本公開涉及磁性傳感器設(shè)備和用于包括磁阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法。

背景技術(shù)：

磁阻效應(yīng)包括許多不同的物理現(xiàn)象，所有這些物理現(xiàn)象的共同之處在于電阻元件的電阻可通過穿透電阻元件的磁場的行為更改。利用磁阻效應(yīng)的技術(shù)有時(shí)被稱為“xmr技術(shù)”，其中“x”指示在此可以應(yīng)對的眾多效應(yīng)，舉幾個(gè)例子，比如巨磁阻（gmr）效應(yīng)、隧道磁阻（tmr）效應(yīng)或各向異性磁阻（amr）效應(yīng)。xmr效應(yīng)可以應(yīng)用在各種基于場的傳感器中，例如用于測量分辨率、角度等。在一些應(yīng)用中，尤其在與安全相關(guān)的應(yīng)用中，要求這些傳感器可靠且以高精度水平進(jìn)行操作。

由于傳感器的滯后行為可能造成出錯(cuò)的測量結(jié)果，因此可以使用具有以渦流配置的自由層的磁性xmr傳感器概念。這樣的傳感器可以具有幾乎為零的滯后。換言之，低滯后可能在存在自由層中的渦流磁化狀態(tài)（磁場）的情況下實(shí)現(xiàn)并且可能在諸如車輪速度感測、電流感測或線性場感測之類的應(yīng)用中尤其是令人感興趣的。渦流磁化狀態(tài)的特征在于具有磁化的局部不同的取向，該取向基本上指向在半球內(nèi)的所有可能方向上。然而，渦流磁化狀態(tài)可能造成具有平行磁化的自由層的區(qū)的形成，并且照此具有相對于參考磁化的反平行磁化。因此，這些區(qū)可能分別導(dǎo)致對經(jīng)過它們的電流的低或高電阻率。這進(jìn)而可能造成作為外部場強(qiáng)度的函數(shù)的電阻行為方面的不合期望的非對稱或非線性。外部場和外部場強(qiáng)度通常是要測量的量。換言之，例如，取決于外部場在強(qiáng)度方面是增加還是減小，或者取決于場強(qiáng)度的起始值，外部場強(qiáng)度以相同量的改變可能造成以不同量的電阻漂移?？梢栽谒^的電阻傳遞函數(shù)中描述取決于外部磁場強(qiáng)度（或渦流位置）的電阻行為。

因而合期望的是提供一種展現(xiàn)更加對稱且更加線性的電阻行為的傳感器元件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)第一方面，本公開提供一種包括磁阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備。磁阻結(jié)構(gòu)包括磁性自由層，該磁性自由層配置成自發(fā)地生成自由層中的閉合通量磁化模式。磁阻結(jié)構(gòu)還包括具有非閉合通量參考磁化模式的磁性參考層。磁性傳感器設(shè)備還包括電流發(fā)生器，該電流發(fā)生器配置成生成磁阻結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層中的電流。電流具有垂直于參考磁化模式的非零定向分量。

磁阻結(jié)構(gòu)可以例如由交替的磁性和非磁性層形成。術(shù)語“磁性”和“非磁性”在該上下文中可以被理解為“鐵磁”和“非鐵磁”?！胺谴判浴睂右蚨梢跃哂许槾拧⒖勾呕蚍磋F磁性質(zhì)。層可以基本上延伸到具有三個(gè)成對垂直的方向x、y和z的笛卡爾坐標(biāo)系的兩個(gè)方向x和y上。換言之，層到第三方向z上的延伸與其到第一和第二方向x和y上的延伸相比而言可以相對小。如果方向x對應(yīng)于參考磁化的方向，電流可以例如具有等于零的定向x分量以及非零y和z分量。

閉合通量磁化模式還可以被稱為渦流狀態(tài)。自發(fā)生成的渦流狀態(tài)可以例如緊接在其產(chǎn)生之后而在自由層中形成，或者在不施加外部場的情況下形成。換言之，非閉合通量參考磁化模式可以對應(yīng)于具有零旋度和零散度的均勻、筆直、單軸或線性磁場。允許電流至少部分地垂直于參考磁化而流動(dòng)可以迫使電流經(jīng)過具有低電阻率的磁阻結(jié)構(gòu)內(nèi)的區(qū)段，并且還經(jīng)過具有高電阻率的區(qū)段。換言之，電流可以可能遵循的多個(gè)路徑的電阻率中的差異因而可以顯著降低。因而，相比于具有平行于參考磁化行進(jìn)的電流的常規(guī)傳感器，任何給定路徑可能不及另一個(gè)優(yōu)選，從而造成較少非對稱或更加線性的電阻傳遞函數(shù)。

在一些實(shí)施例中，電流發(fā)生器配置成生成具有平面內(nèi)非零定向分量的電流，例如基本上平行于磁阻結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層的平面。換言之，電流發(fā)生器配置成生成具有垂直于參考磁化模式的非零定向分量的平面內(nèi)電流。術(shù)語平面內(nèi)可以涉及磁阻結(jié)構(gòu)的層，例如自由層，該層主要在x-y平面中延伸。因此，垂直于參考磁化模式的平面內(nèi)分量換言之可以對應(yīng)于y分量。該結(jié)構(gòu)還被稱為電流在平面內(nèi)（cip）傳感器結(jié)構(gòu)。因此，在一些實(shí)施例中，磁阻結(jié)構(gòu)可以對應(yīng)于電流在平面內(nèi)（cip）結(jié)構(gòu)。

在一些實(shí)施例中，電流發(fā)生器配置成生成垂直于參考磁化模式的磁阻結(jié)構(gòu)（例如磁性自由層）中的電流。換言之，電流的z分量也可以為零。更加均勻的電流分布的效果因而可以增加或甚至最大化。

