念可能具有幾乎為零的磁滯，在諸如車輛速度感測或電流感測之類的應用中這一點可能是特別引起興趣的。低磁滯的先決條件可能是存在渦旋態。可描述其中存在渦旋態的狀況的臨界參數是成核場hn(在那里使渦旋成核)和湮滅場han（在那里它再次被破壞）。
圖2描繪示出渦旋特性成核場hn和湮滅場han的單個圓盤形自由層元件的示意性磁滯回路。所繪制的是磁化的歸一化平面內分量（或x分量）mx/ms與外部場（其等同于相應的自旋閥結構的傳感器信號）的對照。在其中，可以將兩個不同的工作范圍區分開。工作范圍a（或渦旋形成范圍210）由成核場hn+和hn-來限定，并且可能不受到磁性經歷的影響，因為可能一直保證渦旋成核。工作范圍b（或渦旋湮滅范圍220）由湮滅場han+和han-來限定，并且只要該范圍不被超過（例如通過以磁場脈沖形式的干擾）渦旋態就可以被保留。換言之，可以通過改變外部磁場來使磁化的平面內分量mx/ms沿著曲線230移位。然而，在渦旋湮滅范圍220之外的事件之后，可能需要“重置”以便通過將外部場強度降低到渦旋形成范圍210內的值來再次形成渦旋結構。在所述事件和渦旋再次形成中間，磁化的平面內分量mx/ms可能遵循磁滯曲線240-1、240-2。
魯棒的傳感器理想情況下可能總是或者至少大部分操作時間以渦旋態來操作。因此，擴展渦旋形成范圍210或者甚至盡可能大地呈遞它可能是合意的。實施例提供一種增大hn的值、由此充分增大基于渦旋態的傳感器的操作范圍的措施。
調整渦旋態傳感器的成核場的一些示例性措施可能與不同材料系統、厚度與直徑比t/d和利用自由層頂上的附加反鐵磁體的零場冷卻過程有關。
理論上（例如微磁學模擬）對于不同材料在成核場中可能存在差異。可能改變的對應材料參數是飽和磁化、交換剛度和晶態各向異性。因為從使能量最小化演化出渦旋態，所以成核場hn可能主要受到雜散場能量和交換能量的影響。因此，交換剛度的增大可能會降低hn，同時飽和磁化的增大可能會增大hn。當將文獻值與模擬結果相比時，例如具有1μm圓盤、20nm厚的成核場hn中的差可能例如對于cofe為大約75oe以及對于nife為-30oe。
自由層圓盤的厚度與直徑比t/d可能對渦旋形成范圍210的寬度有影響。增大的厚度t可能使hn增大并且使直徑d降低。該關系還可以通過測量結果來確認，但是歸因于集成尺寸的限制，可能不能通過使用常規措施來充分利用該效應。對甚至更厚自由層（例如>50nm）的進一步研究可能提供一個選項，然而，問題可能來自于這樣的厚的xmr堆疊的構造。對于gmr，自由層厚度的增大還可能降低磁電阻效應。
其他常規選項可能使用所謂的自由層頂部具有附加的反鐵磁體的“零場冷卻”（zfc）過程。因此可以有可能在反鐵磁體的表面處加上渦旋磁化模式的特征，這可能使成核場移位和/或改進該成核場。然而，xmr堆疊以及其處理的復雜性可能由于該測量而顯著增大。
實施例涉及磁性渦旋傳感器與垂直于感測方向的磁性偏置場的組合，以便改進磁性渦旋態的成核性能。可能在處于偏置場的某一范圍內的實驗條件下展示渦旋成核上的磁性偏置場的促進效果。在實驗數據中，如圖3中所示，可能觀察到歸因于偏置場的存在的成核場的移位。繪制以kω計的電阻與以oe計的外部場的x分量的對照。在其中，示出兩個tmr單元的磁滯回路，每一個都具有t=20nm的厚度和d=2μm的直徑的圓盤形nife自由層。垂直于感測方向施加具有0、10、20和30oe的相應強度的不同偏置場。箭頭310指示對于10oe偏置場的成核場hn的移位。
