CN102135605B - 薄膜磁传感器及其制造方法 - Google Patents

薄膜磁传感器及其制造方法 Download PDF

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CN102135605B CN201110025835.9A CN201110025835A CN102135605B CN 102135605 B CN102135605 B CN 102135605B CN 201110025835 A CN201110025835 A CN 201110025835A CN 102135605 B CN102135605 B CN 102135605B
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Abstract

本发明提供一种薄膜磁传感器，包括：具有巨磁阻效应的巨磁阻膜以及薄膜磁轭，每一个薄膜磁轭均由软磁性材料构成并且与巨磁阻膜的两端电连接；其中每一个薄膜磁轭均包括外磁轭和内磁轭，所述外磁轭由第一软磁性材料构成并且设置在相对于巨磁阻膜的外侧；所述内磁轭由第二软磁性材料构成并且设置在巨磁阻膜和外磁轭之间；第一软磁性材料由结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料构成；该薄膜磁传感器通过如下方式获得：(1)依次形成各个外磁轭、巨磁阻膜和各个内磁轭，以及(2)在形成巨磁阻膜之前进行热处理以改善各个外磁轭的软磁特性；各个内磁轭的长度L2均满足下式(a)和式(b)：L2/t1≥1(a)；L2×100/(L1+L2)≤50(b)，其中，t1为各个外磁轭的厚度，L1为各个外磁轭的长度。

Description

薄膜磁传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及薄膜磁传感器及其制造方法，更具体而言，本发明涉及这样的薄膜磁传感器及其制造方法，所述薄膜磁传感器适用于：检测汽车车轴、旋转编码器、工业用齿轮等的旋转信息；检测液压缸/气压缸的行程位置(stroke position)、机床滑轨等的位置-速度信息；检测工业用焊接机器人的电弧电流等的电流信息、地磁方位罗盘等。
背景技术
磁传感器是一种电子器件，其用于通过磁场将诸如电磁力(例如，电流、电压、电力、磁场或磁通量)、力学量(例如，位置、速度、加速度、位移、距离、张力、压力、扭矩、温度或湿度)或生物化学量等检测量转化为电压。根据检测磁场方法的不同，磁传感器分为霍尔传感器、各向异性磁阻传感器(本文也可以称为AMR传感器)、巨磁阻传感器(本文也可称为GMR传感器)等。
在这些传感器中，GMR传感器具有如下优点：
(1)与AMR传感器相比，GMR传感器的电阻率的变化率(即，MR比值＝Δρ/ρ0(Δρ＝ρH-ρ0，其中ρH为外部磁场为H时的电阻率，ρ0为外部磁场为0时的电阻率))的最大值极大。
(2)与霍尔传感器相比，GMR传感器的电阻率值的温度变化较小；以及
(3)GMR传感器适于微型化，这是因为具有巨磁阻效应(下文中也可称为GMR效应)的材料作为薄膜材料。因此，预期可将GMR传感器用作电脑、电力设备、汽车、家电设备、便携式设备等中使用的高灵敏度微型磁传感器。
已知表现出GMR效应的材料包括：由具有铁磁层(例如，坡莫合金层)和非磁性层(例如，Cu层、Ag层或Au层)的多层膜构成的人工金属晶格，或者由具有四层结构(所谓的“自旋阀”)的多层膜构成的人工金属晶格，所述四层结构包括反铁磁层、铁磁层(固定层)、非磁性层和铁磁层(自由层)；金属-金属类纳米颗粒材料，这种材料包含由铁磁金属(例如，坡莫合金)构成的纳米尺寸微粒以及由非磁性金属(例如，Cu、Ag或Au)构成的晶界相；隧道结薄膜，其通过自旋相关隧道效应而形成MR效应(磁阻效应)；以及金属-绝缘体类纳米颗粒材料，其包含由铁磁性金属合金构成的纳米尺寸微粒以及由非磁性绝缘材料构成的晶界相。
在这些材料中，以自旋阀为代表的多层膜通常具有这样的特点，即它们在低磁场中具有高灵敏度。然而，多层膜的稳定性较差且产率较低，并且由于需要以较高的精度将由多种材料构成的薄膜层压在一起，因此对制造成本的控制受到限制。所以，这种类型的多层膜仅被用于具有高附加值的器件(例如，用于硬盘的磁头)，并且认为难以将这种多层膜用于需要与单价较低的AMR传感器或霍尔传感器进行价格竞争的磁传感器。另外，由于多层膜的各层之间容易发生扩散，并且GMR效应易于消失，因此这种多层膜存在耐热性差的严重缺陷。
另一方面，纳米颗粒材料通常易于制造，并且具有良好的再现性。因此，在将纳米颗粒材料应用于磁传感器时，可降低磁传感器的成本。特别是，金属-绝缘体类纳米颗粒材料具有如下优点：