在一些實(shí)施例中，磁性自由層具有中心對稱形狀。該形狀換言之可以由繞平行于z方向的中心軸旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度而產(chǎn)生，并且例如包括等角、等邊或正多邊形（三角形、正方形、六邊形等）或橢圓形。因而可以可能的是促進(jìn)自發(fā)的渦流形成。

在一些實(shí)施例中，電流發(fā)生器至少包括耦合到磁阻結(jié)構(gòu)或其自由層的第一電極和耦合到磁阻結(jié)構(gòu)或自由層的第二電極，以導(dǎo)致在具有垂直于參考磁化模式的分量的方向上在第一與第二電極之間的磁阻結(jié)構(gòu)中的電流。這可以迫使電流遵循穿過低電阻率區(qū)和高電阻率區(qū)的路徑。針對電流的可能路徑的總體相應(yīng)電阻率可能與彼此更少地不同，從而造成更加均勻散布的電流分布。后者進(jìn)而可以造成更加對稱的電阻傳遞函數(shù)。

在一些實(shí)施例中，第一電極和第二電極位于磁阻結(jié)構(gòu)或自由層的相對側(cè)上。因此，磁阻結(jié)構(gòu)或自由層的寬度可以被更高程度地利用，這進(jìn)而可以增加傳感器范圍。

在一些實(shí)施例中，第一電極和/或第二電極在平行于參考磁化模式的方向上橫跨自由層的直徑的至少50%。如果自由層具有非圓形形狀，則直徑可以對應(yīng)于例如橢圓形的長軸或短軸，或者多邊形的內(nèi)接圓或外接圓的直徑。因此，自由層在參考磁化模式的方向上的寬度可以被更高程度地利用，這可以移除由穿過渦流中心的電流路徑引起的不合期望的效應(yīng)。

在一些實(shí)施例中，第一電極與第二電極之間的距離在垂直于參考磁化模式的方向上是自由層的直徑的至少50%。傳感器范圍因而可以增加，或者可以減輕傳感器范圍中的降低。

在一些實(shí)施例中，第一電極和/或第二電極至少包括第一電極區(qū)和分離的第二電極區(qū)。磁阻結(jié)構(gòu)或自由層與第一電極區(qū)之間的接觸區(qū)在空間上與磁阻結(jié)構(gòu)或自由層與第二電極區(qū)之間的接觸區(qū)分離。這可以提供使電流避免直接穿過渦流中心的可能性，其否則可能造成擾動(dòng)效應(yīng)。電阻傳遞函數(shù)中的非對稱性因而可以被甚至進(jìn)一步降低。

在一些實(shí)施例中，第一和第二電極中的至少一個(gè)具有平行于參考磁化模式延伸并且面向第一和第二電極的相對側(cè)的邊緣。這可以使得能夠?qū)崿F(xiàn)針對可能（直接）電流路徑的相等長度，這可以造成更加均勻散布的電流分布或電通量。

在一些實(shí)施例中，第一和第二電極中的至少一個(gè)具有矩形形狀，該矩形形狀具有沿參考磁化模式的主延伸。具有矩形電極的自由層的產(chǎn)生可以例如不那么復(fù)雜。

在一些實(shí)施例中，磁阻結(jié)構(gòu)對應(yīng)于巨磁阻（gmr）結(jié)構(gòu)或隧道磁阻（tmr）結(jié)構(gòu)。因而各種實(shí)現(xiàn)可以適用于不同的傳感器類型。

根據(jù)另一方面，一些實(shí)施例涉及磁阻傳感器元件。磁阻傳感器元件包括磁性自由層，該磁性自由層配置成自發(fā)地生成自由層中的渦流磁化模式。磁阻傳感器元件還包括具有線性或筆直參考磁化模式的磁性參考層。磁阻傳感器元件還包括第一電接觸部分，所述第一電接觸部分耦合到磁阻元件的一個(gè)或多個(gè)層并且在平行于參考磁化模式的方向上橫跨自由層的直徑的至少50%。另外，磁阻傳感器元件包括第二電接觸部分，所述第二電接觸部分與第一電接觸部分相對地耦合到一個(gè)或多個(gè)層并且在平行于參考磁化模式的方向上橫跨自由層的直徑的至少50%。第一和第二電接觸部分配置成在所述一個(gè)或多個(gè)層中生成垂直于參考磁化模式的第一與第二電接觸部分之間的電場。

在一些實(shí)施例中，磁性自由層具有旋轉(zhuǎn)對稱形狀。優(yōu)選地，自由層可以具有圓盤或橢圓形的形狀，盡管自由層的幾何形狀不僅限于這些示例。因而可以促進(jìn)自發(fā)的渦流形成。

根據(jù)另外的方面，一些實(shí)施例涉及用于具有磁阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法。方法包括提供磁阻結(jié)構(gòu)的磁性參考層中的非閉合通量參考磁化模式。方法還包括自發(fā)地生成磁性自由層中的閉合通量磁化模式。方法還包括生成磁阻結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層中的電流流動(dòng)。電流流動(dòng)具有垂直于參考磁化模式的非零定向分量。

在一些實(shí)施例中，生成電流包括生成具有磁阻結(jié)構(gòu)或其自由層中的電荷的橫向流動(dòng)的電流流動(dòng)。換言之，生成電流包括生成平行于磁阻結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層的平面的電流流動(dòng)。

附圖說明

將僅通過示例的方式并且參照附圖在下文中描述裝置和/或方法的一些實(shí)施例，在附圖中

圖1示出自由層中的閉合通量磁化模式和對應(yīng)等效電路圖的示例；

圖2示出常規(guī)磁性傳感器布置中的磁阻結(jié)構(gòu)的電阻傳遞函數(shù)；

圖3示出常規(guī)磁性傳感器布置中的xmr傳感器層的加權(quán)電阻傳遞函數(shù)；

圖4示出針對常規(guī)磁性傳感器布置中的xmr傳感器的電阻和磁化函數(shù)的比較；

圖5a-f示出根據(jù)各種實(shí)施例的具有磁阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的側(cè)視圖；

