磁场感测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明关于一种磁场感测装置及方法，特别是关于一种磁穿隧接面感测器及利用磁穿隧接面感测磁场的方法。
【背景技术】
[0002]现有技术的利用磁穿隧接面的磁场感测器，分为测量水平方向与垂直方向外部磁场的两种结构，分别如图1(a)、(b)所示。图1(a)、(b)中的磁场感测器均包含一参考层(亦称固定层(pinned layer)) 110、一间隔层(spacer) 120、一感测层(sensing layer,亦称自由层(free layer)) 130,且在无外部磁场时参考层110与感测层130的磁化方向均为互相垂直。以M表示感测层130的磁化向量。为了测量水平方向(XZ-平面)的外部磁场Hext,图1(a)中的磁场感测器的参考层110的磁化向量Mp的方向为水平方向(图中的X轴方向)，感测层130的易磁化轴(easy axis) 140在y (垂直坐标轴)方向。外部磁场Hrart在平行⑵与反平行(AP)组态之间将M推离易磁化轴140，产生穿隧磁阻(TMR)输出信号，通过Mp的帮助读出。为了测量垂直方向的外部磁场Hrart，图1(b)中的磁场感测器的参考层110的磁化向量Mp的方向为y方向，感测层130的易磁化轴150在x方向。垂直方向的外部磁场Hrait同样在平行⑵与反平行(AP)组态之间将M推离易磁化轴150，产生TMR输出信号，通过Mp的帮助读出。由于测量同一磁场的水平分量与垂直分量需要两种不同的结构，使用起来很不方便。
[0003]本发明的目的在于提供一种磁场感测装置及方法，可以用同一种结构测出水平与垂直方向的外部磁场，使用上就方便多了。
【发明内容】
[0004]本发明的一构想在于提供一种磁场感测器，该感测器包含一固定层，其具有一第一磁化方向；一分析层，其具有一第二磁化方向，其中该第一及该第二磁化方向两者间呈一角度；以及一磁性感测层，其在该分析层与该固定层之间。
[0005]根据上述构想，该磁场感测器还包括一第一间隔层与一第二间隔层，其中该第一间隔层在该固定层与该磁性感测层之间，该第二间隔层在该磁性感测层与该分析层之间，其中该磁性感测层具有一易磁化轴。对该磁场感测器施加自旋极化电流(spin-polarizedcurrent),其电流密度为j，当j为O时,该易磁化轴在一垂直方向，该垂直方向与该第一磁化方向及该第二磁化方向所决定的平面垂直，当j不为O时，该易磁化轴受到自旋极化电流的自旋矩转移(spin-torque transfer)效应而偏离垂直方向，并且随着j的改变，在该第二磁化方向与该垂直方向所决定的平面上改变该易磁化轴与该垂直方向之间的角度。当j为O时，可以测量水平方向的磁场；当j不为0，该易磁化轴偏离该垂直方向时可以测量垂直方向的磁场。根据上述构想，其中该固定层、该磁性感测层、该分析层为金属的磁性层。
[0006]根据上述构想，其中该第一间隔层、该第二间隔层为非磁性层，其为金属或氧化材料。
[0007]根据上述构想，其中该固定层与该分析层中的磁化方向由相邻的钉扎层所固定。
[0008]根据上述构想，其中该钉扎层为反铁磁层。
[0009]本发明的另一构想在于提供一种磁场感测器，该感测器包含:一固定层，其具有一第一磁化方向；一分析层，其具有一第二磁化方向；以及一感测层，其设在该分析层与该固定层之间，并具一易磁化轴，其中该第二磁化方向与该易磁化轴两者间呈一角度。
[0010]本发明的另一构想在于提供一种磁场感测装置，该感测装置包含:一磁场感测器，其用以测量一水平平面上的磁场大小及方向以及一垂直方向的磁场大小；以及一电流大小改变装置，该装置连接于该磁场感测器，使该电流大小改变装置在一第一工作状态时，令该磁场感测器在该水平平面上测量，而在一第二工作状态时，令该磁场感测器在该垂直方向上测量。
[0011]根据上述构想，其中该磁场感测器的磁性感测层具有一易磁化轴，该电流大小改变装置提供一直流电流流经该磁场感测器，当该电流流经固定层后变为自旋极化电流，该电流大小改变装置在该第一工作状态时，该电流为零，该易磁化轴在该垂直方向，而该电流大小改变装置在该第二工作状态时，该电流不为零，该易磁化轴根据该电流大小，在一第一水平方向与该垂直方向所决定的平面上与该垂直方向之间呈一特定角度。
[0012]根据上述构想，该磁场感测器还包含:一分析层，其具有在该第一水平方向的一第一磁化方向；以及一固定层，其具有一第二磁化方向，其中该第一及该第二磁化方向两者间呈一角度。
[0013]本发明的另一构想在于提供一种感测磁场的方法，包含:提供一固定层，其具有一第一磁化方向；提供一分析层，其具有一第二磁化方向，其中该第一及该第二磁化方向两者间呈一角度；以及提供一磁性感测层，其在该分析层与该固定层之间。
[0014]本发明的另一构想在于提供一种感测磁场的方法，包含:提供一固定层，其具有一第一磁化方向；提供一分析层，其具有一第二磁化方向；以及提供一感测层，其设在该分析层与该固定层之间，并具一易磁化轴，其中该第二磁化方向与该易磁化轴两者间呈一角度。