(1)在室温下，当金属-绝缘体类纳米颗粒材料的组成经过优化时，其显示出超过10％的高MR比值；
(2)金属-绝缘体类纳米颗粒材料具有突出的高电阻率ρ，因此可同时实现磁传感器的微型化和低耗电量；以及
(3)与含有耐热性较差的反铁磁薄膜的自旋阀薄膜不同，金属-绝缘体类纳米颗粒材料即使在高温环境中也可使用。然而，金属-绝缘体类纳米颗粒材料存在这样的问题，即其磁场灵敏度在低磁场中极低。因此，在这种情况中，在巨磁阻薄膜(下文中也可称为GMR薄膜)的两端设置由软磁性材料构成的磁轭，以增加GMR薄膜的磁场灵敏度。
迄今为止，有各种提案已经提出了其中在GMR薄膜的两端设置由软磁性材料构成的磁轭的薄膜磁传感器、及其制造方法。
例如，专利文献JP-A-2004-363157披露了一种制造薄膜磁传感器的方法，该方法包括：(1)在基底的表面上形成凸起；(2)在凸起的两端形成薄膜磁轭；以及(3)在凸起的前端面以及与之相邻的薄膜磁轭的表面上形成GMR膜。该文献中记载了如下内容：借助于该方法，(a)可在间隙的整个长度方向上形成厚度均匀的GMR膜；以及(b)薄膜磁传感器的电特性和磁特性得以稳定。
另外，专利文献JP-A-2006-351563披露了一种薄膜磁传感器，其中在GMR膜和基底之间形成有阻隔层。
该文献记载了如下内容：当在GMR膜和基底之间设置阻隔层时，退火后，因退火而导致的GMR膜的电阻R的变化率以及磁阻的变化率的改变与仅设置有GMR膜时的情况大致相当。
此外，专利文献JP-A-2003-78187披露了这样的薄膜磁传感器，其中在GMR膜的两端形成有软磁性薄膜，并且在该软磁性薄膜的底面还形成有硬磁性薄膜。
该文献记载了如下内容：当通过利用硬磁性薄膜从而将偏磁场施加于软磁性薄膜上时，可同时检测出外部磁场的大小和极性。
发明内容
对于其中在GMR膜的两端设置有薄膜磁轭的磁传感器，为了使GMR膜与薄膜磁轭之间获得良好的电接触和磁接触，优选首先形成GMR膜，随后形成薄膜磁轭。此外，对于这种磁传感器而言，传感器的灵敏度主要由薄膜磁轭的形状和磁特性决定。用于薄膜磁轭的软磁性材料大致分为无定形材料和结晶材料或微结晶材料。
在这些材料中，无定形材料的特征在于：仅通过在室温下形成膜即可获得所需性能，而无需进行用以改善软磁特性的热处理。然而，在安装磁传感器时，多数情况下，在回流焊接等的过程中，传感器会暴露在高温(通常为约250℃)下。另外，根据磁传感器用途的不同，有时会在约100℃下长时间地使用该磁传感器。因此，利用无定形材料的磁传感器存在这样的问题：生产或使用过程中由于加热而使无定形材料发生结晶化，由此使磁滞增加。
另一方面，当将结晶材料或微结晶材料用作薄膜磁轭的材料时，可解决这一问题。然而，为了获得良好的软磁特性(例如高磁导率和低矫顽磁力)，结晶或微结晶软磁性膜通常需要在高温下进行热处理。因此，当依次形成GMR膜和薄膜磁轭时，用以改善薄膜磁轭的软磁特性的热处理会使GMR膜发生破裂，从而导致不能获得正常传感器的问题。例如，当GMR膜由纳米颗粒材料构成时，由于高温热处理使得电阻率ρ大幅增加，并且MR比值显著降低。
本发明要解决的问题是提供这样一种薄膜磁传感器及其制造方法，其中所述薄膜磁传感器在GMR膜和薄膜磁轭之间具有良好的电接触和磁接触。
此外，本发明要解决的另一问题是提供这样一种薄膜磁传感器及其制造方法，其中即使这种薄膜磁传感器在生产或使用过程中暴露在高温下，其磁滞的增加幅度也较小。
此外，本发明要解决的又一问题是提供这样一种薄膜磁传感器及其制造方法，其中即使是GMR膜由纳米颗粒材料构成，这种薄膜磁传感器的灵敏度降低幅度也较小，并且磁滞的增加幅度也较小。
即，本发明提供如下内容。
1.一种薄膜磁传感器，包括：
具有巨磁阻效应的巨磁阻膜，以及
薄膜磁轭，每一个所述薄膜磁轭均包含软磁性材料，并且与所述巨磁阻膜的两端电连接，
其中每一个所述薄膜磁轭均包括外磁轭和内磁轭，所述外磁轭包含第一软磁性材料，并且设置在相对于所述巨磁阻膜的外侧；所述内磁轭包含第二软磁性材料，并且设置在所述巨磁阻膜和所述外磁轭之间；
其中所述第一软磁性材料包含结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料；
其中所述薄膜磁传感器是通过如下方式获得的：(1)依次形成各个所述外磁轭、所述巨磁阻膜和各个所述内磁轭，以及(2)在形成所述巨磁阻膜之前，进行热处理以改善各个所述外磁轭的软磁特性；并且
其中各个所述内磁轭的长度L2均满足下式(a)和式(b)：
L2/t1≥1           (a)
L2×100/(L1+L2)≤50(b)
其中，t1为各个所述外磁轭的厚度，L1为各个所述外磁轭的长度。
2.根据项1所述的薄膜磁传感器，其中各个所述内磁轭的长度L2满足下式(b’)：