圖6a示出根據(jù)示例的自由層中的閉合通量磁化模式的等值線圖；

圖6b示出在施加平行于參考磁化模式的電流的情況下圖5的實(shí)施例的自由層中的電流分布；

圖6c示出根據(jù)實(shí)施例的在施加垂直于參考磁化模式的電流的情況下圖5a或b的自由層中的電流分布；

圖7示出根據(jù)實(shí)施例的針對電路布置中的磁性傳感器設(shè)備的電阻和磁化函數(shù)的比較；

圖8示出根據(jù)另一實(shí)施例的針對電路布置中的磁性傳感器設(shè)備的電阻和磁化函數(shù)的比較；

圖9a示出根據(jù)另一示例的自由層中的閉合通量磁化模式的等值線圖；

圖9b示出根據(jù)第一實(shí)施例的在使用電接觸件來施加垂直于參考磁化模式的電流的情況下圖8a的自由層中的電流分布；

圖9c示出根據(jù)第二實(shí)施例的在使用電接觸件來施加垂直于參考磁化模式的電流的情況下圖8a的自由層中的電流分布；

圖10示出根據(jù)一些實(shí)施例的具有針對電接觸件的各種幾何形狀的自由層的選擇；以及

圖11示出根據(jù)實(shí)施例的用于磁性傳感器設(shè)備的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參照其中圖示一些示例的附圖來更加全面地描述各種示例。在各圖中，為了清楚，線、層和/或區(qū)的厚度可能被放大。

相應(yīng)地，雖然另外的示例能夠具有各種修改和可替換形式，但是其一些特定示例被示出在各圖中并且將隨后被詳細(xì)描述。然而，該詳細(xì)描述不將另外的示例限制到所描述的特定形式。另外的示例可以覆蓋落在本公開的范圍內(nèi)的所有修改、等同方案和可替換方案。遍及各圖的描述，相同的數(shù)字是指相同或類似的元件，該元件在彼此相比時(shí)可以等同或以修改的形式來實(shí)現(xiàn)而同時(shí)提供相同或類似的功能。

將理解的是，在將元件稱為“連接”或“耦合”到另一元件時(shí)，元件可以直接連接或耦合或者經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)居間元件連接或耦合。相比之下，在將元件稱為“直接連接”或“直接耦合”到另一元件時(shí)，不存在居間元件。用于描述元件之間的關(guān)系的其它詞語應(yīng)當(dāng)以相同的方式（例如，僅舉幾個(gè)例子，“在……之間”對“直接在……之間”、“相鄰”對“直接相鄰”）進(jìn)行解釋。

本文所使用的術(shù)語是出于描述特定示例的目的而不意在對另外的示例是限制性的。無論何時(shí)使用諸如“一”、“一個(gè)”和“該”之類的單數(shù)形式以及使用僅單個(gè)元件既不明確地也不隱含地限定為強(qiáng)制的，另外的示例還可以使用復(fù)數(shù)元件以實(shí)現(xiàn)相同的功能。同樣地，當(dāng)隨后將功能描述為使用多個(gè)元件實(shí)現(xiàn)時(shí)，另外的示例可以使用單個(gè)元件或處理實(shí)體來實(shí)現(xiàn)相同的功能。將進(jìn)一步理解到，術(shù)語“包括”、“包括著”、“包含”和/或“包含著”，在使用時(shí)，指定所陳述的特征、整體、步驟、操作、過程、動(dòng)作、元件和/或組件的存在，而不排除一個(gè)或多個(gè)其它特征、整體、步驟、操作、過程、動(dòng)作、元件、組件和/或其任何組的存在或添加。

除非另行限定，否則所有術(shù)語（包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語）在本文中以其在示例所屬的領(lǐng)域的普通含義使用，除非本文另行明確限定。

xmr傳感器元件，例如巨磁阻（gmr）元件或隧道磁阻（tmr）元件（其還被稱為自旋閥或底部自旋閥bsv）可以具有交替的鐵磁和非鐵磁層的層堆疊。自底向上，xmr傳感器元件在示例實(shí)施例中可以包括反鐵磁釘扎層、鐵磁釘扎層、順磁耦合層、帶有具有線性或筆直模式的參考磁化的鐵磁參考層、電絕緣隧道屏障或順磁層、以及鐵磁自由層。受益于本公開的技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，層的以上構(gòu)成僅僅是形成xmr傳感器元件的許多可能性中的一個(gè)。例如，相反構(gòu)成也是可能的。例如，自由層可以由鐵磁和非磁性層的構(gòu)成組成。由多層結(jié)構(gòu)組成的自由層對于本申請可以是有益的，所述多層結(jié)構(gòu)具有以下層：具有接近耦合層的傳導(dǎo)率的層和更遠(yuǎn)離耦合的具有小傳導(dǎo)率的層。自由層或釘扎層可以是包括自旋注入層的多層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)造成高自旋極化。

具有自由層中的閉合通量磁化模式或者換言之渦流狀態(tài)的xmr傳感器的電阻率可以使用電阻傳遞函數(shù)來描述，該函數(shù)將（歸一化的）電阻表述為渦流位置的函數(shù)。渦流位置自身可以取決于要測量的外部磁場分量的強(qiáng)度，該分量可以平行于xmr傳感器的參考磁化對準(zhǔn)。與針對小于湮滅場的場的準(zhǔn)線性磁化傳遞函數(shù)相反，特征在于磁性渦流狀態(tài)的xmr傳感器可以展現(xiàn)電阻傳遞函數(shù)中的非線性。湮滅場描述渦流狀態(tài)在其處可以消失的外部磁場強(qiáng)度中的閾值。

