一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法，磁场探测器的制备方法包括以下步骤：采用磁控溅射或电子束蒸镀方法，在基片上依次沉积底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，得到多层膜结构；采用紫外曝光和氩离子刻蚀工艺，将得到的多层膜结构加工成一十字形结构。本发明制备得到的磁场探测器包括基片、底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，基片采用十字形结构，底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极依次沉积在基片上，且形状均与基片的形状呈匹配设置；铁磁层由垂直磁化膜构成，非磁性层由反铁磁层或氧化层构成，底电极和顶电极均采用Pt电极。本发明可以广泛应用于磁场探测过程中。
【专利说明】一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种磁场探测器及其制备和使用方法，特别是关于一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法。
【背景技术】
[0002]磁传输测试包括利用AHE (Anomalous Hall effect，反常霍尔效应)，PHE (PlanarHall effect，平面霍尔效应)以及各向异性磁电阻效应等原理探测磁性体系的磁化特征，相应原理的磁传感器可以精确探测磁场的大小和方向，应用于磁存储器、生物传感器、航空航天导航系统和自动控制系统等诸多方面。PHE传感器通常由面内磁化的材料制成，其易获得线性响应，然而PHE传感器尺寸的减小会使其敏感层的磁化状态受热效应和外界磁场影响，导致噪音增加和信号的不稳定性，以及输出信号的减弱。相反，对于热稳定性较好的垂直易磁化的磁学体系，AHE传感器是人们关注的热点，采用AHE传感器对信号进行探测时多集中在垂直于薄膜表面方向，而忽略了三维空间内的其他方向。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法，本发明的制备方法利用垂直交换耦合的磁性薄膜体系，结合AHE和PHE，制备了一种尺寸小、分辨率高、结构简单的磁场探测器，本发明的磁场探测器能够探测三维空间的磁场大小和方向。
[0004]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种基于垂直交换耦合的磁场探测器，其特征在于:它包括基片、底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，所述基片采用十字形结构，所述底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极依次沉积在所述基片上，且所述底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极的形状均与所述基片的形状呈匹配设置；所述铁磁层由垂直磁化膜构成，所述非磁性层由反铁磁层或氧化层构成，所述底电极和顶电极均采用Pt电极。
[0005]构成氧化层的非磁性层的厚度为或0.5nm~1.5nm。
[0006]所述基片采用Si (100)/SiO2普通基片、MgO单晶基片、SrTiO3单晶基片以及铁电基片中的一种，所述铁电基片采用BaTiO3、PZT和PMN-PT中的一种。
[0007]构成所述铁磁层的垂直磁化膜采用垂直磁化的[Co/Pt]n多层膜、[Co/Pd]n多层膜、[Co/Ni]n多层膜和CoFeB中的一种，n=l~10 ;垂直磁化膜采用[Co/Pt]n多层膜时，Co层和Pt层周期重复沉积,各Co层的厚度均为0.3nm~0.8nm,各Pt层的厚度均为0.8nm~1.5nm ;垂直磁化膜采用[Co/Pd]n多层膜时，Co层和Pd层周期重复沉积，各Co层的厚度均为0.3nm~0.8nm,各Pd层的厚度均为0.8nm~1.5nm ;垂直磁化膜采用[Co/Ni]n多层膜时，Co层和Ni层周期重复沉积，各Co层的厚度均为0.3nm~0.8nm，各Ni层的厚度均为
0.8nm~1.5nm ;垂直磁化膜米用CoFeB时，CoFeB的厚度为0.7nm~1.5nm。
[0008]构成所述非磁性层的反铁磁层采用Mn系合金和氧化物反铁磁材料中的一种；Mn系合金采用IrMn、FeMn和PtMn中的一种,氧化物反铁磁材料采用NiO、Cr2O3和Sr2IrO4中的一种。
[0009]一种所述基于垂直交换耦合的磁场探测器的制备方法，其包括以下步骤:1)采用磁控溅射或电子束蒸镀方法，在基片上依次沉积底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，得到多层膜结构；2)采用紫外曝光和氩离子刻蚀工艺，将得到的多层膜结构加工成一十字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500X300 μ m2~1000X600 μ m2,十字形结构中心的交叉重合部分的面积为5X3 μ m2~40X30 μ m2。