L2×100/(L1+L2)≤20(b’)。
3.根据项1或2所述的薄膜磁传感器，其中所述第一软磁性材料包含选自由如下材料所构成的组中的至少一种：
(A)40％-90％Ni-Fe合金、Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6、Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8、Fe83Hf6C11、Fe85Zr10B5合金、Fe93Si3N4合金和Fe71B11N18合金；
(B)40％-90％Ni-Fe合金/SiO2多层膜；
(C)Fe71.3Nd9.6O19.1纳米颗粒合金、Co70Al10O20纳米颗粒合金和Co65Fe5Al10O20纳米颗粒合金；以及
(D)Co35Fe35Mg10F20纳米颗粒合金。
4.根据项1至3中任意一项所述的薄膜磁传感器，其中所述第二软磁性材料包含无定形软磁性材料。
5.一种制造薄膜磁传感器的方法，该薄膜磁传感器包括具有巨磁阻效应的巨磁阻膜以及薄膜磁轭，每一个所述薄膜磁轭均包含软磁性材料，并且与所述巨磁阻膜的两端电连接，该方法包括：
(1)在基底的表面上形成均包含第一软磁性材料的一对外磁轭，使得各个内磁轭的长度L2均满足下式(a)和式(b)的关系：
L2/t1≥1           (a)
L2×100/(L1+L2)≤50(b)
其中，t1为各个所述外磁轭的厚度，L1为各个所述外磁轭的长度，并且
所述第一软磁性材料包含结晶性或微结晶性软磁性材料；
(2)加热所述外磁轭，以改善所述外磁轭的软磁特性；
(3)在所述的一对外磁轭之间形成巨磁阻膜；以及
(4)在各个所述外磁轭和所述巨磁阻膜之间形成均包含第二软磁性材料的所述内磁轭。
6.根据项5所述的制造薄膜磁传感器的方法，其中各个所述内磁轭的长度L2还满足下式(b’)：
L2×100/(L1+L2)≤20(b’)。
当将各薄膜磁轭沿着磁敏感方向分为外磁轭和内磁轭这两部分，并且依次形成外磁轭、GMR膜和内磁轭时，可在GMR膜和各薄膜磁轭之间获得良好的电接触和磁接触。
此外，当将结晶性或微结晶性软磁性材料(第一软磁性材料)用作外磁轭材料，并且在外磁轭形成后、GMR膜形成前对外磁轭进行热处理时，薄膜磁轭的软磁特性能够得以增强，而不会使GMR膜破裂。另外，即使在生产或使用过程中将磁传感器暴露于高温下，也不会发生磁滞的增加。
附图简要说明
图1为示出根据本发明一个实施方案的薄膜磁传感器的平面图。
图2为示出根据本发明的薄膜磁传感器的制造方法的流程图。
图3为示出薄膜磁传感器的常规制造方法的流程图。
图4A和4B为示出了具有由无定形材料构成的薄膜磁轭的常规薄膜磁传感器在高温加热之前(图4A)和在加热之后(图4B)的MR特性的一个例子的图。
图5为示出磁滞量ΔHmax的定义的示意图。
参考标号说明
10：薄膜磁传感器
12：GMR膜
14a、14b：薄膜磁轭
16a、16b：外磁轭
18a、18b：内磁轭
本发明的最佳实施方式
下面将对本发明的一个实施方案进行说明。
1.薄膜磁传感器
图1中示出了根据本发明的薄膜磁传感器的平面图。参见图1，薄膜磁传感器10包括具有巨磁阻效应的GMR膜12、以及薄膜磁轭14a和14b，所述薄膜磁轭14a和14b由软磁性材料构成并且与GMR膜12的两端电连接。在这一方面，尽管没有特别的限定，但是本发明薄膜磁传感器的厚度通常为100μm以下，优选为10μm以下，更优选为2μm以下。
1.1GMR膜
1.1.1材料
GMR膜12用于随着电阻R的变化来感应外磁场的变化，结果，随着电压的变化来检测外磁场的变化；GMR膜12由具有巨磁阻(GMR)效应的材料构成。为了以高灵敏度检测出外磁场的变化，GMR膜的MR比值的绝对值优选较大。具体而言，GMR膜12的MR比值的绝对值优选为5％以上，更优选为10％以上。
此外，GMR膜12直接与薄膜磁轭14a和14b电连接，因此将其电阻率ρ高于薄膜磁轭14a和14b的电阻率的GMR膜用作GMR膜12。一般而言，当GMR膜12的电阻率ρ过低时，由于会在薄膜磁轭14a和14b之间发生短路，因此是不利的。另一方面，当GMR膜12的电阻率ρ过高时，则噪音增加，并且难以随着电压的改变而检测出外磁场的改变。具体而言，GMR膜12的电阻率ρ优选为103μΩcm至1012μΩcm，更优选为104μΩcm至1011μΩcm。
尽管满足这些条件的材料包括多种材料，但是在这些材料中，上述金属-绝缘体类纳米颗粒材料尤其是适合的。金属-绝缘体类纳米颗粒材料不仅具有高的MR比值以及高的电阻率ρ，并且其MR比值不会随微小的组成改变而产生大的波动。因此，金属-绝缘体类纳米颗粒材料的优点在于：可以以良好的再现性和低成本制造出具有稳定的磁特性的薄膜。
