磁电阻传感器.docx

磁电阻传感器.docx

《磁电阻传感器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁电阻传感器.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

磁电阻传感器

第二章磁电阻效应及磁电阻传感器

早在1857年，W.Thomson首先发现了铁磁多晶体的各项异性磁电阻（AMR,AnisotropicMagnetoresistance）[16]，但磁电阻变化率较小。

1988年，在法国巴黎大学物理系Fert教授科研组工作的巴西学者M．N．Baibich研究Fe／Cr磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发现了巨磁电阻（giantmagnetoresistance缩写为GMR）效应[5]，即材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象。

由于磁电阻率随外磁场的增加而下降，所以是负磁电阻效应。

这一发现，引起了许多国家科学家的关注。

继后，Parkin采用十分普遍的磁控溅射设备，成功地制备了Fe／Cr，Co／Cr，Co／Ru，Co／Cu等多层膜。

在多层膜巨磁电阻研究的启发与促进下，1992年Berkowitz和C．LChien分别独立地发现在Co／Cu颗粒膜中同样存在巨磁电阻效应。

1993年Helmolt等人在La2/3Ba1/3MnOx类钙铁矿铁磁薄膜中观察到室温巨磁电阻比率高达60％。

1994年在类钙铁矿La-Ca-Mn-O系列中发现了特大磁电阻（colossalmagnetoresistance）效应，缩写为CMR。

1995年Miyazak等人发现Fe/Al2O3/Fe隧道结室温巨磁电阻效应可达18％。

1996年在Co（Ni）-SiO2颗粒膜中同样发现了具有隧道效应的巨磁电阻效应。

目前，国内外许多研究人员纷纷从实验上和理论上对GMR进行了深入探讨，在短短的几年中就获得了引人注目的研究成果，为磁电子学的发展奠定了基础。

2.1不同结构类型的巨磁电阻效应

2.1.1多层膜巨磁电阻效应

所谓多层膜就是由铁磁层和非铁磁层（Fe／Cr）N交替沉积而形成的（N为周期数），最初是采用分子束外延生长法在超高真空中制备的。

每分钟才形成一个单原子层，显然它不仅制备缓慢，而且相当昂贵，限制了对它的研究。

1990年S．S．P．Parkin等人采用了十分普通的磁控溅射设备，制备了（Fe／Cr）N，（Co／Ru）N等多层膜，观察到了巨磁电阻现象。

由于设备简单，价格低廉，效率高，推进了GMR的研究。

继后，他们对Fe，Ni，Co金属及合金与非磁金属多层膜的巨磁电阻效应进行了广泛的研究，在Fe／Cr，Fe／Mo，Fe／Cu，Fe／Ag，Co／Cu，Co／Ag，Co／A1，Co／Ru，FeNi／Ag，NiFe／Cu，CoFe／Cu等多层膜系统[6][7]中均发现了巨磁电阻效应。

（Fe／Cr）N等多层膜巨磁电阻效应的发现，无论是在基础研究还是在应用研究中均开拓了许多新的研究领域。

巨磁电阻效应的机制依据于英国著名物理学家N．F．Mott提出的铁磁性导电理论，即二流体模型。

Mott认为在铁磁金属中，导电的S电子要受到磁性原子磁矩的散射作用（即与局城的d电子作用）。

散射的几率取决于导电的S电子自旋取向与固体中磁性原子磁矩方向的相对取向。

当自旋方向与磁矩方向相同时，传导电子很容易地穿过许多磁层而只受到很弱的散射作用；反之，传导电子在每一磁层都要受到很强的散射作用，即有一半传导电子处于低电阻通道，从宏观上看，多层膜处于低电子状态，这样就产生了GMR现象。