[0015]本发明的另一构想在于提供一种感测磁场的方法，包含:提供一种磁场感测装置，其包含:一磁场感测器，用以测量一水平平面上的磁场大小及方向以及一垂直方向的磁场大小；以及一电流大小改变装置，该装置连接于该磁场感测器，使该电流大小改变装置在一第一工作状态时，令该磁场感测器在该水平平面上测量，而在一第二工作状态时，令该磁场感测器在该垂直方向上测量。
[0016]因此本发明提供一种磁场感测装置及方法，可以用同一种结构测出水平与垂直方向的外部磁场，使用上十分方便。
[0017]本发明通过下列附图及详细说明，以令读者更深入了解。
【附图说明】
[0018]图1(a)与(b)是现有技术的利用磁穿隧接面的磁场感测器，分为测量水平方向与垂直方向外部磁场的两种结构，分别如图1(a)、(b)所示；
[0019]图2是本发明的一种磁场感测器的一优选实施例；
[0020]图3显示本发明的一种磁场感测器的磁性感测层厚度为1.59nm时，其易磁化轴的角度随着自旋极化电流密度j所造成等效力矩强度a」的改变而改变的情形；
[0021]图4为本发明的一种磁场感测器的穿隧磁阻TMR与垂直方向外部磁场的关系图；
[0022]图5为该磁场感测器的非线性(nonlinearity)度百分比与垂直方向外部磁场H丄的大小的关系图。
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文将结合附图对本发明技术方案作进一步详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
[0024]请参阅图2所示，其为本发明的一种磁场感测器200的一优选实施例。该磁场感测器200包含一固定层210、一第一间隔层220、一磁性感测层230、一第二间隔层240以及一分析层250，其中该固定层210的磁化方向为z方向(一水平方向)，而该分析层250的磁化方向与该固定层210的磁化方向在水平平面上呈一角度，优选地，该角度为90°，如图2中该分析层250的磁化方向为X方向。该固定层210与该分析层250的磁化方向基本上是固定的，不随外部磁场改变。
[0025]该磁场感测器200可使用一电流大小改变装置，该装置连接于该磁场感测器，该电流大小改变装置具有两种工作状态，在第一工作状态时，该磁场感测器可测量水平平面上的磁场大小及方向，在第二工作状态时，该磁场感测器可测量垂直方向的磁场。优选地，该电流大小改变装置提供一直流电流流经该磁场感测器，当该直流电流流经固定层后变为一自旋极化电流。该自旋极化电流密度为j，在第一工作状态时j为0，该磁性感测层230的易磁化轴在y方向(垂直方向，与水平面呈90° )，可以测量水平方向的磁场H j。在第二工作状态时j不为0，该磁性感测层230的易磁化轴随着j的改变在xy_平面上转动(改变角度)，其角度与水平面夹角不为90°时可以测量垂直方向的磁场Hi。外部磁场将该磁性感测层230的磁化向量推离易磁化轴时，该磁性感测层230的磁化向量与该分析层250的磁化方向间的夹角Θ随着外部磁场的大小变化，使得穿隧磁阻TMR改变。
[0026]图3显示该磁性感测层230的厚度为1.59nm时,其易磁化轴(easy axis)的角度随着j所造成等效力矩强度a」的改变而改变的情形。其变化相对于y轴是对称的，且最大的易磁化轴角度与该磁性感测层230的厚度有关。在图3的实施例里，最大的易磁化轴角度约为120°，而易磁化轴角度改变的范围从约90°到约120°。自旋极化电流密度j的方向可以相反，磁场感测器的特性相同。
[0027]可靠的磁场感测器，尤其是测量地球磁场的感测器，在小磁场时需要有高灵敏度、线性响应与免于磁滞的特性。图4为该磁场感测器的穿隧磁阻TMR与垂直方向外部磁场的关系图，其中无磁滞现象。图中显示两个不同的自旋极化电流造成的不同a]时该磁场感测器的穿隧磁阻随着Hi的改变而改变的情形，其斜率代表该磁场感测器测量垂直方向外部磁场时的灵敏度。通常自旋极化电流密度较高时灵敏度较高。
[0028]图5为两个不同的自旋极化电流造成的不同时该磁场感测器的非线性(nonlinearity)度百分比与垂直方向外部磁场Hi的大小的关系图。通常认为磁场感测器的非线性度百分比在正负1%以内是可容忍的范围。由图中可知自旋极化电流密度较小时该磁场感测器的响应可能比较接近线性。因此必须在灵敏度与线性度间求取平衡，但本发明的构想对垂直方向外部磁场可以达成合理的磁场感测器。而当自旋极化电流为零时，该磁性感测层230的易磁化轴为垂直方向，测量水平方向的磁场时可以得到线性的TMR输出信号。
[0029]因此，本发明提供了一种磁场感测装置及感测磁场的方法，可以用同一种结构测出水平与垂直方向的外部磁场。关掉自旋极化电流，可以测量水平方向的磁场，施加自旋极化电流，则可以测量垂直方向的磁场，十分便利。
[0030]优选地，该固定层、该磁性感测层、该分析层为金属的磁性层。该第一间隔层、该第二间隔层为非磁性层，优选地，其为金属或氧化材料，例如氧化镁或氧化铝。金属可以允许电流传导，但非金属材料可使该磁场感测器的灵敏度较高，不过非金属层必须很薄，电流才能通过。
[0031]优选地，该固定层、该磁性感测层与该分析层的厚度不同。该