電阻傳遞函數(shù)中的非線性的原因可以利用圖1進(jìn)行解釋。該非線性是由于非均勻電流分布，該非均勻電流分布可以由以下事實(shí)引起：傳感器結(jié)構(gòu)中的渦流狀態(tài)或傳感器的自由層100引起其中自由層磁化主要平行于釘扎層磁化104指向的第一區(qū)102和其中自由層磁化主要反平行于釘扎層磁化104指向的第二區(qū)106。兩個(gè)區(qū)102、106由于xmr效應(yīng)而可能展現(xiàn)不同的電阻率；例如電阻在具有其主要反平行的磁化的第二區(qū)106中可能較高，并且在具有其主要平行的磁化的第一區(qū)102中較低。如果電流經(jīng)過兩個(gè)耦合點(diǎn)a和b之間的參考層100，或者實(shí)際上平行于釘扎層磁化104，則這可能造成低電阻率區(qū)102中的電流密度比高電阻率區(qū)106中的電流密度更高。這實(shí)際上可能在電阻方面向低電阻率區(qū)102給出更大權(quán)重，因?yàn)殡娏骺梢员苊饨?jīng)過高電阻率區(qū)106。因而結(jié)果可以是相比于均勻電流分布的更低總電阻和更小線性電阻傳遞函數(shù)。特別地，垂直于釘扎層磁化104的渦流漂移可以縮窄或加寬低電阻率區(qū)102，但是僅輕微地影響跨低電阻率區(qū)102的電流路徑中的電阻率自身。

根據(jù)一些常規(guī)解決方案，電流在平面內(nèi)（cip）傳感器結(jié)構(gòu)可以被接觸，從而導(dǎo)致平行于或反平行于釘扎層磁化104的電流流動(dòng)。然而，電接觸件可以疊覆自由層100并且實(shí)際上減小其可用于渦流核移動(dòng)的寬度。如果電接觸件與釘扎層磁化104對準(zhǔn)，則這可以一方面造成更高的傳感器范圍，因?yàn)闇u流核可以在垂直于電流流動(dòng)的方向上移動(dòng)，并且可以因而避免與電接觸件的“沖突”。然而，另一方面，它由于強(qiáng)烈非對稱的電流分布而可以給出內(nèi)部傳感器線性度。

該非對稱電流分布可以根據(jù)簡單的等效電路圖來理解，在該電路圖中渦流結(jié)構(gòu)的電阻由大數(shù)目的電阻器的并聯(lián)電路110近似。并聯(lián)電路包括高值電阻器112的集合和低值電阻器114的集合。兩個(gè)集合之間的劃分點(diǎn)116對應(yīng)于渦流核位置并且由參數(shù)來控制。對于大數(shù)目的電阻器，總電阻變成

，

并且歸一化電阻函數(shù)以使結(jié)果獨(dú)立于特定材料選擇得出

。

其中，z=a+b=1是歸一化因子，并且

。

在圖2中描繪的結(jié)果得到的經(jīng)歸一化的電阻傳遞函數(shù)示出當(dāng)使用均勻并聯(lián)電路模型時(shí)非均勻電流分布的影響，其中平行于釘扎層磁化定向電流流動(dòng)。相對xmr增量（xmr）指代區(qū)的電阻率與磁場的平行對準(zhǔn)和反平行對準(zhǔn)的相對相關(guān)性。在圖2中繪制針對5%、10%、20%、50%、100%和200%的xmr增量值的電阻傳遞函數(shù)。沿左手側(cè)y軸顯示經(jīng)歸一化的電阻r?？梢钥吹剑撓鄬mr增量越高，與期望的對稱性的偏離就越高。在對應(yīng)于渦流位置0的零場處，沿右手側(cè)y軸顯示的磁化平均為零。然而，由于非均勻電流分布，電阻偏離最大值與最小值之間的中間值。

除了由渦流核導(dǎo)致的非均勻電流分布，電流分布還可以由自由層和接觸件的形狀確定，甚至對于均勻磁化狀態(tài)而言。為了計(jì)及非均勻基礎(chǔ)電流分布，可以調(diào)節(jié)分布參數(shù)a和b以匹配分布，該分布可以寫成以下形式

，

從而導(dǎo)致

。

針對經(jīng)加權(quán)的并聯(lián)電路模型的結(jié)果得到的傳遞函數(shù)可以在圖3中看到。如圖2中那樣，針對5%、10%、20%、50%、100%和200%的xmr增量值繪制電阻傳遞函數(shù)。沿左手側(cè)y軸顯示經(jīng)歸一化的電阻r，并且沿右手側(cè)y軸顯示磁化?？梢钥吹?，針對λ的正和負(fù)漂移的電阻中的非對稱性仍舊存在，尤其是對于xmr增量的大值而言。

還可以在能夠計(jì)算磁性狀態(tài)并且自身一致地確定針對給定相對gmr增量的結(jié)果得到的電流分布的有限元模擬中觀察到偏離的電阻傳遞函數(shù)?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4，為了圖示該效應(yīng)，假定20%的非常高的相對gmr增量。圖4示出針對cip結(jié)構(gòu)的磁化和電阻的比較，在該結(jié)構(gòu)中電流流動(dòng)平行于敏感場方向。要指出的是，粗線表示渦流狀態(tài)，而細(xì)線表示非渦流狀態(tài)。細(xì)線從非渦流狀態(tài)開始且針對大約10mt的場跳至渦流狀態(tài)，并且與粗線（總是在渦流狀態(tài)中）重疊。x軸顯示以mt測量的感測方向（平行于釘扎層磁化）上的外部磁場強(qiáng)度。傳遞函數(shù)針對其相應(yīng)最小值/最大值被歸一化。圖4的模擬結(jié)果和針對20%gmr效應(yīng)的模型傳遞函數(shù)（比較圖3）達(dá)成極其良好的一致性，這表明可以通過自由層中的電流分布以相當(dāng)大的程度確定cipgmr結(jié)構(gòu)的電阻傳遞函數(shù)。