这种描述是比较粗的，实际上只考虑了电子在磁层内部的散射，即体散射。

然而磁层与非磁层之间界面处的自旋相关散射，有时更为重要，尤其在一些GMR较大的多层膜系统中，理论和实验都证明，多数情况下，巨磁电阻效应来自于界面散射作用。

上述多层膜巨磁电阻效应均指电流处于膜面内，称为CIP（Currentintheplanes），电流也可以垂直于多层膜，称为CPP（Currentperpendiculartotheplanes）。

这时传导电子必须穿越所有层和界面，经受多得多的自旋相关的杂质和缺陷的散射。

实验和理论都证实，在CPP情况下的巨磁电阻效应大于CIP情况下约4倍。

当前，多层膜的主研方向是尽力提高磁场灵敏度，降低饱和磁场强度，尤其在作为高密度读出磁头，随机存储器时，磁场灵敏度是十分重要的参数，解决问题的途径之一是采用自旋阀结构（SpinValve）[7][8]；另一个途径是将多层膜在合适的温度下退火，使其成为间断膜类似于颗粒膜，使层间产生偶极矩的静磁偶合。

自旋阀的结构是由钉扎层和隔离层构成的，为了防止氧化，一般最后在表面再镀一层保护层，其中钉扎层选取自旋相关效应较大的材料，而自由层则选取矫顽力较小的软磁材料。

2.1.2颗粒膜的巨磁电阻效应

颗粒膜（Granularfilms）是指微颗粒弥散于薄膜中所构成的复合薄膜。

它具有微颗粒与薄膜双重特性及其交互作用效应，一般是采用共蒸发、共溅射、离子注入或化学工艺制备而成，改变其组成比例，控制颗粒大小、分布、形状等可以调节颗粒膜的声、光、电、磁等性质。

它比多层膜容易制备，成本低，具有广泛的应用前景。

1992年Berkowitz和CL．Chien分别独立发现了Co／Cu颗粒膜中存在着巨磁电阻效应，其值为负，且为各向同性[9][10][11]。

目前颗粒膜GMR的研究主要是两大系列：

一是银系Co-Ag，FeNi-Ag等；二是铜系，如Co-Cu，FeCo-Cu等。

这些都是Fe，Co等微粒镶嵌于Ag，Cu薄膜中而构成Fe-Ag，Co-Cu等颗粒膜。

研究表明，颗粒膜GMR效应除了取决于组成外，还与微结构密切相关，如它与磁性颗粒直径成反比，即与颗粒的表面积成正比。

当颗粒尺寸与电子平均自由程相当时，巨磁电阻效应最显著。

其机制的理论解释与多层膜一样，认为与自旋相关散射有关，并以界面散射为主。

颗粒膜与多层膜二者都属于二相或多相复合不均匀体系，但颗粒膜制备简便，重复性高，热稳定性好，颗粒膜存在的问题是饱和磁场高于多层膜，所以当前的研究方向主要是降低饱和磁场，提高磁场灵敏度。

磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻效应通常用GMR表示。

2.1.3钙铁矿型氧化物的磁电阻效应

稀土锰氧化物REMnO3（RE＝La，Pr，Nd，Cd，Sm等稀土元素）具有钙铁矿晶体结构，一般情况下为非导体，并具有反铁磁性。

当RE被二价碱土金属元素部分代替后，形成掺杂稀土锰氧化物RE1-xTxMnO3：

（T＝Ca，Sr，Ba，Pb）。

1993年Helmo1t等人在类钙铁矿结构La2/3Ba1/3MnOx铁磁薄膜中观察到磁电阻效应[12]，从而大大地推进了磁性氧化物输运过程的研究，因为它表明，巨磁电阻效应的研究由金属、合金推至氧化物材料。

1994年Jin等人发现在LaAlO3单晶基片上外延生长的La1-xCaxMnO3薄膜，77K，6T磁场下，具有特大磁电阻效应，由类钙铁矿结构La1-xMxMnO3（M＝Sr，Ca，Ba，Pb等二阶金属离子）系氧化物，人们发现在一定的温度范围磁场使其从顺磁性或反铁磁性转变为铁磁性，而且在磁性转变的同时氧化物从半导体的导电性转变为金属性，从而使其电阻率发生了巨大的变化，高达几个数量级[13][14]。