具体而言，用于GMR膜12的金属-绝缘体类纳米颗粒材料包括：
(1)氧化物类纳米颗粒合金，如Co-Y2O3类纳米颗粒合金、Co-Al2O3类纳米颗粒合金、Co-Sm2O3类纳米颗粒合金、Co-Dy2O3类纳米颗粒合金和FeCo-Y2O3类纳米颗粒合金；以及
(2)氟化物类纳米颗粒合金，如Fe-MgF2、FeCo-MgF2、Fe-CaF2和FeCo-AlF3。
1.1.2形状和尺寸
对GMR膜12的形状和尺寸没有特别限定，可根据是否能获得所需磁场灵敏度来确定。一般而言，电阻值与电阻元件的长度成正比，并且与电阻元件的横截面积成反比。因此，可通过增加GRM膜12的长度LG、减小其厚度(图1中与纸面垂直方向上的长度)、或者缩短其侧向宽度W，从而提高GMR膜12的电阻R。通过提高电阻R，可降低设备的耗电量。然而，当GMR膜12的电阻R过高时，对于某些情况中的放大器，可能会出现阻抗故障。
1.2薄膜磁轭
1.2.1构造
薄膜磁轭14a和14b通过间隙而彼此相对，并且GMR膜12在间隙中或者在间隙附近处与薄膜磁轭电连接。
本文所使用的术语“在间隙附近处”表示受到薄膜磁轭14a和14b的前端所产生的磁场放大效应影响的区域。薄膜磁轭14a和14b之间所形成的磁场在间隙内是最大的，因此最优选在间隙内形成GMR膜12。然而，这意味着当作用于GMR膜12上的磁场实际上足够大时，GMR膜也可完全或部分地超出该间隙(例如，GMR膜可位于薄膜磁轭14a和14b的上表面侧或下表面侧)。
在图1所示的例子中，薄膜磁轭14a包括设置在相对于GMR膜12的外部(位于外侧)的外磁轭16a、以及设置在GMR膜12与外磁轭16a之间的内磁轭18a，其中外磁轭16a包含第一软磁性材料，内磁轭18a包含第二软磁性材料。此外，薄膜磁轭14b包括设置在相对于GMR膜12的外部(位于外侧)的外磁轭16b、以及设置在GMR膜12与外磁轭16b之间的内磁轭18b，其中外磁轭16b包含第一软磁性材料，内磁轭18b包含第二软磁性材料。也就是说，薄膜磁轭14a和14b各自在磁敏感方向上被分为两部分。在这一点上，本发明的薄膜磁传感器与常规的磁传感器是不同的。
顺带提及，术语“磁敏感方向”是指当GMR膜12的磁场灵敏度最大化时，外磁场的施加方向。
1.2.2.材料
薄膜磁轭14a和14b用以改善GMR膜12的磁场灵敏度，并且包含软磁性材料。为了针对弱磁场获得高磁场灵敏度，优选的是将具有高磁导率μ和/或高饱和磁化强度Ms的材料用于薄膜磁轭14a和14b。具体而言，该材料的磁导率μ优选为100以上，更优选为1,000以上。此外，饱和磁化强度Ms优选为5(k高斯)以上、更优选为10(k高斯)以上。
在本发明中，薄膜磁轭14a和14b各自在磁敏感方向上被分为两部分，因此除了上述条件外，用于薄膜磁轭14a和14b的材料还需满足如下条件。
1.2.2.1.用于外磁轭的材料
构成外磁轭16a和16b的第一软磁性材料包括结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料。当使用结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料时，通常不会在薄膜形成后立即获得良好的软磁特性(例如，磁导率低，并且矫顽磁力高)。为了改善软磁特性，需要在膜形成之后进行热处理。另一方面，当在某一临界温度或更高温度下对GMR膜12进行加热时，GMR膜12的MR特性会发生劣化。用以改善结晶性或微结晶性软磁性材料的热处理温度通常高于GMR膜12的特性开始发生劣化时的临界温度。
因此，如下文将说明的那样，通过以下方式获得本发明的薄膜磁传感器10：(1)依次形成外磁轭16a和16b、GMR膜12以及内磁轭18a和18b，以及(2)在形成GMR膜12之前，进行热处理以改善外磁轭16a和16b的软磁特性。
第一软磁性材料的具体优选例子包括：
(A)40％-90％Ni-Fe合金，Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6、Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8、Fe83Hf6C11、Fe85Zr10B5合金、Fe93Si3N4合金和Fe71B11N18合金；
(B)40％-90％Ni-Fe合金/SiO2多层膜；
(C)Fe71.3Nd9.6O19.1纳米颗粒合金、Co70Al10O20纳米颗粒合金和Co65Fe5Al10O20纳米颗粒合金；以及
(D)Co35Fe35Mg10F20纳米颗粒合金。
外磁轭16a和16b可包含这些材料中的任意一种或两种以上。
1.2.2.2.用于内磁轭的材料