圖5a和b示出具有不同磁阻結(jié)構(gòu)501的磁性傳感器設(shè)備500的示例實(shí)施例的側(cè)視圖。

在下文中，將簡要地探究作為磁阻結(jié)構(gòu)501的示例的gmr結(jié)構(gòu)。gmr結(jié)構(gòu)幾乎總是操作在所謂的cip（電流在平面內(nèi)）配置中，即所施加的電流平行于片結(jié)構(gòu)流動(dòng)。在gmr結(jié)構(gòu)中，存在在實(shí)踐中得到認(rèn)可的一些基本類型。在圖5a和b的實(shí)施例中圖示用于實(shí)際采用的一些示例gmr結(jié)構(gòu)。

圖5a中圖示的gmr結(jié)構(gòu)501示出自旋閥系統(tǒng)，在該自旋閥系統(tǒng)中非磁性層504被選擇成如此厚以至于沒有軟磁性層502、506的耦合出現(xiàn)。下部磁性層506強(qiáng)耦合到反鐵磁層508，使得它是硬磁性的（與永磁體相當(dāng)）。磁性層506可以被視為參考層。上部磁性層502是軟磁性的并且充當(dāng)自由測量層。上部磁性層502可以由已有的小外部磁場m重新磁化，由此電阻r改變。

在下文中，現(xiàn)在更加詳細(xì)地探究圖5a中圖示的自旋閥布置501。這樣的自旋閥結(jié)構(gòu)501包括軟磁性層502（自由層），軟磁性層502通過非磁性層504與第二軟磁性層506分離，然而，第二軟磁性層506的磁化方向通過借助于所謂的“交換偏置相互作用”與反鐵磁層508的耦合來固定。自旋閥結(jié)構(gòu)的原理功能可以借助于圖5a中的磁化和r(h)曲線來圖示。磁性層506的磁化方向在負(fù)方向上固定。如果外部磁場m從負(fù)值增加至正值，則“自由”軟磁性層502在零交叉（h=0）附近切換，并且電阻r急劇上升。電阻r然后保持為高直到外部磁場m足夠大以克服軟磁性層506與反鐵磁層508之間的交換耦合，并且還切換磁性層506。在圖5a的示例中，借助于接觸件581和582從頂部接觸自旋閥系統(tǒng)501?？蛇x地，接觸件581和582可以包括通過磁阻結(jié)構(gòu)501的一個(gè)或多個(gè)（例如所有）層豎直延伸的對應(yīng)接觸過孔591、592。過孔591、592可以提供遍及磁阻結(jié)構(gòu)501的一個(gè)或多個(gè)（例如所有）層到電接觸件581、582的電連接?？商鎿Q地，接觸墊581和582還可以位于底部上。

圖5b中圖示的gmr結(jié)構(gòu)501與圖5a中圖示的gmr結(jié)構(gòu)的不同之處在于，在此下部反鐵磁層508被天然反鐵磁體510和頂部上的合成反鐵磁體506、507、509（saf）（其由磁性層506、鐵磁層507和在兩者之間的非磁性層509組成）的組合取代。以此方式，磁性參考層506的磁化方向被固定。上部軟磁性層502再次充當(dāng)自由測量層，可以通過外部磁場m容易地旋轉(zhuǎn)自由測量層的磁化方向。使用天然和合成鐵磁體的組合相比于根據(jù)圖5a的構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是更大的場和溫度穩(wěn)定性。在圖5b的示例中，借助于包括對應(yīng)過孔591、592的接觸件581和582從底部接觸自旋閥系統(tǒng)501，該過孔可以提供遍及磁阻結(jié)構(gòu)501的一個(gè)或多個(gè)（例如所有）層到電接觸件581、582的電連接?？商鎿Q地，接觸件581、582還可以位于頂部上。

具有相應(yīng)電接觸件581、582和過孔591、592的磁阻結(jié)構(gòu)的另外的示例被圖示在圖5c-f中。要理解的是，接觸過孔591、592可以是所感興趣的，以便穿過相當(dāng)?shù)偷碾妼?dǎo)率的層，例如具有相比于其它層的相當(dāng)?shù)偷碾妼?dǎo)率的反鐵磁層508（參見例如圖5f）。

在所圖示的示例中，將磁性傳感器設(shè)備501實(shí)現(xiàn)為cip配置中的gmr傳感器元件。在操作的同時(shí)，或者當(dāng)耦合到電路時(shí)，電流沿層（在平面內(nèi)）流動(dòng)。然而，受益于本公開的技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到，其它實(shí)施例還可以被實(shí)現(xiàn)為tmr、各向異性（amr）、巨（cmr）、非凡（emr）或任何其它xmr傳感器元件。

磁性自由層502配置成自發(fā)地生成自由層502中的閉合通量磁化模式（在圖5a，b的側(cè)視圖中不可見）。參考層506具有非閉合通量參考磁化模式。磁性傳感器設(shè)備500還包括一個(gè)或多個(gè)電流生成設(shè)備580，該一個(gè)或多個(gè)電流生成設(shè)備580配置成生成磁阻結(jié)構(gòu)501的一個(gè)或多個(gè)層（諸如例如磁性自由層502）中的電流。由此，電流具有垂直于參考磁化模式的非零定向分量，或者換言之，y-z平面中的非零分量。受益于本公開的技術(shù)人員將領(lǐng)會(huì)到電流生成設(shè)備580可以包括電流和/或電壓源。

電流生成設(shè)備580可以包括一對電接觸件或電極581；591和582、592或若干對接觸件。可以分別向電極581、591和582、592施加電勢，從而導(dǎo)致這些電極581、582之間的電壓。電流生成設(shè)備580還可以包括配置成在自由層502的兩個(gè)點(diǎn)之間施加電壓的任何構(gòu)件。其中，鏈接兩個(gè)點(diǎn)的假想線可以具有非零y分量。