取決于偏置場強度，可以觀察到不同的明顯移位。關于圖3中回路的正和負分支的成核場的結果得到的對稱性，在這種情況下最佳偏置可能大約為10oe。其他結構可能不會在沒有偏置的情況下示出這樣的非對稱成核路徑，并且在這種情況下可能觀察到歸因于偏置的hn的更多或更少對稱移位。對于小的偏置場（諸如10oe），可能觀察到對由于傳感器應用的成核場的促進影響。
在下文中，解釋為什么成核場中的移位會在存在偏置場的情況下發生。
圖4中示出可比較的自旋閥結構的微磁模擬結果。圖4中繪制的結果示出20nm厚、1μm直徑圓盤的自由層響應。可以觀察到與實驗數據中相同的效應。成核場的移位（如果施加垂直于感測方向（hx）的偏置場的話）以及移位的強度取決于偏置場強度。對于不同成核場的原因可能與不同預渦旋磁化態有聯系。可以在圖2和3中看到，如果施加了偏置場，則自由層圓盤磁化的x分量可能會隨著|hx|的降低而明顯更快地下降。在某種情況下，這可能降低渦旋成核的能量勢壘。
現在轉向圖5，分別示出對于不具有偏置場以及在y方向上具有20oe偏置場的情況下在感測方向上（對應于場的x分量）的不同外部場強的磁化模式。首先，可以觀察到，在沒有偏置的情況下在90oe和40oe之間具有很明顯的c狀態（參見面板a），在其中磁場線遵循字母c的形狀。在某些情況下可能利用偏置跳過該狀態。此外，在具有偏置時c狀態可能具有更明顯的非對稱性。形成平滑通過到s狀態的非對稱形狀，在s狀態中，磁場線遵循字母s的形狀。其次，沒有偏置的情況下的s狀態（參見面板b）更穩定，并且甚至在-5oe處不存在明顯的非對稱性（在這里未示出）。在-10oe處達到渦旋態（參見面板c）。相比之下，在偏置的情況下c狀態被跳過并且在50oe處已經存在非對稱s狀態（參見面板d）。因為當離開飽和時存在的明顯的非對稱性，所以甚至在成核之前后續渦旋態的旋轉的感測是明顯的。渦旋成核在20oe處完成（參見面板e）。本領域技術人員將從圖5認識到，在存在偏置場的情況下，更容易形成s形狀（在渦旋態之前）并且已經具有磁化方向的非對稱分布。
圖6a、b和c圖示具有自由層770的xmr傳感器的操作模式，該自由層具有渦旋形磁流量模式（也與圖5的面板c和e相比較）。如圖6a中所示，如果外部場等于零，則渦旋中心610位于圓盤形自由層770的中心處。在其他實施例中自由層770的形狀可以不同于圓盤形狀。參考層的參考磁化755定向為平行于x方向。下面的解釋期望闡明為什么在自由層770中存在渦旋態的情況下參考磁化755的方向可以充當xmr傳感器的最優感測方向。
如果具有閉合通量圖案或渦旋的磁場位于圓盤形自由層770的中心，則帶有具有平行于參考磁化755的分量的場線的圓盤的第一部分620可以與帶有具有反平行于參考磁化755的分量的場線的圓盤的第二部分630一樣大。換言之，集成在整個圓盤表面上的自由層磁化的凈方向可以等于零。然而，要注意第一和第二圓盤部分620、630可能沒有被截然分開，而是可能寧愿順利地互相穿過，這通過圖6a、b和c中的虛線來指示。
在x方向上外部場640的應用或改變可能導致渦旋中心610在y方向上(或垂直于x)的移位650，這在圖6b中圖示。如果外部場增大到具有與參考磁化755相同的符號的值（或者如果外部場和參考磁化755平行的話），則集成在整個圓盤表面上的自由層磁化的凈方向可能例如變成正的。在圖6b中，該效應與第一部分620的尺寸增長和部分630的尺寸降低相對應。因此，如果外部場降低到具有參考磁化755的相反符號的值，則自由層磁化的凈方向可能例如變成負的。