[0010]一种所述基于垂直交换耦合的磁场探测器的使用方法，其包括以下步骤:1)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；2)在第一端点与第二端点之间通电流I，在第三端点与第四端点之间测霍尔电阻；转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值RpR2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6，并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向；3)对步骤2)中方向确定的磁场，采用以下步骤确定大小:①将磁场探测器的表面作为xy平面，其中，平行于第一端点与第二端点之间所通电流I的方向为X轴，垂直于电流I的方向为y轴，将与xy平面垂直的方向作为z轴，建立空间坐标系；②将磁场探测器放置在步骤2)中方向确定的磁场中，使X轴平行于该磁场方向，将磁场探测器绕z轴旋转360°，测量并记录磁场探测器绕z轴旋转过程中的霍尔电阻值；根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制一条电阻-角度曲线；③将磁场探测器放置在若干方向和大小已知的磁场中，采用与步骤①和步骤②相同的方法，根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制若干条标准电阻-角度曲线；④将绘制的一条电阻-角度曲线与若干条标准电阻-角度曲线进行比对，找出与绘制的电阻-角度曲线相同的标准电阻-角度曲线，这条标准电阻-角度曲线对应的磁场大小即为该待确定磁场的大小。 [0011]所述步骤3)中，方向和大小已知的磁场其大小范围为0.01kOe~90k0e。
[0012]一种所述基于垂直交换耦合的磁场探测器的使用方法，其包括以下步骤:1)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；2)在第一端点与第二端点之间通电流I，在第三端点与第四端点之间测霍尔电阻；转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值，其中，三个正磁场下的霍尔电阻值凡、R2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向；3)对步骤2)中方向确定的磁场，确定其磁场大小的过程为:将带有铁电基片的磁场探测器置于未知大小的磁场中，让磁场方向垂直于磁场探测器的薄膜表面，在铁电基片上施加-ι?ν~IOV变化的电压，记录第三端点与第四端点之间霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值对应的该垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场的大小。
[0013]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明由于采用磁控溅射或电子束蒸镀方法，在基片上依次沉积底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，得到多层膜结构，并采用紫外曝光和氩离子刻蚀工艺，将得到的多层膜结构加工成一十字形磁场探测器，因此本发明的磁场探测器的制备方法简单、成本低，所制备的多层膜结构的界面清晰、平整且附着力好，具有良好的垂直易磁化特性。2、本发明的磁场探测器由于其尺寸为微米量级，因此本发明可以用于探测狭小空间或精确位置的磁场方向和大小。3、本发明的磁场探测器由于铁磁层采用热稳定较好的垂直磁化膜，因此本发明能够减少热效应对信号的干扰，使测试结果更准确，同时本发明的分辨率高，探测的磁场方向能够精确到0.2°以内。4、由于使用本发明的磁场探测器探测磁场大小时可以通过铁电基片调控垂直磁化体系的矫顽力，因此本发明能够通过施加在铁电基片上不同电压下霍尔电阻的变化精确判断磁场的大小。5、由于采用本发明的磁场探测器探测磁场的过程中，磁场探测器的霍尔信号对磁场的方向非常敏感，因此本发明的磁场探测器能够结合反常霍尔电阻和平面霍尔电阻实现对三维空间内磁场方向和大小的探测。6、本发明的磁场探测器适用于温度范围为2K~400K的环境中磁场方向的判定，在不同温度环境中，本发明的磁场探测器应用于样品腔封闭的小型磁学测量设备时，能够精确判断样品腔中不同位置的磁场大小和方向且使用非常方便。基于以上优点，本发明可以广泛应用于磁场探测过程中。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明磁场探测器的局部结构示意图
[0015]图2是本发明磁场探测器的使用状态示意图