在一些實(shí)施例中，電流生成設(shè)備580可以配置成生成通過磁阻結(jié)構(gòu)501的電流使得電流具有垂直于參考磁化模式的分量，該分量是平行于參考磁化模式的電流的至少兩倍大。

在一些實(shí)施例中，電流生成設(shè)備580可以配置成生成具有平面內(nèi)的非零定向分量的電流，或者換言之，x-y平面內(nèi)的非零分量。在一些示例實(shí)施例中，電流生成設(shè)備580可以配置成生成磁阻結(jié)構(gòu)以及因而還有垂直于參考磁化模式的磁性自由層中的電流。換言之，電流的z分量也可以為零。

在一些實(shí)施例中，電流生成設(shè)備580至少包括耦合到磁阻結(jié)構(gòu)501（例如自由層502）的第一電極581和耦合到磁阻結(jié)構(gòu)501（例如自由層502）的第二電極582，以導(dǎo)致在具有垂直于參考磁化模式的分量（或者換言之，具有非零y分量）的方向上在第一與第二電極581、582之間的磁阻結(jié)構(gòu)501502中的電流。在圖5的示例中，電流生成設(shè)備580包括一個(gè)第一電極581和一個(gè)第二電極582，每個(gè)電極可以通過單個(gè)連續(xù)電接觸部分形成。要指出的是，第一電極581和第二電極582二者可以被放置在磁阻結(jié)構(gòu)501的頂部上或底部處，如圖5a和圖5b中所示。

包括磁阻結(jié)構(gòu)的自旋閥傳感器可以被實(shí)現(xiàn)為包括具有單向磁矩的一個(gè)（例如釘扎層）或多個(gè)鐵磁層（例如釘扎層和參考層）的簡單釘扎結(jié)構(gòu)。在反平行（ap）釘扎層結(jié)構(gòu)中，釘扎層和參考層的磁化可以基本上彼此平衡。因此，ap釘扎層結(jié)構(gòu)的凈磁化可以較少地影響自由層502的靜止平行位置。一些實(shí)施例可以涉及具有與自由層502分開的僅一個(gè)鐵磁層（或者換言之，省略參考層）的磁阻結(jié)構(gòu)。在本文中參考磁化模式可以對應(yīng)于釘扎層磁化模式。然而，本文中的磁化可能對外部場更加不穩(wěn)定。

包括磁阻結(jié)構(gòu)的自旋閥傳感器仍舊可以被進(jìn)一步分類為單個(gè)或雙重。單個(gè)自旋閥傳感器可以采用僅一個(gè)釘扎層并且雙自旋閥傳感器可以采用兩個(gè)釘扎層，例如具有位于其間的自由層結(jié)構(gòu)。在一些另外的實(shí)施例中，磁阻結(jié)構(gòu)可以表示硬磁性，或者還有具有通過間隔物層分離、平行或反平行耦合的三個(gè)或更多個(gè)鐵磁層的多層參考系統(tǒng)。

雖然圖5中的自由層502可以具有盤形狀，但是可以在不同的實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)其它中心對稱或旋轉(zhuǎn)對稱的形狀。僅舉幾種可能性，這樣的形狀可以例如包括橢圓形、三角形、四邊形（方形、菱形等）、正六邊形或軸對稱六邊形，或者其它多邊形。而且，甚至可以使用不具有這樣的對稱性的任何其它形狀，例如不規(guī)則多邊形或盤，該盤在一側(cè)處被切割。

圖6a、b和c分別示出自由層中的磁化和電流密度的不同等值線圖。箭頭分別指示所有三個(gè)圖中的參考磁化的方向，該方向布置成使得傳感器具有x敏感場方向。如圖6a中所示，例如，自由層的上部段610具有主要平行的磁化，并且自由層的下部段620具有主要反平行于參考磁化的磁化。圖6b示出自由層600具有對應(yīng)于圖6a的磁化的常規(guī)實(shí)現(xiàn)，在該實(shí)現(xiàn)中兩個(gè)電接觸件630、640用于生成平行于參考磁場或參考磁化的電流。在此可以看到，如果電流流動(dòng)平行于敏感場方向，電流分布是非對稱的，因?yàn)殡娏髂軌虮苊饨Y(jié)構(gòu)的高電阻率區(qū)。換言之，電流密度在自由層600的上部段610中比在下部段620中更高。圖6c示出例如對應(yīng)于圖5的自由層502并且具有對應(yīng)于圖6a的磁化的自由層的實(shí)施例。第一電極581和第二電極582可以允許垂直于參考磁化的電流流動(dòng)。對于垂直于場方向的電流流動(dòng)，電流分布可以更均勻得多。

換言之，電極581和582可以被放置成使得電流流動(dòng)的方向垂直于參考層的磁化，或者在一些實(shí)施例中，垂直于釘扎層的磁化，釘扎層的磁化可以限定敏感場方向。在一些實(shí)施例中，電極581和582優(yōu)選地位于自由層502的相對側(cè)上。術(shù)語“相對”在本文中可以涉及穿過自由層502的中心點(diǎn)（其可以對應(yīng)于例如自由層502的幾何中心或質(zhì)心）的x方向上的軸。雖然這在一些情境下可能約束傳感器范圍，但是可能不再存在具有高電阻的一個(gè)電流路徑集合和具有低電阻的一個(gè)電流路徑集合，而是全部穿過磁阻結(jié)構(gòu)501和因而穿過自由層502的類似電阻的路徑，這可以造成更加均勻的電流分布和更加對稱的電阻傳遞函數(shù)。

在一些實(shí)施例中，第一電極581的中心點(diǎn)與第二電極581的中心點(diǎn)之間的矢量可以具有垂直于參考磁化的方向上的分量，該分量大于自由層600的直徑的25%。

