CN100394450C - 自旋阀巨磁电阻及含有该巨磁电阻的验钞机磁头传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自旋阀巨磁电阻，包括钉扎层、被钉扎层、非磁间隔层和自由层，所述的自由层含有镍铁钼锰合金(NiFeMoMn)材料。本发明还提出了一种验钞机磁头传感器，它包括电极和磁传感器，所述的磁传感器为自旋阀巨磁电阻。由于我们选用NiFeMoMn材料代替自由层中的NiFe，得到低矫顽力的自旋阀巨磁电阻材料，即满足了磁场传感器的特殊需要。这种材料可以用来制作验钞机磁头传感器及其他磁场传感器。自旋阀巨磁电阻灵敏度高，能减少由于化合物半导体材料磁传感器成品率低的问题，还能削减附加电路中的构成零件，因此能进一步改善验钞机磁头的性能，提高生产效率，降低生产成本。

Description

自旋阀巨磁电阻及含有该巨磁电阻的验钞机磁头传感器

技术领域：

本发明涉及一种自旋阀巨磁电阻及含有该巨磁电阻的验钞机磁头传感器。

背景技术：

目前，常见的验钞机磁头有两类。一类是由线圈和铁芯组成的类似录音机磁头的电感型磁传感器。它的工作原理是：当纸币上的磁性物质通过磁头的工作缝隙时，引起磁头铁芯中磁场的变化，从而在磁头的线圈中产生感生电动势，感生电动势经过放大后作为磁信号输出，判断有无磁信号可对纸币进行鉴伪。中国专利局公告的，专利号为92212125.7的《货币鉴别器》；专利号为93216994.5的《笔式伪钞识别器》；专利号为93229879.6的《微型双功能伪钞识别器》，都记载了这类磁头检测纸币磁性物质的技术方案，但是它们的最大缺点是灵敏度不高。专利号为00211346.5的《钞磁传感器》，提供了一种磁化器加剩磁检测器的验钞机磁头技术方案。纸币先经过磁化器，再通过剩磁检测器。因为磁化器提高了纸币上磁性物质的磁化强度，从而提高了鉴伪的可信度。但是，这种设计方案的缺点在于：一方面增加了磁化器，使得验钞机磁头的体积增大，提高了技术复杂性；另一方面该方案并不能真正提高测量磁信号的灵敏度。

另一类是由化合物半导体材料制成的磁传感器。它有两种形式，其一是利用霍尔效应的磁传感器。该霍尔元件是利用一般的半导体成形技术在硅片上形成半导体薄膜，半导体材料可以是InAs、GaAs、InGaAs、InSb、InGaSb的一种，常用的是InSb。这类传感器的原理是：当电流流过导体时，如果有外磁场存在，根据霍尔效应，在垂直于磁场和电流的方向会产生一个电势差，这个电势差经过放大后作为磁信号输出，判断有无磁信号可对纸币进行鉴伪。这类传感器的主要缺点是：(1)因为半导体材料的电子迁移率小，所以磁传感器对磁场的灵敏度低；(2)易受外部应力的影响，使磁场的灵敏度产生变化；(3)受环境温度影响大，例如半导体PN结型的磁传感器，在高于125摄氏度时，工作变得不稳定，甚至完全不能工作。其二是磁电阻型磁传感器。该磁电阻元件是把InSb切片，然后粘在玻璃上，再用机械和化学的方法使之厚度变为5至10微米，最后用光刻的办法插入金属电极和金属边界，按预定框线整形成为一个完整的磁电阻元件。它的缺点是制作工艺复杂，成品率低，InSb材料温度效应明显，对磁场的灵敏度比霍尔元件有所提高，达到0.2％/Oe，但是仍处在较低的水平。因此这类化合物半导体材料的磁传感器在实际应用时，通常要附加一个复杂的电路和其他装置，以消除外部应力和温度对磁传感器灵敏度的影响，参见中国专利局公告的，专利号为98802893.X《磁传感器》；

因此，对验钞机磁头来说，希望提供这样一种磁传感器：它具有高的磁场灵敏度，并且灵敏度很少受外部应力和温度的影响。正是由于巨磁电阻效应的发现，以及近年来巨磁电阻材料的发展使得解决这一问题成为可能。

通常磁电阻是由磁场引起的材料电阻率的变化，定量表示为：

$\mathrm{MR}=\frac{[R\left(H\right)-R\left(0\right)]}{R}\×100\%$

其中R为R(O)或R(H)，本专利说明书中采用R(O)定义。灵敏度S的定义为单位磁场的MR值。即

$S=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\frac{1}{H_S}$ 或者 $S=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}\frac{1}{\mathrm{\ΔH}}$