对构成内磁轭18a和18b的第二软磁性材料没有特别限制，并且可为结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料、或者无定形软磁性材料。
第二软磁性材料的优选具体例子包括：
(A)40％-90％Ni-Fe合金，Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6、Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8、Fe83Hf6C11、Fe85Zr10B5合金、Fe93Si3N4合金和Fe71B11N18合金；
(B)40％-90％Ni-Fe合金/SiO2多层膜；
(C)Fe71.3Nd9.6O19.1纳米颗粒合金、Co70Al10O20纳米颗粒合金和Co65Fe5Al10O20纳米颗粒合金；
(D)Co35Fe35Mg10F20纳米颗粒合金；以及
(E)(Co94Fe6)70Si15B15无定形合金和Co88Nb6Zr6无定形合金。
内磁轭18a和18b可包含这些材料中的任意一种或两种以上。
在这些材料中，诸如(Co94Fe6)70Si15B15或Co88Nb6Zr6之类的无定形软磁性材料适合作为构成内磁轭18a和18b的材料，这是因为仅通过在室温下形成膜即可获得高的特性。
1.2.3.形状和尺寸
各个内磁轭18a和18b的长度L2需要满足下式(a)和式(b)：
L2/t1≥1    (a)
L2×100/(L1+L2)≤50    (b)
其中，t1为各个外磁轭16a和16b的厚度，L1为各个外磁轭16a和16b的长度。
在这一方面，t1表示各个外磁轭在与图1中纸面垂直方向上的长度。
此外，当薄膜磁轭14a和14b并非两面对称时，则内磁轭18a的长度L2、外磁轭16a的厚度t1以及外磁轭16a的长度L1满足上式(a)和(b)，并且内磁轭18b的长度L2、外磁轭16b的厚度t1以及外磁轭16b的长度L1满足上式(a)和(b)即可。
当L2过短时，则难以在各个外磁轭16a和16b与GMR膜12之间形成良好的内磁轭18a和18b。因此，L2/t1的比值需要大于或等于1。L2/t1的比值优选大于或等于3，更优选为大于或等于5。
另一方面，当L2过长时，则整个薄膜磁轭14a和14b的特性受内磁轭18a和18b的特性控制的倾向增强。因此，存在这样的问题：整个薄膜磁轭14a和14b的软磁特性降低，或者在生产或使用过程中磁滞会增加。因此，各个内磁轭18a和18b的长度与各个薄膜磁轭14a和14b的总长度的比值(L2×100/(L1+L2))需要小于或等于50％。各个内磁轭18a和18b的长度的比值更优选为小于或等于40％，进一步更优选为小于或等于30％。
具体而言，优选的是，各个内磁轭18a和18b的长度L2满足下式(b’)：
L2×100/(L1+L2)≤20(b’)
当长度L2满足式(b’)时，整个薄膜磁轭14a和14b的特性基本上受外磁轭16a和16b的控制。因此，当使用上述材料作为第一软磁性材料，并对外磁轭16a和16b进行适当的热处理时，整个薄膜磁轭14a和14b的软磁特性会得到改善，而不会取决于内磁轭18a和18b的材料。此外，在生产或使用过程中也不会发生磁滞的增加。
在这方面，当薄膜磁轭14a和14b并非两面对称时，则内磁轭18a的长度L2以及外磁轭16a的长度L1满足上式(b’)，并且内磁轭18b的长度L2以及外磁轭16b的长度L1满足上式(b’)即可。
对各个薄膜磁轭14a和14b的宽度W没有特别限制，可根据其目的来选取最佳值。此外，在图1所示的例子中，所绘制的薄膜磁轭14a和14b为具有恒定宽度的矩形。然而，这仅作示意用，不应解释为其形状仅限于此。
例如，从各个薄膜磁轭14a和14b的两端至GMR膜12，各个薄膜磁轭14a和14b的宽度W可连续地减小或逐级地减小。当各个薄膜磁轭14a和14b的宽度W连续地减小或逐级地减小时，可将更多的磁通量收集至GMR膜12。因此，具有磁场灵敏度得以改善的优点。
对各个薄膜磁轭14a和14b的厚度(即，各个外磁轭16a和16b的厚度t1以及各个内磁轭18a和18b的厚度t2)也没有特别限定，并且可根据目的来选取最佳值。
此外，薄膜磁轭14a和14b的形状优选为两面对称的，但是也可以为非两面对称的，只要满足上述条件即可。
2.薄膜磁传感器的制造方法
图2示出了本发明薄膜磁传感器的制造方法的流程图。参见图2，薄膜磁传感器的制造方法包括外磁轭形成步骤、热处理步骤、GMR膜形成步骤、以及内磁轭形成步骤。
2.1外磁轭形成步骤
外磁轭形成步骤为这样的步骤：在基底20的表面上形成均包含第一软磁性材料的一对外磁轭16a和16b，使得各个内磁轭18a和18b的长度L2满足下式(a)和式(b)的关系(参见，图2中的(a))：