圖7示出根據(jù)實(shí)施例的針對電流垂直于場結(jié)構(gòu)的經(jīng)模擬的電阻傳遞和磁性傳遞函數(shù)。雖然電阻傳遞函數(shù)仍舊偏離磁化傳遞函數(shù)，但是電阻傳遞函數(shù)類似得多并且因而線性得多。其余非線性可能起源在渦流核的緊接附近。因而可能合期望的是具有帶有最大橫向尺寸的接觸過孔591、592或電極581、582。在一些實(shí)施例中，第一電極581、591和/或第二電極582、592因而在平行于參考磁化模式的方向上橫跨自由層502的直徑的至少50%。

如果電極581、582和/或接觸過孔591、592是窄的并且渦流核靠近電極581、582和/或過孔591、592中的一個(gè)，則總電阻可能變得失真，如可以從圖8看到的。這是因?yàn)殡娏魅缓罂梢员黄仁贡闅v渦流核，這可能不代表總體磁化狀態(tài)。在圖8中示出的針對模擬結(jié)果的底層結(jié)構(gòu)對應(yīng)于針對圖7的結(jié)構(gòu)，然而，圖8中的電極581、582明顯更小。換言之，圖8中的電極581、582在參考磁化方向上延伸不太遠(yuǎn)。如果電極581、582更寬，則電流可以具有更多可替換的路徑以避免渦流核區(qū)。

圖9a、b和c圖示了電流路徑可以如何針對電極581、582（其可以包括接觸過孔591、592）的不同寬度而改變。圖9a示出具有磁化的渦流狀態(tài)的自由層502。由于外部磁場的強(qiáng)度，渦流中心朝向自由層502的下邊緣漂移超過自由層502的半徑的一半，從而使渦流中心靠近于第二電極582。圖9b示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的布置，在該布置中電極581、582橫跨自由層502的直徑的多于50%，并且圖9c示出根據(jù)實(shí)施例的另一布置，在該布置中電極581、582橫跨自由層502的直徑的僅大約10%。由于在圖9c中所示的小電極581、582的情況下電流可以多得多地聚焦到自由層502的中心，因此與在圖9b中所示的實(shí)施例中相比逼近的渦流核可能對電流分布的影響大得多。

可能進(jìn)一步合期望的是將電極581、582和/或過孔591、592放置為盡可能地遠(yuǎn)離彼此以限制場范圍中的損失（其還可以在圖7中觀察到，并且可以造成針對電阻的更高斜率和更少gmr范圍），因?yàn)闇u流核可以在電極581、582“下方”行進(jìn)。因而，在一些示例實(shí)施例中，第一電極581和第二電極582之間的距離在垂直于參考磁化模式的方向上至少為自由層502的直徑的50%。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖10，呈現(xiàn)了針對電極581和582的若干示例實(shí)施例。在一些實(shí)施例中，第一和第二電極581和582中的至少一個(gè)具有矩形形狀，其中主要延伸沿參考磁化模式555。在上部圖中描繪的優(yōu)選實(shí)施例中，第一和第二電極581；582二者具有矩形形狀，其中二者的長邊583和584平行于彼此對準(zhǔn)。電極581和582每一個(gè)提供電接觸件以將自由層502（或包括自由層502的磁性傳感器設(shè)備）耦合到電路。因而，第一電極581可以形成正極，并且第二電極582可以形成負(fù)電極，如在圖10的中間和下部圖中所示，或者反之亦然。另外，第一和第二電極581；582中的至少一個(gè)可以具有平行于參考磁化555延伸并且面向第一和第二電極581；582的相對側(cè)的邊緣583；584。

如之前實(shí)施例中所解釋的，平行于參考磁化555的電極581；582的長度可以是自由層502的直徑的至少50%，如在上部圖中的情況那樣。在中間左圖中，電極581和582的相應(yīng)長度甚至大于自由層502的90%。電極的長度還可以被視為其上自由層502和邊緣583；584彼此接觸的線。在其它實(shí)施例中，如在下部左圖中所示，電極長度還可以小于50%。對于圓形盤形狀的自由層502，一方面較小長度可以允許電極放置成分別更靠近自由層502的上邊緣和下邊緣，并且因而增加傳感器范圍。另一方面電極581；582的較大長度可以造成自由層502中的更加寬廣散布的電流分布，并且因而降低由靠近渦流核的電流路徑引起的電阻傳遞函數(shù)中的擾動(dòng)（同樣比較圖7和8）。在涉及圓形自由層的另一實(shí)施例（在此未示出）中，電極可以每一個(gè)具有盤直徑的1/sqrt(2)≈0.71倍的長度，并且以盤直徑的1/sqrt(2)≈0.71倍與彼此分開放置在例如高達(dá)5%的生產(chǎn)容限內(nèi)。這樣的實(shí)施例可以可能地改進(jìn)更加均勻的電流分布和更高的傳感器范圍的折衷。

在一些實(shí)施例中，第一電極581和/或第二電極582至少包括第一電極區(qū)和分離的第二電極區(qū)。如中間右圖中所描繪的，第一電極581包括第一電極區(qū)585和分離的第二電極區(qū)586，并且同樣地第二電極582包括第一電極區(qū)587和分離的第二電極區(qū)588。自由層502與第一電極區(qū)585；587之間的接觸區(qū)在空間上與自由層502和第二電極區(qū)586；588之間的接觸區(qū)分離。這可以提供使電流避免直接穿過渦流中心的可能性，其否則可能造成擾動(dòng)效果。電極581；582還可以在其它實(shí)施例中被拆分成三個(gè)或四個(gè)分離的電極區(qū)。取決于渦流核的精確位置（以及因而可能地取決于自由層502的形狀，該形狀可以不同于圓形），這可以造成更加均勻的電流分布。圖10的中間右圖中的第一電極區(qū)585；587和第二電極區(qū)586；588在平行于參考磁化555的方向上具有相等長度，但是還可以不同于彼此。