目前，人们对稀土锰氧化物进行了大量的研究，主要表现为2个方面：

即改变La1-xTxMnO3中的x，或掺杂不同的碱土金属，即改变La1-xTxMnO3中的T，除钙铁矿结构Mn系和Co系氧化物外，1996年日本NEC公司Shimakawa等人在具有焦绿石结构的Tl2Mn2O7-δ中发现了CMR。

由于需要数10kOe的外磁场，且在特定的温度附近较小的范围内才能发生电阻率的巨大变化，所以它的应用问题尚需进一步探讨。

钙铁矿型氧化物磁电阻效应比多层膜和颗粒膜系统的磁电阻效应大得多，所以具有强烈的应用前景。

其存在的问题是，它通常需要数l0kOe的外磁场且在较小温区以内才存在的电阻率的巨大变化，随温度变化太剧烈，饱和磁场高。

实验发现，它的输运性质、磁性质和晶体结构三者有着密切的联系。

理论和实验都表明，这类氧化物磁电阻效应的微观机制至今尚未清楚，而且还知道，CMR的机制和GMR的机制有着本质的不同。

因为它是一个极为复杂的量子系统，必须综合考虑。

如传导电子—局域自旋之间、传导电子—传导电子之间、传导电子—声子之间的相互作用等。

有人提出用磁极化子理论进行解释，但仍有一些实验现象不能解释，需要进一步探讨。

氧化物铁磁体的特大磁电阻效应，一般用CMR表示。

2.1.4铁磁薄膜隧道结巨磁电阻效应

20世纪70年代，J.C.Slonczewski提出了铁磁金属／非磁绝缘体／铁磁金属（FM／I／FM）隧道结。

当两铁磁层磁化方向平行及反平行时，FM／I／FM隧道结将具有不同的电阻值。

因此，FM／I／FM构型原则上可以看作自旋极化滤波器，它只允许一种自旋通过，J.C.Slonczewski称为磁阀效应。

同年，Julliere在Fe／Ge／Co隧道结中观察到了这一现象，这种因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其电阻变化的现象称为隧道磁电阻（缩写为TMR）效应[15]。

1995年FM／I／FM隧道结的研究有了突破性进展，Miyazaki[16]等人发现Fe／Al2O3／Fe磁隧道结在室温几mT外磁场下TMR达15．6％，低温下为23％。

总之，人们利用多种实验方法和工艺进行了多种材料的研制。

2.2巨磁电阻GMR传感器及其原理[17][18]

2.2.1巨磁电阻传感器

磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向和变化等。

磁传感器的品种很多，磁电阻传感器是其中的一类。

传统磁电阻传感器主要有半导体（In，Sb）及软磁合金两种，半导体磁电阻元件具有MB大及线性度好的优点，但所需磁场较高，温度稳定性较差；软磁合金薄膜元件饱和场低，故低场灵敏度高，但其MR数值不高。

GMR元件具有巨大的GMR值和较大的磁场灵敏度等特点，用来替代传统磁电阻传感器，可大大提高传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标。

特别是在微弱磁场的传感器方面，则显示出了更大的优越性。

在GMR传感器以前，人们使用的磁电阻传感器主要是利用AMR效应材料。

AMR材料制成的传感器，具有体积小、灵敏度高、阻抗低、抗恶劣环境、价格低廉等优点。

但由于AMR磁电阻率变化小，在检测微弱磁场时受到限制。

利用GMR效应的传感器继承了AMR传感器的优点，并且，由于GMR磁电阻变化率大，使它能传感微弱磁场，扩大了磁电阻传感器的测量范围和应用面，呈现出广阔的应用前景。

采用GMR材料制作磁性旋转编码器，除具有灵敏度高、准确性好的特点外，还具有耐高温、耐腐蚀等恶劣环境的能力，可替代耐恶劣环境能力差的光电式编码器，被广泛用于汽车电子技术、机电一体化控制等领域。