一些磁電阻效應（例如tmr）利用電阻取決于自由層770中的以及參考層中的磁化的平行或反平行對準。在存在自由層770的渦旋結構的磁化的情況下，電阻可能因此取決于整個自由層770（或第一部分620和第二部分630的尺寸比例）的凈磁化相對于參考磁化755的方向的方向。從對應于圖6a的狀態到對應于圖6b的狀態的過渡可能因此導致包括自由層770的xmr傳感器設備的電阻的顯著變化。
圖6c描繪如果外部場在y方向上（或垂直于參考磁化755）發生變化660則可能出現的結果。其中，在x方向的渦旋移位670可能是結果。如可以從圖6c中看到的，外部場在y方向上的變化660可能留下第一和第二部分620、630的相對尺寸（或相對于反平行分量的累積值的平行場線分量的累積值）不變。因此，自由層770的凈磁化可能保持不變，這進而不會激起xmr傳感器設備的電阻的任何顯著變化。與其符號無關的參考磁化755的方向可能因此被認為是優選感測方向。
在圖7中描繪包括磁電阻結構710的這樣的磁性傳感器設備700的一個實施例。磁電阻結構710可能對應于來自圖1的磁電阻結構110。在下面的示例中不再解釋具有圖1中的相應對應物的部件，然而，將會提及電位差。磁電阻結構710包括具有非閉合通量參考磁化模式的磁性參考層750，其可以被視為均勻、直的或線性場。通過參考磁化755來確定其中的優選感測方向790，并且因此該優選感測方向790平行于x方向。磁電阻結構710還包括被配置成在自由層770中自發地生成閉合通量磁化模式或渦旋775的磁性自由層770。磁性傳感器設備700還包括被配置成在磁性自由層770中生成偏置場的磁性偏置結構780。該偏置場具有垂直于參考磁化755的非零磁性偏置場分量。換言之，偏置場可能具有為零的x分量以及非零的y分量和/或z分量。參考磁化755可能具有非零的x分量以及為零的y分量和/或z分量。在其他實施例中，偏置場具有垂直于參考磁化755的非零平面內分量。換言之，偏置場的y分量可以是非零的，并且z分量可以為零或者可替代地為非零的。
磁性偏置結構780可以例如被實施為包括在圖7中示出的一個實施例的磁電阻結構710中的一個層。可替代地，磁性偏置結構780可能例如被實施在層堆疊（磁電阻結構710）外部，這將在以下實施例的一些中更密切地解釋。
在一些實施例中，偏置場是定向固定的磁場。在一些其他實施例中，偏置場可能遵循磁性自由層770的方向并且垂直于參考磁化模式755。換言之，偏置場的z分量也可能為零，或者偏置場可能與自由層770共面。
磁電阻結構710可能類似于與圖1中的示例對應的交替磁性層和非磁性層的層堆疊。層堆疊從下到上可以包括反鐵磁釘扎層720、磁性被釘扎層730、非磁性耦合層740、參考層750、電絕緣隧道勢壘760和自由層770。磁電阻結構710可能被配置成將tmr效應用于外部磁場的測量，或者可能可替代地被配置成使用另一xmr效應，例如gmr。在一些實施例中，參考層750還可以對應于被釘扎層730或與被釘扎層730相同。
在圖7中，磁電阻結構710被實施為反平行（ap）被釘扎結構，其中被釘扎層730和參考層750被耦合層740分開并且它們的磁矩是反平行的。包括磁電阻結構710的自旋閥傳感器還可以被實施為簡單的被釘扎結構，其包括具有單向磁矩的一個（例如被釘扎層730）或多個鐵磁層（例如被釘扎層730和參考層750）。在ap被釘扎層結構中，釘扎層730和參考層750的磁化可能基本上彼此平衡。因此，ap被釘扎層結構的凈磁化可能對自由層770的靜態平行位置影響不大。一些實施例可能涉及僅具有與自由層770分開的一個鐵磁層（或者換言之，省略參考層750）的磁電阻結構710。然而，與外部場相比其中的磁化可能更不穩定。