其中，HS为饱和场，ΔH为工作磁场范围。对各向异性磁电阻(AMR)，其MR虽然较大，但因为饱和场一般较高，灵敏度并不高。

1988年，法国巴黎大学物理学家Albert Fert等在交替重叠的磁性铁膜和非磁性铬膜(Fe/Cr)所制成的磁性金属多层膜中，当铬层的厚度为9埃而此时相邻铁层之间处于反铁磁耦合，意外地发现这种结构材料的电阻在磁场中，竟然可以降低一半以上。如此大的变化率是以前在NiFe合金中发现的AMR效应的几十倍。于是将其命名为巨磁电阻(Giant Magneto Resistance)效应，简称GMR。所谓的反铁磁性耦合就是说相邻铁磁层的磁矩(M)通过Cr层而相互作用并且处于反平行分布。外加磁场首先影响相邻磁性的磁矩分布，使相邻磁矩之间的夹角随外加磁场而改变。正是相邻磁矩之间夹角的改变才导致电阻(R)随外加磁场(H)的变化。GMR效应的物理机制是起源于界面处电子自旋相关散射。

巨磁电阻现象发现后，1992年又发明自旋阀(SV)型多层膜结构，简单自旋阀结构由钉扎层、被钉扎层、非磁间隔层、自由层等组成。其中钉扎层是反铁磁层(AFM)、被钉扎层与自由层均是铁磁层(FM)、非磁间隔层(NM)一般由铜、金、银等非磁材料构成。如果钉扎层在非磁间隔层的上方称为顶自旋阀；如果钉扎层在非磁间隔层的下方称为底自旋阀。被钉扎层也可以是一个FM/NM/FM三明治结构，因为此时被钉扎层中靠近非磁间隔层的铁磁层中的磁化方向与外磁场(钉扎场)方向反向平行，故称为反平行自旋阀。典型的自旋阀材料的MR约4～6％，电阻变化基本上在零场附近。由于它的磁场灵敏度高(比半导体磁阻型磁传感器的灵敏度高1～2个数量级)，热稳定性好，制备简单而广泛应用在计算机硬盘驱动器的读出磁头、随机存储器等磁记录装置，使存储密度提高到几十Gb/平方英寸。但将自旋阀巨磁电阻材料应用于验钞机磁头传感器，检验纸币真伪，目前在国内外尚未见报道。

一般的自旋阀结构，自由层是由CoFe、NiFe等材料组成，矫顽力较高。这类材料的自旋阀主要用于计算机硬盘驱动器的读出磁头，由于读出头是以脉冲方式工作对矫顽力的要求并不太高，但是如果用于验钞机传感器矫顽力的影响就必须考虑。

发明内容：

本发明的目的就是为了解决以上问题，提供一种自旋阀巨磁电阻及含有该巨磁电阻的验钞机磁头传感器，降低自旋阀巨磁电阻的矫顽力，并增加验钞机磁头传感器灵敏度高、成品率，降低成本低。

为实现上述目的，本发明提出一种自旋阀巨磁电阻，包括钉扎层、被钉扎层、非磁间隔层和自由层，所述的自由层含有NiFeMoMn材料。及一种验钞机磁头传感器，它包括电极和磁传感器，其特征是：所述的磁传感器为自旋阀巨磁电阻，该自旋阀巨磁电阻包括钉扎层、被钉扎层、非磁间隔层和自由层，所述自由层含有镍铁钼锰合金。

由于采用了以上的方案，我们选用了镍铁钼锰合金(NiFeMoMn，国内多个单位生产)材料代替了自由层中的NiFe，得到了低矫顽力的自旋阀巨磁电阻材料，即满足了磁场传感器的特殊需要。这种自旋阀巨磁电阻可以用来制作验钞机磁头传感器及其他磁场传感器。由于自旋阀巨磁电阻灵敏度高，能减少由于化合物半导体材料磁传感器成品率低的问题，还能削减附加电路中的构成零件，因此能进一步改善验钞机磁头的性能，提高生产效率，降低生产成本。

附图说明：

图1是简单自旋阀结构示意图；

图2本发明自旋阀巨磁电阻材料的磁滞回线特性曲线图；

图3a是本发明验钞机磁头传感器的原理图；

图3b是本发明验钞机磁头传感器的输出检测信号波形图；

图4是本发明验钞机磁头传感器第一种实施例的示意图；

具体实施方式：

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示为本发明自旋阀结构，它包括钉扎层1、被钉扎层2、非磁间隔层3和自由层4。在自旋阀结构的自由层中，使用了低矫顽力的铁磁材料NiFeMoMn，从而得到了一种有较低矫顽力的自旋阀巨磁电阻材料。它可满足磁场传感器的特殊需要。这种材料可以用来制作验钞机磁头传感器及其他磁场传感器。目前，在国际上尚未见到在自旋阀结构中使用NiFeMoMn材料的报道。

如图2所示为本发明自旋阀巨磁电阻材料的磁滞回线特性曲线图。该材料磁场灵敏度高达7％/Oe，矫顽力比自由层含CoFe、NiFe材料的自旋阀有明显降低，是制作磁传感器的理想材料；本发明用于顶自旋阀、底自旋阀、反平行顶自旋阀和反平行底自旋阀均取得较好效果。