当今在家用电器、汽车和自动控制方面涉及到的角度、转速、加速度、位移等物理量均可以利用GMR磁传感器制成的高灵敏度、高分辨率的磁传感器件来控制。

由于磁传感器灵敏度不受物体变化速度的影响，再加上抗恶劣环境和长寿命的优点，使其在各类运动传感器中有极大的竞争力。

如在先进的录象机中，采用磁电阻传感器精密地控制其转速的变化，如录象机精密齿节MB传感器（FPM），采用GMR材料后，其灵敏度提高6倍，可分辨15µm的磁齿节。

在汽车工业中使用磁传感器监控转速，以改变汽车刹车的抱死系统（ABS），为此，著名的福特和丰田公司均投入巨资支持GMR的研究。

GMR传感器也可用于公路上无人驾驶系统、收费系统和卫星定位系统。

GMR还可以制成安全检查设备、电子罗盘等。

最近开发了一种对磁标记的生物样本进行检测的GMR生物传感器。

把磁性颗粒表面包一层合适的抗体，这种抗体只与特定的被分析物（如病毒，细菌等）结合，则这些磁性颗粒可被用作生物示踪。

把由磁性颗粒组成的检测溶液分散到装有GMR传感组件的集成电路芯片上，GMR传感器组件本身也包上同样的抗体。

溶液中的被分析物就会与传感器结合，并带上磁标记。

磁标记的磁边缘场对GMR组件产生作用并改变其电阻。

通过检测这些GMR组件的电性能，就能够直接进行检测溶液中的被分析物的浓度等方面的分析。

GMR传感器有广阔的应用领域和开发前景。

2.2.2巨磁电阻传感器原理

2.2.2.1巨磁电阻传感器原理

巨磁电阻GMR传感器是利用电阻的变化来反映磁场的变化，图2-1是一个巨磁材料在外加磁场作用下电阻与外加磁场的关系图。

从图2-1可以看出对应不同的磁场强度有不同的电阻值，但存在二度

对称，即对于磁场方向与材料敏感方向平行或反平行时不能区分。

如果在

材料上事先加一个偏置磁场，那么平行与反平行的情况就能区分出来了。

同时从图中可以看出由于矫顽力的原因对应同一磁场有两个电阻值。

如果采用一个磁电阻来确定磁场的大小，由于矫顽力一定会带来较大的误差。

而采用多个磁电阻构成惠斯登电桥能在很大程度上减小该误差，具体的分析在本章的后续章节中。

为了解决二度对称的问题，该次研制所采用的磁电阻的特性如图2-2所示，该磁电阻采用了磁场偏置技术。

该磁阻的电阻在-4guass~+4guass之间是线性变化的，而地磁场的平均值为0.5gauss左右[30]，这样就可以从电阻的大小得出地磁场的大小与方向了。

同时从图中可以看出同样存在矫顽力的影响，即对应同一磁场有两个不同的电阻值。

但地磁场的值较小，如果该材料始终处在地磁场所在的磁场中时，将不能达到磁饱和，这样矫顽力比图示的矫顽力要小得多，如图2-3所示，这样矫顽力的影响将减小。

但是如果直接采用单个巨磁电阻组成传感器来采集地磁场信号有两个主要缺点，一是磁场变化信号较弱，不便于采集；二是受环境温度影响较大。

试验中传感器采用的是惠斯登电桥的结构。

图2-3不同磁场下矫顽力大小不同

2.2.2.2惠斯登电桥的分析

惠斯登电桥是许多电阻传感器采用的结构，该结构具有以下几个优点：

①电阻都用巨磁材料做成，温度系数一致，可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响；②采用敏感方向相反的两组来构成惠斯登电桥，使输出信号的幅度增大为原来的两倍，增加了传感器的灵敏度；③针对巨磁电阻传感器的特性，采用该结构可以减小甚至消除矫顽力的影响。