L2/t1≥1           (a)
L2×100/(L1+L2)≤50(b)
其中，t1为各个外磁轭16a和16b的厚度，L1为各个外磁轭16a和16b的长度。
当薄膜磁轭14a和14b两面对称时，形成由第一软磁性材料构成的一对外磁轭16a和16b，使得外磁轭16a和16b之间的距离LY满足式(c)的关系：
2t1+LG≤LY≤2L1+LG    (c)
其中，t1为各个外磁轭16a和16b的厚度，L1为各个外磁轭16a和16b的长度，并且LG为形成于一对外磁轭16a和16b之间的GMR膜的长度。
当薄膜磁轭14a和14b两面对称时，则LY、L2和LG之间满足下式(d)的关系。式(c)由式(a)、式(b)和式(d)得到：
LY＝2L2+LG    (d)。
此外，优选的是，各个内磁轭18a和18b的长度L2还满足下式(b’)：
L2×100/(L1+L2)≤20    (b’)
当薄膜磁轭14a和14b两面对称时，外磁轭16a和16b之间的距离LY优选满足式(c’)。式(c’)由式(a)、式(b’)和式(d)得到。
2t1+LG≤LY≤2(L1/4)+LG    (c’)
基底20的至少一个表面由非磁性绝缘材料构成即可。
用于基底20的材料具体包括：
(a)玻璃、氧化铝、MgO、石英和蓝宝石；
(b)表面上形成有SiO2膜的硅，以及表面上形成有氧化铝膜的氧化铝-碳化钛；以及
(c)表面上形成有由非磁性绝缘材料构成的薄膜的非磁性金属材料。
对外磁轭16a和16b的形成方法没有特别限定，可使用各种薄膜形成方法。第一软磁性材料的详细情况如上所述，此处省略了对其的说明。
2.2.热处理步骤(退火步骤)
热处理步骤(退火步骤)是对外磁轭16a和16b进行加热以改善外磁轭16a和16b的软磁特性的步骤(参见，图2中的(b))。
作为外磁轭16a和16b的热处理温度，根据第一软磁性材料的种类来选择最佳温度。热处理温度通常为300℃至1,200℃。
例如，当GMR膜12含有纳米颗粒材料时，在该温度范围内加热GMR膜12，会使电阻率ρ增加且使MR比值降低。据认为，其原因如下：纳米颗粒粗糙化，从而使颗粒界面处的绝缘膜厚度增加。另外，对于含有除纳米颗粒材料之外的其它材料的GMR膜(例如，多层膜)而言，当加热至某一临界温度或更高温度时，GMR膜的特性会由于层间原子扩散而发生劣化。
2.3.GMR膜形成步骤
GMR膜形成步骤为在一对外磁轭16a和16b之间形成GMR膜12的步骤(参见，图2中的(c))。
对GMR膜12的形成方法没有特别限定，可使用各种薄膜形成方法。关于GMR膜12的详细情况如上所述，因此这里省略了对GMR膜12的说明。
2.4.内磁轭形成步骤
内磁轭形成步骤为在一对外磁轭16a和16b中的每一个与GMR膜12之间分别形成内磁轭18a和18b的步骤，其中内磁轭18a和18b均包含第二软磁性材料。
对内磁轭18a和18b的形成方法没有特别限定，可使用各种薄膜形成方法。
在图2所示的例子中，通过如下方式形成内磁轭18a和18b：(a)在基底20的整个表面上形成包含第二软磁性材料的薄膜18’(参见，图2中的(d))，以及(b)通过蚀刻除去薄膜18’中的不需要部分(参见，图2中的(e))。
关于第二软磁性材料的详细情况如上所述，因此这里省略了对第二软磁性材料的说明。
3.薄膜磁传感器的工作及其制造方法
在其中GMR膜的两端设置有薄膜磁轭的磁传感器中，其灵敏度主要由薄膜磁轭的形状和磁特性决定。在常规情况中，将无定形软磁性材料用于薄膜磁轭。这是因为无定形软磁性材料仅需通过形成膜便可提供所需的性能，而无需进行用以改善软磁特性的热处理。
如图3所示，对于其中将无定形软磁性材料用于薄膜磁轭的常规薄膜磁传感器，其制造方法如下：(a)在基底的表面上形成GMR膜(参见，图3中的(a))；(b)在基底的整个表面上形成无定形软磁性膜(参见，图3中的(b))；以及通过蚀刻从而除去无定形软磁性膜的不需要部分，由此形成薄膜磁轭(参见，图3中的(c))。通过该方法，GMR膜和薄膜磁轭之间可容易地获得良好的电接触和磁接触。因此，可以很好地制造薄膜磁传感器而不会产生偏差。
薄膜磁传感器的磁轭材料需要具有高的饱和磁化强度和磁导率以及低的矫顽磁力。具体而言，矫顽磁力为重要参数，其会影响到作为传感器特性之一的磁滞。当磁滞相对于检测灵敏度而言较大而不可忽略时，会产生这样的功能问题：外磁场的方向的改变导致不能准确地检测磁场强度。
无定形软磁性材料表现出优异的软磁特性，并且其矫顽磁力也较低。因此，如图4A所示，在膜形成后(加热之前)，磁滞立即变得较小。