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。 [0017]如图1所示，本发明基于垂直交换耦合的磁场探测器包括基片1、底电极2、铁磁层
3、非磁性层4和顶电极5，基片I采用十字形结构，底电极2、铁磁层3、非磁性层4和顶电极5依次沉积在基片I上，且底电极2、铁磁层3、非磁性层4和顶电极5的形状均与基片I的形状呈匹配设置。其中，铁磁层3由垂直磁化膜构成，非磁性层4由反铁磁层或0.5nm~
1.5nm厚的氧化层构成，底电极2和顶电极5均采用Pt电极。
[0018]上述实施例中，基片I采用Si (100)/SiO2普通基片、MgO单晶基片、SrTiO3 (钛酸锶)单晶基片以及BaTi03、PZT (锆钛酸铅)、PMN-PT (铌镁酸铅-钛酸铅)等铁电基片中的一种。
[0019]上述实施例中，垂直磁化膜采用垂直磁化的[Co/Pt]nS层膜、[Co/Pd]nS层膜、[Co/Ni]nS层膜和厚度为0.7nm~1.5nm的CoFeB中的一种。其中，n=l~10。
[0020]垂直磁化膜采用[Co/Pt]n多层膜时，Co层和Pt层周期重复沉积，各Co层的厚度均为0.3nm~0.8nm,各Pt层的厚度均为0.8nm~1.5nm。
[0021]垂直磁化膜采用[Co/Pd]n多层膜时，Co层和Pd层周期重复沉积，各Co层的厚度均为0.3nm~0.8nm,各Pd层的厚度均为0.8nm~1.5nm。
[0022]垂直磁化膜采用[Co/Ni]n多层膜时，Co层和Ni层周期重复沉积，各Co层的厚度均为0.3nm~0.8nm,各Ni层的厚度均为0.8nm~1.5nm。
[0023]上述实施例中，反铁磁层的厚度为6nm~20nm,反铁磁层采用IrMn、FeMn、PtMn等Mn系合金或NiO、Cr2O3> Sr2IrO4等氧化物反铁磁材料中的一种。
[0024]本发明基于垂直交换耦合的磁场探测器的制备方法，具体包括以下步骤:
[0025]I)采用磁控溅射或电子束蒸镀方法，在基片I上依次沉积底电极2、铁磁层3、非磁性层4和顶电极5，得到多层膜结构。
[0026]2)如图2所示，采用紫外曝光和氩离子刻蚀等工艺，将由步骤I)得到的多层膜结
构加工成--h字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500 X 300 μ m2~1000 X 600 μ m2,十
字形结构中心的交叉重合部分的面积为5X3 μ m2~40X30 μ m2。[0027]如图2所示，将本发明基于垂直交换耦合的磁场探测器的第一~第四端点分别标记为a、b、C、do在第一端点a与第二端点b之间通电流I,在第三端点c与第四端点d之间测霍尔电阻Rllall。
[0028]本发明能够利用垂直交换耦合体系的霍尔信号对磁场大小和方向的敏感性，在温度范围为2K~400K的环境中精确判断磁场的大小和方向。采用本发明的磁场探测器探测磁场的过程中，磁场探测器的霍尔信号对磁场的方向非常敏感。
[0029]当磁场方向垂直于磁场探测器平面时，磁场探测器具有反常霍尔信号，即在正负磁场的作用下，第三端点c与第四端点d之间测得的霍尔电阻具有明显的高低阻态。
[0030]当磁场方向平行于磁场探测器平面时，磁场探测器具有平面霍尔信号，即当所探测磁场大于饱和磁场时，在正负磁场的作用下，第三端点c与第四端点d之间测得的霍尔电阻大小完全相同。
[0031]当磁场方向介于垂直于和平行于磁场探测器平面之间时，磁场探测器具有反常霍尔信号和平面霍尔信号叠加的信号。当磁场方向微小偏离磁场探测器的平面0.2。时，霍尔信号曲线的线型就发生明显变化。
[0032]此外，通过在铁电基片上施加不同的电压，可以改变铁磁层的矫顽力的大小和垂直磁化性能，即改变磁场探测器反常霍尔信号翻转场的大小，从而在方向确定的磁场中，在某一固定磁场下，在铁电基片上施加不同电压，记录霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值所对应的垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场的大小。
[0033]使用本发明基于垂直交换耦合的磁场探测器探测磁场，其具体包括以下步骤:
[0034]I)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；
[0035]2)在第一端点a与第二端点b之间通电流I，在第三端点c与第四端点d之间测霍尔电阻。转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值RpRJPR3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、RJPR6，并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向，其具体包括:
[0036]若R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6,则确定平行于磁场探测器表面的方向为磁场方向。