包括磁電阻結構710的自旋閥傳感器仍可進一步被分類為單或雙的。單自旋閥傳感器可能僅采用一個被釘扎層并且雙自旋閥傳感器可能采用兩個被釘扎層，例如具有位于其中的自由層結構。在一些其他實施例中，磁電阻結構710可能表示具有被平行或反平行耦合的間隔層分開的三個或更多鐵磁層的硬磁的，或還是多層的參考系統。
盡管以圓盤形狀來描繪圖7中的自由層770，但是可以在不同實施例中實現其他中心對稱的或旋轉對稱的形狀。這樣的形狀可能例如包括橢圓形、三角形、四邊形（正方形、菱形等等）、規則的或軸對稱的六邊形，或其他多邊形（只是提到一些可能性）。此外，甚至可以使用不具有這樣的對稱性的任何其他形狀，例如在一側處被切的不規則多邊形或圓盤。自由層厚度可能例如具有10nm和100nm之間的值，并且其直徑可能具有500nm和5μm之間的值。自由層770的厚度與直徑比t/d可能因此優選地在從1/500到1/5的范圍中。
實施例可能涉及被分成片上和外部解決方案的大量不同技術實現。在圖7中，提出了片上解決方案的一個實施例，在其中磁性偏置結構780包括用以在自由層770中生成交換偏置場的反鐵磁層781。換言之，該實施例可能包括作為自由層770的交換偏置而作用于自由層770的基本上均勻的偏置。可能通過在自由層770的頂上添加附加的反鐵磁層781（例如在如圖7中示出的bsv結構的情況下）并且可選地執行附加的場冷卻過程來實現所述交換偏置。
值得注意的是，自由層770和反鐵磁層781之間的間隙僅僅歸因于圖7的分解圖。在一些實施例中，如果存在某一形式的耦合，則將會觀察到偏置。這樣的耦合可能例如是層間交換耦合，在那里自由層770、釕層、另一鐵磁層和反鐵磁層781按照該順序接觸。耦合可能進一步出現為靜磁耦合，在那里自由層770、非磁性間隔、另一鐵磁層和反鐵磁層781按照該順序接觸。在又一示例中，可以通過直接接觸（導致直接交換偏置）來實現自由層770和反鐵磁層781之間的耦合。
為了闡明在y方向上的單向交換偏置，以長方形形狀來繪制反鐵磁層781。自由層770和頂部反鐵磁體781的結果得到的結構可與被釘扎層730連同底部反鐵磁體720類似。然而，自由層770可能比被釘扎層730更厚，例如厚度達其3倍或5倍或甚至更多倍。在被釘扎層730對應于參考層750的實施例中，自由層770可能相應地超過參考層750的厚度而達到其3倍或5倍或更多倍。例如，可能采用10nm厚的自由層（770）和2nm厚的參考層（750）或被釘扎層（730）。因為交換偏置效應是表面效應，所以自由層770的交換偏置場heb（其可以被描述為單鐵磁層的磁滯曲線歸因于鐵磁-反鐵磁交換耦合的移位）可能因此比被釘扎層730的heb更小得多，甚至對于相同的反鐵磁材料和場冷卻過程也是如此。這可能導致10oe和100oe之間的交換偏置場。例如與irmn組合的30nm厚的nife膜的交換偏置場可能位于該范圍中，并且可以通過改變irmn厚度來調整該交換偏置場。在其他實施例中，參考層（750）可能具有比自由層（770）的結構更大的范圍和/或厚度。此外，甚至參考層（750）可能具有渦旋形的磁化模式。