電極581和/或582的幾何形狀還可以不同于矩形形狀，如在下部右圖中所示。電極581和582的形狀可以甚至不同于彼此。例如，第一電極581可以是圓形，并且第二電極582可以具有菱形形狀。在又一實(shí)施例中，第一和第二電極581；582可以具有面向相應(yīng)其它電極581；582的凹形邊緣。凹形邊緣可以遵循平行于圓形自由層502的周界或邊緣的圓線。換言之，圓線的中心點(diǎn)可以與圓形自由層502的中心點(diǎn)重合。這可以允許更靠近邊緣定位電極581；582，這可以改進(jìn)傳感器范圍。

換句話再次解釋，一些實(shí)施例可以涉及電流在平面內(nèi)設(shè)備，該設(shè)備包括渦流狀態(tài)中的磁性自由層和單軸參考層磁化，該單軸參考層磁化以允許電流垂直于參考層方向流動(dòng)的方式被電接觸。一些實(shí)施例涉及磁阻傳感器元件。磁阻傳感器元件包括磁性自由層，所述磁性自由層配置成自發(fā)地生成自由層中的渦流磁化模式。磁阻傳感器元件還包括具有筆直參考磁化模式的磁性參考層。磁阻傳感器元件還包括安裝到自由層并且在平行于參考磁化模式的方向上至少橫跨自由層的直徑的50%的第一電接觸部分。另外，磁阻傳感器元件包括與第一電接觸部分相對地安裝到自由層并且在平行于參考磁化模式的方向上橫跨自由層的直徑的至少50%的第二電接觸部分。第一和第二電接觸部分配置成生成磁性自由層中的垂直于參考磁化模式的第一與第二電接觸部分之間的電場。接觸設(shè)備的這種方案可以造成設(shè)備中的更加均勻的電流分布以及因而改進(jìn)的線性度。

圖11示出根據(jù)實(shí)施例的用于具有磁阻結(jié)構(gòu)的磁性傳感器設(shè)備的方法1100。方法1100包括提供1110磁阻結(jié)構(gòu)的磁性參考層中的非閉合通量參考磁化模式。方法1100還包括自發(fā)地生成1120磁性自由層中的閉合通量磁化模式。方法1100還包括生成1130磁阻結(jié)構(gòu)中的電流。電流具有垂直于參考磁化模式的非零定向分量。不同的可能電流路徑的總體電阻率中的差異因而可以減弱。由于電流可以自然地遵循最少電阻的路徑，因此給定路徑可以變成不及另一個(gè)路徑優(yōu)選。這可以促使電流在可能的電流路徑上的更加均勻分布。結(jié)果，垂直于參考磁化的方向上的渦流漂移可以造成較少非對稱的電阻傳遞函數(shù)。更加非對稱的電阻傳遞函數(shù)可以造成磁性傳感器設(shè)備對正方向上的外部磁場改變相比于負(fù)方向上的改變的靈敏度中的差異，這可以通過采用方法1100來降低。

在一些實(shí)施例中，以所生成的電流具有垂直于參考系統(tǒng)的經(jīng)空間平均的分量（其是平行于參考系統(tǒng)的經(jīng)空間平均的分量的至少兩倍大）的方式設(shè)計(jì)接觸位置。

與之前詳述的示例和附圖中的一個(gè)或多個(gè)一起提到和描述的方面和特征也可以與其它示例中的一個(gè)或多個(gè)組合，以便取代其它示例的相似特征或以便附加地向其它示例引入該特征。

描述和繪圖僅僅說明了本公開的原理。因而將領(lǐng)會(huì)到，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)想到各種布置，該布置盡管在本文中未被明確描述或示出，但是體現(xiàn)本公開的原理并且被包括在本公開的精神和范圍內(nèi)。另外，本文敘述的所有示例在原則上明確地意圖僅出于教學(xué)目的以幫助讀者理解本公開的原理和由（多個(gè)）發(fā)明人對增進(jìn)本領(lǐng)域所貢獻(xiàn)的概念，并且要被解釋為沒有對這樣的具體敘述的示例和條件的限制。而且，本文中敘述本公開的原理、方面和示例的所有陳述以及其特定示例意圖涵蓋其等同物。

要理解的是，在說明書或權(quán)利要求中公開的多個(gè)動(dòng)作、過程、操作、步驟或功能的公開可以不被解釋為處于特定次序內(nèi)，除非明確或隱含地以其它方式例如出于技術(shù)原因進(jìn)行陳述。因此，多個(gè)動(dòng)作或功能的公開將不限制這些到特定次序，除非這樣的動(dòng)作或功能出于技術(shù)原因而是不可互換的。另外，在一些示例中，單個(gè)動(dòng)作、功能、過程、操作或步驟可以分別包括或者可以分解成多個(gè)子動(dòng)作、功能、過程、操作或步驟。這樣的子動(dòng)作可以被包括并且是該單個(gè)動(dòng)作的公開的部分，除非明確被排除。

另外，隨附權(quán)利要求在此被合并到詳細(xì)描述中，其中每一個(gè)權(quán)利可以獨(dú)立地作為分離的示例。雖然每一個(gè)權(quán)利要求可以獨(dú)立地作為分離的示例，但是要指出的是——盡管從屬權(quán)利要求可以在權(quán)利要求中涉及與一個(gè)或多個(gè)其它權(quán)利要求的特定組合——其它示例還可以包括從屬權(quán)利要求與每一個(gè)其它從屬或獨(dú)立權(quán)利要求的主題的組合。這樣的組合在本文中被明確地提出，除非陳述不意圖特定組合。另外，所意圖的是還包括權(quán)利要求到任何其它獨(dú)立權(quán)利要求的特征，即便該權(quán)利要求未被直接從屬于該獨(dú)立權(quán)利要求。