[0037]若各霍尔电阻值不相同，则记录各霍尔电阻差值的绝对值的平均值k，转动磁场探测器，k值不断改变，当k值变为O时，SP R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6时，停止转动磁场探测器，此时平行于磁场探测器表面的方向确定为磁场方向。
[0038]各霍尔电阻差值的绝对值的平均值k为:
[0039]k = 1/15*(6Σj=16Σ| Ri-Rj|)，
[0040]3)对步骤2)中方向确定的磁场，采用以下两种方法确定磁场大小:
[0041]方法一:
[0042]①如图2所示，将磁场探测器的表面作为xy平面，其中，平行于第一端点a与第二端点b之间所通电流I的方向为X轴，垂直于电流I的方向为I轴，将与xy平面垂直的方向作为z轴，建立空间坐标系。
[0043]②将磁场探测器放置在步骤2)中方向确定的磁场中，使X轴平行于磁场方向，将磁场探测器绕z轴旋转360°，测量并记录磁场探测器绕z轴旋转过程中的霍尔电阻值；根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制一条电阻-角度曲线。[0044]③将磁场探测器放置在若干方向和大小已知的磁场中，采用与步骤①和步骤②相同的方法，根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制若干条标准电阻-角度曲线。方向和大小已知的磁场其大小范围为0.0lkOe?90k0e。
[0045]④将绘制的一条电阻-角度曲线与若干条标准电阻-角度曲线进行比对，找出与绘制的电阻-角度曲线相同的标准电阻-角度曲线，这条标准电阻-角度曲线对应的磁场大小即为该待确定磁场的大小。
[0046]方法二:
[0047]将带有铁电基片的磁场探测器置于未知大小的磁场中，使磁场探测器的薄膜表面与磁场方向垂直，在铁电基片上施加-1OV?IOV变化的电压，记录第三端点C与第四端点d之间霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值对应的该垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场的大小。
[0048]实施例1:制备自下至上依次为Si/Si02/[Pt/Co]2/IrMn/Pt的磁场探测器，其具体包括:
[0049]I)采用磁控溅射方法，在Si/Si02基片I上依次沉积Pt底电极2、[Pt/Co]2铁磁层3、IrMn非磁性层4和Pt顶电极5，得到多层膜结构。
[0050]其中，Si/Si02基片I中SiO2层的厚度为200?400nm。[Pt/Co]2铁磁层2中，Pt层的厚度为Inm, Co层的厚度为0.5nm。IrMn非磁性层3的厚度为6nm?20nm,优选8nm。
[0051]2)采用紫外曝光和氩离子刻蚀等工艺，将多层膜结构加工成一十字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500X300 μ m2?1000X600 μ m2，十字形结构中心的交叉重合部分的面积为5 X 3 μ m2?40 X 30 μ m2。
[0052]如图1所示，在磁场探测器的第一端点a和第二端点b之间通电流，在磁场探测器的第三端点c和第四端点d之间测霍尔电阻RHall。采用以下方法确定磁场方向和大小:
[0053]I)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；
[0054]2)转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值RpR2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向，其具体包括:
[0055]若R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6,则确定平行于磁场探测器表面的方向为磁场方向。
[0056]若各霍尔电阻值不相同，则记录各霍尔电阻差值的绝对值的平均值k，转动磁场探测器，k值不断改变，当k值变为O时，SP R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6时，停止转动磁场探测器，此时平行于磁场探测器表面的方向确定为磁场方向。
[0057]3)对步骤2)中方向确定的磁场，采用以下方法确定磁场大小:
[0058]①如图2所示，将磁场探测器的表面作为xy平面，其中，平行于第一端点a与第二端点b之间所通电流I的方向为X轴，垂直于电流I的方向为I轴，将与xy平面垂直的方向作为z轴，建立空间坐标系。
[0059]②将磁场探测器放置在步骤2)中方向确定的磁场中，使X轴平行于磁场方向，将磁场探测器绕z轴旋转360°，测量并记录磁场探测器绕z轴旋转过程中的霍尔电阻值；根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制一条电阻-角度曲线。
