适于多温况对交变磁场快速响应的隧穿磁电阻磁敏传感器

本发明总体上涉及磁敏传感器领域，更特别地，涉及一种适于多温况环境并且对交变磁场具有快速响应能力的基于隧穿磁电阻(tmr)的磁敏传感器，以及包括这样的磁敏传感器的电子设备。

背景技术：

1、近年来，随着科技的不断发展，传感器技术也得到了飞速的进步。工业自动化、机械制造、航空航天、生物医药等各个领域对于磁敏传感器的需求也越来越高。因此，磁敏传感器正在逐渐向宽带宽、高精度、快速响应等方向发展。磁敏传感器可分为基于霍尔效应的磁传感器、基于各向异性磁电阻(amr)的磁传感器、基于巨磁电阻(gmr)效应的传感器、以及基于隧穿磁电阻(tmr)效应的传感器等。传统的霍尔传感器和各向异性磁电阻(amr)传感器已经不能满足人们的需求。在基于巨磁电阻(gmr)效应和隧穿磁电阻(tmr)效应的传感器中，由于tmr磁敏传感器能够提供更大的感测信号幅度，因而更加受到人们的关注。

2、磁敏传感器可通过感应磁场强度来测量电流、位置等物理参数，因此在智能电网中有很大的应用潜力。例如，tmr磁敏传感器形成的微型电流传感器可应用于电网中微弱电流、高精度交直流、电能表计、远距离输电漏电检测等场景。而且，tmr磁敏传感器所具备的ghz带宽和快速响应特性与智能电网的需求不谋而合。不过，由于智能电网的架设环境复杂，例如可能处于各种不同的温况环境，而且在常用的高压交流输电领域一般产生的是交变磁场，因此要求tmr磁敏传感器提出了更高的要求。例如，要求tmr磁敏传感器能够在不同的温况环境下提供稳定、准确的感测信号，并且要求tmr磁敏传感器能够对交变磁场作出快速响应。

技术实现思路

1、本发明的一个方面提供一种磁敏传感器，包括串联连接在惠斯通电桥的第一臂中的第一磁性隧道结和第三磁性隧道结，以及串联连接在惠斯通电桥的第二臂中的第二磁性隧道结和第四磁性隧道结，第一磁性隧道结和第四磁性隧道结的参考磁层的磁化方向设置为沿第一方向，第二磁性隧道结和第三磁性隧道结的参考磁层的磁化方向设置为沿与第一方向相反的第二方向，惠斯通电桥的两端用于接收输入电压，第一磁性隧道结和第三磁性隧道结之间的第一节点与第二磁性隧道结和第四磁性隧道结之间的第二节点用于提供输出电压。

2、在一实施例中，第一磁性隧道结、第二磁性隧道结、第三磁性隧道结和第四磁性隧道结中的每个包括：第一钉扎层；形成在所述第一钉扎层上的参考磁层，所述参考磁层的磁化方向被所述第一钉扎层固定；形成在所述参考磁层上的势垒层；形成在所述势垒层上的自由磁层，所述自由磁层的磁化方向响应于外磁场是可旋转的；形成在所述自由磁层上的阻挡层；以及形成在所述阻挡层上的第二钉扎层，所述第二钉扎层将所述自由磁层的磁化方向偏置为在没有外磁场时垂直于所述参考磁层的磁化方向。

3、在一实施例中，所述参考磁层包括：形成在所述第一钉扎层上的第一铁磁层；形成在所述第一铁磁层上的耦合层；以及形成在所述耦合层上的第二铁磁层，其中，所述耦合层使所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的磁化方向反平行耦合。

4、在一实施例中，所述自由磁层包括：形成在所述势垒层上的第三铁磁层；以及形成在所述第三铁磁层上的第四铁磁层，其中，所述第三铁磁层由第一材料形成，所述第四铁磁层由第二材料形成，所述第一材料比所述第二材料具有更高的自旋极化率，所述第二材料比所述第一材料具有更低的饱和磁场。