可以優選地實現垂直于被釘扎層的交換偏置并且也在平面內的自由層770的交換偏置，如圖7中由平行于y方向的箭頭指示的。對于兩種不同的場冷卻過程的實現，可以使用兩個不同的阻塞溫度。在一些實施例中，這可以通過使用兩種不同的反鐵磁材料（諸如例如ptmn和irmn）來實現。還可以通過反鐵磁層781的厚度來調整阻塞溫度和交換偏置場。當來自平行于x方向的飽和時，與均勻交換偏置自由層770有關的實施例可能改進渦旋成核。
在一些實施例中，自由層770的交換偏置可能通過布置在反鐵磁層781和自由層770之間的附加層來調解。附加層可以例如是鐵磁的，并且經歷實際交換偏置效應，從而促成其磁化的定向固定。自由層770可能會受到附加層的磁化的影響。所述磁化可能因此表示偏置場。
在某些替代實施例中，反鐵磁層781被布置成直接鄰近于自由層770。自由層770被布置在反鐵磁層781和參考層750之間。一方面，這可能導致更明顯的交換偏置效應。另一方面，通過增大自由層770的厚度來減輕交換偏置效應。以這種方式，可以根據個體需求來平衡偏置場的值或對其進行優化。反過來，可以更好地利用渦旋穩定性。
對于使用例如12nm的單向交換偏置自由層厚度以及400nm和800nm的圓盤直徑的某些方法，可能沒有觀察到對于偏置方向和外部場的垂直取向的渦旋成核。根據一些實施例，對于較厚的自由層，可以正向移位成核場。此外，對于較小的結構以及偏置場和外部場的平行取向，可以觀察到渦旋成核。對于垂直取向，可以利用磁力顯微鏡來觀察相干旋轉反轉。在一個實施例中，可以通過在沒有外部場的情況下添加溫度處理步驟來使所提議的自由層770的均勻交換偏置與零場冷卻進一步組合。
受益于本公開的本領域技術人員將會認識到，可以使用圖7中沒有明確示出的其他實施例來實現類似的結果。在這些實施例中的一個中，自由層770和反鐵磁層781之間的另一鐵磁層可能經歷交換偏置效應，并且生成相應地影響自由層770的磁化的磁場。在這些實施例中的另一個中，反鐵磁層781被布置在自由層770下面。在這些實施例中的又一個中，偏置場可能具有垂直于參考磁化755的非零分量和平行于參考磁化755的非零分量。換言之，偏置場和參考磁化755之間的角度可能偏離90°例如高達5°、10°、20°或甚至更多的值。
在圖8中示出的一個實施例中，磁性偏置結構780包括電導體782，其被配置成響應于電導體782中的電流810在自由層770中生成與偏置場相對應的磁場820。電導體782可能被實施為導線片上結構，或者換言之連同自由層770一起被集成在共同層堆疊中。再次地，外部磁場的優選感測方向790（相比于圖6a-c）平行于x方向。電導體782可能還被實施為平行于自由層770且在自由層770下方或上方的金屬層。施加電流810可能引起奧斯特場，其具有垂直于外部場或其優選感測方向790、并且在自由層770的位置處主要在平面內的矢量分量。因此，可以改進渦旋態的成核性能。電導體782可能具有條紋的形狀。結果，磁場820穿過自由層770的部分可能具有y方向上的超過z分量的值的矢量分量。在其他實施例中，可以與磁電阻結構分開地安裝電導體782。因此，磁性偏置結構780到預制造的磁電阻傳感器設備上的后續或補充安裝可以是可能的。換言之，該實施例可以被實施為片上解決方案或外部解決方案。本領域技術人員將認識到，超過圖8的范圍之外的其他實現可能產生類似的結果。例如，電導體782可以具有圓柱形形狀，具有平行于參考磁化755的圓柱形軸線。電導體782可能另外或可替代地從磁電阻結構710脫離。可選地，絕緣裝置（例如附加層）可以被布置在電導體782和自由層770之間。