[0060]③将磁场探测器放置在若干方向和大小已知的磁场中，采用与步骤①和步骤②相同的方法，根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制若干条标准电阻-角度曲线。方向和大小已知的磁场其大小范围为0.0lkOe?90k0e。
[0061]④将绘制的一条电阻-角度曲线与若干条标准电阻-角度曲线进行比对，找出与绘制的电阻-角度曲线相同的标准电阻-角度曲线，这条标准电阻-角度曲线对应的磁场大小即为该待确定磁场的大小。
[0062]实施例2:制备自下至上依次为MgO/CoFeB/FeMn/Pt的磁场探测器
[0063]I)采用磁控溅射的方法，在MgO基片I上依次沉积Pt底电极2、CoFeB铁磁层3、FeMn非磁性层4和Pt顶电极5，得到多层膜结构。
[0064]其中，CoFeB铁磁层3为垂直磁化的铁磁层，其厚度为0.7?1.5nm，优选1.2nm。FeMn非磁性层4的厚度为6?20nm,优选10nm。
[0065]2)采用紫外曝光和氩离子刻蚀等工艺，将多层膜结构加工成一十字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500X300 μ m2?1000X600 μ m2，十字形结构中心的交叉重合部分的面积为5 X 3 μ m2?40 X 30 μ m2。
[0066]如图1所示，在磁场探测器的第一端点a和第二端点b之间通电流，在磁场探测器的第三端点c和第四端点d之间测霍尔电阻RHall。采用以下方法确定磁场方向和大小:
[0067]I)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；
[0068]2)转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值RpR2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向，其具体包括:
[0069]若R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6,则确定平行于磁场探测器表面的方向为磁场方向。
[0070]若各霍尔电阻值不相同，则记录各霍尔电阻差值的绝对值的平均值k，转动磁场探测器，k值不断改变，当k值变为O时，SP R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6时，停止转动磁场探测器，此时平行于磁场探测器表面的方向确定为磁场方向。
[0071]3)对步骤2)中方向确定的磁场，采用以下方法确定磁场大小:
[0072]①如图2所示，将磁场探测器的表面作为xy平面，其中，平行于第一端点a与第二端点b之间所通电流I的方向为X轴，垂直于电流I的方向为I轴，将与xy平面垂直的方向作为z轴，建立空间坐标系。
[0073]②将磁场探测器放置在步骤2)中方向确定的磁场中，使X轴平行于磁场方向，将磁场探测器绕z轴旋转360°，测量并记录磁场探测器绕z轴旋转过程中的霍尔电阻值；根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制一条电阻-角度曲线。
[0074]③将磁场探测器放置在若干方向和大小已知的磁场中，采用与步骤①和步骤②相同的方法，根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制若干条标准电阻-角度曲线。方向和大小已知的磁场其大小范围为0.0lkOe?90k0e。
[0075]④将绘制的一条电阻-角度曲线与若干条标准电阻-角度曲线进行比对，找出与绘制的电阻-角度曲线相同的标准电阻-角度曲线，这条标准电阻-角度曲线对应的磁场大小即为该待确定磁场的大小。
[0076]实施例3:制备自下至上依次PZT/CoFeB/MgO/Pt的磁场探测器
[0077]I)采用磁控溅射的方法，在PZT铁电基片I上依次沉积Pt底电极2、CoFeB铁磁层3、MgO非磁性层4和Pt顶电极5，得到多层膜结构。
[0078]其中，CoFeB铁磁层3为垂直磁化的铁磁层，其厚度为0.7?1.5nm，优选lnm。MgO非磁性层4的厚度为0.6?1.2nm,优选0.8nm。
[0079]2)采用紫外曝光和氩离子刻蚀等工艺，将多层膜结构加工成一十字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500X300 μ m2?1000X600 μ m2，十字形结构中心的交叉重合部分的面积为5 X 3 μ m2?40 X 30 μ m2。
[0080]如图1所示，在磁场探测器的第一端点a和第二端点b之间通电流，在磁场探测器的第三端点c和第四端点d之间测霍尔电阻RHall。采用以下方法确定磁场方向和大小:
[0081]I)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；
[0082]2)转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值RpR2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向，其具体包括:
[0083]若R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6,则确定平行于磁场探测器表面的方向为磁场方向。
[0084]若各霍尔电阻值不相同，则记录各霍尔电阻差值的绝对值的平均值k，转动磁场探测器，k值不断改变，当k值变为O时，SP R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6时，停止转动磁场探测器，此时平行于磁场探测器表面的方向确定为磁场方向。
[0085]3)对步骤2)中方向确定的磁场,采用以下方法确定磁场大小:
[0086]将带有PZT铁电基片的磁场探测器置于未知大小的磁场中，使磁场探测器的薄膜表面与磁场方向垂直，在铁电基片上施加-1OV?IOV变化的电压，记录第三端点C与第四端点d之间霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值对应的该垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场的大小。由于铁电调控CoFeB矫顽力变化范围较广，制备的PZT/CoFeB/MgO/Pt磁场探测器可以广泛应用于较大范围磁场大小的探测中。
[0087]实施例4:制备自下至上依次为BaTiO3/[Co/Ni]1(l/Ni0/Pt的磁场探测器
[0088]I)采用电子束蒸镀方法，在BaTiO3铁电基片I上依次沉积Pt底电极2、[Co/Ni]10铁磁层3、NiO非磁性层4和Pt顶电极5，得到多层膜结构。
[0089]其中，[Co/Ni]1(l铁磁层3为垂直磁化的铁磁层，Co层的厚度为0.3nm, Ni层的厚度为0.8nm。NiO非磁性层4的厚度为0.8?1.5nm。
[0090]2)采用紫外曝光和氩离子刻蚀等工艺，将多层膜结构加工成一十字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500X300 μ m2?1000X600 μ m2，十字形结构中心的交叉重合部分的面积为5 X 3 μ m2?40 X 30 μ m2。
[0091]如图1所示，在磁场探测器的第一端点a和第二端点b之间通电流，在磁场探测器的第三端点c和第四端点d之间测霍尔电阻RHall。采用以下方法确定磁场方向和大小:
[0092]I)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中；
[0093]2)转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值RpR2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向，其具体包括:
[0094]若R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6,则确定平行于磁场探测器表面的方向为磁场方向。
[0095]若各霍尔电阻值不相同，则记录各霍尔电阻差值的绝对值的平均值k，转动磁场探测器，k值不断改变，当k值变为O时，SP R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = R6时，停止转动磁场探测器，此时平行于磁场探测器表面的方向确定为磁场方向。
[0096]3)对步骤2)中方向确定的磁场,采用以下方法确定其磁场大小:[0097]将带有BaTiO3铁电基片的探测器置于未知大小的磁场中，使磁场探测器的薄膜表面与磁场方向垂直，在铁电基片上施加-1OV?IOV变化的电压，记录第三端点c与第四端点d之间霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值对应的该垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场的大小。由于铁电调控[Co/Ni]1Q矫顽力变化范围较广，制备的BaTi03/[Co/Ni]1(l/Ni0/Pt磁场探测器可以广泛应用于较大范围磁场大小的探测中。
[0098]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【权利要求】
1.一种基于垂直交换稱合的磁场探测器，其特征在于:它包括基片、底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，所述基片采用十字形结构，所述底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极依次沉积在所述基片上，且所述底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极的形状均与所述基片的形状呈匹配设置；所述铁磁层由垂直磁化膜构成，所述非磁性层由反铁磁层或氧化层构成，所述底电极和顶电极均采用Pt电极。