5、在一实施例中，所述阻挡层由非磁金属材料形成，用于阻挡所述第二钉扎层中的元素扩散到所述自由磁层中，并且用于调节所述第二钉扎层对所述自由磁层的磁矩的钉扎强度。

6、在一实施例中，所述阻挡层具有0.5-10nm范围内的厚度。

7、在一实施例中，所述阻挡层具有0.8-5nm范围内的厚度。

8、在一实施例中，所述第一钉扎层由第一反铁磁材料形成，所述第二钉扎层由第二反铁磁材料形成，所述第一反铁磁材料和所述第二反铁磁材料具有不同的奈尔温度。

9、在一实施例中，所述第一反铁磁材料具有比所述第二反铁磁材料更高的奈尔温度。

10、在一实施例中，所述第一反铁磁材料具有比所述第二反铁磁材料更低的奈尔温度。

11、本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。

技术特征：

1.一种磁敏传感器，包括串联连接在惠斯通电桥的第一臂中的第一磁性隧道结和第三磁性隧道结，以及串联连接在惠斯通电桥的第二臂中的第二磁性隧道结和第四磁性隧道结，第一磁性隧道结和第四磁性隧道结的参考磁层的磁化方向设置为沿第一方向，第二磁性隧道结和第三磁性隧道结的参考磁层的磁化方向设置为沿与第一方向相反的第二方向，惠斯通电桥的两端用于接收输入电压，第一磁性隧道结和第三磁性隧道结之间的第一节点与第二磁性隧道结和第四磁性隧道结之间的第二节点用于提供输出电压。

2.如权利要求1所述的磁敏传感器，其中，第一磁性隧道结、第二磁性隧道结、第三磁性隧道结和第四磁性隧道结中的每个包括：

3.如权利要求2所述的磁敏传感器，其中，所述参考磁层包括：

4.如权利要求2所述的磁敏传感器，其中，所述自由磁层包括：

5.如权利要求2所述的磁敏传感器，其中，所述阻挡层由非磁金属材料形成，用于阻挡所述第二钉扎层中的元素扩散到所述自由磁层中，并且用于调节所述第二钉扎层对所述自由磁层的磁矩的钉扎强度。

6.如权利要求5所述的磁敏传感器，其中，所述阻挡层具有0.5-10nm范围内的厚度。

7.如权利要求6所述的磁敏传感器，其中，所述阻挡层具有0.8-5nm范围内的厚度。

8.如权利要求2所述的磁敏传感器，其中，所述第一钉扎层由第一反铁磁材料形成，所述第二钉扎层由第二反铁磁材料形成，所述第一反铁磁材料和所述第二反铁磁材料具有不同的奈尔温度。

9.如权利要求8所述的磁敏传感器，其中，所述第一反铁磁材料具有比所述第二反铁磁材料更高的奈尔温度。

10.如权利要求8所述的磁敏传感器，其中，所述第一反铁磁材料具有比所述第二反铁磁材料更低的奈尔温度。

技术总结
本发明涉及适于多温况对交变磁场快速响应的隧穿磁电阻磁敏传感器。一种磁敏传感器可包括串联连接在惠斯通电桥的第一臂中的第一磁性隧道结和第三磁性隧道结，以及串联连接在惠斯通电桥的第二臂中的第二磁性隧道结和第四磁性隧道结。第一磁性隧道结和第四磁性隧道结的参考磁层的磁化方向可以设置为沿第一方向，第二磁性隧道结和第三磁性隧道结的参考磁层的磁化方向可以设置为沿与第一方向相反的第二方向。惠斯通电桥的两端用于接收输入电压，第一磁性隧道结和第三磁性隧道结之间的第一节点与第二磁性隧道结和第四磁性隧道结之间的第二节点用于提供输出电压。

技术研发人员：韩秀峰,陈鹏,黄辉,魏红祥,丰家峰,田文锋,邓辉,司文荣,江安烽
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8