磁性薄膜结构及其制造、使用方法和磁敏传感单元、阵列的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于磁敏传感器制造领域。具体本发明涉及磁性薄膜结构及其制造、使用 方法和磁敏传感单元、阵列。
【背景技术】
[0002] 基于磁电阻效应(Magnetoresistance，MR)的磁敏传感器主要通过以下几种物理 原理实现：（1)利用材料，特别是半导体材料的霍尔(Hall)磁电阻，（2)利用磁性材料的各向 异性磁电阻(AnisotropyMagnetoresistance，AMR)效应，（3)以及利用近几年新兴发展起 来的巨磁电阻效应（GiantMagnetoresistance，GMR)和隧穿磁电阻效应（Tunnel Magnetoresistance，TMR)等。其中基于磁性金属自旋阀和磁性隧道结的巨磁电阻效应和隧 穿磁电阻效应的磁敏传感器具有磁电阻效应显著、灵敏度高、探测范围宽、抗辐射、稳定性 好和加工集成度高的优点。
[0003] 在现有技术中，三维(X，Y，Z)磁敏传感器通常由三个独立的磁敏传感单元构成，每 个磁敏传感单元只能探测一个维度方向的磁场，其对每个传感器的一致性要求很高。这种 将具有不同探测敏感方向的磁敏传感单元组合在一起实现三维磁敏探测的方法加工复杂、 集成度低，成本较高，得到的三维传感器体积大、集成度差、稳定性和重复性差，而且制成的 三维磁敏传感器的稳定性和一致性也较难得到保证。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中进行三维磁场测量需采用多个磁敏传感器的 不足，提供一种通过改进结构，可实现通过一个传感器结构即可测量三维空间内各个方向 的磁场强度的测量。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0005] -种纳米磁性薄膜结构，依次包括:第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝 缘层和第三磁性层；
[0006] 所述第一磁性层和第三磁性层具有自发面内磁各向异性，同时所述第一磁性层和 所述第三磁性层的易磁化方向相互正交；
[0007] 所述第二磁性层具有自发垂直磁各向异性，同时，所述第二磁性层可根据施加于 其上的电压的变化实现易磁化方向在垂直膜面和膜面内的转变；
[0008] 所述第一磁性层具有面内磁化矫顽力HclL第二磁性层具有垂直磁化矫顽力Hc2 '第三磁性层具有面内磁化矫顽力HC3'所述第二磁性层易磁化方向转为面内时具有面内 磁化矫顽力Hc2〃 ；其满足关系:He1 〃〃>Hc2"。
[0009] 进一步的，当第二磁性层易磁化方向在电压调控下处于面内时，其面内易磁化轴 由薄膜的形状各向异性控制。
[0010] 进一步的，所述第二磁性层俯视截面长轴与短轴的比值r>l;所述长轴的方向与所 述第一磁性层的易磁化方向相同。这样，当所述第二磁性层受到反向电压时(该反向电压施 加在在第二磁性层与第一磁性层之间；通过将第二磁性层接一电源负极，第一磁性层接该 电源正极实现），所述第二磁性层的易磁化方向会从垂直于薄膜表面变为沿薄膜面内长轴 方向。
[0011]进一步的，所述第二磁性层俯视截面形状为矩形或椭圆形;所述矩形或椭圆形的 长轴方向与所述第一磁性层的易磁化方向相同。
[0012] 进一步的，所述第一磁性层和所述第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构， 所述第一磁性层和第三磁性层的面内易磁化方向为生长时施加诱导磁场和/或生长完毕后 在诱导磁场下退火的方式控制实现。
[0013] 进一步的，所述第一磁性层、第三磁性层为单一铁磁层构成，或，
[0014] 所述第一磁性层、第三磁性层为铁磁层(FM)、反铁磁层(AFM)和非磁层(匪)构成的 直接钉扎结构、间接钉扎结构或人工反铁磁复合结构；
[0015] 所述直接钉扎是指反铁磁层直接和铁磁层接触FM/AFM;所述的间接钉扎是指在反 铁磁层和铁磁层之间插一层很薄的非磁性金属层FM/匪/AFM或者插入复合层FM/匪/FM/ AFM;所述的人工反铁磁复合结构是指FM/NM/FM。
[0016]优选的，所述反铁磁材料为？丨1]1、1洲11、？6111、附111、或者具有反铁磁性的氧化物 ； 所述具有反铁磁性氧化物为C〇0、NiO、Cr2〇3、BiFe03或者BiFexC〇1-x〇3;
[0017]所述反铁磁材料的厚度为3~30nm;
[0018]所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为2~50nm。
[0019] 优选的，所述非磁金属为&1、0、￥、恥、1〇、此、？(1、了&、1、？丨^8^11或其合金，厚度为 0·2~10nm〇
[0020] 进一步的，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层根据其磁各向异性需求厚 度为0.2~20nm。
[0021] 优选的，所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层的材料为Co、Fe、Ni或者铁磁 性金属合金材料，或者半金属材料。