然而，无定形结构为亚稳结构，而不是诸如晶体结构之类的稳定结构，因此无定形结构对热不稳定。因此，存在这样的问题：在暴露于一定程度的高温下时会发生结晶，从而不能获得预定的特性。特别是，由于暴露于高温下矫顽磁力大幅增加。
当实际使用磁传感器时，在安装磁传感器时的回流焊接等过程中、或者在某些情况中于约100℃的温度下长时间使用磁传感器时，磁传感器会暴露在高温(通常为约250℃)下。在这种情况下，无定形结构会发生结晶，由此使磁滞增加。
在无定形材料中这种现象尤其明显。因此，预期可通过使用结晶性或微结晶材料作为软磁性材料来解决上述问题。
然而，当通过诸如溅射之类的干式成膜法来形成结晶性或微结晶性软磁性膜时，在膜形成后，该软磁性膜立即具有较差的软磁特性(导磁率较低，并且矫顽磁力较高)。为了获得良好的软磁特性，需要在成膜后在高温下进行热处理。此时的热处理温度通常高于GMR膜特性开始发生劣化时的临界温度。因此，当依次形成GMR膜和薄膜磁轭时，在对传感器进行热处理以改善薄膜磁轭的软磁特性时，GMR膜会破裂，从而导致难以制造出正常的传感器。
与此形成对比的是，当将各薄膜磁轭沿着磁敏感方向分为两部分时，在制造工艺开始时形成包含结晶性或微结晶性材料的外磁轭，随后在预定温度下进行热处理，则可获得具有良好的软磁特性的外磁轭。随后，在依次形成GMR膜和内磁轭时，GMR膜和各薄膜磁轭之间便可获得良好的电接触和磁接触，而不会使GMR膜断裂。另外，当将各个内磁轭的长度L2设定在特定范围内时，则整个薄膜磁轭的磁特性受到外磁轭的控制。因此，当在生产或使用过程中将内磁轭暴露在高温下并且这些部分的磁特性发生劣化时，对整个磁轭的性能影响可以忽略。另外，这样可使得即使在暴露于高温之后，传感器也能够正常工作。
实施例
(实施例1)
1.样品的制备
根据图2所示的步骤来制备图1所示的薄膜磁传感器10。将其上形成有经热氧化后的硅(SiO2)的硅膜用作基底20，并将Ni80Fe20用于外磁轭16a和16b。此外，将FeCo-MgF2纳米颗粒合金用于GMR膜12，并将无定形合金(Co94Fe6)70Si15B15用于内磁轭18a和18b。
使L1和L2分别在0至270μm以及10μm至300μm的范围内进行改变。将W设定为20μm或100μm。此外，将外磁轭16a和16b的厚度t1以及内磁轭18a和18b的厚度t2分别设定为1μm。
2.测试方法
对于所获得的薄膜磁传感器，在200℃下加热60分钟之前和之后，分别评价MR特性。由所测得的MR波形确定磁滞量。如图5所示，在相同的MR比值处，依次确定“向前”和“向后”之间的磁场H的差值ΔH。将其最大值ΔHmax定义为磁滞量。
3.结果
其结果示于表1。顺带提及，各传感器的情况一同记录于表1中。从表1中可看出如下内容。
(1)当L1＝0时，即当整个薄膜磁轭由无定形材料构成时，加热之前的磁滞量ΔHmax较小。然而，由于加热使得磁滞量ΔHmax大幅增加。
(2)当内磁轭的长度比值(＝L2×100/(L1+L2))为50％以下时，加热之前和加热之后的磁滞量ΔHmax的差值变小。
(3)当内磁轭的长度比值为20％以下时，加热之前和加热之后的磁滞量ΔHmax的差值约为零。
(4)所观察到的上述(1)至(3)的趋势与磁轭的宽度W以及磁轭的总长度(L1+L2)无关。
表1
(实施例2)
1.样品的制备
根据图2所示的步骤制备图1所示的薄膜磁传感器10。将下文中所述的多种材料用于外磁轭16a和16b。此外，将无定形合金(Co94Fe6)70Si15B15用于内磁轭18a和18b。将与实施例1相同的材料用于基底20和GMR膜12。
各部分的尺寸为：L1＝80μm，L2＝20μm，W＝20μm，且t1＝t2＝1μm。
2.测试方法
按照与实施例1相同的过程来确定于200℃下加热60分钟之前和之后的磁滞量ΔHmax。
3.结果
其结果示于表2中。顺带提及，将用于外磁轭的材料一同示于表2中。从表2中可看出如下内容。
(1)当将无定形软磁性材料用作外磁轭的材料时(样品No.21)，加热前的磁滞量ΔHmax较小。然而，由于加热使得磁滞量ΔHmax大幅增加。
(2)当将经热处理的结晶性或微结晶性软磁性材料用作外磁轭材料时(样品No.22至No.29)，则加热之前和加热之后的磁滞量ΔHmax的差值约为零，而这与内磁轭的材料无关。
表2
*L1＝80μm，L2＝20μm，W＝20μm，并且t1＝t2＝1μm
内磁轭材料：无定形合金(Co94Fe6)70Si15B15
尽管参照优选的实施方案对本发明进行了详细描述，但应当理解，本发明在任何情况下均不限于上述实施方案，并且在不脱离本发明精神的范围下，可对本发明进行各种修改和改变。
本发明的薄膜磁传感器可用于检测汽车车轴、旋转编码器、工业用齿轮等的旋转信息；检测液压缸/气压缸的行程位置(strokeposition)、机床滑轨等的位置-速度信息；检测工业用焊接机器人的电弧电流等的电流信息；地磁方位罗盘等。