关于惠斯登电桥的分析如下，如图2-4所示。

工作时图中电压输入端接稳压电源，输出端在外磁场作用下输出电压信号，该电压信号直接反映了磁场的强弱。

如果考虑电桥输出端的负载

，电压输出为

电桥电路通常连接有高输入阻抗放大器做后级放大,因而可以认为

很大，此时电桥输出开路，输出电压为

输入电阻为

输出电阻为

电桥的平衡条件为

，当电桥平衡时，输出电压为零。

当电桥四个臂的电阻发生改变而产生增量

、

、

、

时，打破电桥的平衡，输出电压为

若取

时

当=1时，输出灵敏度最大，此时有：

（式2-1）

如果

，此时输出灵敏度最高而非线性误差最小，因此在应用中多采用四等臂电桥。

从式2-1可以看出：

1惠斯登电桥可以减小温度的变化带来的影响。

由于四个电阻的材料相同，电阻变化率相同，从式2-1中可以看出温度变化的影响互相抵消了；

2惠斯登电桥可以增强了传感器的灵敏度。

如果为四等臂电桥，式2-1的输出是单个电阻输出的两倍,提高了灵敏度。

关于电桥可以减小矫顽力的影响的分析如下：

因为传感器采用了两个磁敏感方向相反、零磁电阻相等的巨磁电阻，所以当把传感器在水平面内匀速转动的话，两个巨磁电阻上的磁场变化如图2-4所示（正负为相对于磁敏感方向，正则为与敏感方向相同，负则为相反）。

图2-4

图2-5磁滞回线

结合图2-4、图2-5和式2-1，在图2-4OA段当其中一个巨磁电阻的磁场逐渐增大，另一个则反向增大，则在图2-5中可以看出虽然两条磁滞回线与中心的虚线（认为是理想的磁化曲线）不重合，但两者基本以理想的磁化曲线为中心对称，据式2-1，两者对称的结果就是矫顽力的影响基本被抵消了，因此采用惠斯登电桥的结构有利于减小矫顽力的影响，提高传感器的精度。

利用巨磁电阻（GMR）效应研究开发的巨磁电阻（GMR）传感器，具有体积小、灵敏度高、线性好、线性范围宽、响应频率高、使用温度特性好、可靠性高、成本低等特点。

2.2.3采用的GMR传感器

项目采用了GMR传感器，来源是深圳市华夏磁电子技术开发有限公司的SS301芯片。

该芯片基于GMR技术采用“5次曝光2次镀膜1次刻蚀”工艺制作成两个磁敏感方向相反，零磁电阻相等的巨磁电阻。

芯片结构如图2-6所示。

图2-6中箭头方向为此磁电阻敏感方向，当MR1和MR2感测到磁敏感方向的磁场时，其电阻会改变。

由于R1和R2敏感方向相反，当检测单一外场时（如地磁场），势必会出现R1增加R2减小（或R1减小R2增加）。

磁电阻的磁特性见表4-1。

当检测地磁场时，一般采用惠斯通电桥通过直流耦合的方式。

故在采用SS301制作电子指南针时需外加两个匹配的电阻组成惠斯通电桥。

下表所示为SS301的基本参数。

参数

最大值

最小值

典型值

工作电压（V）

12

5

5

单边零电阻（）

500

450

475

零磁电阻不对称性（%）

2.5

0

0.5

中心耦合磁场（Oe）

0

0

饱和磁场（Oe）

4.0

-4.0

磁电阻率（%）

4.5

4

4.2

矫顽磁场（Oe）

2.0

1.0

1.5

电阻温度稳定性（%/OC）

+0.12

磁电阻温度稳定性（%/OC）

0.001

噪声电压（V）

40

表4-1传感器的各项参数