轉向圖9，在一些實施例中，磁性偏置結構780包括被配置成在自由層770中生成偏置場的一個或多個永磁體783或電磁體。磁性偏置結構780中可能存在不必在硅上實施的外部解決方案。圖9中的永磁體783是反偏壓磁體，其以在感測渦旋元件或自由層770的位置處提供具有y分量的雜散場910的這種方式被布置。這可以例如通過使用如圖9中示出的旋轉的永磁體783或電磁體來實現。對于傳感器性能而言，結果得到的雜散場910的z分量的影響是可以忽略不計的。自由層770被安裝在傳感器芯片920上，該傳感器芯片920可以被包括在磁性傳感器設備700或磁電阻結構710中。例如，傳感器芯片920可以對應于磁電阻結構710的層堆疊或其部分。盡管圖9中的永磁體783被布置在自由層770下方，該永磁體783的各磁極中的一個面向具有非零y和z分量的方向，但是已受益于本公開的本領域技術人員將會認識到可以從不同實現獲得類似的結果。例如，在另一實施例中，可以用電磁體來代替永磁體783。此外，永磁體783或電磁體可以被布置在自由層770上方或者部分與自由層770處于共同平面內。永磁體783的磁極可能還面向具有非零y和z分量的方向，或者可選地，具有非零x分量的方向。可以相應地選取或調整雜散場910的強度。
在圖10中示出的另一實施例中，磁性偏置結構780至少包括位于自由層770的相對側上的第一永磁體784和第二永磁體785。與具有一個永磁體的實施例相比，這可能導致偏置場的更為線性的形狀。第一和第二永磁體784、785可能在軟磁性自由層770附近形成硬磁層并且可能產生垂直于感測方向790的雜散場1010。圖10以平面圖示出這樣的結構的示意圖。自由層770以及第一和第二永磁體784、785可以至少部分被布置在共同平面內。粗體箭頭指示第一和第二永磁體784、785的各自取向，它們可以彼此平行。換言之，第一永磁體784的北磁極可以面向第二永磁體785的南磁極，或者反過來。磁性傳感器設備的優選感測方向790再次平行于x軸。第一和第二永磁體784、785的各自磁化還可以平行于y軸并且因此產生改進渦旋成核的雜散場1010。然而，硬磁結構的形狀不限于矩形，在圖10中其僅是示例性的。此外，第一和第二永磁體784、785可以具有與自由層770的厚度相對應的z方向上的厚度，這可以有可能促進作為片上解決方案的實現。在另一實施例中，第一和第二永磁體784、785同樣可以僅被布置在芯片之外或外部。
在上述實施例的一些中，成核場和湮滅場（也與圖2相比，hn和han）可能會受到自由層的直徑與厚度的比d/t的影響。在其他實施例中偏置場強度被調整成使得偏置場強度引起成核場閾值在存在偏置場的情況下比不存在偏置場的情況下大至少5oe（或者更優選地至少10oe）的值。圖11示出對于成核場和湮滅場的直徑與厚度的比d/t與以mt計的磁通量密度之間的關系。三角形對應于湮滅場的測量值，并且十字形對應于厚度t=20nm的自由層中的成核場的測量值。菱形對應于湮滅場的測量值，并且正方形對應于厚度t=10nm的自由層中的成核場的測量值。