此外，具有GMR膜和设置在GMR膜两端的薄膜磁轭的磁阻元件尤其适合用作磁传感器。然而，磁阻元件的用途并不限于此，并且可将其用作磁存储器、磁头等。
本专利申请基于2010年1月21日提交的日本专利申请No.2010-011433，其内容以引用方式并入本文。

Claims (10)

1.一种薄膜磁传感器，包括：
具有巨磁阻效应的巨磁阻膜，以及
薄膜磁轭，每一个所述薄膜磁轭均包含软磁性材料并且与所述巨磁阻膜的两端电连接，
其中每一个所述薄膜磁轭均包括外磁轭和内磁轭，所述外磁轭包含第一软磁性材料并且设置在相对于所述巨磁阻膜的外侧；所述内磁轭包含第二软磁性材料并且设置在所述巨磁阻膜与所述外磁轭之间；
其中所述第一软磁性材料包含结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料；
其中所述薄膜磁传感器是通过如下方式获得的：(1)依次形成各个所述外磁轭、所述巨磁阻膜和各个所述内磁轭，以及(2)在形成所述巨磁阻膜之前进行热处理以改善各个所述外磁轭的软磁特性；并且
其中各个所述内磁轭的长度L2均满足下式(a)和式(b)：
L2/t1≥1              (a)
L2×100/(L1+L2)≤50   (b)
其中，t1为各个所述外磁轭的厚度，L1为各个所述外磁轭的长度。
2.根据权利要求1所述的薄膜磁传感器，其中各个所述内磁轭的长度L2进一步满足下式(b’)：
L2×100/(L1+L2)≤20   (b’)。
3.根据权利要求1所述的薄膜磁传感器，其中所述第一软磁性材料包含选自由如下材料所构成的组中的至少一种：
(A)40％-90％Ni-Fe合金、Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6、Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8、Fe83Hf6C11、Fe85Zr10B5合金、Fe93Si3N4合金和Fe71B11N18合金；
(B)由40％-90％Ni-Fe合金和SiO2构成的多层膜；
(C)Fe71.3Nd9.6O19.1纳米颗粒合金、Co70Al10O20纳米颗粒合金和Co65Fe5Al10O20纳米颗粒合金；以及
(D)Co35Fe35Mg10F20纳米颗粒合金。
4.根据权利要求2所述的薄膜磁传感器，其中所述第一软磁性材料包含选自由如下材料所构成的组中的至少一种：
(A)40％-90％Ni-Fe合金、Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6、Fe75.6Si13.2B8.5Nb1.9Cu0.8、Fe83Hf6C11、Fe85Zr10B5合金、Fe93Si3N4合金和Fe71B11N18合金；
(B)由40％-90％Ni-Fe合金和SiO2构成的多层膜；
(C)Fe71.3Nd9.6O19.1纳米颗粒合金、Co70Al10O20纳米颗粒合金和Co65Fe5Al10O20纳米颗粒合金；以及
(D)Co35Fe35Mg10F20纳米颗粒合金。
5.根据权利要求1所述的薄膜磁传感器，其中所述第二软磁性材料包含无定形软磁性材料。
6.根据权利要求2所述的薄膜磁传感器，其中所述第二软磁性材料包含无定形软磁性材料。
7.根据权利要求3所述的薄膜磁传感器，其中所述第二软磁性材料包含无定形软磁性材料。
8.根据权利要求4所述的薄膜磁传感器，其中所述第二软磁性材料包含无定形软磁性材料。
9.一种制造薄膜磁传感器的方法，该薄膜磁传感器包括具有巨磁阻效应的巨磁阻膜以及薄膜磁轭，每一个所述薄膜磁轭均包含软磁性材料并且与所述巨磁阻膜的两端电连接，所述方法包括：
(1)在基底的表面上形成均包含第一软磁性材料的一对外磁轭，使得各个内磁轭的长度L2均满足下式(a)和式(b)的关系：
L2/t1≥1              (a)
L2×100/(L1+L2)≤50   (b)
其中，t1为各个所述外磁轭的厚度，并且L1为各个所述外磁轭的长度，并且
所述第一软磁性材料包含结晶性软磁性材料或微结晶性软磁性材料；
(2)加热所述外磁轭，以改善所述外磁轭的软磁特性；
(3)在所述一对外磁轭之间形成巨磁阻膜；以及
(4)在各个所述外磁轭与所述巨磁阻膜之间形成均包含第二软磁性材料的所述内磁轭。
10.根据权利要求9所述的制造薄膜磁传感器的方法，其中各个所述内磁轭的长度L2进一步满足下式(b’)：
L2×100/(L1+L2)≤20   (b’)。
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