第二磁性层的易磁 化方向保持垂直。注意到Hcl，此时，磁敏传感单元ij的第一磁性层与第二磁性 层构成的单势皇磁性隧道结在给定的工作电流Ιου下的电压MRVij12i或磁电阻MRij12i可由 P1·312和P"22读出，其反映出磁敏传感单元ij所处空间处Y方向磁场的大小和方向，进而对 于整个集成三维磁敏传感器阵列可得到集成三维磁敏传感器阵列所覆盖范围内的磁场Y方 向分布；同理，磁敏传感单元ij的第二磁性层与第三磁性层构成的单势皇磁性隧道结在给 定的工作电流Ιοζ下的电压MRVij23i或磁电阻MRij23i，可由第ij个磁敏传感单元的Pij22和 P^32读出，其反映出磁敏传感单元ij所处空间处Z方向磁场的大小和方向，进而对于整个集 成三维磁敏传感器阵列可得到集成三维磁敏传感器阵列所覆盖范围内的磁场Z方向分布。
[0166] 应该说明的是，此处提出的各个实施例是为了更好地解释本发明的实际应用，并 使得本技术领域的熟练人员可以利用本发明。但是本领域的一般熟练人员可以理解，上面 的描述和实施例仅仅是为了说明而举的例子。本发明的核心内容包括:提供一种基于隧穿 磁电阻效应和电压调控垂直磁各向异性薄膜易磁化方向的用于集成三维磁敏传感器的复 合纳米磁性薄膜结构、基于上述复合纳米磁性薄膜结构制备集成三维磁敏传感单元及其阵 列以及利用上述集成三维磁敏传感单元、三维磁敏传感器及其阵列测定空间三维(X，Y，Z) 磁场的方法;其核心设计原理是:利用垂直磁各向异性薄膜易磁化轴方向受电场调制效应、 形状各向异性人工调制垂直磁各向异性薄膜的易磁化轴方向，同时利用直接和间接钉扎控 制面内磁化薄膜的磁各向异性，以及磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应。
【主权项】
1. 一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； 其特征在于，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； 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； 所述第一磁性层具有面内磁化矫顽力He1，第二磁性层具有垂直磁化矫顽力HC21;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:Hcl6HC21〉HC36HC2"。2. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，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。3. 根据权利要求2所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第二磁性层俯视截面长 轴与短轴比值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。4. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，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。5. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述第一磁性层、第三磁性 层为单一铁磁层构成，或， 所述第一磁性层、第三磁性层为铁磁层、反铁磁层和非磁层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； 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/W/AFM或者插入复合层FM/NM/FM/AFM;所 述的人工反铁磁复合结构是指FM/NM/FM。6. 根据权利要求5所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述反铁磁材料为PtMn、 1-11、？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(：〇0、附0、(> 203、 BiFe03 或者BiFexCoi-x〇3; 所述反铁磁材料的厚度为3~30nm; 所述具有反铁磁性的氧化物的厚度为2~50nm。7.根据权利要求5所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述非磁金属为Cu、Cr、V、 他、]?〇、1?11、？(1、13、1、？丨^8^11或其合金，厚度为0.2~1〇11111。8. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，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。9. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，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。10.根据权利要求9所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，铁磁性金属合金为CoFe、 NiFe、CoFeB、CoFeBSi、NiFeCrSNiFeCrSi; 所述半金属材料为CoFeAl、CoMnAl、CoMnGe或CoMnGa。11. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，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， 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； 所述复合多层薄膜结构是指[Ii/I〇]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。12. 根据权利要求11所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述无机绝缘材料为AlOi、 MgO、Mgi-jZnjO、MgjAl2/3(i-」)0、1^1';[〇3、厶]^、1&2〇5、211〇、21'〇2、]^〇2、1';[〇2及3;[〇2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〇.5~5nm;其中，0〈i〈3/2， 〇〈j〈l; 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~lOOnm; 所述多层或颗粒复合薄膜结构绝缘层薄膜厚度为lnm~lOOnm。13. 根据权利要求1所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，所述纳米磁性薄膜结构还 包括基片、缓冲层以及覆盖层； 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； 所述覆盖层位于第三磁性层之上。14. 根据权利要求13所述的纳米磁性薄膜结构，其特征在于，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; 所述缓冲层为了3、1?11、(：11、0、411、48及?1:中的一种或几种； 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; 所述覆盖层为41、18、1?11、(：11、0、411、48及?1: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； 所述基片为无机衬底或有机衬底;所述衬底的厚度为〇. 1~1mm; 所述无机衬底为玻璃衬底、Si衬底、Si/Si02衬底或SiC衬底； 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。15. -种三维磁敏传感单元，其特征在于，包含如权利要求1至15任一项所述的纳米磁 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。16. 如权利要求15所述的三维磁敏传感单元，其特征在于，所述三维磁敏传感单元还包 括桥式或半桥式外围电路。17. -种三维磁敏传感阵列，其特征在于，包含2个以上如权利要求15或16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。18. -种如权利要求1至14任一项所述的纳米磁性薄膜结构的使用方法，将空间分为X、 Y、Z三个方向，其中，X、Y方向共面正交，Z与X、Y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，第三磁性层的易磁化 方向为X方向；其特征在于， 测量X方向时，在第二磁性层与第一磁性层之间施加一反向电压，使得第二磁性层易磁 化方向转变为薄膜面内并与Y方向相同；通过在第三磁性层与第二磁性层之间接通给定电 流，测量第二磁性层与第三磁性层之间的磁电阻，进而得出X方向磁场大小及方向； 测量Y方向时，通过在第一磁性层与第二磁性层之间接通给定电流，测量第一磁性层与 第二磁性层之间的磁电阻;进而得出Y方向磁场大小及方向； 测量Z方向时，通过在第二磁性层与第三磁性层之间接通给定电流，测量第二磁性层与 第三磁性层之间的磁电阻;进而得出Z方向磁场大小及方向。19. 一种纳米磁性薄膜结构的制作方法，其特征在于， 在清洁后的基片上依次沉积缓冲层、第一磁性层、第一绝缘层、第二磁性层、第二绝缘 层、第三磁性层和覆盖层； 其中沉积第一磁性层时施加面内诱导磁场Hdepl'沉积第三磁性层时施加加面内诱导 磁场ΜθρβΖΖjdep]/与ΜθρβΖΖ的磁场方向在面内相互正交;沉积第二磁性层时施加诱导磁 场HdepS'HdepS1的方向垂直于面内； 控制所述第二磁性层生长为俯视截面长轴与短轴的比值为r>l的形状； 所述第一磁性层、第二磁性层及第三磁性层分别设置有两个电极。20. 如权利19所述的纳米磁性薄膜结构制作方法，其特征在于， 所述第一磁性层、第三磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构;待第一磁性层和/或第 三磁性层薄膜生长结束后在高于其中反铁磁(AFM)材料的奈尔温度(TN)下施加与沉积时的 面内诱导磁场方向一致的外磁场Ha退火实现钉扎。
【专利摘要】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。本发明提供的纳米磁性薄膜结构及三维磁敏传感单元或三维磁敏传感器，采用单一结构一次沉积成膜，仅一次微纳米图形加工就可获得集成三维磁敏传感单元和磁敏传感器，不仅具有加工简单、成本低的优点还大大提高了三维磁性传感器的集成度、器件稳定性和重复性，显著优于现有三维磁敏传感器的技术。
【IPC分类】H01L43/08, H01L43/12, H01L27/22, H01L43/02
【公开号】CN105449096
【申请号】CN201510791648
【发明人】余天, 张兆伟, 徐延浩, 申康琦, 辛晨, 刘雨果, 潘锐, 向钢, 张析
【申请人】四川大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月17日