如图3a所示，验钞机磁头传感器包括第一测量电阻(R1)和第二测量电阻R2，第一测量电阻(R1)和第二测量电阻R2为自旋阀巨磁电阻，二者之间的距离可根据要求选择。如图4所示，为了降低矫顽力和有效调整输出信号曲线的特性，第一测量电阻(R1)、第二测量电阻R2分别由两个相同的磁阻条5、6、7、8并联组成，且第一测量电阻(R1)和第二测量电阻R2在结构上对称，即磁阻条个数及形状相同。磁阻条的宽度是1～90微米，两并联磁阻条的之间的间距9、11为1～100微米。第一测量电阻(R1)、第二测量电阻R2的邻近磁阻条的间距10为3微米～1毫米。

用多个窄条代替一个宽条能起到降低矫顽力的作用。但是，选择较细的磁阻条会降低磁电阻的对磁场的灵敏度。因此，要综合考虑选择测量电阻(R1)(或R2)中磁阻条的宽度与数量；

第一测量电阻(R1)或第二测量电阻R2中磁阻条的间距9、11的宽度与两个因素有关，一个是被测物的尺度，另一个是磁阻条本身的宽度。一般来说，为了保证测量电阻的灵敏度，对微观尺度的被测物体，磁阻条的间距9、11的尺度应该与被测物体的尺度相当；对宏观尺度的被测物体，磁阻条的间距9、11的尺度应该与被磁阻条的宽度相当。

对于本发明，第一测量电阻(R1)或/和第二测量电阻R2也可以由两个以上的磁阻条并联组成，磁阻条的大小与间距并不要求完全一致，只要(R1)与R2的结构满足对称关系(即磁阻条个数及形状相同)即可。

由于发明验钞机磁头传感器是由自旋阀巨磁电阻材料制成的。这个发明克服了传统验钞机的电感式磁头或者化合物半导体磁传感器的缺点，具有灵敏度高、热稳定性好、不受外界应力的影响、抗干扰性强、结构简单坚固，可适用于非接触式或接触式验钞机，既可以用于动态检测，也可以用于静态检测。

如图3a所示，由自旋阀巨磁电阻(GMR)制成的验钞机磁头传感器的工作原理：当被检测的物体带有磁性标记物时，当它依次通过验钞机磁头传感器的第一测量电阻(R1)、第二测量电阻R2的磁阻条时，通过适当调整两磁阻条的间距10，在输出端产生一个类似正弦曲线的输出信号，如图3b所示，这个输出信号经过放大、比较电路，即可判断纸币的真伪。图3a中，12为输入端，13为输出端；图3b中，X为移动距离，Y为输出电压。

图4为一个实施例，第一测量电阻R1和第二测量电阻R2分别由两个较细的磁阻条5、6和7、8并联，见图4所示的结构。磁阻条的长宽相等，宽度为6微米，两磁阻条的间距9、11相等为6微米；第一测量电阻R1与第二测量电阻R2邻近的两个磁阻条的间距10为30微米。

Claims (9)

1.一种自旋阀巨磁电阻，包括钉扎层、被钉扎层、非磁间隔层和自由层，其特征是：所述的自由层含有镍铁钼锰合金。

2.如权利要求1所述的自旋阀巨磁电阻，其特征是：所述巨磁电阻由两个或多个磁阻条并联组成。

3.如权利要求2所述的自旋阀巨磁电阻，其特征是：所述巨磁电阻磁阻条为两个相同的磁阻条；磁阻条的宽度是1～90微米，两并联磁阻条的之间的间距(9、11)为1～100微米。

4.如权利要求1或2所述的自旋阀巨磁电阻，其特征是：所述的自旋阀为顶自旋阀、底自旋阀、反平行顶自旋阀或反平行底自旋阀

5.一种验钞机磁头传感器，包括电极和磁传感器，其特征是：所述的磁传感器为自旋阀巨磁电阻，该自旋阀巨磁电阻包括钉扎层(1)、被钉扎层(2)、非磁间隔层(3)和自由层(4)，所述自由层含有镍铁钼锰合金。

6.如权利要求5所述的验钞机磁头传感器，其特征是：所述的自旋阀巨磁电阻包括第一测量电阻(R1)和第二测量电阻(R2)，且它们之间的有一定间距(10)。

7.如权利要求6所述的验钞机磁头传感器，其特征是：所述的第一测量电阻(R1)和第二测量电阻(R2)两者之一或全部由两个或多个磁阻条并联组成，且第一测量电阻

(R1)

和第二测量电阻(R2)在结构上对称，即磁阻条个数及形状相同。

8.如权利要求7所述的验钞机磁头传感器，其特征是：第一测量电阻(R1)、第二测量电阻(R2)分别由两个相同的磁阻条(5、6、7、8)并联组成，磁阻条的宽度是1～90微米，两并联磁阻条的之间的间距(9、11)为1～100微米；第一测量电阻(R1)

第二测量电阻(R2)的邻近磁阻条的间距(10)为3微米～1毫米。

9.如权利要求5、6、7或8所述的验钞机磁头传感器，其特征是：所述自旋阀为顶自旋阀、底自旋阀、反平行顶自旋阀或反平行底自旋阀。

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