2.如权利要求1所述的一种基于垂直交换耦合的磁场探测器，其特征在于:构成氧化层的非磁性层的厚度为或0.5nm~1.5nm。
3.如权利要求1或2所述的一种基于垂直交换耦合的磁场探测器，其特征在于:所述基片采用Si (100)/SiO2普通基片、MgO单晶基片、SrTiO3单晶基片以及铁电基片中的一种，所述铁电基片采用BaTi03、PZT和PMN-PT中的一种。
4.如权利要求1或2所述的一种基于垂直交换耦合的磁场探测器，其特征在于:构成所述铁磁层的垂直磁化膜采用垂直磁化的[Co/Pt]nS层膜、[Co/Pd]nS层膜、[Co/Ni]nS层膜和CoFeB中的一种，n=l~10 ； 垂直磁化膜采用[Co/Pt]n多层膜时，Co层和Pt层周期重复沉积，各Co层的厚度均为.0.3nm~0.8nm,各Pt层的厚度均为0.8nm~1.5nm ； 垂直磁化膜采用[Co/Pd]n多层膜时，Co层和Pd层周期重复沉积，各Co层的厚度均为.0.3nm~0.8nm,各Pd层的厚度均为0.8nm~1.5nm ； 垂直磁化膜采用[Co/Ni]n多层膜时，Co层和Ni层周期重复沉积，各Co层的厚度均为.0.3nm~0.8nm,各Ni层的厚度均为0.8nm~1.5nm ； 垂直磁化膜采用CoFeB时，CoFeB的厚度为0.7nm~1.5nm。
5.如权利要求1或2所述的一种基于垂直交换稱合的磁场探测器,其特征在于:构成所述非磁性层的反铁磁层采用Mn系合金和氧化物反铁磁材料中的一种；Mn系合金采用IrMruFeMn和PtMn中的一种,氧化物反铁磁材料采用NiO、Cr2O3和Sr2IrO4中的一种。
6.—种如权利要求1~5任一项所述基于垂直交换稱合的磁场探测器的制备方法,其包括以下步骤: .1)采用磁控溅射或电子束蒸镀方法，在基片上依次沉积底电极、铁磁层、非磁性层和顶电极，得到多层膜结构； . 2)采用紫外曝光和氩离子刻蚀工艺，将得到的多层膜结构加工成一十字形结构，十字形结构所在矩形的面积为500X300 μ m2~1000X600 μ m2，十字形结构中心的交叉重合部分的面积为5 X 3 μ m2~40 X 30 μ m2。
7.—种如权利要求1~6任一项所述基于垂直交换稱合的磁场探测器的使用方法,其包括以下步骤: .1)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中； . 2)在第一端点与第二端点之间通电流I，在第三端点与第四端点之间测霍尔电阻；转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的电阻值。其中，三个正磁场下的霍尔电阻值％、R2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向； .3)对步骤2)中方向确定的磁场,采用以下步骤确定大小: ①将磁场探测器的表面作为xy平面，其中，平行于第一端点与第二端点之间所通电流I的方向为X轴，垂直于电流I的方向为y轴，将与Xy平面垂直的方向作为z轴，建立空间坐标系； ②将磁场探测器放置在步骤2)中方向确定的磁场中，使X轴平行于该磁场方向，将磁场探测器绕z轴旋转360°，测量并记录磁场探测器绕z轴旋转过程中的霍尔电阻值；根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制一条电阻-角度曲线； ③将磁场探测器放置在若干方向和大小已知的磁场中，采用与步骤①和步骤②相同的方法，根据磁场探测器绕z轴旋转的角度和测量得到的霍尔电阻值，绘制若干条标准电阻-角度曲线； ④将绘制的一条电阻-角度曲线与若干条标准电阻-角度曲线进行比对，找出与绘制的电阻-角度曲线相同的标准电阻-角度曲线，这条标准电阻-角度曲线对应的磁场大小即为该待确定磁场的大小。
8.如权利要求7所述基于垂直交换耦合的磁场探测器的使用方法，其特征在于:所述步骤3)中，方向和大小已知的磁场其大小范围为0.01kOe~90k0e。
9.一种如权利要求1~8任一项所述基于垂直交换耦合的磁场探测器的使用方法，其包括以下步骤: 1)将磁场探测器置于方向和大小均未知的磁场中； 2)在第一端点与第二端点之间通电流I，在第三端点与第四端点之间测霍尔电阻；转动磁场探测器，在某一角度下分别读取任意六个不同磁场大小下的霍尔电阻值，其中，三个正磁场下的霍尔电阻值％、R2和R3;三个负磁场下的霍尔电阻值R4、R5和R6,并根据各霍尔电阻值之间的关系确定磁场方向； 3)对步骤2)中方向确定的磁场，确定其磁场大小的过程为: 将带有铁电基片的磁场探测器置于未知大小的磁场中，让磁场方向垂直于磁场探测器的薄膜表面，在铁电基片上施加-1OV~IOV变化的电压，记录第三端点与第四端点之间霍尔电阻发生转变时的电压值，此时的电压值对应的该垂直交换耦合体系的矫顽力即为磁场的大小。
【文档编号】H01L43/00GK103904211SQ201410148982
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】宋成, 王钰言, 潘峰 申请人:清华大学