[0022]优选的，铁磁性金属合金为CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeBSi、NiFeCrSNiFeCrSi;
[0023]所述半金属材料为CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。
[0024] 进一步的，所述第一绝缘层和第二绝缘层，为单一的无机绝缘材料或有机绝缘材 料构成;或，
[0025]所述第一绝缘层和第二绝缘层为无机绝缘材料和有机绝缘材料构成的多层或颗 粒复合薄膜结构；
[0026] 所述复合多层薄膜结构是指[Ii/I0]n/Ii(lSn$10);所述复合颗粒薄膜结构是 指无机氧化物纳米颗粒均匀分散于有机基质或有机绝缘材料颗粒均匀分散于无机基质中 形成的复合颗粒薄膜。
[0027]优选的，所述无机绝缘材料为A10i、Mg0、Mgl-jZnjOJgjAlwi-j)0、BaTi03、AlN、 Ta2〇5、ZnO、Zr02、Hf02、Ti02及Si02中的一种或几种;单一无机绝缘材料构成第一绝缘层或第 二绝缘层时层厚度为0.5~5nm;其中，0〈i〈3/2,0〈j〈l;
[0028] 所述有机绝缘材料为聚酰亚胺、聚酰胺、聚西弗碱及聚砜中的一种或几种，单一有 机绝缘材料构成第一绝缘层或第二绝缘层时层厚度为3nm~lOOnrn;
[0029]所述多层或颗粒复合薄膜结构绝缘层薄膜厚度为lnm~100nm〇
[0030]所述纳米磁性薄膜结构还包括基片、缓冲层以及覆盖层；
[0031] 所述缓冲层位于基片之上，所述第一磁性层位于缓冲层之上；
[0032] 所述覆盖层位于第三磁性层之上。
[0033] 进一步的，所述缓冲层为电阻较大且与衬底紧密接触的金属材料，所述的缓冲层 厚度为3~50nm〇
[0034] 优选的，所述缓冲层为18、1?11、(：11、0、411、48及?1:中的一种或几种。
[0035]所述覆盖层为不易被氧化和腐蚀且导电性较好的金属层，用于保护结构不被氧化 和腐蚀;所述覆盖层的厚度为1~100nm〇
[0036] 优选的，所述覆盖层为Al、Ta、Ru、Cu、Cr、Au、Ag及Pt中的一种或几种;所述覆盖层 为上述金属的单层薄膜，或者为上述金属的多层薄膜；
[0037]所述基片为无机衬底或有机衬底;所述衬底的厚度为0.1~1mm。
[0038] 优选的，所述无机衬底为玻璃衬底、Si衬底、Si/Si02衬底或SiC衬底；
[0039]所述有机衬底为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、据对苯二甲酸二醇酯、聚酰亚胺或聚 碳酸酯；
[0040]本发明还提供一种三维磁敏传感单元，包含如上所述的纳米磁性薄膜结构；同时， 所述纳米磁性薄膜结构中的第一磁性层连接有第一磁性层第一电极P11及第一磁性层第二 电极P12;所述第二磁性层连接有第二磁性层第一电极P21及第二磁性层第二电极P22;所述 第三磁性层连接有第三磁性层第一电极P31及第三磁性层第二电极P32;
[0041 ]进一步的，所述三维磁敏传感单元还可包括桥式或半桥式外围电路。
[0042] 进一步的，所述第一磁性层第一电极P11通过第三开关S3与第二Y方向电阻RY2的 一端连接;所述第二Y方向电阻?4的另一端与所述三维磁敏传感单元的Py输入端连接;所 述第一磁性层第二电极P12通过第一开关S1与反向电源V#的正极连接;所述反向电源V#的 负极与所述第二磁性层第二电极P22连接；
[0043]所述第二磁性层第一电极P21与所述三维磁敏传感单元的P2输入口连接;所述第 二磁性层第一电极P21还依次通过第二开关S2、第三Y方向电阻RY3、第四Y方向电阻RY4、第六 开关S6与所述三维磁敏传感单元的Py输入端连接;同时，所述第二磁性层第一电极P21还依 次通过第四开关S4、第三X方向电阻Rx3、第四X方向电阻Rx4、第二X方向电阻Rx2与所述第三 磁性层第一电极P31连接；
[0044] 所述第三磁性层第一电极P31还同时依次通过第二Z方向电阻Rz2、第四Z方向电阻 Rz4、第五开关S5、第三Z方向电阻Rz3与第二开关S2及第三Y方向电阻RY3之间连接；
[0045]所述第三X方向电阻Rx3与第四X方向电阻Rx4连接的一端和所述第三磁性层第一电 极P31之间留有第三测量接口；
[0046]所述第三Y方向电阻RY3与第四Y方向电阻RY4连接的一端和第二Y方向电阻RY2与第 三开关S3连接的一端之间留有第一测量接口；
[0047]所述第四Z方向电阻Rz4与第五开关S5连接的一端和第二Z方向电阻Rz2与第三磁性 层第一电极P31连接的一端之间留有第二测量接口；
[0048] 所述第四Z方向电阻Rz4与所述第二Z方向电阻Rz2连接的一端还同时与所述三维磁 敏传感单元的Pz输入端连接；
[0049]所述第四X方向电阻Rx4与所述第二X方向电阻Rx2连接的一端还同时与所述三维磁 敏传感单元的Ρχ输入端连接。
[0050] 本发明同时提供一种三维磁敏传感阵列，所述三维磁敏传感阵列包含2个以上如 上所述的三维磁敏传感单元;所述2个以上的三维磁敏传感单元按阵列方式排列。
[0051] 本发明同时提供一种如上所述的纳米磁性薄膜结构的使用方法，将空间分为X、Y、 Ζ三个方向，其中，Χ、Υ方向共面正交，Ζ与Χ、Υ所在平面垂直;所述纳米磁性薄膜结构的第一 磁性层的易磁化方向为Υ方向，第二磁性层的易磁化方向为Ζ方向，第三磁性