為了闡明原因，圖12示出針對不同圓盤直徑的y方向上的偏置場強度繪制的渦旋成核場范圍（相比于圖2中的范圍210）的寬度增大。不連接的正方形類似于d=1.0μm圓盤，用點線連接的正方形類似于d=2.0μm圓盤，用虛線連接的三角形類似于d=2.2μm圓盤，并且用虛線連接的菱形類似于d=2.8μm圓盤。高達60oe的偏置場可能對渦旋成核范圍的寬度具有相當大的影響。然而，在40oe之上，在某些情況下該影響可能下降。對于5oe或10oe的偏置場，該影響可能是最大的。偏置場值的示例性范圍因此可能在1oe和60oe之間，或者甚至在5oe和20oe之間。在某些其他實施例中，偏置場強度是在其處渦旋模式被湮滅的外部磁場的湮滅閾值的最多1/5。
圖13示出根據一個實施例的用于具有磁電阻結構的磁性傳感器設備的方法1100。方法1100包括在磁電阻結構的磁性參考層中提供1110非閉合通量參考磁化模式。方法1100還包括在磁電阻結構的磁性自由層中生成1120偏置場。該偏置場具有垂直于參考磁化模式的非零磁性偏置場分量。可選地，磁性偏置場分量可以是平面內分量。方法1100還包括在磁性自由層中自發地生成1130閉合通量磁化模式。因此在其中自發地生成渦旋態的要被測量的外部磁場值的范圍可以被擴展。在該范圍中，磁滯可能消失，這進而可以增加磁性傳感器設備的可靠性。
這里描述的實施例可能涉及利用基本上均勻的磁性偏置場，并且可能影響磁電阻自旋閥結構中的渦旋成核過程，并且因此可能實現渦旋成核場中的移位。實施例可能對渦旋傳感器的實現有貢獻，其示出與條紋形或橢圓形磁性微結構相比更小的磁滯。在當經由交換偏置實施的均勻偏置以及零場冷卻（zfc）過程之間存在類似性。二者都基于交換偏置效應。然而，對域狀態的影響可能是不同的。此外，這里描述的實施例可能基于交換外部場，它對zfc來說可能不重要。然而，其他實施例可以將這二者組合并且進一步增大和改進成核場移位。例如，可能采用在具有磁場和不具有磁場的情況下不同溫度下的兩個場冷卻過程。
連同先前詳細示例和附圖中的一個或多個一起提到和描述的方面和特征也可以與其他示例中的一個或多個組合，以便代替其他示例的相似特征或者以便將特征另外引入到其他示例。
該描述和附圖僅僅說明本公開的原理。因此將會認識到，本領域技術人員將能夠設想出盡管沒有在這里明確描述或示出但是體現本公開的原理且被包括在其精神和范圍內的各種布置。此外，這里敘述的所有示例主要意圖明確地僅用于教學目的以幫助讀者理解本公開的原理和發明人促進本領域的所貢獻的概念，并且要被解釋為不限于這樣具體敘述的示例和條件。此外，這里敘述本公開的原理、方面和示例的所有陳述以及其具體示例意圖涵蓋其等同物。
要理解，在說明書或權利要求中公開的多個動作、過程、操作、步驟或功能的公開可能不被解釋為處于特定順序，除非例如因為技術原因以其他方式明確或隱含地陳述。因此，多個動作或功能的公開將不會將這些限于特定順序，除非因為技術原因這樣的動作或功能不可互換。此外，在一些示例中，單個動作、功能、過程、操作或步驟可能分別包括或者被分解成多個子動作、子功能、子過程、子操作或子步驟。這些的子動作可能被包括在該單個動作的公開中并且成為其一部分，除非明確排除。
此外，后面的權利要求由此被并入具體實施方式中，在權利要求中每項權利要求可以獨立作為單獨的示例。盡管每項權利要求可以獨立作為單獨的示例，但是要注意，盡管從屬權利要求在權利要求中可以指的是與一個或多個其他權利要求的具體組合，但是其他示例還可能包括從屬權利要求與每個其他從屬或獨立權利要求的主題的組合。在這里明確提出這樣的組合，除非聲明未打算具體的組合。此外，意圖同樣包括任何其他獨立權利要求的權利要求的特征，即使該權利要求沒有直接從屬于該獨立權利要求。
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